最大泡压法测定溶液表面张力实验条件的优化

董金龙，刘雪娟，赵婷婷，文斌，韩红斐

太原师范学院化学系，山西 晋中 030619

最大气泡压力法是大学物理化学实验中测定溶液表面张力的一个经典方法[1–3]。由于最大泡压法测定溶液表面张力实验装置较为简单，学生也易于理解其原理，且不用测定液体密度ρ和接触角θ，因而成为测定溶液表面张力的一个基本物理化学实验[4]。通过实验可以巩固及加深理解有关溶液表面吸附的理论知识，通过数据处理可以熟练掌握其有关方程式。但由于各方面条件的局限，学生所测试的实验数据与文献值不能较好吻合。鉴于此，在已有的实验装置下，对实验进行了细致的条件探索，如：更换测试物，变换温度和细化溶液的浓度等，以期得到与文献较吻合的实验数据，从而为教师及本科生等相关实验人员提供一定的理论指导。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

主要仪器：DP-AW-I型表面张力实验装置，南京桑力电子设备厂；CH1006型超级恒温槽，上海恒平科技仪器有限公司。

主要试剂：正丁醇，无水乙醇，均为分析纯，天津光复试剂有限公司。

1.2 存在问题

实验改进主要以浓度、温度、物质等分别作为变量，进行正交实验，从而得到较为符合常理的实验结果。导致实验存在较大偏差的原因可能如下：

(1) 在低浓度下，偏差可能来自于体积小时的量取误差；在高浓度时，误差则可能是来源于实验是以易挥发的乙醇及正丁醇为研究对象[5]，浓度增大，溶液的挥发性增大；最后，在配制溶液时，温度不可能完全一样，导致试剂密度变化，因而带来误差。

(2) 实验所用的样品管为套管试管，内管放置待测液，外管则是由橡胶管而来的恒温水，用于营造恒温环境。一般情况下为保证实验仪器的稳定及整洁，恒温水槽及样品管距离较远，橡胶管较长，恒温水到外管时水温有微小变化，从而造成实验误差。

1.3 改进

(1) 浓度：为保证浓度的准确，文献报道[6]：① 由于待测溶液浓度极稀，可采用等体积滴定方法[5]；② 每测完一组都洗净毛细管，再用待测液润洗吹干后进行测定；③ 先配制一系列标准溶液，精准测定其折光率后得出工作曲线，再由此确定实验溶液浓度。本实验选择配制一系列浓度溶液，在每次实验时，都进行润洗操作，减小由于浓度的不准确而带来的误差。

(2) 温度：温度是实验结果是否准确的关键影响因素。改进温度的方法有：① 将待测液置于支管烧瓶内，再将支管烧瓶直接置于恒温水浴槽内；② 尽量缩短橡胶管长度或选择保温性较好的橡胶管。本实验采取了保温性较好的橡胶管，并设置了25 °C和30 °C两个温度，有效降低了结果的偶然性。装置如图1所示。

图1 表面张力实验装置图

(3) 物质：本实验采用了正丁醇和乙醇为实验对象，进行多次实验，降低了实验结果的偶然性。正丁醇和乙醇属于短链烷基醇类(碳链长度小于8)，随着浓度的增加，表面张力下降，但不呈完美的线性关系。且在接近溶解度时，由于其密度小于水，达不到完全溶解，造成测量失准，因此对高浓度的溶液存在测量偏差。

(5) 其他：① 将表面张力仪样品管所连接的毛细管外部加设一个可旋动的活塞，可以通过旋转毛细管外部的旋钮来调节毛细管高度，进而灵活方便地调节毛细管与液面的相切；② 将橡胶塞改为磨口玻璃塞，保证密封性，且可以使毛细管与液面保持垂直，从而减少用橡胶塞固定毛细管所引起的误差。

