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溶液表面吸附的测定1. 实验目的 掌握最大气泡压力法测定溶液表面张力的原理和方法 根据吉布斯吸附方程，计算溶液表面吸附量和乙醇分子的横截面积2. 实验原理 表面自由能：从热力学观点看，液体表面缩小是一个自发过程，这是使体系总的自由能减小的过程。如欲使液体产生新的表面A，则需要对其作功。功的大小应与A成正比： -W=A，式中为液体的表面自由能，亦称表面张力（单位为Jm-2）。它表示了液体表面自动缩小趋势的大小，其量值于液体的成分、溶质的浓度、温度及表面气氛等因素有关。 溶液的表面吸附：纯物质液体的表面层与本体（内部）组成相同。根据能量最低原理，为降低其表面吉布斯自由能，必须尽可能地收缩液体表面。对溶液则不同，加入溶质后，溶剂表面张力发生变化，根据能量最低原理，若加入的溶质能降低溶剂表面张力时，则溶剂在表面层的浓度比在溶液本体中的浓度大；反之，若溶质使溶剂表面张力升高，溶质在表面层的浓度小于在溶液本体中的浓度。溶质在溶液表面层与在溶液本体中浓度不同的现象称为溶液的表面吸附，即溶液借助于表面吸附来降低表面吉布斯自由能。 溶液表面吸附溶质的量与表面张力、浓度c有关。其关系符合吉布斯吸附方程： =-CRT(c)T。(c)T，表示在一定温度下，表面张力随浓度的变化率。如果溶液表面张力随浓度增加而减小，即(c)T0，此时溶液中溶质在表面层中的浓度大于在溶液本体中的浓度，称为正吸附。如果(c)T0，则T0，称为负吸附。 以表面张力对浓度作图，得到-C曲线，在-C曲线上任选一点作切线，即可得到该点所对应浓度ci的斜率ciT。其中MN=-ciciT，则=MNRT，根据此式可求得不同浓度下各个溶液的。对于溶液表面吸附，可以采用朗格缪尔(Langmuir)吸附等温式描述表面吸附量与溶液浓度c之间的关系，即=kc1+kc。为溶质分子对溶液表面的覆盖百分率，为溶液最大吸附量。对于给定体系，一定条件下为常数，k为吸附常数。可以将上式调整为直线形式：c=c+1k。以c对c作图可得一条直线，根据直线的截距1k和斜率1可以求得最大吸附量和吸附常数k。当达到饱和吸附时，溶液表面上的分子占据了所有表面。若以N代表1m2表面上溶质的分子数，则有N=L，L为阿伏伽德罗常数，因此每个溶质分子在表面上所占据的横截面积q可按下式计算：q=1L。将待测液体装入表面张力仪中，使玻璃毛细管下端与页面相切，若液体能润湿管壁，则液体沿毛细管上升形成凹液面，其液面所受压力P为大气压力P0和附加压力P0根据拉普拉斯（Laplace）方程：Pmax=2r，式中：r为弯曲液面曲率半径，为液体与气体表面张力，因为是凹液面，r0，P0（指向大气）。此时最大压力差值可由U型压力计中最大液柱差表示：Pmax=gh，式中为U型压力计中液体介质的密度。由上述两式得=12ghr=kh，k为仪器常数，可用已知表面张力的液体标定。因此只要将不同液体装入测定管中，测定U型压力计中最大液柱差h，就可以计算该液体表面张力。3. 仪器与试剂表面张力测定装置、恒温水浴、洗耳球、阿贝折光仪、烧杯、具塞锥形瓶、比重瓶乙醇（分析纯）4. 实验步骤 配制溶液：粗配5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%乙醇水溶液待用。 测定仪器常数：将仪器洗涤干净，在测定管中注入蒸馏水，使管内液面刚好与毛细管口相接处，置于恒温水浴内10min。注意使毛细管保持垂直并注意液面位置，接好系统。慢慢打开抽气瓶活塞进行抽气。注意气泡形成的速度应保持稳定，通常以每分钟8-12个。记录U型压力计两边最高和最低的度数各3次，求出平均值。 测定乙醇溶液的表面张力：以不同浓度的乙醇溶液进行测量，从稀到浓依次进行。每次测量前必须用少量被测液洗涤测定管，尤其是毛细管，确保毛细管内外溶液浓度一致。 乙醇溶液浓度的折光率测定：采用阿贝折光仪测定上述乙醇溶液的折光率，由测定的乙醇浓度-折光率标准曲线确定各乙醇溶液的浓度。 