最大泡壓法實驗裝置

㈠ 最大泡壓法為何要測定儀器常數

最大泡壓法是一種測定溶液表面張力的方法，溶液的表面張力 σ是強度因子，是物質的重要特性之一，在一定的溫度和壓力下有一定的數值。測定表面張力的方法有多種，在科研和教學上常採用的有：毛細管上升法 、最大泡壓法 、滴重或滴體積法 、拉脫法等。其中最大泡壓法測定溶液表面張力實驗裝置簡單、操作方便，且不需要測定接觸角 θ 和液體密度 ρ ，因而是大學物理化學實驗中的重要內容之一。
中文名
最大泡壓法
外文名
The maximum bubble pressure method
用途
測定溶液表面張力
學科
物理化學
基本原理儀器與試劑實驗步驟測試注意事項TA說
基本原理
最大泡壓法測定溶液的表面張力是毛細管上升法的一個逆過程。其裝置如概述圖所示，將待測表面張力的液體裝於表面張力儀中使毛細管的端面與液面相切（這樣做是為了數據處理方便，如果做不到相切，每次實驗毛細管浸沒的深度應保持一致，此時數據處理參見其它文獻），由於毛細現象液面即沿毛細管上升，打開抽氣瓶的活塞緩緩抽氣，系統減壓，毛細管內液面上受到一個比表面張力儀瓶中液面上（即系統）大的壓力，當此壓力差——附加壓力（∆p=p大氣-p系統）在毛細管端面上產生的作用力稍大於毛細管口液體的表面張力時，氣泡就從毛細管口脫出，此附加壓力與表面張力成正比，與氣泡的曲率半徑成反比，其關系式為拉普拉斯公式：
式中，∆p為附加壓力；σ為表面張力；R為氣泡的曲率半徑。
如果毛細管半徑很小，則形成的氣泡基本上是球形的。當氣泡開始形成時，表面幾乎是平的，這時曲率半徑最大；隨著氣泡的形成，曲率半徑逐漸變小，直到形成半球形，這時曲率半徑R和毛細管半徑r相等，曲率半徑達最小值，根據上式這時附加壓力達最大值。氣泡進一步長大，R變大，附加壓力則變小，直到氣泡逸出。根據上式，R=r時的最大附加壓力為：
或：
對於同一套表面張力儀，毛細管半徑r、測壓液體密度、重力加速度都為定值，因此為了數據處理方便，將上述因子放在一起，用儀器常數K來表示，上式可簡化為：
式中的儀器常數K可用已知表面張力的標准物質測得，通常用純水來標定[1]。
儀器與試劑
實驗儀器：
最大泡壓法表面張力儀、洗耳球、移液管（1mL、5mL）、燒杯（50mL）、溫度計。
實驗試劑：
待測溶液、蒸餾水。
實驗步驟
儀器准備與檢漏
將表面張力儀容器和毛細管洗凈、烘乾。在恆溫條件下將一定量蒸餾水注入表面張力儀中，調節液面，使毛細管口恰好與液面相切。打開抽氣瓶活塞，使體系內的壓力降低，當U形管測壓及兩端液面出現一定高度差時，關閉抽氣瓶活塞，若2~3min內，壓差計的壓差不變，則說明體系不漏氣，可以進行實驗。
儀器常數的測量
打開抽氣瓶活塞，調節抽氣速度，使氣泡由毛細管尖端成單泡逸出，且每個氣泡形成的時間約為5~10s。當氣泡剛脫離管端的一瞬間，壓差計顯示最大壓差時，記錄最大壓力差，連續讀取三次，取其平均值。再由手冊中查出實驗溫度時水的表面張力σwater，則儀器常數：
表面張力隨溶液濃度變化的測定
用移液管分別移取0.150mL、0.300mL、0.600mL、0.900mL、1.50mL、2.50mL、3.50mL待測液，移入7個50mL的容量瓶，配製成一定濃度的待測溶液。然後由稀到濃依次移取一定量的待測溶液，按照步驟（2）所述，置於表面張力儀中測定某濃度下待測溶液的表面張力。隨著待測液濃度的增加，測得的表面張力幾乎不再隨濃度發生變化。
將各實驗數據統計，整理填入預製表格中[2]。
測試注意事項
① 在測定表面張力時，毛細管的端面與液面相切，這樣是為了數據處理方便。如果做不到相切，每次實驗毛細管浸沒的深度應保持一致。
② 測定溶液的表面張力儀時，要從濃度低到濃度高的溶液依次進行。避免待測溶液污染，濃度發生明顯變化。
③ 每次安裝好儀器，進行測定前，注意要先打開抽氣瓶上的塞子，連通大氣，再塞緊塞子進行實驗測定

