提高最大氣泡法測定溶液表面張力準確性研究

宋建華，陳玉瑩

(廣州大學化學化工學院，廣東 廣州 510006)

《物理化學實驗(第二版)》[1]采用最大氣泡壓力法測定溶液表面張力。本文在本校47名學生中展開一次有關最大氣泡壓力法測表面張力實驗的調查，發現學生存在如下困惑：

(1)讀數方式存在兩種差異：數字微差壓力計顯示的最負數值取絕對值，也即是最大值；次小負數值取絕對值，即次大值。在93.62%選擇最大值的學生中，當最大值出現一次，次大值出現多次時，有27.27%學生改讀次大值而不讀最大值。故產生兩種有關讀數的結果差異。

(2)記錄的示數是否為最大值所需時間不確定，導致整個實驗完成時間過長，不能有效地控制課堂教學時間。

(3)超過60%的學生所得結果誤差在10%以上。實驗最難操作的環節是氣泡的調節速度。

因此，哪種讀數所得結果更精確、最大附加壓強差ΔP是如何變化、ΔP與氣泡間的關系、氣泡逸出速度的不同是否對結果產生影響等問題具有探究意義。本文查閱了一些代表性的文獻[2-10]得出較為合理，準確，可行性的實驗方案，對于本科生實際操作具有指導意義。

1 實驗步驟

1.1 實驗所需溶液制備

(1)用吸量管分別準確量取0.5 mL、2.5 mL、5.0 mL、7.5 mL、10.0 mL、12.5 mL、15.0 mL、17.5 mL、20.0 mL、22.5 mL、25.0 mL的正丙醇于50 mL的容量瓶中，準確配制體積分數為1.0%、5.0%、10.0%、15.0%、20.0%、25.0%、30.0%、35.0%、40.0%、45.0%、50.0%的11個標準正丙醇溶液。

(2)用吸量管與量筒分別粗略量取5 mL、10 mL、15 mL、20 mL、25 mL、30 mL、35 mL、38 mL、40 mL、45 mL的正丙醇于100 mL的容量瓶中，配成10個待測正丙醇溶液。

1.2 工作曲線的測定

用阿貝折光儀分別測定11個標準正丙醇溶液的折射率。

1.3 待測樣品折射率的測定

用阿貝折光儀分別測定10個待測正丙醇的折射率，從工作曲線查出對應的濃度V(%)值。

1.4 儀器常數k的測定

(1)加入適量重蒸水于樣品管中，調節液面與毛細管下端管口相切。

(2)調節滴液漏斗滴水速度使氣泡逸出速率每分鐘8～12個氣泡，記錄多組數據與多個循環。

1.5 待測樣品的ΔPmax測定

在樣品管中加待測液，重復1.4步驟(2)測定各個未知濃度待測液的ΔPmax值。

1.6 出泡速率的影響

調節氣泡逸出速率分別為每分鐘5、10、15、20個氣泡，讀出數字微壓式微壓差測量儀讀數，。其余步驟與1.4、1.5步驟一致，探究出泡速率對ΔPmax值的影響。

1.7 溫度的影響

改變恒溫槽溫度分別為42 ℃、47 ℃、52 ℃、57 ℃、62 ℃、67 ℃、72 ℃、77 ℃、82 ℃，重復上述步驟，探究溫度對ΔPmax值的影響。

2 實驗數據處理及結果分析

2.1 最大值與次大值的探究

由表1可知，讀取最大值時誤差更小，準確度更高，故壓力計讀數建議采用最大值。

表1 兩種讀數下正丙醇Γ∞與A誤差對比

2.2 氣泡個數與ΔPmax值的關系

以下是重蒸水與10個正丙醇待測液的多個循環內ΔP值變化過程，以待測液B(圖1)為例：

圖1是1分08秒內待測液B的ΔP值變化過程。

在每個循環內，ΔP值的示數個數，即ΔP由最小到最大值間出現的數據個數為10～13個，即約68÷11÷13=0.48 s出現一個數據點。

圖1 待測液B的ΔP值變化圖

圖2 不同溫度下正丙醇溶液ΔPmax值變化圖

其次1分08秒內一共逸出11個氣泡，ΔP出現11次最大值，兩者數值相等。說明氣泡個數與ΔPmax存在線性關系，氣泡逸出個數等于最大值個數。

同時這段時間內氣泡是單個且均勻、平穩且勻速地逸出，而最大值- 0.435出現了七次，說明只要氣泡調得好，最大值ΔPmax就會有規律地重復出現。

2.3 出泡速率的影響

由表2可知，每分鐘5～15個氣泡的逸出速度下測得的實驗結果誤差較小，所得A與文獻值(2.74～2.89)×10-19m2更為接近。出泡速率過快會導致因最大值跳躍過快而觀察不清楚令數據可信度不高的情況，或者測壓計還未穩定、未準確讀到最大壓強差點；出泡速率過慢則會產生ΔP值的循環太少以致ΔPmax值的讀數不準確。

表2 不同出泡速率下正丙醇Γ∞與A數據表

2.4 溫度的影響

在各溫度下ΔPmax值均呈下降趨勢，說明表面張力一直在減小。與37 ℃相比(見圖2)，62 ℃時曲線最陡，斜率相差最大，下降趨勢最明顯。說明升高溫度，斜率變大，讀數差別越大，ΔPmax值相差越大，表面張力下降得越厲害。而σ減小的原因之一則是增大正丙醇濃度，吸附在氣液界面上的正丙醇分子變多，表面的極性也逐漸減小[5]。

3 結 論

(1)測得19 ℃時正丙醇的最大吸附量Γ∞=5.082×10-6mol·m-2，分子近似橫截面積A=3.269×10-19m2，文獻值各種直鏈醇的分子截面積為(2.74～2.89)×10-19m2，相對誤差為13.1%。

(2)ΔP讀取出現次數最多的最大值時結果更加準確，誤差更小。

(3)最大附加壓強差呈規律性重復變化。

(4)當出泡速率為每分鐘5～15個時，ΔPmax值準確度更高，計算結果誤差更小。

(5)在37～62 ℃范圍內，溫度越高，ΔPmax值相差越大，表面張力下降趨勢越明顯。