实验17液体表面张力的测定

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物理化学实验备课材料

实验17 液体表面张力的测定

一、基本介绍

液体的表面张力是指液体与它的蒸气成平衡时体系的界面张力。液体表面张力常常是在空气中测定的。当气相是一个处于低压或中压的惰性气体时，一般液体表面张力值与气相的组成几乎无关。液体的表面张力，源于液体相界面分子受力不平衡，意为相表面的单位长度收缩力，用“σ"表示，其单位是焦耳/平方米(J·m-2)或牛/米(N·m-1).液体表面张力的测定，不仅可以加深对表面张力这一物系热力学性质的认识，而且可以研究表面活性剂的表面活性、分子的横截面积、分子长度等。

二、实验目的1、掌握最大气泡法测定表面张力的原理，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及吸附层的厚度。

三、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，这是使体系总自由能减小的过程，欲使液体产生新的表面ΔA，就需对其做功，其大小应与ΔA 成正比：

－W′＝σ·ΔA(1) 如果ΔA为1m2，则－W′＝σ是在恒温恒压下形成1m2新表面所需的可逆功，所以σ称为比表面吉布斯自由能，其单位为J·m-2。也可将σ看作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N·m-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，溶质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：

T

C RT

C Γ⎪⎭⎫ ⎝⎛-

=d d σ (2) 式中，Г为溶质在表层的吸附量；σ为表面张力；C 为吸附达到平衡时溶质在介质中的浓度。

当 T

C ⎪⎭⎫ ⎝⎛d d σ＜0时，Г＞0称为正吸附；当 T

C ⎪⎭⎫

⎝⎛d d σ＞0时，Г＜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。

引起溶剂表面张力显著降低的物质叫表面活性物质，被吸附的表面活性物质分子在界面层中的排列，决定于它在液层中的浓度，这可由图2-26-1看出。

图2-26-1中(1)和(2)是不饱和层中分子的排列，(3)是饱和层分子的排列。 当界面上被吸附分子的浓度增大时，它的排列方式在改变着，最后，当浓度足够大时，被吸附分子盖住了。

所有界面的位置，形成饱和吸附层，分子排列方式如图2-26-1(3)所示。这样的吸附层是单分子层，随着表面活性物质的分子在界面上愈益紧密排列，则此界面的表面张力也就逐渐减小。如果在恒温下绘成曲线σ＝f (C )(表面张力等温线)，当C 增加时，σ在开始时显著下降，而后下降逐渐缓慢下来，以至σ的变化很小，这时σ的数值恒定为某一常数(见图2-26-2)。利用图解法进行计算十分方便，如图2-26-2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 C ·T

C ⎪

⎭⎫ ⎝⎛d d σ， RT

Z C RT C ΓC

C Z C Z C T T T

=⎪⎭⎫ ⎝⎛-

=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-

=⎪⎭⎫

⎝⎛d d d d d d σσσ (3)

以不同的浓度对其相应的Г可作出曲线，Г＝f (C )称为吸附等温线。 根据朗格谬尔(Langmuir)公式：

kC

kC

ΓΓ+=∞

1 (4)

图1 被吸附的分子在界面上的排列图 图2 表面张力和浓度关系图

Г∞为饱和吸附量，即表面被吸附物铺满一层分子时的Г，

∞

∞∞+=+=k ΓΓC k ΓkC ΓC 11 (5) 以C /Г对C 作图，得一直线，该直线的斜率为1/Г∞。

由所求得的Г∞代入可求得被吸附分子的截面积S o =1/Г∞~

N (~

N 为阿佛加得罗常数)。

若已知溶质的密度ρ，分子量M ，就可计算出吸附层厚度δ

ρ

δM

Γ∞=

(6)

2、最大气泡法测表面张力

用最大泡压法测表面张力方法如下：测定液体表面张力的方法很多，如毛细管升高法、滴重法、环法、滴外形法等等。本实验采用最大泡压法，实验装置如图一所示。

图3中A 为充满水的抽气瓶；B 为直径为0.2～0.3mm 的毛细管；C 为样品管；D 为U 型压力计，内装水以测压差；E 为放空管；F 为恒温槽。

图3 最大泡压法测液体

表面张力仪器装置图

将毛细管竖直放置，使滴口瓶面与液面相切，液体即沿毛细管上升，打开抽气瓶的活栓，让水缓缓滴下，使样品管中液面上的压力渐小于毛细管内液体上的压力（即室压），毛细管内外液面形成一压差，此时毛细管内气体将液体压出，在管口形成气泡并逐渐胀大，当压力差在毛细管口所产生的作用力稍大于毛细管口液体的表面张力时，气泡破裂，压差的最大值可由U 型压力计上读出。 若毛细管的半径为r ，气泡从毛细管出来时受到向下的压力为：

g h p p p ρ∆=-=系统大气max

式中，△h 为U 型压力计所示最大液柱高度差，g 为重力加速度，ρ为压力计所贮液体的密度。

气泡在毛细管口所受到的由表面张力引起的作用力为2πr •γ，气泡刚脱离管口时，上述二力相等：r g h r p rr πρππ22max 2=∆=

γπρππr g h r p r 22max 2=∆=

g h r

ργ∆=2

若将表面张力分别为和的两种液体用同一支毛细管和压力计用上法测出各自的和，则有如下关系：

2

1

21h h ∆∆=γγ 即12

2

1h K h ∆=∆=

γγ