实验2.表面活性剂溶液表面张力的测定及时间效应

实验2 表面活性剂溶液表面张力的测定及时间效应
一、实验目的
1. 用表面张力法测定一种表面活性剂溶液的表面张力；
2. 测定表面活性剂稀溶液的老化曲线。

3. 用Gibbs 吸附等温式和Langmuir 方程求出饱和吸附时表面活性剂分子在界面上所占的面积（分子截面积）；
4. 理解表面活性剂降低表面张力的效率和效能。

二、基本原理
表面活性剂溶液的许多物理化学性质随着胶束的形成而发生突变，因此临界近胶束浓度（cmc ）是表面活性剂表面活性的重要量度之一。

测定cmc ，掌握影响cmc 的因素对于深入研究表面活性剂的物理化学性质是十分重要的。

典型的表面活性剂水溶液的表面张力随浓度的下降曲线如图2-3所示。

AB 段相当于溶液浓度极稀的情况，表面张力较高，随浓度增加缓慢下降；在BC 段，表面张力随浓度的增加成比例的下降，直至达到cmc ；CD 段，当浓度超过cmc 后，表面张力几乎不再下降。

C 点相当于临界胶束浓度（cmc ）。

图2-3 典型的γ-lg c 曲线 图2-4 Langmuir 吸附等温式的直线形式
表面活性剂的吸附可由Gibbs 吸附等温式来描述： T
c RT c γ∂⎛⎫Γ=-
⎪∂⎝⎭ (1) 由式(1)可求得某浓度时的吸附量。

式中：Γ——吸附量（mol·L -1）
c ——表面活性剂溶液的浓度（mol·L -1）
γ——表面张力（dyne·cm -1）
T ——热力学温度K （绝对温度） R ——通用气体常数，8.314×107（erg·(mol·K)-1）
将式(1)变形为： 11ln 2.303lg T T
RT c RT c γγ⎛⎫∂∂⎛⎫Γ=-=- ⎪ ⎪∂∂⎝⎭⎝⎭ (2) 作γ-lg c 图，如图2-3所示。

在AB 段，lg T c γ⎛⎫∂-
⎪∂⎝⎭为非线性增加，Γ随浓度的增加而增加；在BC 段lg T
c γ⎛⎫∂- ⎪∂⎝⎭为一常数，Γ为一定值，即已达到饱和吸附；如果BC 段的线性
关系很好，则饱和吸附量可直接由图中直线部分的斜率求出。

,max
12.303lg T RT c γ∞⎛⎫∂Γ=- ⎪∂⎝⎭ (3) 如果BC 段不成很好的线性关系，为求得∞Γ，可利用Langmuir 吸附等温式
1Kc Kc ∞
Γ=Γ+ (4) 式中K 为常数，其余意义同式（1）
将式（4）变形为
11c c K ∞∞
=+ΓΓΓ (6) 以Γ
c 对c 作图的一直线。

如图2-4所示，其斜率的倒数为∞Γ。

式中Γ由式（2）求出，其中lg T
c γ⎛⎫ ⎪∂⎝⎭由γ-lg c 曲线上读取。

如果以N 代表1cm 2表面上的分子式，则
0N N ∞=Γ (7)
N 0——为阿伏加德罗常数
由此求得饱和吸附时每个表面活性剂分子在界面上所占的面积即分子截面积：
11a N N ∞∞==Γ (8) 表面活性剂降低表面张力的效率是指达到给定表面张力下降所需的浓度，浓度越低则效率越高。

通常用使表面张力下降20 mN/m 所需浓度的负对数pC 20来表示：
pC 20 = -logC 20 (9)
25o C 时纯水的表面张力为71.97 mN/m ，近似为72 mN/m 。

在γ-lg c 曲线的纵坐标上找到γ = 52mN/m 这一点，作一条水平线，使与曲线相交，由交点所对应的lg c 即可求出pC 20。

表面活性剂降低表面张力的效能是指表面活性剂溶液所能达到的最低表面张力，而不论
浓度大小。

通常当浓度达到cmc以后表面张力几乎不再变化，所以用cmc时的表面张力γcmc 来表示，如图2-3中所示。

三、仪器与试剂
JYW-200D自动界面张力仪；量筒；烧杯；镊子；洗瓶；温度计
四、操作步骤
1、检查仪器上水准泡，调节基座上调平旋钮，使仪器水平。

2、打开电源开关，稳定15分钟。

3、把铂金环和玻璃杯进行很好的冲洗。

铂丝圆环的清洗方法：先在石油醚中清洗，接
着用丙酮漂洗，然后再煤气灯或酒精灯的氧化焰中加热、烘干铂丝圆环。

在处理包括后续试验中取挂铂丝圆环时要特别小心，以免铂金环变形。

4、用镊子夹取铂丝圆环挂在杠杆挂钩上，小心注入被测液体40-50 mL，开通恒温循环
水泵。

5、在“开机初始页”连续按“▲”键四次，液晶界面显示“试验显示按确认键进入”
菜单页，再按“确认”进入试验显示主页。

6、按“清零”键，后按“▲”键玻璃杯平台上升，液晶界面右下边显示“<↑”提示
符。

7、待铂金环浸没液体时，平台自动停止上升、按“清零”键使P值变为000.00 mN/m。

按“▼”键、按“保持”键，玻璃杯平台下降，液晶界面右下边显示“+↓”提示符。

随着玻璃杯平台下降，P值不断增大，液膜被拉破，玻璃杯平台自动停止。

此时P 值即是测定值，F值即是该液体的实际力值，记录该值。

8、按“清零”键取消保持状态。

按“▲”键玻璃杯平台上升，液晶界面右下边显示
“<↑”提示符。

待铂金环浸没液体时，平台自动停止上升。

（此时不管P值是不是
0.00都不要再按“清零”键）
9、按“▼”键、按“保持”键，玻璃杯平台下降，液晶界面右下边显示“+↓”提示
符。

重复5次后，按“复位”键进入开机主页面，再重复5-9项操作。

10. 用镊子小心取下铂丝环后，更换样品，继续测量。

试验完毕，关闭电源。

11. 分别测定各溶液的表面张力（由稀到浓）。

每个浓度点分别测量五次，并取平均值
12. 作γ-lg c 曲线，并标注表面张力下降20mN/m 所需表面活性剂浓度的负对数pC 20。

13. 由γ-lgc 求得不同浓度下的T c ⎪⎪⎭⎫
⎝⎛∂∂lg γ值，代入式（2）求Γ。

14. 作
Γ
c -c 图，求出∞Γ，代入式（8）求出∞a 。