表面吸附量的测定

实验十九 表面吸附量的测定
预习题
1．为什么表面活性物质水溶液的表面张力随溶液浓度的变化而变化？
2．用气泡最大压力法测表面张力时，为什么气泡必须均匀缓慢冒出？
3．为什么毛细管端要刚好与液面接触？若毛细管端浸入溶液，则使最大压力差变大还使变小？为什么？
4．毛细管常数如何测定？
5．表面吸附量Γ的物理意义是什么？
6．浓度为4.00×10-4 mol·L -1时的溶液表面吸附量如何得到？此表面吸附量的单位是什么？
7．分析影响本实验结果的因素有哪些？
一．实验目的
1．用气泡最大压力法测定十六烷基三甲基溴化铵水溶液的表面张力。

从而计算溶液在某一浓度时表面吸附量Γ。

2．熟悉斜管压力计的使用方法。

二．实验原理
1．在指定的温度下，纯液体的表面张力是一定的，一旦在液体中加入溶质成溶液时情况就不同了，溶液的表面张力不仅与温度有关，而且也与溶质的种类，溶液浓度有关。

这是由于溶液中部分分子进入到溶液表面，使表面层的分子组成也发生了改变，分子间引力起了变化，因此表面张力也随着改变，根据实验结果，加入溶质以后在表面张力发生改变的同时还发现溶液表面层的浓度与内部浓度有所差别，有些溶液表面层浓度大于溶液内部浓度，有些恰恰相反，这种现象称为溶液的表面吸附作用。

根据吉布斯吸附等温式
12.303lg cd d RTdc RT d c
σσΓ=-=- （1） 式中，Γ代表溶液浓度为c 时的表面上溶质的吸附量（mol·m -2），c 代表平衡时溶液浓度（mol·L -1），R 为理想气体常数（8.314 J·mol -1·K -1），T 为吸附时的温度（K ）。

从（1）式可看出，在一定温度时，溶液表面吸附量与平衡时溶液浓度c 和表面张力随浓度变化率d dc
σ成正比关系。

当0d dc
σ<时，Γ > 0表示溶液表面张力随浓度增加而降低，则溶液表面发生正吸附，此时溶液表面层浓度大于溶液内部浓度。

当0d dc
σ>时，Γ < 0表示溶液表面张力随浓度增加而增加，则溶液表面发生正吸附，此时溶液表面层浓度小于溶液内部浓度。

我们把能产生显著正吸附的物质（即能显著降低溶液表面张力的物质）称为表面活性物质。

本实验用表面活性物质十六烷基三甲基溴化铵配制成一系列不同浓度的水溶液。

分别测定这些溶液的
表面张力σ，然后以σ对lg c 作图得一曲线。

求曲线上某一点的斜率
lg d d c
σ，可计算该点对应浓度溶液的表面吸附量。

2．本实验测定各溶液的表面张力采用气泡最大压力法，此法原理是当毛细管与液面接触时，往毛细管内加压（或在溶液体系内减压）则可以在液面的毛细管出口处形成气泡。

如果毛细管半径很小，则形成的气泡基本呈球形。

而气泡在形成过程中是在变化的。

当开始形成气泡时，表面几乎是平的，即这时的曲率半径最大，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 与毛细管半径r 相等，曲率半径达最小值。

此时附加压力为产生气泡的最大压力。

此时
22p R r
σσ∆== （2） 其中，Δp 为最大附加压力，r 为毛细管半径（此时等于气泡的曲率半径R ），σ为表面张力。

当密度为ρ的液体作压差计介质时，测得与Δp 相应的最大压差为Δh m 。

按（2）式得
m m 22
r r p h g K h σ∆∆ρ∆=== （3）
其中K 在一定温度时仅与毛细管半径r 有关，称毛细管常数，此常数可以从已知表面张力的标准物质测得。

三．仪器与试剂
表面张力测定仪1套（包括带支管的大试管，毛细管和滴液减压器）
斜管压强计1台 吸耳球
各种浓度的表面活性物质溶液 蒸馏水 铬酸洗液
YYT —200斜管压力计的工作原理，结构及使用方法
（一）．工作原理
YYT —200斜管压力计是一种可见液体弯曲的多测量范围液体压力计，其原理（见图）是当测量表压时，需要测量压力的空间和宽广器相连通，而当测量负压时则与倾斜管相连通，在测量压差的情况下，则把较高的压力和宽广器接通，而把较低压力和倾斜管接通。

设在所测压力的作用下，与水平线之间有倾斜角度α的管子内工作液体在垂直方向升高了一个高度h 1,而在宽广容器内的液面下降了h 2，那时在仪器内工作液体面的高度差将等于：
h = h 1 + h 2 (1)
式中，
h = n sin α (2)
其中，n 为斜管上的压力读数（mm ）。

