物理化学实验部分实验思考题及参考答案

实验八十三 最大泡压法测定溶液的表面张力

1、简述最大泡压法测定溶液的表面张力的实验原理。 答：实验装置如图83-4所示。

将被测液体装于测定管中，打开滴液瓶活塞缓缓放水抽气，系统不断减压，毛细管出口将出现一小气泡，且不断增大。若毛细管足够细，管下端气泡将呈球缺形，液面可视为球面的一部分。随着小气泡的变大，气泡的曲率半径将变小。当气泡的半径等于毛细管的半径时，气泡的曲率半径最小，液面对气体的附加压力达到最大，如图5所示。

在气泡的半径等于毛细管半径时：p内＝p外

气泡内的压力： p内=p大气-2γ/r 气泡外的压力： p外=p系统+ρgh

实验控制让毛细管端口与液面相切，即使h=0，p外= p系统

根据附加压力的定义及拉普拉斯方程，半径为r的凹面对小气泡的附加压力为

△pmax = p大气- p系统= p最大=2γ/r （6）

于是求得所测液体的表面张力为

???pmax?K'?pmax （7）

此后进一步抽气，气泡若再增大，气泡半径也将增大，此时气泡表面承受的压力差必然减小，而测定管中的压力差却在进一步加大，所以导致气泡破裂从液体内部逸出。最大压力差可用数字式压力差仪直接读出，K′称为毛细管常数，可用已知表面张力的物质来确定。 2、简述测定不同浓度正丁醇水溶液的表面张力，计算表面吸附量和正丁醇分子横截面积的实验原理。 答：根据能量最低原则，当溶质能降低溶剂的表面张力时，溶质表面层中的浓度比溶液内部大；反之，溶质使溶剂的表面张力升高时，溶质表面层中的浓度比内部的浓度低。这种表面浓度与溶液内部浓度不同的现象叫做溶液的表面吸附。表面吸附的多少常用表面吸附量Γ表示，其定义为：单位面积表面层所含溶质的物质的量比与同量溶剂在本体溶液中所含溶质的物质的量的超出值。显然，在指定的温度和压力下，溶质的吸附量与溶液的表面张力及溶液的浓度有关，从热力学方法可知它们之间的关系遵守吉布斯（Gibbs）吸附等温方程： ???r2c?d???? RT?dc??用吉布斯吸附等温式计算某溶质的吸附量时，可由实验测定一组恒温下不同浓度c时的表面张力，以γ对c作图，可得到γ-c曲线，将曲线上某指定浓度下的斜率dγ/dc代人（2）式，即可求得该浓度下溶质在溶液表面的吸附量Γ。当浓度足够大时，则呈现一个吸附量的极限值，即????。此时若再增加浓度，吸附量不再改变。所以 ??称为饱和吸附量。??可以近似的看做是在单位表面上定向

排列呈单分子层吸附时溶质的物质的量。求出??值，即可算出每个被吸附的表面活性物质分子的横截面积As。每个分子的截面积为： As?1 ，式中L为阿伏加德罗常数。 ??L因此，如测得不同浓度溶液的表面张力，从γ-c曲线可求得不同浓度的斜率dγ/dc，即可求出不同浓度的吸附量Γ，再从Г-c曲线上求出Г∞，便可计算出溶质分子的横截面积As。

3、的大小与那些因素有关？

答：表面张力γ表示了液体表面自动缩小趋势的大小，其大小与液体的成分、溶质的浓度、温度及表面气氛等因素有关。

4、纯液体如何降低其表面自由能？

答：对于纯液体，纯液体表面层的组成与内部的组成相同，等温等压下，γ为定值，要使dG下降，只有降低A。因此，纯液体降低表面自由能的唯一途径是尽可能缩小其表面积。因此液滴通常成球形。

dG??dA

5、溶液如何降低其表面自由能？ 答：

dG??dA对于溶液，等温等压下，要使dG下降，除了降低表面积外，因溶液的γ与溶液表面层的组成密切相关，还可由溶液自动调节不同组分在表面层中的数量使γ降低。

6、什么是溶液的表面吸附？

答：根据能量最低原则，当溶质能降低溶剂的表面张力时，溶质表面层中的浓度比溶液内部大；反之，溶质使溶剂的表面张力升高时，溶质表面层中的浓度比内部的浓度低。这种表面浓度与溶液内部浓度不同的现象叫做溶液的表面吸附。

7、水的表面张力因加入溶质形成溶液而改变，根据变化情况可将溶质分为几类？ 答 ：水的表面张力因加入溶质形成溶液而改变，根据变化情况可将溶质分为两类：

1）非表面活性物质

能使水的表面张力明显升高的溶质称为非表面活性物质。如无机盐和不挥发的酸、碱等。这些物质的离子有较强的水合作用，趋向于把水分子拖入水中，非表面活性物质在表面的浓度低于在本体的浓度。如果要增加单位表面积，所作的功中还必须包括克服静电引力所消耗的功，所以表面张力升高。

2）表面活性物质

加入后能使水的表面张力明显降低的溶质称为表面活性物质。这种物质通常含有亲水的极性基团和憎水的非极性碳链或碳环有机化合物。亲水基团进入水中，憎水基团企图离开水而指向空气，在界面定向排列。表面活性物质的表面浓度大于本体浓度，增加单位面积所需的功较纯水小。非极性成分愈大，表面活性也愈大。但习惯上，只把那些溶入少量就能显著降低溶液表面张力的物质，称为表面活性剂。

