物化实验十二：溶液中的吸附作用和表面张力的测定

溶液中的吸附作用和表面张力的测定——最大气泡压力法摘要：利用最大气泡压力法，测出不同浓度（c）正丁醇水溶液的表面张力（O），由o-c曲线求溶液界面上的吸附量和单个正丁醇分子的横截面积（S）。关键词表面张力吸附表面活性前言正丁醇是一种表面活性物质，可以使溶液表面张力下降。而溶液的表面张力与液体所处的温度、压力、液体的组成共存的另一项的组成有关。利用最大气泡压力法，可以测量出某一温度时，一定浓度的正丁醇溶液的表面张力。根据表面张力与气泡压力的关系，由o-C曲线可以求出溶液界面上的吸附量和单个正丁醇分子的横截面积（S）。实验部分：（一）实验原理：物体表面的分子和内部分子所处的境况不同，因而能量也不同，表面层的分子受到向内的拉力，所以液体表面都有自动缩小的趋势。如要把一个分子由内部迁移到表面，就要对抗拉力做功，故表面分子的能量比内部分子大。增加体系的表面，即增加了体系的总能量：当厶A=lm2时，一W=o,即在等温下形成1m2新的表面所需的可逆功。。通常称为单位表面的表面能或表面张力，表示表面自动缩小的趋势的大小。表面张力是液体的重要特性之一，与所处的温度、压力、液体的组成共存的另一项的组成有关。纯液体的表面层组成与内部组成相同，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，溶质能升高溶液的表面张力时，表面层中溶质的浓度应比溶液内部低。这种表面浓度与溶液里面浓度不同的现象叫“吸附”。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：RT(Qc丿T式中厂 气液界面上的吸附量（mol/m2）b——溶液的表面张力（N/m）T——绝对温度c——溶液浓度R 气体常数当〔Qb]<0时，r>0，称为正吸附，反之，称为负吸附。前者表辽c丿T明加入溶质使液体的表面张力下降，此类物质叫表面活性物质，

后者表明溶质使液体的表面张力升高，叫非表面活性物质。正丁醇是一种表面活性物质，在o—C曲线上做不同浓度时的切线，把切线的斜率代入Gibbs吸附公式，可以求出不同浓度时气—液界面上的吸附量。表面活性剂具有显著的不对称性，它是由亲水的极性部分和憎水的非极性部分构成。表面活性物质在溶液表面的排列情形随其在溶液中浓度不同而有所差异，当浓度极小时，分子平躺在溶液的表面上，而当浓度增加到一定程度的时候，被吸附了的表面活性物质分子占据了所有表面形成单分子的饱和吸附层。在一定温度下，吸附量与溶液浓度之间的关系由Langmuir等温式表示：F/Ke ⑶为饱和吸附量，K为经验常数，与溶质的表面活性大小有关。将上式转化为直线方程，有：iKm若以卡iKm若以卡〜c做图可得一条直线，由直线斜率可得口⑷在饱和吸附的情况下，正丁醇分子在气—液界面上铺满一层单分子层，则可用下式来求正丁醇分子的横截面积：So= 1 ⑸r^NANA为阿伏伽德罗常数。A当表面张力仪中的毛细管截面与欲测液面相齐时，液面沿毛细管上升。打开滴液漏斗的活塞，使水缓慢下滴而使体系内的压力增加，

