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1、实验十八最大气泡法测定溶液表面张力的测定1实验目的(1) 测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力，计算吸附量。(2) 掌握最大气泡法测定溶液表面张力的原理和技术。(3) 了解气液界面的吸附作用，计算表面层被吸附分子的截面积及吸附层的厚度。2实验原理从热力学观点来看， 液体表面缩小是一个自发过程，这是使体系总自由能减小的过程,欲使液体产生新的表面 S,就需对其做功，其大小应与 AS成正比：(2.18.1)如果为1m2，则-W =是在恒温恒压下形成1m2新表面所需的可逆功，所以 (称为比表面吉 布斯自由能，其单位为Jm-2。也可将o看作为作用在界面上每单位长度边缘上的力，称为表 面张力，其单位是Nm-1
2、。在定温下纯液体的表面张力为定值，当加入溶质形成溶液时，表 面张力发生变化，其变化的大小决定于溶质的性质和加入量的多少。水溶液表面张力与其 组成的关系大致有三种情况： 随溶质浓度增加表面张力略有升高； 随溶质浓度增加表面张力降低，并在开始时降得快些； 溶质浓度低时表面张力就急剧下降，于某一浓度后表面张力几乎不再改变。以上三种情况溶质在表面上的浓度与体相中的都不相同，这种现象称为溶液表面吸附。 根据能量最低原理，溶质能降低溶剂的表面张力时，表面层中溶质的浓度比溶液内部大； 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低。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
3、溶液的浓度之间的关系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程：(2.18.2)式中，r为溶质在表层的吸附量；b为表面张力；c为吸附达到平衡时溶质在介质中的浓度。当r >称为正吸附；当>0时,r<0称为负吸附。通过实验若能测得表面张力与溶质浓度的关系，则可作出二一C或lnC曲线，并在此曲线上任取若干点作曲线的切线，这些切线的斜率就是与其相应浓度的（二二）T或（）T，将此值代入2式便可cC&nC求出在此浓度时的溶质吸附量r吉布斯吸附等温式应用范围很广，但上述形式仅适用于稀溶液。引起溶剂表面张力显著降低的物质叫表面活性物质，被吸附的表面活性物质分子在界 面层中的排列，决定于它在液层
4、中的浓度，这可由图2.18.1看出。图2.18.1中和是不饱和层中分子的排列，（3）是饱和层分子的排列。当界面上被吸附分子的浓度增大时，它的排列方式在改变着，最后，当浓度足够大时，被吸附分子盖住了所有界面的位置，形 成饱和吸附层，分子排列方式如图2.18.1中（3）所示。这样的吸附层是单分子层，随着表面活性物质的分子在界面上愈益紧密排列，则此界面的表面张力也就逐渐减小。如果在恒图2.18.1被吸附的分子在界面上的排列图图2.18.2 表面张力和浓度关系图温下绘成曲线沪f（C）（表面张力等温线），当C增加时，b在开始时显著下降，而后下降逐渐缓慢下来，以至b的变化很小，这时b的数值恒定为某一常数（
5、见图2.18.2）。利用图解法 进行计算十分方便，如图4.2所示，经过切点a作平行于横坐标的直线，交纵坐标于b点。以Z表示切线和平行线在纵坐标上截距间的距离，显然Z的长度等于-rftF,即dC)TdcrZ 7(詁(2.18.3)将( 2.18.3)式代入(2.18.2)式，得” C 旳()tRT cCRT(2.18.4)以不同的浓度对其相应的根据朗格谬尔r可作出曲线，r =f(C)称为吸附等温线。(Langmuir)公式：r=r“+沁(2.18.5)r为饱和吸附量,即表面被吸附物铺满一层分子时的r,上式可以写为如下形式C 心 1C 1二 + arrtrQDa®(2.18.6)以c/