8、表面活性物质在水溶液的表面是如何排列的？

答：表面活性物质分子都是由亲水性的极性基团和亲油性的非极性基团所构成，它们在水中的排列情况随其浓度不同而异，浓度小时，分子可以平躺在表面上；浓度增大时，表面活性物质分子在溶液表面定向排列，分子的极性基团取向溶液内部，而非极性基团取向空间；当浓度增至一定程度，

2

溶质分子占据所有表面积，就形成了饱和吸附层。再增大就会形成胶束。

9、溶液的表面吸附量是什么？它与哪些因素有关？

答：其定义为：单位面积表面层所含有溶质的物质的量比同量溶剂在本体溶液中所含溶质的物质的量的超出值。它与温度，压力，溶液的表面张力及溶液的浓度有关。

10、如何求溶液的表面吸附量？ 答：用吉布斯吸附等温式计算：???c?d????，由实验测定一组恒温下不同浓度c的表面张力，RT?dc??以对c作图，可得到γ-c曲线，将曲线上某指定浓度下的斜率dγ/dc带入吉布斯吸附等温式，即可求得该浓度下溶质在溶液表面的吸附量Γ。

11、什么是溶液的饱和吸附量？如何求？

答：当浓度足够大时，则呈现一个吸附量的极限值，即????。此时若再增加浓度，吸附量不再改变。所以 ??称为饱和吸附量。??可以近似的看做是在单位表面上定向排列呈单分子层吸附时溶质的物质的量。

12、溶液的饱和吸附量与溶质分子的横截面积有何关系？如何求溶质分子的横截面积？

答：??可以近似的看做是在单位表面上定向排列呈单分子层吸附时溶质的物质的量。求出??值，即可算出每个被吸附的表面活性物质分子的横截面积As。则每个分子的截面积为：As?1 ??L式中L为阿伏加德罗常数。

13、测溶液的表面张力有哪些方法？

答：测定表面张力方法很多，如毛细管上升法、滴重法、吊环法、最大压力气泡法、吊片法和静液法等。

14. 在最大泡压法测定溶液的表面张力的实验中，玻璃毛细管下端液面是高于、低于还是与溶液液面相切？

答：毛细管中下端液面应与溶液液面应相切。

15、液体表面层分子与液体内部的分子所处的环境是否一样？

答：界面两侧的环境不同；液体内部分子的吸引力是对称的，各个方向的引力彼此抵销，总的受力效果是合力为零；处在表面层的分子受周围分子的引力是不均匀的，不对称的。

16、什么是表面张力？什么是表面自由能？两者有何区别和联系？ 答：（1）在液气两相的界面上，液体分子所受液体内部分子的引力大于气体分子对它的引力，由此造成的使液体表面缩小的力叫表面张力。

（2）在液体的内部任何分子周围的吸引力是平衡的。可是在液体表面层的分子却不相同。因为表面层的分子，一方面受到液体内层的邻近分子的吸引，另一方面受到液面外部气体分子的吸引，而且

3

前者的作用要比后者大。因此在液体表面层中，每个分子都受到垂直于液面并指向液体内部的不平衡力（如图83-l所示）。这种吸引力使表面上的分子向内挤，促成液体的最小面积。要使液体的表面积增大就必须要反抗分子的内向力而作功，增加分子的位能。所以说分子在表面层比在液体内部有较大的位能，这位能就是表面自由能。

(3) 它们的共同点是：都反映了表面分子受力不均匀的情况；两者的数值相同，量纲相同通常用同一符号表示。它们的不同点是：两者的物理意义不同，表面自由能是指等温、等压、保持组成不变的条件下，可逆地增加单位表面积时，体系吉布斯自由能的增值。表面张力是指表面层分子垂直作用于单位长度的边界上且与表面相切的收缩力。两者的单位不同，表面自由能的单位是J·m-2，而表面张力的单位是N·m-1。

17、要做好最大泡压法测定溶液的表面张力实验的关键步骤有哪些？

答：要做好这个实验关键因素有：正丁醇溶液浓度要准确配制，测定正丁醇溶液表面张力时按从稀到浓依次进行，玻璃器皿必须洗涤清洁，毛细管及测定管一定要用待测液润洗；测定时毛细管一定要与液面保持垂直，端面刚好与液面相切；控制好滴液瓶的放液速度，水的流速每次均应保持一致，尽可能使气泡呈单泡逸出，以利于△pmax读数的准确性；温度应保持恒定，否则对γ的测定影响较大。

18、用最大泡压法准确测定溶液的表面张力需注意哪些问题？

答：用最大泡压法准确测定溶液的表面张力需注意以下问题：

（1）在测定有效数据之前一定要检查系统的气密性，否则数据不真实。

（2）连接压力计与毛细管及滴液瓶用的乳胶管中不应有水等阻塞物，否则压力无法传递至毛细管，将没有气泡自毛细管口逸出。

（3）测定时毛细管及测定管应洗涤干净，以玻璃不挂水珠为好，否则，气泡可能不呈单泡逸出，而使压力计读数不稳定，如发生此种现象，毛细管应重洗。

（4）测定时毛细管一定要与液面保持垂直，端面刚好与液面相切，若毛细管末端插入到溶液内部，则气泡外的压力：p外= p系统+ρgh，此时因为h不等于0，在气泡的半径等于毛细管半径时：p内=p大气-2γ/r＝p外= p系统+ρgh

