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    用氣泡壓力法、滴重法、毛細管升高法測定表面張力

    點擊次數(shù):4928    發(fā)布時間:2022-09-26 00:00:00

    界面張力界面張力界面張力表面張力的測定
    ——氣泡壓力法、滴重法、毛細管升高法
    摘要:利用已知蒸餾水的表面張力,通過氣泡壓力法、滴重法、毛細管升高法測定正丁醇、無水乙醇、環(huán)己烷的表面張力。
    關(guān)鍵詞:氣泡壓力法;滴重法;毛細管升高法
    一、實驗原理:
    1.氣泡壓力法測定表面張力:   
    其中,B是管端為毛細管的玻璃管,與液面相切。毛細管中大氣壓為P0。試管A中氣壓為P,當打開活塞E時,C中的水流出,體系壓力P逐漸減小,逐漸把毛細管液面壓至管口,形成氣泡。當氣泡在毛細管口逐漸長大時,其曲率半徑逐漸變小,氣泡達時便會破裂。此時氣泡的曲率半徑小,即等于毛細管半徑r,氣泡承受的壓力差也△P=P0-P=2γ/r
    此壓力差可由壓力計D讀出,故γ =r△P/2
    若用同一支毛細管測兩種不同液體,其表面張力分別為γ1、γ2,壓力計測得壓力差分別為△P1、△P2則:     
    γ1/γ2=△P1/△P2
    若其中一種液體的γ已知,例如水,則另一種液體的表面張力可由上式求得。
    2.毛細管身升高法(裝置如下圖所示):
    毛細管法測定表面張力儀器        毛細管表面張力示意圖
    當一根潔凈的,無油脂的毛細管浸進液體,液體在毛細管內(nèi)升高到h高度。在平衡時,毛細管中液柱重量與表面張力關(guān)系為:2πσrcosθ=πr2gdh
    σ=gdhr/2cosθ                (1)
    如果液體對玻璃潤濕,θ=0,cosθ=1(對于很多液體是這樣情況),則:
    σ=gdhr/2                      (2)
    式中σ為表面張力;g為重力加速度;d為液體密度;r為毛細管半徑。
         上式忽略了液體彎月面。如果彎月面很小,可以考慮為半球形,則體積應(yīng)為:
    πr3 -2/3 πr3 =1/3πr3
    從(2)可得:σ=gdr/2(h+1/3r)      (3)
    更些,可假定彎月面為一橢圓球。(3)式應(yīng)變?yōu)椋?br /> σ=gdhr/2(1+1/3(r/h)-0.1288(r/h)2+0.1312(r/h)3)   (4)
    3. 滴重法(裝置如右圖所示):
    從圖中可看出,當達到平衡時,從外半徑為r的毛細管滴下的液體重量應(yīng)等于毛細管周邊乘以表面張力,即:mg=2πσr         (5)
    式中m為液滴質(zhì)量;r為毛細管外半徑;σ為表面張力;g為重力加速度。
    事實上,滴下來的僅僅是液滴的一部分。因此(5)式中給出的液滴是理想液滴。經(jīng)實驗證明,滴下來的液滴大小是v/r3的函數(shù),即由f(v/r3)所決定(其中v是液滴體積)。(5)式變?yōu)閙g=2πσr f(v/r3)        (6)
    σ=mg/(2πσf(v/r3))=Fmg/r     (7)
    式(7)中的F是校正因子。如果測得滴下液滴體積及毛細管外徑,就可從表中查出校正因子F的數(shù)值。
    二、儀器和試劑:
    表面張力測定裝置一套;恒溫水槽一套;洗耳球一個;5mL、2mL移液管各一支;8個25mL容量瓶;無水乙醇,正丁醇,環(huán)己烷。約25厘米長、0.2毫米直徑的毛細管;讀數(shù)顯微鏡;小試管;250C恒溫槽。毛細管(末端磨平);稱量瓶。
    三、實驗步驟:
    (一)氣泡壓力法
    1、將恒溫水槽溫度調(diào)至(25±0.1)℃ 。
    2、在已洗凈的表面張力測定管中裝入適量的蒸餾水,使毛細管口與液面恰好相切,注意使測定裝置垂直放置。放入恒溫水槽中約5-8min,然后將其接入系統(tǒng),檢驗系統(tǒng)不漏氣,膠管內(nèi)不得有水。將滴液漏斗內(nèi)裝滿水,打開活塞,水慢慢滴出,使體系減壓。當減至一定程度,即有氣泡逸出,使氣泡形成的時間不少于5秒。當氣泡剛好脫離管口的瞬間,讀取數(shù)字壓力計顯示的值,連續(xù)測三次,取其平均值。
    3、用同樣的方法測定無水乙醇,正丁醇,環(huán)己烷的表面張力。每次更換溶液時都要用待測液洗滌包細管內(nèi)壁及試管2-3次。注意保護毛細管口,不要碰損。
    (二)毛細管升高法:
    將毛細管洗凈、干燥,于小試管中傾入被測液,按圖裝好,置于恒溫槽中恒溫。通過X管慢慢地將空氣吹入試管中,待毛細管中液體升高后,停止吹氣并使試管內(nèi)外壓力相等。待液體回到平衡位置,用度數(shù)顯微鏡測量其高度h。測定完畢后從X管吸氣,降低毛細管內(nèi)液面,停止吸氣并使管內(nèi)外壓力相等,恢復(fù)到平衡位置測量高度。如果毛細管潔凈,則兩次測量的高度應(yīng)相等,否則應(yīng)清洗毛細管。
    高度h測定后,可用下述兩個方法測定毛細管半徑:(a)用已知表面張力的液體測定毛細管升高h。然后利用(2)或(3)、(4)式計算出毛細管半徑r。(b)于毛細管中充滿干凈的汞,測定毛細管中不同長度下汞的重量。根據(jù)該長度下汞重量數(shù)據(jù)及汞的密度可以算出該段毛細管的平均半徑。
    (三)滴重法:
    按圖裝好儀器,把待測液體充滿毛細管,并調(diào)節(jié)液位使液滴按一定時間間隔滴下。在液滴不受震動的條件下用稱量瓶搜集25—30滴稱重(對揮發(fā)性液體把滴下的液體加以冷卻)。用顯微鏡測量毛細管的外徑。
    從液滴重量及液體密度計算滴下液滴體積。然后求出v/r3數(shù)值,從表中查出校正因子F數(shù)值。根據(jù)(7)式求出表面張力。
    四、注意事項:
    1、打開滴液漏斗的活塞時要求使氣泡盡可能慢的鼓出。
    2、毛細管要求出泡均勻,內(nèi)徑不可太粗,否則誤差太大。毛細管頭部必須平整光滑,不沾油污,以免出泡不均勻。
    3、測定表面活性劑溶液時,溶液要沿管壁慢慢加入,防止氣泡。測定時也應(yīng)放掉一些氣泡后,才讀出壓力差,不能讓泡沫在液面上過多堆積影響溶液和形成的壓力差。
    4、儀器系統(tǒng)不能漏氣。
    5、毛細管必須干凈,保持垂直,其管口剛好與液面相切.每次測量前用待測液洗滌毛細管,保持毛細管與樣品管所測液濃度一致。
    6、讀取壓力計的壓差時,應(yīng)取氣泡單個逸出時的壓力差。
    7、用吸耳球洗毛細管時,要打開活塞。
    五、數(shù)據(jù)處理:
    1、查出實驗溫度下水的表面張力,求出各溶液濃度的表面張力值并列出實驗數(shù)據(jù)(如下表):實驗溫度t=25.0oC,其對應(yīng)的蒸餾水的表面張力為: σ=71.97×10-3N/m
    (1) 氣泡壓力法