㈡ 最大泡壓法測表面張力 儀器常數K

溶液的吸附作用和液體表面張力的測定

一．實驗目的

1．用最大泡壓法測定不同濃度的表面活性物質（正丁醇）溶液在一定溫度下的表面張力；

2．應用Gibbs和Langmuir吸附方程式進行精確作圖和圖解微分，計算不同濃度正丁醇溶液的表面吸附量和正丁醇分子截面積，以加深對溶液吸附理論的理解；

3．掌握作圖法的要點，提高作圖水平。

二．實驗原理

當液體中加入某種溶質時，其表面張力要發生變化。例如在水中溶入醇、醛、酮等有機化合物，水的表面張力要減小；若加入某些無機物，則水的表面張力稍有增大。溶液系統可通過自動調節不同組分在表面層中的量來降低表面Gibbs能，使系統趨於穩定。因此，若加入的溶質能夠降低溶液的表面張力，則該溶質力圖濃集在表面上；反之，則該溶質在表面層中的濃度一定低於溶液的內部，這種表面層中某物質的含量與溶液本體中不同的現象，稱之為表面吸附作用。當表面層中物質的量大於本體溶液中的量，叫做發生了正吸附，反之為發生負吸附，Gibbs用熱力學方法導出了一定溫度下，吸附量的定量公式——Gibbs吸附等溫式：

＝－
式中， 為表面吸附量（mol/m2）；γ為表面張力（N/m或J/ m2）；T為熱力學溫度（K）；c為溶液本體的平衡濃度（mol/L）；R為氣體常數[J/(mol•K)]。

能使溶劑水的表面張力降低的溶質通常稱為表面活性物質。工業上和生活中所用的去污劑、起泡劑、乳化劑及潤滑劑等都是表面活性物質。表面活性物質的分子是由親水的極性部分和憎水的非極性部分構成的，正丁醇分子為ROH型一元醇，其羥基為親水基，烴基為憎水基，當它溶於水後，在溶液表面層形成羥基朝下，烴基朝上的正丁醇單分子層。當溶液濃度增加時，表面吸附量也增加；當濃度足夠大時，吸附量達極大值 ，表面溶液的表面吸附達飽和狀態。 可近似看成表面上定向排滿單分子層時單位表面積中正丁醇的物質量。

正丁醇溶液的γ-c曲線示於圖一。從曲線可求得不同濃度下的dγ/dc值，將各值待入Gibbs公式可計算不同濃度時表面吸附量 。如果作 -c曲線，可求得飽和吸附量 ，並由下式計算出正丁醇的分子截面積：

S=
式中，N0為Avgodro常數（6.02×1023/mol）。

實際上將 -c曲線外推求 比較困難。設氣固單分子層吸附的Langmuir吸附等溫式適用於溶液的表面吸附，並以表面吸附量 （表面超量）代替單位表面上所含正丁醇的物質量，則有：

θ＝
或

式中，θ為吸附分數，c為溶液本體的平衡濃度，K為與溶液表面吸附有關的經驗常數。由 ～c作圖可得一直線，由直線斜率求 ，進而可求分子的截面積S。

圖一 γ～c曲線、 ～ c曲線和 ～c曲線
圖二 最大泡壓法測液體表面張力儀器裝置圖

用最大泡壓法測表面張力方法如下：測定液體表面張力的方法很多，如毛細管升高法、滴重法、環法、滴外形法等等。本實驗採用最大泡壓法，實驗裝置如圖二所示。

圖二中A為充滿水的抽氣瓶；B為直徑為0.2～0.3mm的毛細管；C為樣品管；D為U型壓力計，內裝水以測壓差；E為放空管；F為恆溫槽。

將毛細管豎直放置，使滴口瓶面與液面相切，液體即沿毛細管上升，打開抽氣瓶的活栓，讓水緩緩滴下，使樣品管中液面上的壓力漸小於毛細管內液體上的壓力（即室壓），毛細管內外液面形成一壓差，此時毛細管內氣體將液體壓出，在管口形成氣泡並逐漸脹大，當壓力差在毛細管口所產生的作用力稍大於毛細管口液體的表面張力時，氣泡破裂，壓差的最大值可由U型壓力計上讀出。