△pmax = p大气- p系统=ρgh +2γ/r

计算公式将只能采用 (?pmax??gh)r?? 2（5）控制好滴液瓶的放液速度，水的流速每次均应保持一致，尽可能使气泡呈单泡逸出，以利于读数的准确性。

（6）数字微压差仪上显示的数字为实验系统与大气压之间的压差值。要读取最大压力差数值，因为△pmax与毛细管的半径r 是对应的，只有这样才能获得一致的数据。

（7）正丁醇溶液要准确配制，使用过程中防止挥发损失。测定正丁醇溶液表面张力时按从稀到浓依次进行，毛细管及测定管一定要用待测液润洗，否则测定的数据不真实。毛细管的清洗方法：将毛细管在下次被测溶液中沾一下，溶液在毛细管中上升一液柱，然后用洗耳球将溶液吹出，重复3～4次。

（8）温度应保持恒定，否则对γ的测定影响较大。

19、在最大泡压法测定溶液的表面张力实验中，测量液体表面张力时为什么要读取最大压力差？ 答：因为γ= r/2×△pmax，只有气泡的半径等于毛细管的半径时，气泡的曲率半径最小，液面对气体的附加压力达到最大，所以读取最大压差。

20、在最大泡压法测定溶液的表面张力实验中，测量液体表面张力时滴水过快，对测量结果有何影响？

4

答：有影响，若测量液体表面张力时滴水过快就会使测定管中出气泡不是呈单个冒出，出泡速率快将使表面活性物质来不及在气泡表面达到吸附平衡，也将使气体分子间摩擦力和流体管壁间的摩擦力增大，这将造成压力差增大，使表面张力测定值偏高。

21、在最大泡压法测定溶液的表面张力实验中，测量表面张力时毛细管末端插入到溶液内部进行测量行吗？为什么？

答：不行！如果将毛细管末端插入到溶液内部进行测量，则气泡外地压力：p外= p系统+ρgh，此时因为h不等于0，在气泡的半径等于毛细管半径时：p内=p大气-2γ/r＝p外= p系统+ρgh △pmax = p大气- p系统=ρgh +2γ/r 计算公式将只能采用 公公式 (?pmax??gh)r?? 2公式,那么在实验操作时，就需要测量h，使实验变繁琐，不可取。

22、在最大泡压法测定溶液的表面张力实验中，表面张力仪的清洁与否和温度的不恒定对测量数据有何影响？

答：若表面张力仪不干净，则气泡可能不成单泡冒出，使压力计读数不稳定，给实验带来较大的误差，同时表面张力仪不干净会影响溶液的表面张力。因为表面张力与温度有很大的关系，如温度不恒定则对表面张力的测量会带来较大的误差。 23、在最大泡压法测定溶液的表面张力实验中，为什么要求从毛细管中逸出的气泡必须均匀而间断？ 答：因为毛细管中逸出的气泡必须均匀而间断，使得所测最大压差准确。如抽气太快，气泡的形成与逸出快而不稳定，将会使最大压差的读数不稳定，给实验带来较大的误差，可以通过控制滴液的速度快慢来控制出泡速度。

24、在最大泡压法测定溶液的表面张力实验中，如何控制出泡速度？若出泡速度太快对表面张力测定值有何影响？

答：本实验控制出泡速率是通过控制滴定管中液体滴定速度来实现。若出泡速率快太将使表面活性物质来不及在气泡表面达到吸附平衡，也将使气体分子间摩擦力和流体管壁间的摩擦力增大，这将造成压力差增大，使表面张力测定值偏高。

25、在最大泡压法测定溶液的表面张力实验中，哪些因素影响表面张力的测定？应当如何减小或消除这些因素的影响？ 答：影响因素有：（1）系统的气密性；（2）毛细管及测定管是否清洗干净；（3) 滴液瓶的放液速度；（4)读取数字微压差仪上压差值； (5)正丁醇溶液浓度是否准确配置。

减小或消除这些因素的方法有：

（1）在测定有效数据之前一定要检查系统的气密性，否则数据不真实。

（2）连接压力计与毛细管及滴液瓶用的乳胶管中不应有水等阻塞物，否则压力无法传递至毛细管，将没有气泡自毛细管口逸出。

（3）测定时毛细管及测定管应洗涤干净，以玻璃不挂水珠为好，否则，气泡可能不呈单泡逸出，而使压力计读数不稳定，如发生此种现象，毛细管应重洗。

（4）测定时毛细管一定要与液面保持垂直，端面刚好与液面相切，若毛细管末端插入到溶液内部，则气泡外的压力：p外= p系统+ρgh，此时因为h不等于0，在气泡的半径等于毛细管半径时：p内=p大气-2γ/r＝p外= p系统+ρgh △pmax = p大气- p系统=ρgh +2γ/r 计算公式将只能采用 (?p??gh)r??max

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（5）控制好滴液瓶的放液速度，水的流速每次均应保持一致，尽可能使气泡呈单泡逸出，以利于读数的准确性。

（6）数字微压差仪上显示的数字为实验系统与大气压之间的压差值。要读取最大压力差数值，因为△pmax与毛细管的半径r 是对应的，只有这样才能获得一致的数据。

（7）正丁醇溶液要准确配制，使用过程中防止挥发损失。测定正丁醇溶液表面张力时按从稀到浓依次进行，毛细管及测定管一定要用待测液润洗，否则测定的数据不真实。毛细管的清洗方法：将毛细管在下次被测溶液中沾一下，溶液在毛细管中上升一液柱，然后用洗耳球将溶液吹出，重复3～4次。

