实验十一 最大气泡法测定溶液的表面张力

11.1实验目的

11.1.1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的横截面积；

11.1.2了解表面张力的性质，表面自由能的意义以及表面张力和吸附的关系； 11.1.3 掌握用最大泡压法测定表面张力的原理和技术。

11.2实验原理

11.2.1表面自由能

物体表面分子和内部分子所处的境遇不同，表面分子受到向内的拉力，所以液体表面都有自动缩小趋势。如果把一个分子由内部迁移到表面，就需要对抗拉力而做功。在温度、压力和组成恒定时，可逆地使表面增加dA所需做的功，叫表面功，可表示为：

-δW′= σdA (11.1)

式中，σ为比例常数。

σ在数值上等于当T、p和组成恒定的条件下增加单位表面积时所必须对体系做的可逆非膨胀功，也可以说是每增加单位表面积时体系自由能的增加值。环境对体系作的表面功转变为表面层分子比内部分子多余的自由能。因此，σ称为表面自由能，其单位是J·m-2。若把σ看作为作用于每单位长度边缘上的力，通常称为表面张力。

从另外一方面考虑表面现象，特别是观察气液界面的一些现象，可以觉察到表面上处处存在着一种张力，它力图缩小表面积，此力称为表面张力，其单位是

N·m-1。表面张力是液体的搬弄是重要特性之一。与所处的温度、压力、浓度以及

共存的另一相的组成有关。纯液体的表面张力通常是指该液体与饱和了其本身蒸气的空气共存的情况而言。 11.2.2溶液的表面吸附

纯液体表面层的组成与内部组成层相同，因此，液体降低体系表面自由能的唯一途径是尽可能缩小其表面积。对于溶液则由于溶质会影响表面张力，因此可以调节溶质在表面的浓度来降低表面自由能。

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根据能量最低原则，溶质能降低溶剂的表面张力时，表面层中溶质的浓度应比溶液的内部来得大；反之溶质使溶剂的表面张力升高时，它在表面层中的浓度比在内部的浓度来得低，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。从热力学方法可知它们之间的关系遵守Gibbs吸附方程：

c????Γ??式中：

??RT??c?T (11.2)

Γ— 表面吸附量(mol·m-2 ) σ— 溶液表面张力(N·m-1)

T— 热力学温度(K) c— 溶液浓度(mol·m-3 )

R — 气体常数(8.3145J.K-1.mol-1)。

以表面张力σ对溶液浓度c作图，可得到σ—c曲线，在σ—c曲线上任选一点I作切线，即可得该点所对应浓度ci的斜率(dσ/dci)T ,可求得不同浓度下的Γ值和得出Γ—c的关系图。

在一定的温度下，吸附量与溶液浓度之间的关系由Langmuir等温式表示：

式中：

KcΓ?Γ?1?Kc(11.3)

Γ∞— 表面饱和吸附量(mol·m-2 )

K— 经验常数(与溶质的表面活性大小有关) 将(11.3)式转化成直线方程为：

cc1??ΓΓ?KΓ? (11.4)

若以c/Γ~c作图可得一直线，由直线斜率可求出Γ∞。

假若在饱和吸附的情况下，在气液界面上铺满一单分子层，则可应用下式求得被测物质的分子横截面积S0：

式中 为阿佛加德罗常数(6.022×1023mol-1)。 N11.2.3 最大泡压法

~1S0?~NΓ? (11.5)

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将被测液体装于测定管中，使玻璃管下端毛细管端面与液面相切，液面沿毛细管上升。打开分液漏斗的活塞，使水缓慢下滴而减少系统压力。这样毛细管内液面受到一比试管中液面上大的压力，当此压力差在毛细管端面上产生的作用力大于毛细管口液体的表面张力时，气泡就从毛细管口逸出，这一最大压力差可由数字式微压差测量仪读出。其关系式为：

pmax= p大气- p系统=?p (11.6)

如果毛细管半径为r，气泡由毛细管口逸出时受到向下的总压力为πr2pmax。 气泡在毛细管受到的表面张力引起的作用力为2πrσ。刚发生气泡自毛细管逸出时，上述两力相等，即：

πr2pmax=πr2?p =2πrσ (11.7) σ=r?p /2 (11.8)

若用同一根毛细管，对两种具有表面张力为σ1和σ2的液体而言，则有下列关系：

σ1=σ2?p1/?p2=K?p1 (11.9)

式中K为仪器常数。

11.3实验仪器和试剂

恒温装置 1套 带有支管的试管(附木塞) 1支 毛细管(半径为0.15~0.02mm) 1根 容量瓶(50mL) 8只 数字式微压差测量仪 1台

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