6、r对C作图，由所求得的r代入得一直线,该直线的斜率为1/ fOP(2.18.7)一 - :No可求被吸附分子的截面积(N。为阿佛加得罗常数)。若已知溶质的密度p分子量M，就可计算出吸附层厚度S(2.18.8)尿大(2.18.11)测定溶液的表面张力有多种方法，较为常用的有最大气泡法和扭力天平法。本实验使 用最大气泡法测定溶液的表面张力，其测量方法基本原理如下（参见图2.18.3）。图 2.18.3最大气泡法的仪器装置图A为表面张力仪，其中间玻璃管F下端一段直径为0.2mm 0.5mm的毛细管，B为充满水的抽气瓶，C为U型压力计，内盛比重较小的水或酒精、甲苯等，作为工作介质，以测定微压差。将待测
7、表面张力的液体装于表面张力仪中，使F管的端面与液面相切，液面即沿毛细管上升，打开抽气瓶的活塞缓缓抽气，毛细管内液面上受到一个比A瓶中液面上大的压力，当此压力差一附加压力（4）=p大气-p系统）在毛细管端面上产生的作用力稍大于毛细管口液体 的表面张力时，气泡就从毛细管口脱出，此附加压力与表面张力成正比，与气泡的曲率半 径成反比，其关系式为：(2.18.9)式中，Ap为附加压力；b为表面张力；R为气泡的曲率半径。如果毛细管半径很小，则形成的气泡基本上是球形的。当气泡开始形成时，表面几乎 是平的，这时曲率半径最大；随着气泡的形成，曲率半径逐渐变小，直到形成半球形，这时 曲率半径R和毛细管半径r相等，
8、曲率半径达最小值， 根据（2.18.9）式这时附加压力达最 大值。气泡进一步长大，R变大，附加压力则变小，直到气泡逸出。根据（2.18.9）式，R=r时的最大附加压力为：（2.18.10）FL实际测量时，使毛细管端刚与液面接触，则可忽略气泡鼓泡所需克服的静压力，这样 就可直接用上式进行计算。当用密度为p的液体作压力计介质时，测得与Ap最大相适应的最大压力差为Ah最大当将 £匚合并为常数K时，则上式变为(2.18.12)（j = KA力臥式中的仪器常数 K可用已知表面张力的标准物质测得。3仪器药品DMPY-2C表面张力测定仪1个各1个1个。吸耳球移液管（50mL和1mL） 烧杯（500
9、mL）正丁醇（化学纯）蒸馏水。4实验步骤（1）仪器准备与检漏将表面张力仪中容器和毛细管先用洗液洗净，再顺次用自来水和蒸馏水漂洗，烘干后 按图2.18.3连好。将水注入抽气管中。 在A管中用移液管注入 50mL蒸馏水，用吸耳球由 G处抽气，调 节液面，使之恰好与细口管尖端相切。然后关紧G处活塞，再打开活塞 H，这时管B中水流出，使体系内的压力降低，当压力计中液面指示出若干厘米的压差时，关闭H，停止抽气。若2min3min内，压力计液面高度差不变，则说明体系不漏气，可以进行实验。（2）仪器常数的测量开H对体系抽气，调节抽气速度，使气泡由毛细管尖端成单泡逸出，且每个气泡形成 的时间为10s20s（数
10、显微压差测量仪为 5s10s）。若形成时间太短， 则吸附平衡就来不及 在气泡表面建立起来，测得的表面张力也不能反映该浓度之真正的表面张力值。当气泡刚 脱离管端的一瞬间，压力计中液面差达到最大值，记录压力计两边最高和最低读数，连续 读取三次，取其平均值。再由附录中，查出实验温度时，水的表面张力 6,则可以由（2.18.13） 式计算仪器常数(2.18.13)（3）表面张力随溶液浓度变化的测定在上述体系中，用移液管移入O.IOOmL正丁醇，用吸耳球打气数次(注意打气时，务必 使体系成为敞开体系。否则，压力计中的液体将会被吹出)，使溶液浓度均匀，然后调节液面与毛细管端相切，用测定仪器常数的方法测定压
11、力计的压力差。然后依次加入0.200mL、0.200mL、0.200mL、0.500mL、0.500mL、I.OOmL、I.OOmL 正丁醇，每加一次测定一次压 力差Ah最大。正丁醇的量一直加到饱和为止，这时压力计的Ah最大值几乎不再随正丁醇的加入而变化。5数据处理(1)实验数据记录及计算仪器常数K和溶液表面张力o。表1不同浓度溶液的表面张力值正丁醇加入量(mL)溶液浓度压力差AhK或o123平均值0.1000.3000.5000.7001.2001.700(2) 根据上述计算结果，绘制o C等温线。(3) 由C等温线作不同浓度的切线求Z,并求出 r C/ r 绘制rC, c/ r-c等温线，求 r并计算s和&6注意事项(1) 仪器系统不能漏气。(2) 所用毛细管必须干净、干燥，应保持垂直，其管口刚好与液面相切。(3) 读取压力计的压差时，应取气泡单个逸出时的最大压力差。7思考题(1)毛细管尖端为何必须调节得恰与液面相切？否则对实验有何影响？