26. 玻璃毛细管插入不同的溶液中，毛细管中的液面高于、低于还是与溶液液面相平？

答：实际上，这里既涉及到润湿的问题，又涉及弯曲表面附加压力的问题，而这两个问题都与表面张力有关。能润湿，则形成凹面，产生一指向溶液外部的附加压力，使毛细管中的液面高于溶液液面；如果接触角为90°，则形成平面，不产生附加压力，毛细管中的液面与溶液液面相平；不能润湿，则形成凸面，产生一指向溶液内部的附加压力，使毛细管中的液面低于溶液液面，如玻璃毛细管插入汞中。

实验八十五 粘度法测定水溶性高聚物相对分子质量

1、简述黏度法测定水溶性高聚物相对分子量的实验原理。 答：相对分子质量是聚合物的基础数据，但高聚物相对分子质量大小不一，参差不齐，一般在103-107之间，所以平常所测高聚物的相对分子质量是平均相对分子质量。粘度法测定高聚物相对分子质量，设备简单，操作方便，有相当好的实验精度，其适用的相对分子质量范围为104-107。高聚物溶液的粘度，主要反映了液体在流动时存在的内摩擦。

溶液粘度的命名

名称 溶剂的黏度 溶液的黏度 相对粘度ηr 增比粘度ηsp 比浓粘度 比浓对数粘度 特性粘度? ???KM

6

?符号和定义 η0 η ?r???0 ?sp?????0??0??r?1 ?spc?? ???K'? ??c 2 ln?rc?? ????? ??c 2? ???limc?0?spc?limc?0ln?r c

测定液体粘度的方法，主要有毛细管法（测定液体通过毛细管的流出时间）；落球法（测定圆球在液体里的下落速度）及转筒法（测定液体在同心轴圆柱体间相对转动的影响）。在测定高分子溶液的特性粘度[η]时，以毛细管法最为方便。

当液体在毛细管粘度计内因重力作用而流出时，遵守泊肃叶定律：

?hgr4mV????hgr4tV,?? ?? ??t? ??m8lV8?l?t?8lV8?lt

式中β＜1，当t＞100s时，等式右边第二项可以忽略?r??t? ?0t0进而可分别计算得到ηsp、ηsp/c和lnηr/c值。配置一系列不同浓度的溶液分别进行测定，以ηsp/c和lnηr/c为同一纵坐标，c为横坐标作图，得两条直线，分别外推到c＝0处，其截距即为[η]，K，α已知，即可得到M。

粘度法测定高聚物相对分子质量，最基础的是测定t0、t、c，实验的关键和准确度在于测量液体流经毛细管的时间、溶液浓度的准确度和恒温程度等因素

2、高聚物相对分子质量具有什么特点？

答：高聚物相对分子质量大小不一，参差不齐，一般在103-107之间，所以平常所测高聚物的相对分子质量是平均相对分子质量。

3、什么是液体的黏度？

答：液体的黏度是指液体对流动所表现的阻力，这种力反抗液体中邻接部分的相对移动，因此可看作是一种内摩擦。

4、溶液的黏度包括哪些内摩擦？

答：溶液的黏度包括以下三种内摩擦：1）溶剂分子与溶剂分子之间的内摩擦，2）高聚物分子间的内摩擦，3）高聚物分子与溶剂分子之间的内摩擦。

5、溶液的黏度与哪些因素有关？

答：溶液的黏度与溶质的结构、溶液浓度、溶剂性质、温度以及压力等因素有关。

6、什么是相对黏度ηr、增比黏度ηsp、比浓黏度ηsp/c、比浓对数黏度lnηr/c、特性黏度[η]？

答：在同一温度下，高聚物溶液的黏度η一般都比纯溶剂的黏度η0大，即η＞η0。因为液体黏度的绝对值测定很困难，所以一般都是测定溶液与溶剂的相对黏度ηr：

?r?? （1） ?0相对于溶剂，溶液黏度增加的分数称为增比黏度，记为ηsp，即：

?sp????0??r?1 （2） ?0相对黏度ηr反映的是溶液的黏度行为，增比黏度ηsp则反映的是扣除了溶剂分子之间的内摩擦效应，仅留下纯溶剂与高聚物分子之间，以及高聚物分子之间的内摩擦效应。显然，溶液的浓度越大，

7

黏度也越大，为了便于比较，引入比浓黏度ηsp/c及比浓对数黏度lnηr/c。当溶液无限稀释时，每个高聚物分子彼此相隔极远，其相互间的内摩擦可忽略不计，此时溶液所表现出的黏度主要反映了高聚物分子与溶剂分子间的内摩擦，定义为特性黏度[η]，其值与浓度无关，仅取决于溶剂的性质及高聚物分子的形态与大小。计算公式如下：

????limc?0?spc?limln?r （3）

c?0c在足够稀的高聚物溶液中，ηsp/c和lnηr/c与c之间的关系可

由经验公式表示：

?spc?????K'???c （4）

2ln?r2?????????c （5） c式中，系数K与β分别称为赫金斯（Huggins）常数和克拉默（Kramler）常数。K表示溶液中聚合物之间和聚合物与溶剂分子之间的相互作用，K值一般来说对摩尔质量并不敏感。