若毛細管的半徑為r，氣泡從毛細管出來時受到向下的壓力為：

式中，△h為U型壓力計所示最大液柱高度差，g為重力加速度，ρ為壓力計所貯液體的密度。氣泡在毛細管口所受到的由表面張力引起的作用力為2πr•γ，氣泡剛脫離管口時，上述二力相等：

若將表面張力分別為 和 的兩種液體用同一支毛細管和壓力計用上法測出各自的 和 ，則有如下關系：

即
對同一支毛細管來說，K值為一常數，其值可借一表面張力已知的液體標定。本實驗用純水作為基準物質，20.0℃時純水的表面張力為7.275×10－2N/m(或J/m2)。

三．儀器和試劑

表面張力測定裝置（包括恆溫槽）1套；容量瓶100ml1個，50ml5個；1ml刻度移液管1支；吸耳球1個；正丁醇（二級）；去離子水。

四．實驗步驟

1．溶液配製

按表分2次配製9份溶液，第一次1～5號，第二次配製6～9號。

表 － 正丁醇表面張力測定溶液配製方法

樣品號數
1
2
3
4
5
6
7
8
9

容量瓶體積/cm3
100
50
50
50
50
50
50
50
50

/cm3
0.10
0.10
0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
1.50
1.75

2．如圖裝配儀器，恆溫槽溫度調至20.0℃，樣品管內置待測液體，毛細管豎直放置，毛細管口與液面相切。恆溫5min以上，測定液體的表面張力。

3．測定毛細管常數。樣品管內加入一定量蒸餾水（以放入毛細管後管口剛好與液面相切為准），旋動抽氣瓶活栓讓水緩緩滴下，使氣泡從毛細管均勻逸出，以3～5s逸出1個氣泡為宜，記錄壓力計兩側液面之最高和最低讀數各三次，取 的平均值計算毛細管常數K值。

4．同法測定各正丁醇溶液的 值，測量順序由稀到濃，每次測量前用樣品沖洗樣品管和毛細管數次。

五．數據處理

1．計算各濃度正丁醇溶液的表面張力，並作γ-c曲線；

樣品號數
1
2
3
4
5
6
7
8
9

溶液濃度c
2．用雙玻璃棒法求六個以上切點（均勻分布）的 ）值；

3．計算 值，並求c/ 值；

4．作c/ ～c圖，得一直線，由直線斜率求 值；

5．計算出正丁醇的分子截面積。文獻記載直鏈醇類的分子截面積約為2.2×10-19m2，並以此求出相對誤差。

㈢ 最大氣泡法測表面張力

1.毛細管的尖端要平整？選擇毛細管直徑大小時應該注意什麼？
答：實驗中默認鼓出的氣泡為半球形，其曲率半徑R和毛細管的半徑r相等時達到最小值，而附加壓力達到最大值，以此測出液體的表面長力。如果毛細管尖端不平整，就不能得到半球形氣泡。選擇毛細管時，其直徑不宜太大，因為毛細管半徑較小的時候才能保證其形成的氣泡基本上是球星的。

2.如果氣泡出的很快對結果有何影響？
答：氣泡出的很快會使氣泡不能一個一個鼓出而幾個氣泡聚集在一起，使得數據變大。
3.用最大氣泡法測表面張力時，為什麼要取一標准物質？本實驗中若不用水作標准物質行不行？最大氣泡法的使用范圍怎麼樣？
答：用最大起泡法測定表面張力時，毛細管的直徑很小，故要通過獲得其半徑來計算液體的表面張力難度較大，但儀器的半徑是不會改變的，故認為它是一個常數，因而需要取一標准物質，通過其已知的表面張力來推算出這個常數。本實驗中可以不用水作為標准物質。最大氣泡法因為與接觸角無關，裝置簡單，測定快速，故使用的范圍很廣，經過適當的設計可以用於熔融金屬和熔鹽的表面張力測量。

