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1、表面张力测定2022/10/10第1页,此课件共16页哦1 实验目的及要求1.1.掌握最大气泡法测定表面张力的原理和技术。掌握最大气泡法测定表面张力的原理和技术。2.通过对不同浓度正丁醇溶液表面张力的测定,加深对表面通过对不同浓度正丁醇溶液表面张力的测定,加深对表面张力、表面自由能和表面吸附量关系的理解。张力、表面自由能和表面吸附量关系的理解。2022/10/10第2页,此课件共16页哦2 实验原理 图图1 1 分子间作分子间作用力示意图用力示意图 在液体的内部任何分子周围的吸引力在液体的内部任何分子周围的吸引力是平衡的。可是在液体表面层的分子却不是平衡的。可是在液体表面层的分子却不相同。因为
2、表面层的分子,一方面受到液相同。因为表面层的分子,一方面受到液体内层的邻近分子的吸引,另一方面受到体内层的邻近分子的吸引,另一方面受到液面外部气体分子的吸引,而且前者的作液面外部气体分子的吸引,而且前者的作用要比后者大。因此在液体表面层中,每用要比后者大。因此在液体表面层中,每个分子都受到垂直于液面并指向液体内部个分子都受到垂直于液面并指向液体内部的不平衡力(如图的不平衡力(如图l l所示)。所示)。2022/10/10第3页,此课件共16页哦2 实验原理这种吸引力使表面上的分子向内挤促成液体的最这种吸引力使表面上的分子向内挤促成液体的最小面积。要使液体的表面积增大就必须要反抗分小面积。要使液
3、体的表面积增大就必须要反抗分子的内向力而作功增加分子的位能。所以说分子子的内向力而作功增加分子的位能。所以说分子在表面层比在液体内部有较大的位能,这位能就在表面层比在液体内部有较大的位能,这位能就是表面自由能。通常把增大一平方米表面所需的是表面自由能。通常把增大一平方米表面所需的最最大功大功A或增大一平方米所引起的表面自由能的变化值或增大一平方米所引起的表面自由能的变化值G称为称为单位表面的表面能其单位为单位表面的表面能其单位为Jm-3。而把液体限制其表面及而把液体限制其表面及力图使它收缩的单位直线长度上所作用的力,称为表面张力图使它收缩的单位直线长度上所作用的力,称为表面张力,其单位是力,其
4、单位是N.m-1。2022/10/10第4页,此课件共16页哦2 实验原理液液体体单单位位表表面面的的表表面面能能和和它它的的表表面面张张力力在在数数值值上上是是相相等等的的。欲欲使使液体表面积增加液体表面积增加S时,所消耗的可逆功时,所消耗的可逆功A为:为:液液体体的的表表面面张张力力与与温温度度有有关关,温温度度愈愈高高,表表面面张张力力愈愈小小。到到达达临临界界温温度度时时,液液体体与与气气体体不不分分,表表面面张张力力趋趋近近于于零零。液液体体的的表表面面张张力力也也与与液液体体的的纯纯度度有有关关。在在纯纯净净的的液液体体(溶溶剂剂)中中如如果果掺掺进进杂杂质质(溶溶质质),表表面面
5、张张力力就就要要发发生生变变化化,其其变变化化的的大大小小决决定定于于溶溶质质的的本性和加入量的多少。本性和加入量的多少。2022/10/10第5页,此课件共16页哦2 实验原理 当加入溶质后,溶剂的表面张力要发生变化。根据能量最低原当加入溶质后,溶剂的表面张力要发生变化。根据能量最低原理,若溶液质能降低溶剂的表面张力,则表面层溶质的浓度应比溶理,若溶液质能降低溶剂的表面张力,则表面层溶质的浓度应比溶液内部的浓度大;如果所加溶质能使溶剂的表面张力增加,那么,液内部的浓度大;如果所加溶质能使溶剂的表面张力增加,那么,表面层溶液质的浓度应比内部低。这种现象为溶液的表面吸附。用表面层溶液质的浓度应比
6、内部低。这种现象为溶液的表面吸附。用吉布斯公式吉布斯公式(Gibbs)Gibbs)表示:表示:(3-126)式中:为表面吸附量式中:为表面吸附量(mol.mmol.m-2-2),为表面张力(为表面张力(J.mJ.m-2-2)。)。表示在一定温度下表面张力随浓度的改变率。即:表示在一定温度下表面张力随浓度的改变率。即:000,溶质能增加溶剂的表面张力,溶液表面层的溶质能增加溶剂的表面张力,溶液表面层的浓度大于内部的浓度,称为正吸附作用。浓度大于内部的浓度,称为正吸附作用。(1 1)2022/10/10第6页,此课件共16页哦2 实验原理(2 2)00,00,溶溶质质能能增增加加溶溶剂剂的的表表面