因此，通过ηsp/c与c和lnηr/c与c作图将得到两条直线，外推至c＝0时所得截距即为[η]，外推法求[η]如图85-1所示。

7、特性黏度[η] 与高聚物平均相对分子质量M有何关系？

答：高聚物分子的相对分子质量越大，则它与溶剂分子间的接触表面也越大，因此摩擦就大，表现出的特性黏度也大。实验证明，当聚合物、溶剂和温度确定以后，特性黏度[η]的数值只与高聚物平均相对分子质量M有关，它们之间的半经验关系可用马克-豪威克（Mark-Houwink）方程式表示：

''????KM? （6）

式中K为比例常数 ，α是与分子形状有关的经验常数。K和α值与温度、聚合物和溶剂性质有关，在一定的相对分子质量范围内与相对分子质量无关。K值受温度的影响较明显，而α值主要取决于高分子线团在某温度下，某溶剂中舒展的程度，其数值介于0.5-1之间。K和α的数值只能通过其他方法确定，例如渗透压法、光散射法等。黏度法只能测得[η]，通过已经确实的公式来计算聚合物的相对分子质量。

8、测定液体黏度主要有哪些方法？

答：测定液体黏度主要有毛细管法（测定液体通过毛细管的流出时间）；落球法（测定圆球在液体里的下落速度）及转筒法或旋转法（测定液体在同心轴圆柱体间相对转动的影响）。

9、在什么情况下，相对黏度ηr等于溶液和溶剂的流出时间t和t0之比？

答：当液体在毛细管黏度计内因重力作用而流出时，遵守泊肃叶（Poiseuille）定律：

??hgr4tV （7） ??m?8lV8?lt

8

式中ρ为液体的密度；l是毛细管长度；r是毛细管半径；t是流出时间；h是流经毛细管液体的平均液柱高度；g为重力加速度；V是流经毛细管液体的体积；m是与仪器的几何形状有关的常数，在r/l《l时，可取m＝l 。

对某一支指定的黏度计而言，令（7）?hgr4mV式可改写为：

??,?? 8lV8?l????t? （8） ?t式中β＜1，当t＞100s时，等式右边第二项可以忽略。又因通常测定是在稀溶液（小于10 kg·m-3）

中进行，所以溶液的密度ρ与溶剂密度ρ0近似相等。这样，通过分别测定溶液和溶剂的流出时间t和t0，就可求算ηr：

?r??t? （9） ?0t0

10、如何测定特性黏度[η]？

答：通过分别测定溶液和溶剂的流出时间t和t0，就可求算ηr：

?r??t? （9） ?0t0进而可分别计算得到ηsp、ηsp/c和lnηr/c值。配置一系列不同浓度的溶液分别进行测定t，以ηsp/c和lnηr/c为同一纵坐标，c为横坐标作图，得两条直线，分别外推到c＝0处(如图1所示)，其截距即为[η]，代入(6)式(K，α已知)，即可得到M。

11、黏度法测定高聚物相对分子质量的影响因素有哪些？

答：黏度法测定高聚物相对分子质量，最基础的是测定t0、t、c，实验的关键和准确度在于测量液体流经毛细管的时间、溶液浓度的准确度和恒温程度等因素。

12、在粘度法测定高聚物的分子量实验中，如何保证溶液浓度的准确度？

答：1）高聚物在溶剂中溶解缓慢，配制溶液时必须保证其完全溶解，否则，会影响溶液起始浓度，而导致结果偏低。

2) 本实验溶液的稀释是直接在粘度计中进行的，因此，每加入一次溶剂进行稀释时必须混合均匀，并抽洗E球和G球，要注意多次(不少于三次)用稀释液抽洗毛细管，保持年度计内各处浓度相等。

13、在粘度法测定高聚物的分子量实验中，如何准确测定液体流经毛细管的时间？ 答：要准确测定液体流经毛细管的时间，必须注意以下几点：

1）所用粘度计必须洗净，因为微量的灰尘油污等会导致局部的堵塞现象，影响溶液在毛细管中流动，引起较大的误差，所以在实验前应彻底洗净烘干。先用热洗液（经砂芯漏斗过滤）浸泡，再用自来水、蒸馏水分别冲洗几次。每次都要注意反复流洗毛细管部分，洗好后烘干备用。其他容量瓶移液管等都要彻底洗净，做到无尘。

2) 测定时黏度计要垂直放入恒温水浴中，使水面超过G球lcm左右，放置位置要适于观察液体流动情况，恒温水浴搅拌器的搅拌速度应调节合适，如产生剧烈震动，将会影响测定的结果。

3）安装好后，用移液管吸取已知浓度的聚乙二醇溶液10.00mL，由A管注入粘度计中，在C

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管处用洗耳球打气，使溶液混合均匀，浓度记为c1，恒温10min，进行测定。测定方法如下：将C管上端的乳胶管用夹子夹紧，使之不通气，在B管的乳胶管口用洗耳球慢慢抽吸，将溶液从F球经D球、毛细管、E球抽至G球2/3处，先拿走洗耳球后，再松开C管上夹子，让其通大气，此时D球内的溶液即回入F球，使毛细管以上的液体悬空。毛细管以上的液体下落，当液面流经a刻度时，立即按表开始记时，当液面降至b刻度时，停止计时，测得液体流经a、b线所需时间，即刻度a、b之间的液体流经毛细管所需时间。重复三次，偏差应小于0.2s，取其平均值，即为t1值。

