实验十溶液表面张力的测定

1、实验十 溶液表面张力的测定【目的要求】1掌握最大气泡法测定液体表面张力的原理，了解影响表面张力测定的因素。2测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力，计算吸附量，由表面张力的实验数据求分子的截面积。3掌握用计算机程序处理实验数据的方法。【实验原理】1溶液中的表面吸附从热力学观点来看，液体表面缩小是一个自发过程，是使体系总自由能减小的过程。欲使液体产生新的表面A，就需对其做功，其大小应与A成正比： WA (15.1) 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。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。根

2、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，这种表面浓度与内部浓度不同的现象叫做溶液的表面吸附。在指定的温度和压力下，稀溶液中，溶质在表层中的吸附量与溶液的表面张力及溶液的浓度之间的关系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程： (15.2) 图II-15-1 被吸附的分子在界面上的排列图式中，为溶质在表层的吸附量，其单位为molm2；为表面张力；c为吸附达到平衡时溶质在介质中的浓度。当0时，0，称为正吸附；当 0时，0，称为负吸附。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。能使溶剂表面

3、张力显著降低的物质称为表面活性物质。通常这类物质的分子中同时含有极性基团和非极性基团。在水溶液表面，表面活性物质分子的极性基团指向溶液内部，非极性基团指向空气。它们在溶液表面的排列情况，决定于它在液层中的浓度。浓度很小时，溶质分子近于躺在溶液表面上，如图II-15-1 ()所示；浓度逐渐增大时，溶质分子在表面的排列如图II-15-1 ()所示；当浓度足够大时，被吸附的溶质分子占据了所有表面，在溶液表面形成了饱和吸附的单分子层，如图II-15-1 ()所示。随着表面活性物质的分子在界面上排列愈加紧密，此界面的表面张力也就逐渐减小。在恒温下绘制曲线f(c)（表面张力等温线），当c增加时，在开始时显

4、著下降，而后下降逐渐缓慢下来，以至的变化很小，这时的数值恒定为某一常数(见图II-15-2)。利用图解法进行计算十分方便，如图II-15-2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 图II-15-2 表面张力和浓度关系图 (15.3) 以不同的浓度对其相应的可作出曲线，称为吸附等温线。根据朗格谬尔(Langmuir)公式： (15.4)为饱和吸附量，即表面被吸附物铺满一层分子时的， (15. 5)以c/对c作图，得一直线，该直线的斜率为1/。由所求得的代入可求得被吸附分子的截面积So。 So=1/L (L为阿佛加得罗常数

5、) (15. 6)2. 最大气泡法测表面张力图II-15-3 表面张力测定装置图A表面张力仪； B充满水的抽气瓶 C真空压力计；D通气管；F毛细管测定液体表面张力的方法有许多种，如环法、滴体积法等。本实验采用最大气泡法，原理如下：将待测表面张力的液体装于表面张力仪中（图II-15-3），使F管的端面与液面相切。由于水溶液能润湿玻璃毛细管，因而液体在毛细管内会形成凹液面，并产生一个附加压力p，液面即沿毛细管上升。若从毛细管口鼓出气泡，需要在毛细管内施加压力以克服附加压力p。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 (p大气p系统)在毛细管端面上产生的作用

6、力稍大于毛细管口液体的附加压力p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： (15.7)式中，p为附加压力；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（图II-15-4）。当气泡开始形成时，液面较平，可视为曲率半径较大的球面。随着气泡的形成，曲率半径逐渐变小，直到形成半球形。此时曲率半径R和毛细管半径r相等，曲率半径达最小值。根据式（15.7），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。根据上式，Rr时的最大附加压力为： (15.8) 图II-15-4 毛细管口气泡的形成 实际

7、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。对于同一毛细管，其为一常数，用k表示，则表面张力可按下式计算： (15.9)其中值可根据实验，通过测定一已知表面张力的物质的来确定。本实验选择的已知物为水，则： (15.10)本实验利用图II-15-3所示的实验装置，用气泡法测定水及不同浓度正丁醇溶液产生气泡时的最大附加压力，根据式（15.10）、（15.8）利用计算机处理实验数据，并绘制正丁醇溶液表面张力与浓度关系曲线。根据式（15.5），以c/对c作图，由直线的斜率求得1/，再用式（15.6）计算被吸附分子（正丁醇）的截面积So【仪器与试剂】最大

8、气泡法表面张力仪1套；恒温水浴1套；洗耳球1个；100 mL容量瓶8个；0.5 mL 、1mL、2 mL、5 mL移液管各1支；计算机1台（公用）；打印机1台（公用）。正丁醇(分析纯)；蒸馏水。【实验步骤】仪器常数K值的测定1 打开精密数字压力计电源开关，预热10 min。将单位调至mmH2O，在通大气的条件下对仪器进行采零。2 在表面张力仪的支管试管（A管）中装入适量的蒸馏水，插入已洗净的毛细管，使毛细管端与液面接触。将实验仪器按图II-15-3连接好，并在滴液漏斗中加满水。3 打开支管的活塞，用洗耳球通过通气管D上的胶管向系统中吹气，调整A管中液面的高度，使毛细管端与液面刚好相切。盖上支管

9、活塞后，用止水夹将通气管D上的胶管夹好。4 将支管试管置于25.00C的恒温槽中，恒温10 min。5 打开滴液漏斗，使水缓缓滴出，调整滴速，使气泡从毛细管端尽可能缓慢而且均匀鼓出，约5 s10 s鼓出一个气泡。待数字压力计示值稳定后，读取数字压力计的最大示数( mmH2O)值，重复读取三次，取平均值。待测正丁醇溶液的配制6 按照表II-15-1及公式（15.11）配制各浓度的正丁醇溶液。体积为100 mL的各浓度正丁醇溶液所需正丁醇的体积： （15.11）式中M为正丁醇的分子量，kgmol-1；为欲配制正丁醇溶液浓度，molL-1；r为正丁醇的密度（可由附表查出），kgL-1。 待测正丁醇溶

10、液表面张力的测定7 用少量待测溶液淌洗支管试管及毛细管。在支管试管中加入适量的待测溶液，按浓度从低到高的顺序依次测定其表面张力。方法同步骤“2”“5”。8 实验结束后，分别用自来水和蒸馏水，仔细将毛细管和支管试管洗净冲洗23次。再将毛细管用洗液浸泡，支管试管放回各组的白瓷盘中备用。9 将实验数据输入计算机处理程序中进行数据处理。表II-15-1 正丁醇溶液配制表编号溶液浓度c/molL-1正丁醇体积V/mL123456780.020.040.060.080.120.160.200.24【注意事项】1 在整个实验过程中所用毛细管必须干净，并保持垂直，其管口应平整且刚好与液面相切。2 读取压力计的压差时，应取气泡单个逸出时的最大压力差。3 测完一个样品后，要先将系统排空再换用下一个溶液进行测定。【数据记录与处理】1 打开计算机，点击“表面张力数据处理”图标，进入数据处理界面。（界面中字母“L”代表表面吸附量“”。）2 将实验测得的水及各样品的最大附加压力填入相应的数据栏中，点击“实验数据绘图”，程序自动绘出曲线，并给出一组相应的c、c/值。3 点击“打印”，则可打印出相应的实验曲线。4 利用