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实验六 正丁醇分子大小的测定 1 前言 1.1 实验目的 1)测得不同浓度正丁醇溶液用最大气泡法产生的最大压力差。 2)求得正丁醇分子的大小。 1.2 实验内容 本实验采用最大气泡法测量溶液表面张力，即测量气泡逸出时的最大压力差。先测定已知表面张力的水的最大压力差，标定仪器常数。然后依次测定浓度-1-1-1-1-1-1为0.02mol/L、0.04mol/L、0.06mol/L、0.09mol/L、0.12mol/L、0.16mol/L、0.20mol/L-1和0.24mol/L-1的正丁醇溶液的最大压力差。分别算出各浓度正丁醇溶液的表面张力后，将数据代入吉布斯吸附方程，算出表面吸附量。再将表面吸附量代入Langmuir吸附等温式，算出饱和吸附量后计算每个正丁醇分子所占面积。 1.3 实验原理 最大气泡法是测定液体表面张力的方法之一，它的基本原理如下： 当玻璃毛细管一端与液体接触，并通过时滴液漏斗内水往下滴来减小系统压力，可以在液面的毛细管口处形成气泡。气泡的半径在形成过程中先由大变小，然后再由小变大。设气泡在形成过程中始终保持球形，则气泡内外的压力差△p（即毛细管内压力减去系统压力）与气泡的半径r、液体表面张力之间的关系可又拉普拉斯（Laplace）公式表示，即 p2 （1） r显然，在气泡形成过程中，气泡半径由大变小，再由小变大，所以压力差△p则由小变大，然后再由大变小。当气泡半径r等于毛细管半径R时，压力差达到最大值Pmax。因此 pmax2 （2） R由此可见，通过测定R与Pmax，即可求得液体的表面张力，Pmax可由数字式微压差测量仪测出。 由于毛细管的半径较小，直接测量R误差较大。通常用一已知表面张力为0的液体（如水、甘油等）作为参考液体，实验测得其对应的最大压力差为P0,max。可得被测液体的表面张力 1=2 (△p1/△p2)=K△p1 （3） 式中：K为仪器常数，本实验中通过测定已知30℃时表面张力为71.18mN/m的水的△p2来标定。 对纯溶剂而言，表面层与内部的组成是相同的，但对溶液来说却不然。当加入溶质后，溶剂的表面张力会发生变化。根据能量最低原则，溶质能降低溶剂的表面张力时，表面层中溶质的浓度比溶液内部的大，反之，溶质使溶剂的表面张力升高时，它在表面层中的浓度比在内部的浓度低。这种表面浓度与溶液内部浓度不同的现象叫做溶液的表面吸附。显然，在指定的温度和压力下，溶液表面吸附溶质的量与溶液的表面张力和加入溶质的量（即溶液的浓度）有关，从热力学方法可知它们间的关系遵守吉布斯吸附方程： cRTd （4）dCT式中：Γ吸附量（mol/m-2）；为表面张力（N/m）；T为绝对温度；c为溶液浓d度（mol/m3）；R为气体常数，R=8.314J·mol-1·K-1。当<0时，Γ>0，此dCTd时溶液表面层的浓度大于溶液本体的浓度，称为正吸附；当>0时，正好dCT相反，Γ<0，称为负吸附。 通过实验测定相同温度下各种浓度溶液的表面张力，绘出－c曲线， 将－c曲线上对应某一浓度c处的斜率即可求出吸附量Γ。 d求出，然后代入吉布斯吸附方程，dCT将Γ1、Γ2···对c作图，就可得到吸附等温线。 若在溶液表面上的吸附是单分子层的吸附，则满足Langmuir吸附等温式 Kc （5） 1Kc式中：为溶液单位表面上盖满单分子层溶质时的饱和吸附量；K为特性常数，它取决于吸附质的吸附特性。 将Langmuir吸附等温式改写成 cc1 （6） K以c/对c作图，可得一直线，斜率为1/，截距为1/（K），进而可求得和K。通过可以计算出每个被吸附的表面活性物质分子在表面上所占的面积 ，即： /NA） q1（ （7） 式中NA为阿伏加德罗常数 本实验采用最大气泡法测定乙醇水溶液的表面张力，实验装置如图1所示。它的作用是测定气泡刚好从浸没在液体表面下的毛细管口逸出时所需的压力。 3 4 图1. 最大气泡法测定表面张力的实验装置图 1.精密恒温水槽；2.带有毛细管的表面张力仪； 3.滴液漏斗；4.数字式微压差测量仪 2 1 2 实验方法 2.1 实验仪器和试剂 仪器：表面张力测定装置1套；精密恒温水槽1套；数字式微压差测量仪1台；50mL容量瓶8~12个；50mL碱式滴定管1支。 试剂：正丁醇（AR）；去离子水。 2.2 实验步骤 1) 调节恒温槽，使之恒定在所要求的温度（30℃）。 2) 准备试剂。配置0.5mol/L的正丁醇溶液250mL(实验室已完成)。 3) 配置溶液。