4) 液体粘度的温度系数较大，实验中应严格控制温度恒定，溶液每次稀释恒温后才能测量，否则难以获得重现性结果。

5) 用洗耳球抽提液体时，要避免气泡进人毛细管以及G、E球内进入，若有气泡则要让液体流回F球后，重新抽提。

14、乌氏粘度计和奥氏粘度计有何区别？各有什么优点？

答：乌氏粘度计测定粘度，由于乌氏粘度计有一支C管，测定时B管中的液体在毛细管下端出口处与A管中的液体断开，由于C管与大气相通，B管中的液体下流时所受压力差与A管中液面高度无关，即与所加的待测液的体积无关，所以可以在粘度计中稀释液体。它最大的优点是样品溶液的体积不影响测定结果，因而可以在粘度计中逐渐稀释溶液从而节省许多操作手续。除了乌氏粘度计，生产实际中经常使用奥氏粘度计测定高聚物的平均摩尔质量。奥氏粘度计的结构如图所示，其操作方法与乌氏粘度计类似，但是，而奥氏粘度计测定时，标准液体和待测液体的体积必须相同，

因为液体下流时所受的压力差与A管中液面高度有关。奥氏粘度计制作容易，操作简便，具有较高的测量精度，特别适用于粘滞系数小的液体，如水、汽油、酒精、血浆或血清等的研究。

15、 用乌氏黏度计测黏度时，流经毛细管的时间与液体加入的总量的多少有无关系？为什么？ 答：无关，与毛细管上方的小球容积有关，也与溶液的粘度有关。 16、 用乌氏黏度计测黏度时，在同一温度下，不同纯液体流经同一毛细管的时间越长，粘度就越大，是否正确？ 答：对

17、 在粘度法测定高聚物的分子量实验中，其溶剂和溶液的粘度的测定为什么在同一毛细管中进行？可否在两支同型号的粘度计中分别进行？

答：测定必须在同一毛细管进行，因为对同一溶液不同毛细管的直径不同，流出时间也不同，所谓增比粘度是用同一毛细管中溶液和溶剂的粘度比值，在一定条件下，该比例等于溶液和溶剂的流出时间比。

18、用粘度法测高聚物的分子量时，为什么要配制一系列不同浓度的高聚物进行相对粘度的测定？ 答：是为了测定出不同浓度下的比浓粘度，然后将浓度外推到浓度为0时，求出的比浓粘度即为特性粘度，可以用于计算分子量。

19、在粘度法测定高聚物的分子量实验中，影响粘度准确测定的因素有哪些？ 答：（1）毛细管的粗细，要保证流出时间在100秒以上；（2）适宜的溶液浓度，比较好的溶液浓度是保证增比粘度在0.2以上；（3）温度的准确性和稳定性，越稳定越好。 20、 用乌氏黏度计测黏度时，乌氏黏度计C管起什么作用，无C管对实验有什么影响？如何消除？

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答：支管C的作用是与大气相通，使得B管中的液体完全是靠重力落下而不受其它因素影响。除去支管C仍可测定粘度，只不过此时标准液体和待测液体体积必须相同，因为此时的液体下流时所受的压力差与A管中液面高度有关。

21、 用乌氏黏度计测黏度时，乌氏黏度计的毛细管太粗或太细，对实验测定结果有何影响?如何选择合适的毛细管?

答：粘度计毛细管太粗，流出时间太短，溶液与溶剂流出时间之比不是准确地等于两者粘度之比，由此计算出的分子量将有较大误差，需要做动力学校正。毛细管较细对测定结果无影响，但测定所需时间较长。一般要求溶剂的流出时间大于100s.

22、特性粘度［η］就是溶液无限稀释时的比浓粘度，它和纯溶剂的粘度有无区别?为什么要用［η］来求算高聚物的相对分子质量?

答：特性粘数的量纲与粘度的不一样，特性粘数不是粘度这种物理概念。能利用它求分子量是因为分子量和特性粘数存在如下关系：??KM。

23、评价粘度法测定水溶性高聚物相对分子质量的优缺点，适用的相对分子质量范围是多少?并指出影响准确测定结果的因素。

答：粘度法测定高聚物相对分子质量，优点：设备简单，操作方便，有相当好的实验精度，缺点：实验操作要求严格，粘度计的干净干燥度、垂直程度，恒温程度等均会带来实验误差；其适用的相对分子质量范围为104-107。实验的关键和准确度在于测量液体流经毛细管的时间、溶液浓度的准确度和恒温程度。

24、粘度法测定高聚物的分子量实验中，用乌氏黏度计测黏度时，粘度计为什么要洗净并干燥？ 答：对于粘度计，有时微量的尘土、油污等都会产生局部的堵塞现象，从而影响溶液在毛细管中的流速，所以要洗干净，若不干燥则会稀释溶液浓度则会使测定的时间比实际的变短，从而引起较大的实验误差，所以要洗净干燥。

25、在粘度法测定高聚物的分子量实验中，每加入一次溶剂，为什么要恒温？

答：因为液体粘度的温度系数较大，温度对其影响大，所以要严格恒温，否则难以获得重现性结果。

26、在粘度法测定高聚物的分子量实验中，每加入一次溶剂稀释时，为什么要用洗耳球抽吸？ 答：为使浓度混合均匀，以免产生实验误差。

27、在粘度法测定高聚物的分子量实验中，测定粘度时，粘度计为什么要垂直放置？

答：因为测定时粘度计中的液体完全是靠重力落下，若不垂直的话会减慢液体流速，从而测定的时间比实际的要长，产生较大的实验误差。

28、用粘度法测高聚物的分子量实验中，为什么不晃动粘度计？ 答：晃动粘度计会影响时间的测定，从而产生实验误差。

实验八十六 Fe(OH)3溶胶的制备及其ξ电势的测定 1、溶胶是什么？其具有什么特征？

答：溶胶是一种半径为10-9-10-7m(1-100nm)固体粒子(称分散相)在液体介质(称分散介质)中形成的多相高分散系统。由于分散粒子的颗粒小，表面积大，其表面能高，使得溶胶处于热力学不稳定状

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???