这时毛细管内的液面上受到一个比恒温试管中液面上稍大的压力，因此毛细管内的液面缓慢下降。当此压力差在毛细管端面上产生的作用里稍大于毛细管口溶液的表面张力时，气泡就从毛细管口逸出。这个最大压力差可以从微压差测量仪上读出。如毛细管的半径为r,气泡由毛细管口逸出时受到向下的总作用力为nr2P 而最大P=P—P =Ahpg最大 系统 大气压式中△h—微压差测量仪的读数；g—重力加速度；P—压力计内液体的密度。气泡在毛细管上受到表面张力引起的作用力为2nro。气泡自毛细管口逸出时,上述两种作用力看作相等,即兀r2P =兀厂2Ahpg最大r2Ah2AhPg若用同一支毛细管和同个压力计,在同一个温度下,对两种溶液而言,c Ac Ah_L= Lc Ah22cc=——Ah=K'Ah1 Ah 1 12式中K‘为毛细管常数。二）实验仪器与药品CS501型超级恒温水浴1台（重庆试验设备厂）；PMP-2B数字式微压差测量仪一台（南大应用物理研究所，精确度：0.1%）TOC\o"1-5"\h\z恒温套管1支 ； 250ml分液漏斗1个 ；毛细管1支 ； 400ml烧杯1个 ；100ml容量瓶7个 ； 500ml吸滤瓶1个 ；0.8mol/l正丁醇溶液20ml、15ml、10ml移液管各1支。（三）实验过程1． 毛细管常数的测量按实验装置图装好仪器，开恒温水浴，使其温度稳定于25°C。取一支毛细管和玻璃套管用自来水和蒸馏水清洗若干次，往玻璃套管加入蒸馏水，插上毛细管，调节液面与毛细管端口相切，恒温10分钟。在分液漏斗中加入适量的水并与吸滤瓶相连，调节分液漏斗的活塞使水滴入吸滤瓶中，细心调节使出泡速度在5〜10秒内出一个，读出压差计的最高值三次，求平均。2．不同浓度的正丁醇溶液表面张力的测定以0.8mol/L浓度的正丁醇溶液为基准，分别准确配制0.04、0.08、0.12、0.16、0.20、0.24、0.28mol/l的正丁醇溶液各100ml。重复上述步骤，按由稀到浓的顺序依次进行测量，得到一系列不同浓度的正丁醇溶液的压差值。2.结果与讨论2．1实验结果从附录中我们可以得到实验所得到得正丁醇的横截面积为13.2A2，文献值各种直链醇的分子截面积为0.274〜0.289nm2,而本实验中测得为0.132nm2,实验结果偏小。2.2误差分析及讨论1•本实验做的结果准确与否关键在于：所用毛细管和玻璃套管的清洁程度、所用毛细管的K值、出泡的速度、配制溶液时浓度的准确性、毛细管是否垂直，端部是否平整以及液面是否与毛细管的端面相切。所以所用毛细管和玻璃套管的清洁程度对结果的影响较大。实验前必须多次清洗仪器，在实验中也必须按照由稀到浓的顺序依次进行测量，否则误差较大。2．毛细管的内径稍有不均匀，如果不影响出泡的速度和平稳性，对结果应该无明显影响。但如果内径变化太大或者不均匀处接近端口，使得毛细管太粗或出泡的稳定性，就会对结果产生影响。出泡速度不能太快（压力数偏低），也不能太慢（时间太长），要调节至5〜10秒内出一个泡，而且应平稳地重复出现压力差。3．毛细管的尖端只有与液面刚好接触，才满足公式P最大=P系统一P大气压g才能准确测量压差以计算表面张力。4．每次换溶液后，要让样品在玻璃套管中恒温10分钟再测

量，保证溶液温度与系统一致，否则引入误差。r—c图形应当是当c较小时，厂与c成正比，当c逐渐增大时，r趋于某一恒定值，表示吸附饱和。毛细管常数如果按照下述方法计算：K=__K=__Z__丛（气0）=0.129m本实验中所用的毛细管K=0.129m,毛细管太细，实验过程中,很难出气泡，而且不易洗干净，所以毛细管中容易有液体挂壁，页面不容易下降。所得到的最大压力差的数值不稳定。实验中恒温水浴有一定的波动，也会带来误差。3.总结利用最大气泡压力法测量不同浓度的正丁醇水溶液的表面张力，作出＜r—c曲线求出溶液界面上的吸附量和单个正丁醇分子的横截面积，得到S=13.2A2，较文献值偏小，主要原因是0毛细管太细，未洗干净，测量不稳定。参考资料：《物理化学》（南京大学物理化学教研室傅献彩沈文霞姚天扬编）《物理化学实验》（中国科学技术大学出版社）《物理化学实验》（南开大学物理化学教研室MeasurementtheSorptionandSurfaceTensionofSolution—MaximumBubbleMethodZhouJunlingPB07206109PartofChemicalPhysics,UniversityofScience&Technology