用碱式滴定管量取0.5mol/L的正丁醇溶液,将其在100mL容量瓶中稀释成浓度分别为0.02mol/L、0.04mol/L、0.06mol/L、0.09mol/L、0.12mol/L、0.16mol/L、0.2mol/L和0.24mol/L的稀溶液，每配置完一瓶溶液即将其挂入恒温槽内恒温。 4) 仪器常数测定。用洗液洗净大试管及毛细管外壁，然后用自来水和去离子水洗之，再将适量去离子水装于洗净的大试管中，盖好带毛细管的标准磨口，防止漏气，并使毛细管尖端刚好与液面接触并保持垂直。缓慢打开滴液漏斗旋塞，以使气泡从毛细管尖端尽可能缓慢、均匀地鼓出，读取并记录最大压力差△p，连续读2次，取其平均值。 5) 正丁醇溶液表面张力测定。按上述方法由稀到浓测定不同浓度正丁醇溶液的△p。把实验数据填入表1。 3 结果与讨论 表1中的第二列最大压力差从数字式微压差测量仪上直接读出，第三列为各浓度正丁醇溶液测得的最大压力差的平均值，已知30℃时水的表面张力为71.18mN/m，第四列溶液表面张力由公式（3）算得，仪器常数K =0.0938 mN/（m·Pa）。 表1 正丁醇溶液表面张力的测定 浓度（mol/L） △p (测)/Pa △p（均）( Pa) (mN/m) dΓ(10-6mol/m2) c/Γ(107/m) dCT0.00 759 759 759 759 71.18 -252.41 0 / 0.02 719 721 720 67.52 -217.17 1.72 1.1628 0.04 673 673 673 63.11 -185.55 2.94 1.3605 0.06 631 630 630. 5 59.13 -157.56 3.75 1.6000 0.09 585 586 585. 5 54.91 -128.38 4.58 1.9651 0.12 557 555 556 52.14 -108.35 5.16 2.3256 0.16 523 521 522 48.95 -89.01 5.65 2.8318 0.20 489 492 490. 5 46.00 -70.50 5.60 3.5714 0.24 464 463 463. 5 43.97 -59.25 5.64 4.2553 以表1中的第一列浓度c和第四列表面张力为源数据，用origin作图2。 757065 Y Polynomial Fit of YY (mN/m)60555045400.000.050.100.150.200.25c (mol/L)图2.γ–c图 表1中的第五列先是利用origin中的微分工具求图2中曲线上各点斜率求得,但在后续计算中发现无法得到理想的吉布斯等温曲线，所以改为用excel拟合曲线公式： = 28.373e-1.9926c+39.254，公式求导后代入相应浓度，即可得第五列。表1中的第六列由公式（4）求得，在公式（4中），T = 303.15K，的单位为 dN/m，c的单位为mol/m-3，所以需要对得到的斜率进行单位换算，及乘以dCT10-6。 以表1中的第一列浓度c和第六列吸附量为源数据，用excel作图3，得吉布斯等温曲线。 65Γ（10-6mol/m-2）4321000.050.13Γ0.1530.20.25c（10mol/m） 图3. Γ–c图 以表1中的第一列浓度c和第七列为源数据，用excel作图4。 4.54y = 13.918x + 0.7661R2 = 0.9906Γ（107/m）3.532.521.5100.050.10.150.2c（103mol/m3）图4.c/Γ–c图 c/Γ线性 (c/Γ)0.250.3 由公式（6）可知，直线斜率k = 1/= 139180，截距b = 1/（K）=7661。= 7.18494·10-6mol/m2，K = 18.17 L/mol。由公式（7）知，每个正丁醇分子在溶液表面上所占的截面积为2.31·10-19 m2，查阅文献得，正丁醇分子的截面积为2.16·10-19 m2，相对误差E = 6.5%。 4 结论 由实验测量得，单个正丁醇分子在溶液表面上所占的截面积为2.31·10-19 m2，查阅文献得，正丁醇分子的截面积为2.16·10-19 m2，相对误差E = 6.5%。 参考文献： 【1】 浙江大学化学系.2005.中级化学实验.第一版.北京:科学出版社 本文来源：https://www.dywdw.cn/7b49222eecf9aef8941ea76e58fafab069dc44f7.html
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2022-07-31