2 数据分析与讨论

水在不同温度下的表面张力：Harkins经验公式(在10–60 °C适用)：

σH2O= 75.796 − 0.145T− 0.00024T2

其中T为摄氏温度；表面张力σ：mN·m−1。

298 K (25 °C)时，σH2O= 0.0720 N·m−1

303 K (30 °C)时，σH2O= 0.0712 N·m−1

通过实验条件改进后，得出以下数据，介绍如下。

2.1 25 °C时乙醇表面张力

实验数据及处理，如表1所示。

表1 25 °C时最大泡压法测定乙醇溶液表面张力的数据

由表1中数据作σ–c图，如图2(a)所示。

图2 (a) 25 °C时乙醇溶液表面张力随浓度的变化曲线；(b) 25 °C时乙醇溶液c/Γ与浓度的关系曲线

经拟合曲线可得：c/Γ= 1.70 × 105c+ 5.06 × 104，回归直线的倒数即可得：Γ∞= 5.85 × 10−6。

2.2 30 °C时乙醇表面张力

实验数据及处理，如表2所示。

表2 30 °C时最大泡压法测定乙醇溶液表面张力数据

根据表2中数据作σ–c和c/Γ–c图，如图3所示。

图3 (a) 30 °C时乙醇溶液σ–c图；(b) 30 °C时乙醇溶液c/Γ–c图

由拟合曲线可得：c/Γ= 1.82 × 105c+ 2.44 × 104

回归直线的倒数即可得：Γ∞= 5.49 × 10−6，可得被测物横截面积：S0= 3.03 × 10−19m2，与文献值2.03 × 10−19m2较为吻合[5]。

2.3 25 °C时正丁醇表面张力

实验数据及处理，如表3所示。

表3 25 °C时最大泡压法测定正丁醇溶液表面张力数据

根据表3中数据作σ–c和c/Γ–c图，如图4所示。

图4 (a) 25 °C时正丁醇溶液σ–c图；(b) 25 °C时正丁醇溶液c/Γ–c图

由拟合曲线可得：c/Γ= 1.48 × 105c+ 8.59 × 103。

由图可得回归直线的倒数即：Γ∞= 6.74 × 10−6。

2.4 30 °C时正丁醇表面张力

实验数据及处理，如表4所示。

表4 30 °C时最大泡压法测定正丁醇溶液表面张力数据

根据表4中数据作σ–c和c/Γ–c图，如图5所示。

图5 (a) 30 °C时正丁醇溶液σ–c图；(b) 30 °C时正丁醇溶液c/Γ–c图

回归直线的倒数可得：Γ∞= 4. 46 × 10−6。

2.5 误差分析[8]

实验时，手动调节旋塞可能导致毛细管与液面为非绝对垂直状态，会带来微小的误差；公式中的Δp为大气压力与系统压力的差值，因此，室内气温、气流的变化会造成大气压力的变化，故而使实验测得的数据产生偏差，但在实际测量过程中，该偏差往往较小(±0.1 kPa)，所以一般可忽略；还应特别注意在较高浓度时溶液易挥发，而造成实验结果的不准确，因此可适当舍弃不准数据；另有溶液粘度对表面张力的测定有影响。

在实验条件下，毛细管末端形成的并非绝对完美气泡；此外，还有其他一些实验事实与理论情况相背离，如重力的影响、气泡与毛细管的粘附、空气携带的水分颗粒以及气泡自身生长所产生的湍流等。因此若需更加准确的计算，还要引入修正因子，并且在操作中使气泡产生的速度均匀，大小一致是实验准确的关键。

3 结语

理论上，在达到饱和吸附时，溶液表面上的溶质分子是定向排列的。但事实上，由于醇类分子的―OH具有较强的极性，表面层的溶质分子周围必然会吸附同样极性较大的水分子。因此，即使是吸附达到饱和，实验所得分子横截面积也将会始终大于实际横截面积，实验结果的数据证实确实如此。经过此次实验条件的改进，准确测得正丁醇与乙醇直链醇类的横截面积，并且结果与文献值较为符合。由实验可得，在测试乙醇时，选择25 °C，浓度在7.00 mol·L−1以下时可得到更为准确的结果；而在测试正丁醇时，选择25 °C，0.300 mol·L−1以下更为准确。结果显示，正丁醇所得数据吻合度优于乙醇数据，且正丁醇溶液浓度低，所需母液少，所以推荐使用正丁醇为实验对象，且在实验过程中应控制加压的速度，过快会导致压强变化迅速，数据误差大；太慢会延长实验时间，拖延实验进度。