7、面张张力力,溶溶液液表表面面层层的的 浓度小于内部的浓度,称为负吸附作用浓度小于内部的浓度,称为负吸附作用。根据式,通过测定溶液的浓度随表面张力的变化关系可以求得不同根据式,通过测定溶液的浓度随表面张力的变化关系可以求得不同浓度下溶液的表面吸附量。浓度下溶液的表面吸附量。2022/10/10第7页,此课件共16页哦2 实验原理 如图是最大气泡法测如图是最大气泡法测定表面张力的装置。定表面张力的装置。待测液体置于表面张待测液体置于表面张力管中,使毛细管端力管中,使毛细管端面与液面相切,液面面与液面相切,液面随时毛细管上升。打随时毛细管上升。打开滴液漏斗缓慢滴水。开滴液漏斗缓慢滴水。此时,由于毛细
8、管液此时,由于毛细管液面所受压力大于表面面所受压力大于表面张力管液张力管液2022/10/10第8页,此课件共16页哦2 实验原理吸附量与浓度之间的关系可以用吸附量与浓度之间的关系可以用LangmuirLangmuir等温吸附方程式表示:等温吸附方程式表示:式中,式中,为饱和吸附量为饱和吸附量,k k为经验常数。将上式整理得:为经验常数。将上式整理得:以以c/c/对对c c 作作图图可可得得到到一一条条直直线线,其其斜斜率率的的倒倒数数为为。2022/10/10第9页,此课件共16页哦2 实验原理如果以如果以N N代表代表1 1m m2 2表面层的分子数,则表面层的分子数,则:式中式中,L L
9、为为AvogadroAvogadro常数,则每个分子的截面积常数,则每个分子的截面积A A为为:A=1/L 若已知溶质的密度,分子量M,就可计算出吸附层厚度 2022/10/10第10页,此课件共16页哦2 实验原理 面面所所受受压压力力,毛毛细细管管液液面面不不断断下下降降,将将从从毛毛细细管管缓缓慢慢析析出出气气泡泡。如如图图所所示示。在在气气泡泡形形成成的的过过程程中中,由由于于表表面面张张力力的的作作用用,凹凹液液面面产产生生一一个个指指向向液液面面外外的的附加压力附加压力P P,因此有以下关系:因此有以下关系:P大气=P系统+P图图3-783-78 气泡形成过程气泡形成过程 附加压力
10、与表面张力成正比,与气泡的曲率附加压力与表面张力成正比,与气泡的曲率半径半径R R成反比。成反比。2022/10/10第11页,此课件共16页哦2 实验原理 若毛细管管径较小,则形成的气泡可视为球形。气泡刚形若毛细管管径较小,则形成的气泡可视为球形。气泡刚形成时,由于表面几乎是平的,所以曲率半径成时,由于表面几乎是平的,所以曲率半径R极大;当气泡极大;当气泡形成半球形时,曲率半径形成半球形时,曲率半径R等于毛细管半径等于毛细管半径r,此时此时R值最小。值最小。随着气泡的进一步增大,随着气泡的进一步增大,R又趋增大,直至逸出液面。又趋增大,直至逸出液面。R=r时,时,附加压力最大:附加压力最大:
11、(3-1293-129)2022/10/10第12页,此课件共16页哦2 实验原理最大附加压力由数字微压差计读出。最大附加压力由数字微压差计读出。用数字微压差计可以直接度出压差的值(用数字微压差计可以直接度出压差的值(Pa).2022/10/10第13页,此课件共16页哦2 实验原理在在实实验验中中,使使用用同同一一支支毛毛细细管管和和压压差差计计,r/2为为常常数数(仪仪器器常常数数),用用K K表表示示,即即:=KP=KP 用用已已知知表表面面张张力力的的液液体体(水水)作作为为标标准准,可可以以测测得得仪仪器器常数常数K K,从而可以测定其它求知液体的表面张力。从而可以测定其它求知液体的表面张力。2022/10/10第14页,此课件共16页哦3 仪器与试剂恒温槽装置;数字微压差计;恒温槽装置;数字微压差计;滴液漏斗滴液漏斗1个;表面张力管个;表面张力管1 1支支毛细管支;毛细管支;烧杯烧杯;正丁醇(正丁醇(ARAR););2022/10/10第15页,此课件共16页哦4 实验步骤(实验课讲)2022/10/10第16页,此课件共16页哦
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