提高最大氣泡法測定溶液表面張力準確性研究

宋建華，陳玉瑩

(廣州大學化學化工學院，廣東 廣州 510006)

《物理化學實驗(第二版)》[1]采用最大氣泡壓力法測定溶液表面張力。本文在本校47名學生中展開一次有關最大氣泡壓力法測表面張力實驗的調查，發(fā)現(xiàn)學生存在如下困惑：

(1)讀數(shù)方式存在兩種差異：數(shù)字微差壓力計顯示的最負數(shù)值取絕對值，也即是最大值；次小負數(shù)值取絕對值，即次大值。在93.62%選擇最大值的學生中，當最大值出現(xiàn)一次，次大值出現(xiàn)多次時，有27.27%學生改讀次大值而不讀最大值。故產(chǎn)生兩種有關讀數(shù)的結果差異。

(2)記錄的示數(shù)是否為最大值所需時間不確定，導致整個實驗完成時間過長，不能有效地控制課堂教學時間。

(3)超過60%的學生所得結果誤差在10%以上。實驗最難操作的環(huán)節(jié)是氣泡的調節(jié)速度。

因此，哪種讀數(shù)所得結果更精確、最大附加壓強差ΔP是如何變化、ΔP與氣泡間的關系、氣泡逸出速度的不同是否對結果產(chǎn)生影響等問題具有探究意義。本文查閱了一些代表性的文獻[2-10]得出較為合理，準確，可行性的實驗方案，對于本科生實際操作具有指導意義。

1 實驗步驟

1.1 實驗所需溶液制備

(1)用吸量管分別準確量取0.5 mL、2.5 mL、5.0 mL、7.5 mL、10.0 mL、12.5 mL、15.0 mL、17.5 mL、20.0 mL、22.5 mL、25.0 mL的正丙醇于50 mL的容量瓶中，準確配制體積分數(shù)為1.0%、5.0%、10.0%、15.0%、20.0%、25.0%、30.0%、35.0%、40.0%、45.0%、50.0%的11個標準正丙醇溶液。

(2)用吸量管與量筒分別粗略量取5 mL、10 mL、15 mL、20 mL、25 mL、30 mL、35 mL、38 mL、40 mL、45 mL的正丙醇于100 mL的容量瓶中，配成10個待測正丙醇溶液。

1.2 工作曲線的測定

用阿貝折光儀分別測定11個標準正丙醇溶液的折射率。

1.3 待測樣品折射率的測定

用阿貝折光儀分別測定10個待測正丙醇的折射率，從工作曲線查出對應的濃度V(%)值。

1.4 儀器常數(shù)k的測定

(1)加入適量重蒸水于樣品管中，調節(jié)液面與毛細管下端管口相切。

(2)調節(jié)滴液漏斗滴水速度使氣泡逸出速率每分鐘8～12個氣泡，記錄多組數(shù)據(jù)與多個循環(huán)。

1.5 待測樣品的ΔPmax測定

在樣品管中加待測液，重復1.4步驟(2)測定各個未知濃度待測液的ΔPmax值。

1.6 出泡速率的影響

調節(jié)氣泡逸出速率分別為每分鐘5、10、15、20個氣泡，讀出數(shù)字微壓式微壓差測量儀讀數(shù)，。其余步驟與1.4、1.5步驟一致，探究出泡速率對ΔPmax值的影響。

1.7 溫度的影響

改變恒溫槽溫度分別為42 ℃、47 ℃、52 ℃、57 ℃、62 ℃、67 ℃、72 ℃、77 ℃、82 ℃，重復上述步驟，探究溫度對ΔPmax值的影響。

2 實驗數(shù)據(jù)處理及結果分析

2.1 最大值與次大值的探究

由表1可知，讀取最大值時誤差更小，準確度更高，故壓力計讀數(shù)建議采用最大值。

表1 兩種讀數(shù)下正丙醇Γ∞與A誤差對比

2.2 氣泡個數(shù)與ΔPmax值的關系

以下是重蒸水與10個正丙醇待測液的多個循環(huán)內ΔP值變化過程，以待測液B(圖1)為例：

圖1是1分08秒內待測液B的ΔP值變化過程。

在每個循環(huán)內，ΔP值的示數(shù)個數(shù)，即ΔP由最小到最大值間出現(xiàn)的數(shù)據(jù)個數(shù)為10～13個，即約68÷11÷13=0.48 s出現(xiàn)一個數(shù)據(jù)點。

圖1 待測液B的ΔP值變化圖

圖2 不同溫度下正丙醇溶液ΔPmax值變化圖

其次1分08秒內一共逸出11個氣泡，ΔP出現(xiàn)11次最大值，兩者數(shù)值相等。說明氣泡個數(shù)與ΔPmax存在線性關系，氣泡逸出個數(shù)等于最大值個數(shù)。

同時這段時間內氣泡是單個且均勻、平穩(wěn)且勻速地逸出，而最大值- 0.435出現(xiàn)了七次，說明只要氣泡調得好，最大值ΔPmax就會有規(guī)律地重復出現(xiàn)。

2.3 出泡速率的影響

由表2可知，每分鐘5～15個氣泡的逸出速度下測得的實驗結果誤差較小，所得A與文獻值(2.74～2.89)×10-19m2更為接近。出泡速率過快會導致因最大值跳躍過快而觀察不清楚令數(shù)據(jù)可信度不高的情況，或者測壓計還未穩(wěn)定、未準確讀到最大壓強差點；出泡速率過慢則會產(chǎn)生ΔP值的循環(huán)太少以致ΔPmax值的讀數(shù)不準確。

表2 不同出泡速率下正丙醇Γ∞與A數(shù)據(jù)表

2.4 溫度的影響

在各溫度下ΔPmax值均呈下降趨勢，說明表面張力一直在減小。與37 ℃相比(見圖2)，62 ℃時曲線最陡，斜率相差最大，下降趨勢最明顯。說明升高溫度，斜率變大，讀數(shù)差別越大，ΔPmax值相差越大，表面張力下降得越厲害。而σ減小的原因之一則是增大正丙醇濃度，吸附在氣液界面上的正丙醇分子變多，表面的極性也逐漸減小[5]。

3 結 論

(1)測得19 ℃時正丙醇的最大吸附量Γ∞=5.082×10-6mol·m-2，分子近似橫截面積A=3.269×10-19m2，文獻值各種直鏈醇的分子截面積為(2.74～2.89)×10-19m2，相對誤差為13.1%。

(2)ΔP讀取出現(xiàn)次數(shù)最多的最大值時結果更加準確，誤差更小。

(3)最大附加壓強差呈規(guī)律性重復變化。

(4)當出泡速率為每分鐘5～15個時，ΔPmax值準確度更高，計算結果誤差更小。

(5)在37～62 ℃范圍內，溫度越高，ΔPmax值相差越大，表面張力下降趨勢越明顯。