余高奇博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/yugaoqi666 经典热力学也称平衡态热力学,研究系统由一个热力学平衡态变化至另一个热力学平衡态的准静态过程的自发性;该过程δQ≡T·dS;δWv≡-p·dV

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正丁醇水溶液表面张力的测定实验剖析

已有 1832 次阅读 2022-5-17 08:09 |系统分类:教学心得

        “溶液表面张力测定”是现阶段最重要的物理化学实验之一,该实验有助于学生理解溶液表面张力概念及掌握相关界面现象知识.

       本文拟结合溶液表面张力测定实验原理,剖析该实验设计的结构缺陷.

 1. 实验原理

        实验前准备9个浓度依次为0、0.02、0.04、0.06、0.08、0.10、0.12、0.16及0.20mol·dm-3的正丁醇水溶液,用最大气泡压力法测定各溶液的表面张力.

      需指出蒸馏水即为浓度为0的溶液,它为该实验的标准物质. 

      实验过程,通过“滴水”操作使待测液间断产生气泡,每个气泡均经历由小变大,最终破裂过程;另气泡所承受的附加压力可连续监测.

      拉普拉斯方程  Δpmax=2γ/R                    (1)

      式(1)中,Δpmax代表气泡所承受的最大附加压力γ为待测液的表面张力;R为弯曲液面的曲率半径.

      由于气泡是动态的,形状也不是标准球形,曲率半径通常不能准确测定.

      式(1)可变形为:γ=K·Δpmax             (2)

      式(2)中K称仪器常数,其值可由标准物质——蒸馏水测出.

      蒸馏水的表面张力数据可由热力学数据手册[1]查出; 实验测出蒸馏水的Δpmax,两者相除即可得到仪器常数K; 用K乘以Δpmax,即可得各待测液的表面张力.

 2.结构缺陷

  2.1 气泡的曲率半径

       弯曲液面有凸液面及凹液面两种类型,液滴为凸液面,曲率半径取正值;气泡为凹液面,曲率半径应取负值. 

       由式(1)可知:气泡半径越大,曲率半径越小,气泡所承受的附加压力值越大. 实验进程可清晰观察到气泡半径最大时,承受的附加压力值最大, 这与现阶段各类物化实验教材矛盾.

 2.2 蒸馏水的表面张力

       工具书中蒸馏水的表面张力数据是由拉脱法获取.

       拉脱法在测量蒸馏水的表面张力时,外力逐渐增大,直至液膜破裂,此时γ=Fmax/2L  (3)

       式(3)中γ代表蒸馏水的表面张力(系数),L 代表金属框的边长,Fmax代表液膜破裂时的最大拉力.

       拉脱法是力学测量方法,与表面张力的热力学测量原理无关.

      “溶液表面张力测定”用一个与热力学无关的(蒸馏水)表面张力数据做基准,获取仪器常数,进而得到其它物质的表面张力数据,因而有理由质疑现有热力学表面张力数据的客观性.

 3. 结论

 ⑴气泡半径最大时,承受的附加压力值最大;

 ⑵拉脱法与热力学无关, 现有热力学表面张力数据存疑.

参考文献

[1]Lide D R. CRC Handbook of Chemistry and Physics. 97th ed. Ohio: Chemical Rubber Co,2016,7.




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