假如F 1代表管子的截面积，F 2代表宽广容器的截面积则：
n F 1 = h 2F 2 (3)
也就是在倾斜管内所增加的液体体积n F 1，等于宽广容器内所减少的液体体积h 2F 2。

把式（2）和（3）代入式（1）中可得:
12
sin F h n F α=+
或
12sin F p nr F α⎛⎫=+ ⎪⎝
⎭ 式中，p 为所测的压力（mm 液柱），r 为工作液体的比重（g ·mL -1）
（二）．结构
YYT-200斜管压力计是测量倾斜角度可以变更的压
力计，它的结构如附图，在宽广器（10）中充有工作液
体（酒精），与它相连的是倾斜测量管（8），在倾斜测量
管上标有长度为250 mm 的刻度，宽广器装牢在三个定
位螺钉（9）一个水准指示器（2）的底板（1）上，在底
板上还装着弧形支架（3），用它可以把倾斜测量管固定
在五个不同倾斜角度的位置上，而得到五种不同的测量
上限值，刻在支架上的数字0.2、0.3、0.4、0.6、0.8表
示常数因子12sin F r F α⎛
⎫+ ⎪⎝⎭
的数值。

把工作液体的液面调整到零点，是用零位调整旋扭
（5）调节浮筒浸入工作液体的深度，来改变宽广器（10）内酒精的液面，而将测量管内的液面调整到零点。

在宽广容器上装有多向阀门（11），用它可以使被测压力与宽广器相遇，或与测量管相通。

仪器的水准位置可根据底板上的水准指示器用左右两个定位螺丝来定位。

（三）．使用方法
1．将仪器放置在平面无震动影响的工作台上，调整仪器底板左右两个定位螺丝，使仪器处于水平位置，将倾斜测量管按测量值固定在相应的常数因子值上。

2．旋开宽广器上的加液盖，缓缓地加入比重为0.810 g·cm -3的酒精，使其液面在倾斜测量管上的刻线始点附近，然后把加液盖仍按在原位，将阀门柄（6）拨在“测压”处，用橡皮管接在阀门的“+”压接头上，轻吹橡皮管，使倾斜测量管液面上升到接近于顶端处，排出存留在宽广容器和倾斜测量管道之间的气泡反复数次，至气泡排尽为止。

3．将阀门柄仍拨回“校正”处，旋动零位调整旋钮校正液面的零点。

若旋钮已旋至最低位置。

仍不能使液面升至零点，则宽广容器中所加酒精过少，
应再加入酒精，使液面稍高于零处，再用旋钮调至零
处，反之酒精过多，可轻吹套在阀门“+”压接头上
的橡皮管，使液面从斜管的上端接头处溢出多余的酒
精。

4．测量阀门柄拨在“测压”处，如被测压力高于
大气压力时，将被测量的压力管子接在阀门的“+”
压接头上；如被测压力低大气压力时，将阀门中间的
接头和倾斜测量管上的接头用橡皮管相通，将被测量
的管子接在阀门的“-”压接头上；如测量压力差时，
则将被测的高压管接在阀门的“+”压接头上，被测
压力的低压管接在阀门的“-”压接头上，阀们中间的
接头和倾斜测量管上端的接头用橡皮管接通。

本实验
中，高压为大气压，不必接“+”。

5．在测量过程中，如欲校对液面零位是否符合，可将阀门柄拨至“校正”处进行校正。

气泡最大压力法测溶液表面张力的装置
四．实验步骤
1．实验前将毛细管和试管用洗液洗净，按图装好全套装置。

2．在大试管中盛入水，放入毛细管，使毛细管管口刚好与液面相接触，缓慢打开放水活塞，使气泡从毛细管端尽可能慢慢地放出（每分钟约4～6个气泡），待气泡均匀稳定地放出时，读取斜管压力计上的最大压差Δh m值读取三次，取平均值，计算毛细管常数K。

3．按上述方法将表面活性物质水溶液按浓度从小到大的次序分别测定各自的Δh m值。

五．数据记录与处理
1．毛细管常数的测定。

室温大气压
由（3）式计算毛细管常数K，并将K值填入表中。

2．溶液表面吸附量Γ的测定。

由（3）式计算不同浓度溶液的表面张力σ，并把相应的Δh m值填入表中（溶液浓度在试剂瓶标签上找）。

以σ对lg c作图得一曲线。

计算溶液浓度c = 4.00×10-4 mol·L-1时的溶液表面吸附量。

六．思考题
1．本实验为何要测定毛细管常数K？
2．测定溶液表面张力时，为何要使毛细管端刚好与液面相接触？
3．试述溶液表面吸附量的物理意义。