态，这是溶胶系统的主要特征。

2、溶胶的制备方法有哪些？本实验用什么方法制备Fe(OH)3溶胶？

答：溶胶的制备方法可分为分散法和凝聚法。分散法是用适当方法把较大的物质颗粒变为胶体大小的质点；凝聚法是先制成难溶物的分子(或离子)的过饱和溶液，再使之相互结合成胶体粒子而得到溶胶。本实验是采用化学凝聚法制备Fe(OH)3溶胶，即用FeCl3溶液在沸水中进行水解反应制备成Fe(OH)3溶胶，反应式如下：

FeCl3?3H2O?沸腾???Fe?OH?3?3HCl

（红棕色溶液）Fe(OH)3溶胶的胶团结构式可表示为：{ [Fe(OH)3]m n Fe3+ ，(3n-x)Cl– }x+ x Cl–。

3、水解反应制备成的Fe(OH)3溶胶为何需要纯化？如何纯化？

答：用上述方法制得的Fe(OH)3溶胶中，除Fe3+与C1-外，还有许多杂质离子，对溶胶的稳定性有不良的影响，故必须除去，称为溶胶纯化。实验室对溶胶纯化，大多采用渗析法。渗析法是利用离子能穿过半透膜进入到溶剂中，而胶粒却不能穿过半透膜。所以，将溶胶装入半透膜制成的袋内，将该袋浸入溶剂中，离子及小分子便透过半透膜进入溶剂，若不断更换溶剂，则可将溶胶中的杂质除去。

4、电泳是什么？

答：在溶胶中，由于胶体本身的电离或胶粒对某些离子的选择性吸附，使胶粒的表面带有一定的电荷。在外电场作用下，胶粒向异性电极定向移动，这种现象称为电泳。

5、ζ电势是什么？

答：发生相对移动的界面称为切动面，切动面与溶液本体之间的电势差称为电动电势或ζ电势。ζ电势的数值与胶粒性质、介质成分及溶胶浓度有关。ζ电势是表征胶粒特性的重要物理量之一，在研究溶胶性质及实际应用中起着重要的作用。溶胶的稳定性与ζ电势有着直接的关系，ζ电势的绝对值越大，表明胶粒所带电荷量越多，这样胶粒间排斥力也就越大，溶胶越稳定；反之则表明溶胶越不稳定。当ζ电势为零时，溶胶的稳定性最差，此时可观察到溶胶的聚沉。

6、本实验如何测定Fe(OH)3溶胶的ζ电势？

答：原则上，溶胶的电动现象〔电泳、电渗、流动电势、沉降电势)都可以用来测定ζ电势，但电泳是最常用的测定方法。电泳法可分为宏观法和微观法。宏观法的原理是观察溶胶与另一种不含胶粒的电解质溶液的界面在电场中的迁移速度，也称界面电泳法。微观法则是直接观察单个胶粒在电场中的迁移速度。对于高分散的溶胶(如As2S3溶胶、Fe(OH)3溶胶)或过浓的溶胶，不易观察个别胶粒的运动，只能采用宏观法。对于颜色太淡或过稀的溶胶则适宜用微观法。本实验采用宏观法。

本实验采用U形管电泳仪在一定的外加电场强度下测定Fe(OH)3胶粒的电泳速率计算其ζ电势。原理图如图86-1所示。

在电泳仪两极间接上电位差U(V)后，在t(s)时间内溶胶界面移动的距离为d (m)，即溶胶电泳速度v(m·s-1)为：

v?d/t （1）

当辅助液的电导率与溶胶的电导率相差很小时，相距为L（m）的两

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极间的电位梯度平均值H(V·m-1)为：

H?U/L （2）

如果辅助液的电导率κ0与溶胶的电导率κ相差较大，则在整个电泳管内的电位降是不均匀的，

这时需用下式求H：

H?U??L?LK??LK?0 （3）

式中LK为溶胶两界面距离。为了简便，电泳实验中通常使用与溶胶电导率相同的辅助液。从实验中求得即溶胶电泳速度v后，可根据下式计算ζ(V)电势：

??K???v （4） ?H式中：K为与胶粒形状有关的常数（对于球形粒子K＝5.4×1010V2·s2·kg-1·m-1；对于棒形粒子K＝3.6×1010V2·s2·kg-1·m-1，本实验中Fe(OH)3胶粒为棒形粒子）；η为粘度(kg·m-1·s-1)，ε介质的介电常数（ln?t?4.474266。 ?4.54426?10?3t）

7、本实验为了计算出Fe(OH)3溶胶的ζ电势需记录和测量哪些数据？ 答：电泳仪两极间接上电位差U(V)； t(s)时间内溶胶界面移动的距离为d (m)；两极间相距L（m）实验温度下水的粘度(kg·m-1·s-1)和ε介质的介电常数（ln?t?4.474266。 ?4.54426?10?3t）

