溶液表面张力的测定(精)

溶液表面张力的测定-最大气泡法

Determination of Surface Tension Using Maxinum Bubble Pressure Method

一、实验目的及要求

1．掌握最大气泡法测定表面张力的原理和技术。

2. 学会以镜面法作切线，并利用吉布斯吸附公式计算不同浓度下正丁醇溶液的表面吸附量。

3. 求正丁醇分子截面积和饱和吸附分子层厚度。

二、实验原理

在液体的内部任何分子周围的吸引力是平衡的。可是在液体表面层的分子却不相同。因为表面层的分子，一方面受到液体内层的邻近分子的吸引，另一方面受到液面外部气体分子的吸引，而且前者的作用要比后者大。因此在液体表面层中，每个分子都受到垂直于液面并指向液体内部的不平衡力（如图1所示）。

这种吸引力使表面上的分子向内挤促成液体的最小面积。要使液体的表面积增大就必须要反抗分子的内向力而作功增加分子的位能。所以说分子在表面层比在液体内部有较大的位能，这位能就是表面自由能。通常把增大一平方米表面所需的最大功A或增大一平方米所引起的表面自由能的变化值

图1 分子间作用力示意图

ΔG称为单位表面的表面能其单位为J．m-3。而把液体限制其表面及力图使它收缩的单位直线长度上所作用的力，称为表面张力，其单位是N.m-1。

液体单位表面的表面能和它的表面张力在数值上是相等的。欲使液体表面积加△S时，所消耗的可逆功A为：

液体的表面张力与温度有关，温度愈高，表面张力愈小。到达临界温度时，液体与气体不分，表面张力趋近于零。液体的表面张力也与液体的纯度有关。在纯净的液体（溶剂）中如果掺进杂质（溶质），表面张力就要发生变化，其变化的大小决

定于溶质的本性和加入量的多少。当加入溶质后，溶剂的表面张力要发生变化，。根据能量最低原理，若溶液质能降低溶剂的表面张力，则表面层溶质的浓度应比溶液内部的

浓度大；如果所加溶质能使溶剂的表面张力增加，那么，表面层溶液质的浓度应比内部低。这种现象为溶液的表面吸附。用吉布斯公式(Gibbs)表示：

中：为表面吸附量(mol.m-2)，σ为表面张力（J.m-2）。表示在一定温度下表面张力随浓度的改变率。即：

（1）< 0，Г>0，溶质能增加溶剂的表面张力，溶液表面层的浓度大于内部的浓度，称为正吸附作用。

（2）>0，Г<0，溶质能增加溶剂的表面张力，溶液表面层的浓度小于内部的浓度，称为负吸附作用。

通过测定溶液的浓度随表面张力的变化关系可以求得不同浓度下溶液的表面吸附量。如图2是最大气泡法测定表面张力的装置。待测液体置于支管试管中，使毛细管端面与液面相切，液面随时毛细管上升。打开滴液漏斗缓慢抽气。此时，由于毛细管液面所受压力大于支管试管液

图3-77 最大气泡法表面张力测定装置

图2 最大气泡法表面张力测定装置

1-抽气瓶，2-支管试管，3-毛细管，4-恒温槽，5-压差计

压力，毛细管液面不断下降，将从毛细管缓慢析出气泡。如图3-78所示。在气泡形成的过程中，由于表面张力的作用，凹液面产生一个指向液面外的附加压力△P，因此有以下关系：

P大气= P系统+ △P 附加压力与表面张力成正比，与气泡的曲率半径R成反比。

图3气泡形成过程

若毛细管管径较小，则形成的气泡可视为球形。气泡刚形成时，由于表面几乎是平的，所以曲率半径R极大；当气泡形成半球形时，曲率半径R等于毛细管半径r，此时R值最

小。随着气泡的进一步增大，R又趋增大，直至逸出液：

面R=r时，附加压力最大

最大附加压力由数字压力计读出。

用数字压力计可以直接读出压差的值（Pa），最大压差以△h m表示，设ρ为工作介质密度，g为重力加速度，则：

在实验中，使用同一支毛细管和压力计，1/2rρg为常数（仪器常数），用K表示，即：σ=K△h m

用已知表面张力的液体作为标准，可以测得仪器常数K，从而可以测定其它求知液体的表面张力

吸附量与浓度之间的关系可以用Langmuir等温吸附方程式表示：

式中，Γ∞为饱和吸附量,k为经验常数。将上式整理得：

以c/Г∞对c 作图可得到一条直线，其斜率的倒数为Г∞。

如果以N代表1m2表面层的分子数，则:

式中,N A为Avogadro常数，则每个分子的截面积A∞为:

三、仪器试剂

恒温槽装置；数字压力计（或U型管压差计）；抽气瓶l个；支管试管（φ25×20cm）；毛细管（0.2～0.3mm）1支；烧杯（250mL）；T形管1个；重蒸馏水；正丁醇（AR）；四、实验步骤

1．仪器常数的测定

将大试管和毛细管清洗干净。在干净的大试管中装入蒸馏水，使毛细管上端塞子塞紧时

毛细管刚好与液面垂直相切。抽气瓶装满水，连接好后旋开下端活塞使水缓慢滴出。控制流速使旗袍气泡从毛细管平稳脱出（每分钟10个气泡），记录气泡脱出瞬间数字压力计的数值，至少三次并取平均值，作为最大压差。根据式K=σ /△h m计算出仪器常数K的值。

2.测定正丁醇溶液的表面张力

用同样的方法测定不同浓度的正丁醇溶液的最大压差，由稀到浓依次测定。每个浓度的溶液测量前，大试管和毛细管一起用该溶液荡洗二至三次。最后重复测定仪器常数。

五、数据处理

1.测定正丁醇水溶液不同浓度下形成气泡时的最大压差，测定溶液的表面张力，并根据吉布斯吸附等温式：

进一步讨论吸附量与浓度的关系，由最大吸附量推算溶质分子截面积

数据是本实验数据处理的关键

2.作图获得的方法示意

（1）将实验点连成平滑的曲线；

（2）过曲线上点作曲线的切线；

（3）由切线的斜率得到偏导数的值。

3.表面张力与浓度实验点关系图

六、注意事项

1. 正丁醇溶液要准确配置，使用过程防止挥发损失。