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1、溶液表面吸附量的测定,基础实验二,大学化学实验,1.掌握最大气泡法测定表面张力的原理和技术。 2. 通过对不同浓度乙醇溶液表面张力的测定，加深对表面张力、表面自由能和表面吸附量关系的理解。 3.了解弯曲液面的附加压力与液面弯曲度、溶液表面张力之间的关系。,实验目的,基本原理,图1 分子间作用力示意图,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1所示）。,这种吸引力使表面上的分
2、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。通常把增大一平方米表面所需的最大功A或增大一平方米所引起的表面自由能的变化值G称为单位表面的表面能其单位为Jm-3。而把液体限制其表面及力图使它收缩的单位直线长度上所作用的力，称为表面张力，其单位是N.m-1。,液体单位表面的表面能和它的表面张力在数值上是相等的。欲使液体表面积增加S时，所消耗的可逆功A为：,液体的表面张力与温度有关，温度愈高，表面张力愈小。到达临界温度时，液体与气体不分，表面张力趋近于零。液体的表面张力也与液体的纯度有
3、关。在纯净的液体（溶剂）中如果掺进杂质（溶质），表面张力就要发生变化，其变化的大小决定于溶质的本性和加入量的多少。,当加入溶质后，溶剂的表面张力要发生变化，根据能量最低原理，若溶液质能降低溶剂的表面张力，则表面层溶质的浓度应比溶液内部的浓度大；如果所加溶质能使溶剂的表面张力增加，那么，表面层溶液质的浓度应比内部低。这种现象为溶液的表面吸附。用吉布斯公式(Gibbs)表示：,式中：为表面吸附量(mol.m-2)，为表面张力（J.m-2）。,表示在一定温度下表面张力随浓度的改变率。即：,0，溶质能增加溶剂的表面张力，溶液表面层的浓度大于内部的浓度，称为正吸附作用。,（1）,（2）,0，0，溶质能增
4、加溶剂的表面张力，溶液表面层的浓度小于内部的浓度，称为负吸附作用。,通过测定溶液的浓度随表面张力的变化关系可以求得不同浓度下溶液的表面吸附量。,如图2是最大气泡法测定表面张力的装置。待测液体置于支管试管中，使毛细管端面与液面相切，液面随时毛细管上升。打开滴液漏斗缓慢抽气。,图2 最大气泡法表面张力测定装置 1-滴液漏斗，2-支管试管，3-毛细管，4-恒温槽，5-压差计,P大气 = P系统 + P,图3 气泡形成过程,附加压力与表面张力成正比，与气泡的曲率半径R成反比。,若毛细管管径较小，则形成的气泡可视为球形。气泡刚形成时，由于表面几乎是平的，所以曲率半径R极大；当气泡形成半球形时，曲率半径R
5、等于毛细管半径r，此时R值最小。随着气泡的进一步增大，R又趋增大，直至逸出液面。R=r时，附加压力最大：,仪器及试剂 仪器：恒温槽；表面张力管；毛细管；具嘴下口瓶；数字式微压差计；烧杯；阿贝折光仪；表面张力测定仪。 试剂：95%乙醇（AR）,操作步骤,1.用95%的乙醇配制质量分数分别为5、8、 12、16、18、20、25、30、35、40、50左右的乙醇水溶液，置于试剂瓶中备用。 2.将一根端面磨平的毛细管及表面张力管洗净，再用温热的洗液浸泡30 min左右，重新洗净，并浸入蒸馏水中备用。,3按图所示连接仪器，甩干毛细管中的液体，并将其垂直插入表面张力管中。将表面张力管固定于恒温槽中。用滴
6、管从表面张力管另一侧的小支管中滴加入蒸馏水。当水面接近毛细管端面时，应逐滴沿管壁缓慢加入，并避免振动，同时密切注视毛细管。当水面刚与毛细管端面接触时，毛细管中会突然升起一段液柱，立即停止加液。然后将表面张力管与下口瓶密封连接。恒温10 min以上。,图 表面张力测定仪 1 恒温浴槽；2 张力管；3 毛细管；4 下口瓶；5 烧杯；6 数字式微压差计,4.调节微压差计，使之读数为零。微微打开下口瓶下方的旋塞，使下口瓶中的水慢慢流出，系统逐渐减压，观察毛细管，可以看到管中液柱逐渐下降，并产生气泡，直到气泡突然冲出管口而破裂。以后以会重复上述现象。调整下口瓶下方的旋塞，使毛细管尖端每隔一定时间（一般以
7、1020 s为宜）冲出一个气泡，记下气泡突然破裂前微压差计显示的最大值，即为pmax(s)。,5.开启表面张力管，用滴管吸干表面张力管中的水，同法加入适量5%乙醇溶液，从毛细管中鼓气以充分搅匀溶液，并用该溶液洗涤毛细管内壁23次，用张力管中的待测溶液荡洗几遍滴管（不得将溶液吸走），再将表面张力管与下口瓶密封连接，恒温10 min以后按步骤4记录pmax(x)。读数完毕后，开启表面张力管，用荡洗过的滴管吸取少量张力管中的溶液，在通以恒温循环水的阿贝折光仪上准确测量溶液在恒定温下的折光率。为提高测量准确度，需测量三次，取平均值作为测量结果。,6.测量完毕后，吸干张力管中的溶液并吹干毛细管中的溶液。
8、 7.按步骤5和6，同法测量8、12、16、18、20、25、30、35、40和50%各组分乙醇溶液pmax(x)和折光率。 8.实验结束后，将表面张力管、毛细管洗净后，浸入蒸馏水中备用。 9.用吊环法测量纯水的表面张力，并与最大气泡法的测量结果相比较。,结果与讨论,测定正丁醇水溶液不同浓度下形成气泡时的最大压差，测定溶液的表面张力，并根据吉布斯吸附等温式 ：,进一步讨论吸附量与浓度的关系，由最大吸附量推算溶质分子截面积,数据是本实验数据处理的关键,表面张力与浓度实验点,作图获得,的方法示意,1、将实验点连成平滑的曲线； 2、过曲线上点作曲线的切线； 3、由切线的斜率得到偏导数的值。,绘制c图
9、,求指定浓度处的,注意事项,1.张力管及毛细管的洗涤要彻底。如果毛细管洗涤不干净，不仅影响表面张力值，而且会使气泡不能有规律地单个连续逸出。要么就是一个气泡也没有，要么就是两个甚至更多个同时逸出，严重影响测量的进行。,2.毛细管插入溶液中的深度直接影响测量结果的准确性，这是因为溶液的静压力会增加对气泡壁的压强，为了减少静压力的影响，应尽可能减少毛细管的插入和深度，使插入深度。,思考题 1.简述本实验的成败关键。如果在实验时，下口瓶中水的流出速度过快，或毛细管不洁净，会产生何种现象？ 2.实验中为什么采用逐步滴加溶液的方法来确定液面与毛细管管口相切？ 3.如何通过测定溶液的表面张力确定临界胶束浓度CMC？,