提高最大气泡法测定溶液表面张力准确性研究

2022-06-14宋建华陈玉莹

广州化工 2022年10期

宋建华，陈玉莹

(广州大学化学化工学院，广东广州 510006)

《物理化学实验(第二版)》[1]采用最大气泡压力法测定溶液表面张力。本文在本校47名学生中展开一次有关最大气泡压力法测表面张力实验的调查，发现学生存在如下困惑：

(1)读数方式存在两种差异：数字微差压力计显示的最负数值取绝对值，也即是最大值；次小负数值取绝对值，即次大值。在93.62%选择最大值的学生中，当最大值出现一次，次大值出现多次时，有27.27%学生改读次大值而不读最大值。故产生两种有关读数的结果差异。

(2)记录的示数是否为最大值所需时间不确定，导致整个实验完成时间过长，不能有效地控制课堂教学时间。

(3)超过60%的学生所得结果误差在10%以上。实验最难操作的环节是气泡的调节速度。

因此，哪种读数所得结果更精确、最大附加压强差ΔP是如何变化、ΔP与气泡间的关系、气泡逸出速度的不同是否对结果产生影响等问题具有探究意义。本文查阅了一些代表性的文献[2-10]得出较为合理，准确，可行性的实验方案，对于本科生实际操作具有指导意义。

1 实验步骤

1.1 实验所需溶液制备

(1)用吸量管分别准确量取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，准确配制体积分数为1.0%、5.0%、10.0%、15.0%、20.0%、25.0%、30.0%、35.0%、40.0%、45.0%、50.0%的11个标准正丙醇溶液。

(2)用吸量管与量筒分别粗略量取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个待测正丙醇溶液。

1.2 工作曲线的测定

用阿贝折光仪分别测定11个标准正丙醇溶液的折射率。

1.3 待测样品折射率的测定

用阿贝折光仪分别测定10个待测正丙醇的折射率，从工作曲线查出对应的浓度V(%)值。

1.4 仪器常数k的测定

(1)加入适量重蒸水于样品管中，调节液面与毛细管下端管口相切。

(2)调节滴液漏斗滴水速度使气泡逸出速率每分钟8～12个气泡，记录多组数据与多个循环。

1.5 待测样品的ΔPmax测定

在样品管中加待测液，重复1.4步骤(2)测定各个未知浓度待测液的ΔPmax值。

1.6 出泡速率的影响

调节气泡逸出速率分别为每分钟5、10、15、20个气泡，读出数字微压式微压差测量仪读数，。其余步骤与1.4、1.5步骤一致，探究出泡速率对ΔPmax值的影响。

1.7 温度的影响

改变恒温槽温度分别为42 ℃、47 ℃、52 ℃、57 ℃、62 ℃、67 ℃、72 ℃、77 ℃、82 ℃，重复上述步骤，探究温度对ΔPmax值的影响。

2 实验数据处理及结果分析

2.1 最大值与次大值的探究

由表1可知，读取最大值时误差更小，准确度更高，故压力计读数建议采用最大值。

表1 两种读数下正丙醇Γ∞与A误差对比

2.2 气泡个数与ΔPmax值的关系

以下是重蒸水与10个正丙醇待测液的多个循环内ΔP值变化过程，以待测液B(图1)为例：

图1是1分08秒内待测液B的ΔP值变化过程。

在每个循环内，ΔP值的示数个数，即ΔP由最小到最大值间出现的数据个数为10～13个，即约68÷11÷13=0.48 s出现一个数据点。

图1 待测液B的ΔP值变化图

图2 不同温度下正丙醇溶液ΔPmax值变化图

其次1分08秒内一共逸出11个气泡，ΔP出现11次最大值，两者数值相等。说明气泡个数与ΔPmax存在线性关系，气泡逸出个数等于最大值个数。

同时这段时间内气泡是单个且均匀、平稳且匀速地逸出，而最大值- 0.435出现了七次，说明只要气泡调得好，最大值ΔPmax就会有规律地重复出现。

2.3 出泡速率的影响

由表2可知，每分钟5～15个气泡的逸出速度下测得的实验结果误差较小，所得A与文献值(2.74～2.89)×10-19m2更为接近。出泡速率过快会导致因最大值跳跃过快而观察不清楚令数据可信度不高的情况，或者测压计还未稳定、未准确读到最大压强差点；出泡速率过慢则会产生ΔP值的循环太少以致ΔPmax值的读数不准确。

表2 不同出泡速率下正丙醇Γ∞与A数据表

2.4 温度的影响

在各温度下ΔPmax值均呈下降趋势，说明表面张力一直在减小。与37 ℃相比(见图2)，62 ℃时曲线最陡，斜率相差最大，下降趋势最明显。说明升高温度，斜率变大，读数差别越大，ΔPmax值相差越大，表面张力下降得越厉害。而σ减小的原因之一则是增大正丙醇浓度，吸附在气液界面上的正丙醇分子变多，表面的极性也逐渐减小[5]。