ofChinaAbstract：Makeuseofthemethodofbiggestbubbl'espressure,andtesttofindoutthesensiblepressureofdifferentthickdegree(c)theaqueoussolution'ssurfacetension(o),andbebeggedbyo-ccurveaquathe吸ontheinterfaceattachtomeasurewiththesinglenumeratorofhorizontalcutthearea.(S)Keywords:surfacetensionattach Surfaceactivity附录】实验数据与处理1・原始数据大气压：101.18Kpa恒温槽温度：25.05°C正丁醇的分子量M=74.21g/mol密度p=0.8098g/ml

实验中分别用不同体积的正丁醇配制成V=100ml的溶液，溶o液的浓度为C=pVM/Vo数据记录表格：正丁醇用量ml0.000.400.801.201.602.002.402.80溶液浓度mol/l0.000.04370.08740.13110.17480.21850.26220.3059△P1mpa557.9485440.4406.2411.4346.7323.5320.0△P2mpa557.2485439.8405.8429.4346.6322.9318.0△P3mpa557.8485.6439.6405.6424.1346.6322.2317.8△P4mpa557.4485.4439.8406.4416.0346.4322.9316.7△P5mpa557.4485.6440.2405.4427.6346.9322.6317.6△P6557.6484.8440.2405.6419.8347.3322.6329.8平均△Pmpa557.55485.23440.00405.83421.38346.58322.78319.98正丁醇水溶液 O/10-3N*m-171.9762.6056.7652.3554.3644.7141.6441.28已知25°C水的表面张力为O=71.97*10-3N/m有上述数据可以得知，纯水的厶hH2o=557.55mPa毛细管常数K‘=O/△h也。=71.97*10-3/557.55*10-3=0.129m由公式O=K‘J.可以得到不同浓度时正丁醇溶液的表面张力ii（见上表）2.数据处理

O-c曲线:图1a(E-3N/m)〜c(mol/L)图多项式拟合结果:Y=A+B1*X+B2*XJParameterValueErrorA70.408752.30529B1-152.6574635.20536B2183.99271110.65967R-Square(COD)SD NP0.95332.73909 84.71391E-4由上图可以看出实验中有以个坏数据点，它的变化趋势与其他的点不相同，所以将该点(0.1748,54.36)祛除后再做a〜c曲线可以得到：图2修正后的b(10-34/m)〜c图多项式拟合得到Y=A+B1*X+ParameterAB1B2R-Square(COD)0.99674B2*XJValue71.27893-187.74136292.48397SD0.80771Error0.6901211.4359935.84455N P7 <0.0001可以看出来修正后的相关性更好。r-c曲线:从。〜c图可以得到<r=f(c)=71.27893T87.74136c+292.48397c2微分后得到切线方程：'竺]=f(c)=T87.74136+584.96794c [10-6N*mol-i*m2]匕C丿t在光滑曲线上选取6个不同浓度点，带入上述微分方程，得到6个不同浓度下的切线斜率恃)T由Z—c〔％]，可以得到不同浓度溶液的吸附量T的值，并计RT(Qc丿T算c/厂的值，作r-c曲线。T=25.05+273.15=298.19K浓度mol/l0.010.030.050.070.100.15]N*mol-i*m2辽c丿T-0.182-0.170-0.158-0.147-0.129-0.010「一—c〔為]10-6mol*m-2RTQc丿T0.7342.0573.1864.155.2036.0505"4"3"2-1-05"4"3"2-1-0*0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16c/mol*L-1图3r(E-6mol/m2)-c(mol/L)图曲线拟合方程：Y=A+B1*X+B2*XJParameterValueErrorA0.001250.00858