8、制备半透膜时需要注意什么？

答：在一个内壁洁净、干燥的250mL锥形瓶中，加入约20mL火棉胶液，小心转动锥形瓶，使火棉胶液黏附在锥形瓶内壁上形成均匀薄层，倾出多余的火棉胶。此时锥形瓶仍需倒置，并不断旋转，待剩余的火棉胶流尽，使瓶中的乙醚蒸发至已闻不出气味为止(此时用手轻触火棉胶膜，已不黏手)。然后再往瓶中注满水(若乙醚末蒸发完全，加水过早，则半透膜发白)，浸泡5min。倒出瓶中的水，小心用手分开膜与瓶壁之间隙。慢慢注水于夹层中，使膜脱离瓶壁，轻轻取出，在膜袋中注入蒸馏水检查是否漏水，若不漏，将其浸入蒸馏水中待用。

（1）火棉胶液是硝化纤维的乙醇乙醚混合溶液，制备半透膜袋时，要远离火焰，注意回收残液。 （2）在制备半透膜时加水的时间应适中。如加水过早，因胶膜中的溶剂尚未完全挥发掉，胶膜呈乳白色，强度差而不能使用；如加水过迟，则胶膜变干、脆，不易取出且易破裂。

9、为何可以用热渗析法纯化Fe(OH)3溶胶？如何判断Fe(OH)3溶胶已纯化好？

答：渗析法是利用离子能穿过半透膜进入到溶剂中，而胶粒却不能穿过半透膜。所以，将溶胶装入半透膜制成的袋内，将该袋浸入溶剂中，离子及小分子便透过半透膜进入溶剂，若不断更换溶剂，则可将溶胶中的杂质除去。热渗析法可已加快离子及小分子便透过半透膜的速度。

将制得的Fe(OH)3溶胶冷至约60℃，注入半透膜内用线拴住袋口，置于500mL的清洁烧杯中，杯中加蒸馏水约400mL，维持温度在60℃左右，进行渗析。每20min换一次蒸馏水，4次后取出1mL渗析水，分别用1%KSCN溶液检查是否存在Fe3+，如果仍存在，应继续换水渗折，直到检查不出为止，将纯化过的Fe(OH)3溶胶移入一清洁干燥的l00mL小烧杯中待用。

10、本实验成败的关键是什么？

答：1）半透膜制备成功，2）Fe(OH)3溶胶制备与纯化好，3）把Fe(OH)3溶胶装入电泳管后，加辅助液时一定要用滴管缓慢地沿U形管壁加入，使辅助液与Fe(OH)3溶胶间形成清晰的界面。

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11、电泳速度的快慢与哪些因素有关?

??K??K??L??U?v??v v? ?H?UK??L答：电泳速度的快慢与溶胶的ξ电势、介质的介电常数ε、电泳仪两级间的电位差U成正比，

与溶胶的黏度、电泳仪两级间的距离成反比。

12、本实验中所用稀盐酸溶液的电导率为什么必须和所测溶胶电导率相等或尽量接近?

答：在电泳仪两极间接上电位差U(V)后，当辅助液的电导率与溶胶的电导率相差很小时，相距为L（m）的两极间的电位梯度平均值H(V·m-1)为：

H?U/L （2）

如果辅助液的电导率κ0与溶胶的电导率κ相差较大，则在整个电泳管内的电位降是不均匀的，这时需用下式求H：

H?U??L?LK??LK?0 （3）

式中LK为溶胶两界面距离。为了操作简便，电泳实验中通常使用与溶胶电导率相同的辅助液。

13、在电泳测定中如不用辅助液体，把电极直接插入溶胶中会发生什么现象?

答：不用辅助液，而将电极直接插在溶胶中的做法是错误的，因为溶胶电泳的同时，也在电解水，负极发生还原反应产生氢气和氢氧根，会使 Fe(OH)3 溶胶聚沉，生成红棕色沉淀，干扰了主现象电泳的观察。没有参比，也无法测定电泳速度。

14、 如果电泳仪事先没洗净，管内壁上残留微量电解质，对电泳测量结果将有什么影响？ 答：可能改变ζ电势大小，甚至引起胶体的聚沉。

15、在Fe(OH)3溶胶的制备及其ξ电势的测定实验中，如何量取两电极间的距离？ 答：用线量出两电极间的U形导电距离。

16、 电泳实验中辅助液起何作用，选择辅助液的依据是什么？

答：辅液主要起胶体泳动的介质、电介质作用和与胶体形成清晰的界面易于观测等作用。

选择辅助液的依据是：①不能与胶体发生反应；②不挥发；③辅助液中阴阳离子迁移速率要相近；④辅助液的电导率与胶体的电导率相等，这样可避免因界面处电场强度突变造成两壁界面移动速率不等而产生的界面分层不好，模糊。

17、 在Fe(OH)3溶胶的制备及其ξ电势的测定实验中，为什么制备的溶胶必须经过纯化及老化后方能用于实验？

答：水解反应制得的Fe(OH)3溶胶中，除Fe3+与C1-外，还有许多杂质离子，对溶胶的稳定性有不良的影响，故必须除去。

18、在Fe(OH)3溶胶的制备及其ξ电势的测定实验中，实验表明Fe(OH)3胶粒带正或负电？并解释实验结果。

答： Fe(OH)3溶胶的胶团结构式可表示为：{ [Fe(OH)3]m n Fe3+ ，(3n-x)Cl– }x+ x Cl–。可知Fe(OH)3

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溶胶胶粒带正电，电泳时胶体向负极移动。

19、在Fe(OH)3溶胶的制备及其ξ电势的测定实验中，在溶胶上面加入稀盐酸溶液时必须十分小心地沿着管壁慢慢滴加，为什么？

答：为了得到清晰界面，便于后面电泳距离的测量。

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