㈣ 最大泡壓法測定溶液的表面張力實驗哪些儀器必須乾燥，為什麼

樣品管和毛細管必須乾燥。避免誤差。

最大(氣)泡壓(力)法測定溶液的表面張力是物理化學實驗中的典型實驗，該實驗需要在氣泡曲率半徑剛好等於毛細管半徑的時候讀數。因為此時氣泡的曲率半徑最小，附加壓力值最大。從毛細管內液柱下降到形成氣泡，進而氣泡破裂或從管口脫離的過程中，曲率半徑經歷了先增加後降低，再增加的過程。

(4)最大泡壓法實驗裝置擴展閱讀：

注意事項：

掌握最大泡壓法測定表面張力的原理，了解影響表面張力測定的因素。

了解彎曲液面下產生附加壓力的本質，熟悉拉普拉斯方程，吉布斯吸附等溫式，了解蘭格繆爾單分子層吸附公式的應用。

測定不同濃度正丁醇溶液的表面張力，計算飽和吸附量，由表面張力的實驗數據求正丁醇分子的截面積及吸附層的厚度。

㈤ 最大氣泡壓力法測定液體的表面張力

最大氣泡壓力法測定液體的表面張力的測定——最大氣泡法

一、 實驗目的

1． 掌握最大氣泡法測定表面張力的原理和技術。

2． 通過對不同濃度正丁醇溶液表面張力的測定，加深對表面張力、表面自由能和表面吸附量關系的理解。

3． 學慣用Matlab處理實驗數據。

4． 使用《管理系統》完成實驗。

二、 實驗原理

圖20-1 分子間作用力示意圖

在液體的內部任何分子周圍的吸引力是平衡的。可是在液體表面層的分子卻不相同。因為表面層的分子，一方面受到液體內層的鄰近分子的吸引，另一方面受到液面外部氣體分子的吸引，而且前者的作用要比後者大。

因此在液體表面層中，每個分子都受到垂直於液面並指向液體內部的不平衡力（如圖20－l所示）。這種吸引力使表面上的分子向內擠促成液體的最小面積。

要使液體的表面積增大就必須要反抗分子的內向力而作功增加分子的位能。所以說分子在表面層比在液體內部有較大的位能，這位能就是表面自由能。

通常把增大一平方米表面所需的最大功A或增大一平方米所引起的表面自由能的變化值ΔG稱為單位表面的表面能其單位為J．m-3。而把液體限制其表面及力圖使它收縮的單位直線長度上所作用的力，稱為表面張力，其單位是Nm-1。液體單位表面的表面能和它的表面張力在數值上是相等的。

欲使液體表面積增加△S時，所消耗的可逆功A為：

-A =△G =σ△S

液體的表面張力與溫度有關，溫度愈高，表面張力愈小。到達臨界溫度時，液體與氣體不分，表面張力趨近於零。液體的表面張力也與液體的純度有關。

在純凈的液體（溶劑）中如果摻進雜質（溶質），表面張力就要發生變化，其變化的大小決定於溶質的本性和加入量的多少。

當加入溶質後，溶劑的表面張力要發生變化。把溶質在表面層中與本體溶液中濃度不同的現象稱為溶液的表面吸附。使表面張力降低的物質稱為表面活性物質。用吉布斯公式(Gibbs)表示：

圖20-2 最大氣泡法表面張力測定裝置

式中： 為表面吸附量(mol.m-2)，σ為表面張力（J.m-2）。 表示在一定溫度下表面張力隨濃度的改變率。即：

<0，Г>0，溶質能降低溶劑的表面張力，溶液表面層的濃度大於內部的濃度，稱為正吸附作用。

>0，Г<0，溶質能增加溶劑的表面張力，溶液表面層的濃度小於內部的濃度，稱為負吸附作用。

由此，測定溶液的濃度和表面張力，可以求得不同濃度下溶液的表面吸附量。

如圖20-2是最大氣泡法測定表面張力的裝置示意。待測液體置於支管試管中，使毛細管端面與液面相切，液面隨毛細管上升。打開滴液漏斗緩慢抽氣。

此時，由於毛細管液面所受壓力大於支管試管液面所受壓力，毛細管液面不斷下降，將從毛細管緩慢析出氣泡。在氣泡形成的過程中，由於表面張力的作用，凹液面產生一個指向液面外的附加壓力△P，因此有以下關系：

P大氣 = P系統 +△P

附加壓力與表面張力成正比，與氣泡的曲率半徑R成反比。