乙醇浓度-折光率工作曲线测定：将预先干燥的25ml具塞锥形瓶在电子天平上准确称重，质量W1；在瓶中滴入一定量无水乙醇，加塞后准确称重，质量W2；用水稀释乙醇至约25ml，加塞摇匀，再次准确称量，质量W3,；将预先干燥的10ml比重瓶在电子天平上准确称重，质量W4；将乙醇溶液注满比重瓶，置于实验温度的恒温槽10min；用滤纸仔细地吸去从毛细管顶端溢出的溶液，取出比重瓶，仔细拭干瓶外壁水滴，冷却至室温，在电子天平上准确称重，质量W5.乙醇摩尔浓度按下式计算：c/molL-1=（W2-W1M乙醇W5-W4W3-W1）100 将该溶液在恒温的阿贝折光仪上测定折光率。 用上述方法在所需浓度范围内配置10份准确浓度的乙醇溶液，测其折光率，以乙醇摩尔浓度-折光率作图，得到工作曲线。5. 数据记录与结果处理 测定仪器常数：h=5.68，25时，纯水=71.9710-3Nm-k=纯水h=71.9710-3Nm-15.40cm100cmm-1=1.27Nm-2 标准曲线数据W1W2w3w4w5c/molL-1折光率18.7782219.663846.073311.123521.62331.86481.3362 19.418621.549145.075611.123521.45362.60571.335916.117419.120841.578411.123521.28453.55691.342816.65820.412239.908711.123521.25674.2826 1.345117.259422.015841.542911.123521.24280.7374 1.3346与合作组数据整合：乙醇标准浓度0.73741.86482.60573.55694.28265.162（舍弃）5.9326.417.525折光率1.33461.33621.33951.34281.34511.34531.34881.34921.3511利用Origin处理数据并得到乙醇摩尔浓度-折光率工作曲线： 工作曲线：在Origin软件作图中读取数据：乙醇粗质量百分数折光率高液面/cm低液面/cmh/cm乙醇摩尔浓度/molL-110-3/Nm-15%1.334311.48 15.864.38 0.96773.49510%1.337411.74 15.60 3.861.96773.0815%1.341012.00 15.30 3.303.1292.63320%1.342412.08 15.21 3.123.58062.4925%1.347412.27 15.11 2.845.19352.26630%1.349212.31 14.99 2.68 5.77422.13935%1.352412.40 14.90 2.50 6.80651.99540%1.353512.50 14.81 2.31 7.16131.843做出-c曲线：求得：ddc=0.055c-0.4717 计算各浓度吸附量：c/molL-1d/dcc/0.9677-0.42811.66358191.9677-0.38323.02765003.129-0.33094.15475323.5806-0.31064.46480215.1935-0.2384.962104665.7742-0.21194.911117586.8065-0.16544.519150627.1613-0.14944.294166770.9677-0.42811.66358191.9677-0.38323.0276500作c-c图： =8.1110-4 q=1L=2.0510-21m26. 思考与讨论 表面张力仪的清洁与否和恒温水浴温度是否稳定对测量结果有何影响？答：若玻璃器皿不清洁和温度的不恒定，则气泡将会不能连续稳定地流过，而使压差计读数不稳定。温度对、G和折射率都有较大的影响。虽然质量百分浓度与温度无关，但由于折射率随温度的波动，若温度不恒定，故难得出未知溶液的准确浓度。 本实验中为什么要读取最大压力差？实验室将毛细管部分末端插入溶液中内对实验结果有何影响？答: 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，曲率半径达最小值，根据拉普拉斯(Laplace)公式，此时能承受的压力差为最大：pmax = p0 - pr = 2/。气泡进一步长大，R变大，附加压力则变小，直到气泡逸出。