宋建華，陳玉瑩

(廣州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣東 廣州 510006)

《物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)(第二版)》[1]采用最大氣泡壓力法測(cè)定溶液表面張力。本文在本校47名學(xué)生中展開一次有關(guān)最大氣泡壓力法測(cè)表面張力實(shí)驗(yàn)的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)學(xué)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(jì)顯示的最負(fù)數(shù)值取絕對(duì)值，也即是最大值；次小負(fù)數(shù)值取絕對(duì)值，即次大值。在93.62%選擇最大值的學(xué)生中，當(dāng)最大值出現(xiàn)一次，次大值出現(xiàn)多次時(shí)，有27.27%學(xué)生改讀次大值而不讀最大值。故產(chǎn)生兩種有關(guān)讀數(shù)的結(jié)果差異。

(2)記錄的示數(shù)是否為最大值所需時(shí)間不確定，導(dǎo)致整個(gè)實(shí)驗(yàn)完成時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不能有效地控制課堂教學(xué)時(shí)間。

(3)超過(guò)60%的學(xué)生所得結(jié)果誤差在10%以上。實(shí)驗(yàn)最難操作的環(huán)節(jié)是氣泡的調(diào)節(jié)速度。

因此，哪種讀數(shù)所得結(jié)果更精確、最大附加壓強(qiáng)差ΔP是如何變化、ΔP與氣泡間的關(guān)系、氣泡逸出速度的不同是否對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響等問(wèn)題具有探究意義。本文查閱了一些代表性的文獻(xiàn)[2-10]得出較為合理，準(zhǔn)確，可行性的實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)于本科生實(shí)際操作具有指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)步驟

1.1 實(shí)驗(yàn)所需溶液制備

(1)用吸量管分別準(zhǔn)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(zhǔn)確配制體積分?jǐn)?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(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(gè)待測(cè)正丙醇溶液。

1.2 工作曲線的測(cè)定

用阿貝折光儀分別測(cè)定11個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正丙醇溶液的折射率。

1.3 待測(cè)樣品折射率的測(cè)定

用阿貝折光儀分別測(cè)定10個(gè)待測(cè)正丙醇的折射率，從工作曲線查出對(duì)應(yīng)的濃度V(%)值。

1.4 儀器常數(shù)k的測(cè)定

(1)加入適量重蒸水于樣品管中，調(diào)節(jié)液面與毛細(xì)管下端管口相切。

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

1.5 待測(cè)樣品的ΔPmax測(cè)定

在樣品管中加待測(cè)液，重復(fù)1.4步驟(2)測(cè)定各個(gè)未知濃度待測(cè)液的ΔPmax值。

1.6 出泡速率的影響

調(diào)節(jié)氣泡逸出速率分別為每分鐘5、10、15、20個(gè)氣泡，讀出數(shù)字微壓式微壓差測(cè)量?jī)x讀數(shù)，。其余步驟與1.4、1.5步驟一致，探究出泡速率對(duì)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(fù)上述步驟，探究溫度對(duì)ΔPmax值的影響。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及結(jié)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(shí)誤差更小，準(zhǔn)確度更高，故壓力計(jì)讀數(shù)建議采用最大值。

表1 兩種讀數(shù)下正丙醇?！夼cA誤差對(duì)比

2.2 氣泡個(gè)數(shù)與ΔPmax值的關(guān)系

以下是重蒸水與10個(gè)正丙醇待測(cè)液的多個(gè)循環(huán)內(nèi)ΔP值變化過(guò)程，以待測(cè)液B(圖1)為例：

圖1是1分08秒內(nèi)待測(cè)液B的ΔP值變化過(guò)程。

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

圖1 待測(cè)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(nèi)一共逸出11個(gè)氣泡，ΔP出現(xiàn)11次最大值，兩者數(shù)值相等。說(shuō)明氣泡個(gè)數(shù)與ΔPmax存在線性關(guān)系，氣泡逸出個(gè)數(shù)等于最大值個(gè)數(shù)。

同時(shí)這段時(shí)間內(nèi)氣泡是單個(gè)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(shuō)明只要?dú)馀菡{(diào)得好，最大值ΔPmax就會(huì)有規(guī)律地重復(fù)出現(xiàn)。

2.3 出泡速率的影響

由表2可知，每分鐘5～15個(gè)氣泡的逸出速度下測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較小，所得A與文獻(xiàn)值(2.74～2.89)×10-19m2更為接近。出泡速率過(guò)快會(huì)導(dǎo)致因最大值跳躍過(guò)快而觀察不清楚令數(shù)據(jù)可信度不高的情況，或者測(cè)壓計(jì)還未穩(wěn)定、未準(zhǔn)確讀到最大壓強(qiáng)差點(diǎn)；出泡速率過(guò)慢則會(huì)產(chǎn)生ΔP值的循環(huán)太少以致ΔPmax值的讀數(shù)不準(zhǔn)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(shì)，說(shuō)明表面張力一直在減小。與37 ℃相比(見圖2)，62 ℃時(shí)曲線最陡，斜率相差最大，下降趨勢(shì)最明顯。說(shuō)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(jié) 論

(1)測(cè)得19 ℃時(shí)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(xiàn)值各種直鏈醇的分子截面積為(2.74～2.89)×10-19m2，相對(duì)誤差為13.1%。

(2)ΔP讀取出現(xiàn)次數(shù)最多的最大值時(shí)結(jié)果更加準(zhǔn)確，誤差更小。

(3)最大附加壓強(qiáng)差呈規(guī)律性重復(fù)變化。

(4)當(dāng)出泡速率為每分鐘5～15個(gè)時(shí)，ΔPmax值準(zhǔn)確度更高，計(jì)算結(jié)果誤差更小。

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