实验五 表面张力及表面吸附量的测定 预习

实验五 表面张力及表面吸附量的测定

一． 实验目的

（1）测定不同浓度的乙醇水溶液的表面张力，计算表面吸附量和乙醇分子的横截面积。

（2）了解表面张力的性质及表面张力和吸附量的关系。

（3）掌握最大泡压法测定溶液表面张力和表面吸附量的原理。 二． 实验原理

（一）表面张力及其影响因素

在一个液体的内部，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分子的吸引另一方面受到液体外部气体分子的吸引，而且前者的作用力比后者大。因此在液体表面表面层中，每个分子都受到垂直于并指向液体内部的不平衡力。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，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△G,称为单位表面的表面能，其单位为J·m-1；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。如欲使液体表面面积增加ΔS时，所消耗的可逆功A应该是：

-A＝ΔG＝γΔS （1）

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。 （二）表面吸附和吉布斯吸附等温式

在纯液体情形下，表面层的组成与内部的组成相同，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，由于溶质会影响表面张力，因此可以调节溶质在表面层的浓度来降低表面自由能。

根据能量最低原理，溶质能降低溶液的表面张力时，表面层中溶质的浓度应比溶液内部大，反之，溶质使溶液的表面张力升高时，它在表面层中的浓度比在内部的浓度低。这种表面浓度与溶液里面浓度不同的现象叫“吸附”。显然，在指定温度和压力下，吸附与溶液的表面张力及溶液的浓度有关。Gibbs用热力学的方法推导出它们间的关系式

? ＝?c?????? (2) RT??c?T式中：Γ为吸附量(mol.m-1)；γ为表面张力(J·m-1)；T为绝对温度(K)；c为溶液浓度(mol．L-1)；R为气体常数(8．314J．K-1·mol-1)。( )T 表示在一定温度下表面张力随溶液浓度而改变的变化率。如果γ随浓度的增加而减小，也即( )T <0，则Γ>0，此时溶液表面层的浓度大于溶液内部的浓度，称为正吸附作用。如果γ随浓度的增加而增加即( )T >0，则Γ<0，此时溶液表面层的浓度小于溶液本身的浓度，称为负吸附作用。

表面活性物质具有显著的不对称结构，它是由亲水的极性部分和憎水的非极性部分构成。对于有机化合物来说，表面活性物质的极性部分一般为－NH3+，－OH，－SH，－COOH，－SO2OH。而非极性部分则为RCH2－。正丁醇就是这样的分子。在水溶液表面的表面活性物质分子，其极性部分朝向溶液内部，而非极性部分朝向空气。表面活性物质分子在溶液表面的排列情形随其在溶液中的浓度不同而有所差异。当浓度极小时，溶质分子平躺在溶液表面上，如图（a），浓度逐渐增加，分子排列如图（b），最后当浓度增加到一定程度时，被吸附了的表面活性物质分子占据了所有表面形成了单分子的饱和吸附层如图（c）。 乙醇是一种表面活性物质，其水溶液的表面张

图11-2 不同浓度时，溶

力和浓度关系见图中的?－c曲线，在?－c曲线上

质分子在溶液表面的排列

??作不同浓度c时的切线，把切线的斜率B (()T)情况

?c代入Gibbs吸附公式，可以求出不同浓度时气－液界面上的吸附量?。

在一定温度下，吸附量与溶液浓度之间的关系由Langmuir等温方程式表示：

K?C (3) ????1?K?C??为饱和吸附量，K为经验常数，与溶质的表面活性大小有关。将（3）式化成直线方

程，则

CC1?? (4) ???K??C 若以～C作图可得一直线，由直线斜率即可求出

???。

假设在饱和吸附情况下，乙醇分子在气－液界面上铺满一单分子层，则可应用下式求得乙醇分子的横截面积S0。 S0?1~ (5) ??N

溶液的表面张力

与浓度的关系图

1、恒温套管。

2、毛细管（r在0.15～0.2mm） 3、数字式微压差测量仪 4、分液漏斗。

~式中，N－阿佛加德罗常数。 （三） 最大气泡压力法

图11－4最大气泡法测表面张力装置

5、塑料烧杯。 6、连接橡皮管。

将欲测表面张力的液体装于支管试管5中，使毛细管6的端面与液面相切，液面即沿着毛细管上升，打开滴液漏斗2的活塞进行缓慢抽气，此时由于毛细管内液面上所受的压力（p大气）大于支管试管中液面上的压力 （p系统），故毛细管内的液面逐渐下降，并从毛细管管端缓慢地逸出气泡。在气泡形成过程中，由于表面张力的作用，凹液面产生了一个指向液面外的附加压力Δp，因此有下述关系：

p大气＝p系统＋Δp

p＝p大气－p系统 (6)

附加压力Δp和溶液的表面张力γ成正比，与气泡的曲率半径R成反比，其关系式为

Δp＝2γ/R (7)

若毛细管管径较小，则形成的气泡可视为是球形的。气泡刚形成时，由于表面几乎是平的，所以曲率半径只极大；当气泡形成半球形时，曲率半径只等于毛细管管径

r，此时R值为最小；随着气泡的进一步增大，只又趋增大(见图2所示)，直至逸出液面。根据(4)式可知，当R＝r时，附加压力最大，为

Δp＝2γ/r (8)

这最大附加压力可由数字式微压差测量仪上读出。

图2-2气泡形成示意图

在实验中，若使用同一支毛细管和压力计，则r是一个常数。 如果将已知表面张力的液体作为标准，由实验测得其Δp后，就可求出r。然后只要用这一仪器测定其他液体的Δp值，通过(8)式计算，即可求得各种液体的表面张力γ。 三． 仪器和试剂

（1）仪器

表面压力测定装置（包括带恒温夹套的具支试管，毛细管，液滴漏斗，广口瓶，数字微压差仪），超级恒温槽，烧杯。 （2）试剂

乙醇的质量分数分别为5%，10%，15%，20%，25%，30%，40%的乙醇水溶液。 四． 实验步骤

（1）用称量法配制的5%、10%、15%、20%、25%、30%、40%乙醇水溶液100ml

待用。

（2）仪器常数的测定。

在具支试管中加入适量重蒸馏水，调节液面使其恰好与毛细管口相切，恒

温数分钟。打开广口瓶塞使得广口瓶也即毛细管内通大气，将微压差仪置零，置零后重新塞紧瓶塞。打开滴液漏斗逐滴滴液使毛细管内缓缓加压，气泡从毛细管口溢出，控制气泡溢出速度约5~10s一个，读取微差压仪所示的最大压差，重测三次求平均。

（3）不同浓度乙醇水溶液表面张力的测定。同上。

（4）洗净具支试管和毛细管，复测重蒸馏水的表面张力，再与开始所测水的表

面张力值比较，并加以分析。

五． 数据记录

原始数据记录表：

序号 粗配乙醇-水溶液浓度 1 0（蒸馏水） 2 5% 3 10% 4 15% 5 20% 6 25% 7 30% 8 40% 9 0%

六． 注意事项

最大压差Pmax / kPa （1）测定用的毛细管一定要先洗干净，否则气泡可能不能连续稳定地通过，而使

压力计的读数不稳定。

（2）毛细管一定要垂直，管口要和液面刚好接触相切，各次测量相切程度应该尽

量相同。

（3）毛细管半径不能太大或者太小。

（4）表面张力和温度有关，因此要等溶液恒温后再测量。

（5）控制好出泡速度，读取压力计的压力差时，应取气泡单个逸出时的最大压力

差。

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