    2、毛細管升高法:彎月面很小,可以考慮為半球形,則體積應(yīng)為:
    πr3 -2/3 πr3 =1/3πr3
    可得:σ=gdr/2(h+1/3r)     其中 g=9.8N/Kg
    由水(密度d=1000Kg/m3)的表面張力計算r,可得r=0.08263cm

    3. 滴重法: mg=2πσr
    可得r=mg/(2πσ)   由水的表面張力可得r=0.08501cm


    六、實驗結(jié)論(如上面的表格所示)   
    七、討論要點——產(chǎn)生誤差的原因
    <一>、氣泡壓力法:
    實驗結(jié)果表明,運用單一毛細管插入液面以下一定深度進行溶液表面張力測定,它既能夠克
    服氣泡逸出不穩(wěn)定,難以調(diào)節(jié)毛細管端面正好與液面相切的缺點,又能實驗結(jié)果的性.具有操作簡單、快速、度高等優(yōu)點.對于物質(zhì)不同溫度下的表面張力數(shù)據(jù)的獲得,具有較好的推廣應(yīng)用價值.此外,還可通過某溶液兩溫度時的表面張力,測定另一溫度時溶液的密度
    1.結(jié)合本實驗的結(jié)果,討論產(chǎn)生誤差的原因.
    本實驗產(chǎn)生誤差的原因主要有以下幾個方面
    (1)垂直相切沒調(diào)好
    (2)讀高度差時誤差較大
    2.本實驗在測定折射率時,如不恒溫,對實驗結(jié)果有何影響?
    因折射率與溫度有關(guān),所以如果不恒溫將使得測量不。
    3.本實驗裝置及實驗步驟還需如何改進,提出你的看法。
    應(yīng)有自動壓力計來讀取壓力,同時采用計算機程序處理數(shù)據(jù)。
    <二>毛細管升高法:
    毛細管插入深度對氣泡壓力的影響:從測試結(jié)果看,不同的h對應(yīng)不同的靜壓力。結(jié)果表明:表面張力的大小與毛細管插入深度有關(guān)。溫度對表面張力的影響:溫度升高,表面張力一般會下降。
    實驗結(jié)果表明,運用單一毛細管插入液面以下一定深度進行溶液表面張力測定,它既能夠克服氣泡逸出不穩(wěn)定,難以調(diào)節(jié)毛細管端面正好與液面相切的缺點,又能實驗結(jié)果的性.具有操作簡單、快速、度高等優(yōu)點.對于物質(zhì)
    不同溫度下的表面張力數(shù)據(jù)的獲得,具有較好的推廣應(yīng)用價值.此外,還可通過某溶液兩溫度時的表面張力,測定另一溫度時溶液的密度
    1.毛細管放置是否豎直及干凈程度對實驗會帶來誤差
    2.讀數(shù)誤差大
    <三>滴重法:
    1.每次滴下的液滴不是一整滴,而是液滴的一部分,由此帶來很大的誤差
    2.不同種類液體的液滴揮發(fā)程度不同,從而對質(zhì)量的測定帶來誤差。

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