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实验十四 表面张力的测定 （最大气泡压力法测定溶液的表面张力） 实验目的及要求 1.掌握最大气泡压力法测定表面张力的 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.测定不同浓度乙醇溶液的表面张力， 计算吸附量。 实验原理 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l所示）。 图1 分子间作 用力示意图 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 表面自由能的变化值G，称为单位表面的表 面能其单位为J.m-2；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 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。 (1) 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 层溶质的浓度应比内部低。这种现象称为溶液的表 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）。 (2) 0，溶质能降低溶剂的表面张 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。 根据式（2），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。 此时，由于毛细管液面所 受压力大于支管试管液 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 面所受压力，毛细管液面不断下降，将从毛细 管缓慢析出气泡。如图3 所示。在气泡形成 的过程中，由于表面张力的作用，凹液面产 生一个指向液面外的附加压力P，因此有以 下关系： 附加压力与表面张力成正比，与气 泡的曲率半径R成反比。 (4) 图3 气泡形成过程 P大气 = P系统 + P （3） 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： （5） 气泡由毛细管口溢出的总作用力为 等于气泡在管口受到的表面张力 如将表面张力为1 ， 2的两种 液体采用同一种毛细管测量，则有： 由已知表面张力的水为标准，可求出其他液 体的表面张力 （7） (6) 实验中测出不同浓度乙醇水溶液 的表面张力，以表面张力对浓度 作图得到一条曲线，从曲线中可 以求出不同浓度时的 代入Gibbs吸附公式可计算出吸附量 吸附量与浓度之间的关系可以用Langmuir 等温吸附方程式表示： （8） 式中，为饱和吸附量,k为经验常数。将上式 整理得： （9） 以c/对c 作图可得到一条直线，其斜率的 倒数为。 仪器与试剂 最大气泡表面张力测定仪； 数字微压差计； 蒸馏水； 乙醇（AR）； 实验步骤和数据处理 1. 连接好测定装置，用已知表面张力的水，测 定出最大压差，查出相应温度时的水的表面张 力值，计算出仪器常数K的值。 2. 分别测定浓度为0.02/0.05/0.10/0.15/0.20mol/l 的乙醇水溶液的最大压差，根据仪器常数计算 出表面张力值。 3. 做乙醇表面张力