实验五 表面张力及表面吸附量的测定 预习

实验五表面张力及表面吸附量的测定

一．实验目的

（1）测定不同浓度的乙醇水溶液的表面张力，计算表面吸附量和乙醇分子的横截面积。

（2）了解表面张力的性质及表面张力和吸附量的关系。

（3）掌握最大泡压法测定溶液表面张力和表面吸附量的原理。

二．实验原理

（一）表面张力及其影响因素

在一个液体的内部，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分子的吸引另一方面受到液

体外部气体分子的吸引，而且前者的作用力比后者大。

因此在液体表面表面层中，每个分子都受到垂直于并指

向液体内部的不平衡力。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△G,称为单位表面的表面能，其单位为J·m-1；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。如欲使液体表面面积增加ΔS时，所消耗的可逆功A应该是：

-A＝ΔG＝γΔS （1）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。

（二）表面吸附和吉布斯吸附等温式

在纯液体情形下，表面层的组成与内部的组成相同，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，溶质使溶液的表面张力升高时，它在表面层中的浓度比在内部的浓度低。这种表面浓度与溶液里面浓度不同的现象叫“吸附”。显然，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它们间的关系式

Γ ＝T

c RT c ⎪⎭⎫ ⎝⎛-∂∂σ (2) 式中：Γ为吸附量(mol.m -1)；γ为表面张力(J ·m -1)；T 为绝对温度(K)；c 为溶液浓度(mol ．L -1)；R 为气体常数(8．314J ．K -1·mol -1)。( )T 表示在一定温度

下表面张力随溶液浓度而改变的变化率。如果γ随浓度的增加而减小，也即( )T <0，则Γ>0，此时溶液表面层的浓度大于溶液内部的浓度，称为正吸附作

用。如果γ随浓度的增加而增加即

( )T >0，则Γ<0，此时溶液表面层的浓度小

于溶液本身的浓度，称为负吸附作用。

表面活性物质具有显著的不对称结构，它是由亲水的极性部分和憎水的非极性部分构成。对于有机化合物来说，表面活性物质的极性部分一般为－NH 3+，－OH ，－SH ，

－COOH ，－SO 2OH 。而非极性部分则为RCH 2－。正丁

醇就是这样的分子。在水溶液表面的表面活性物质

分子，其极性部分朝向溶液内部，而非极性部分朝

向空气。表面活性物质分子在溶液表面的排列情形

随其在溶液中的浓度不同而有所差异。当浓度极小

时，溶质分子平躺在溶液表面上，如图（a ），浓度

逐渐增加，分子排列如图（b ），最后当浓度增加到

一定程度时，被吸附了的表面活性物质分子占据了

所有表面形成了单分子的饱和吸附层如图（c ）。 乙醇是一种表面活性物质，其水溶液的表面张力和浓度关系见图中的σ－c 曲线，在σ－c 曲线上作不同浓度c 时的切线，把切线的斜率B (()∂σ∂c

T )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Γ。

在一定温度下，吸附量与溶液浓度之间的关系由Langmuir 等温方程式表示：

ΓΓ=⋅+⋅∞K C K C

1 (3) Γ∞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（3）式化成直线方程，则 C C K ΓΓΓ=+∞∞

1 (4) 图11-

2 不同浓度时，溶质分子在溶液表面的排列情况

若以C Γ

～C 作图可得一直线，由直线斜率即可求出Γ∞。

假设在饱和吸附情况下，乙醇分子在气－液界面上铺

满一单分子层，则可应用下式求得乙醇分子的横截面积

S 0。 S N 01=∞Γ~ (5) 式中，~N －阿佛加德罗常数。 （三） 最大气泡压力法

1、恒温套管。

2、毛细管（r 在0.15～0.2mm ）

3、数字式微压差测量仪

4、分液漏斗。

5、塑料烧杯。

6、连接橡皮管。

将欲测表面张力的液体装于支管试管5中，使毛细管6的端面与液面相切，液面即沿着毛细管上升，打开滴液漏斗2的活塞进行缓慢抽气，此时由于毛细管内液面上所受的压力（p 大气）大于支管试管中液面上的压力 （p 系统），故毛细管内的液面逐渐

下降，并从毛细管管端缓慢地逸出气泡。在气泡形成过程中，由于表面张力的作用，凹液面产生了一个指向液面外的附加压力Δp ，因此有下述关系：

p 大气＝p 系统＋Δp

p ＝p 大气－p 系统 (6)

附加压力Δp 和溶液的表面张力γ成正比，与气泡的曲率半径R 成反比，其关系式为

Δp ＝2γ/R (7)

若毛细管管径较小，则形成的气泡可视为是球形的。气泡刚形成时，由于表面几

乎是平的，所以曲率半径只极大；当气泡形成半球形时，曲率半径只等于毛细管管径

溶液的表面张

力

与浓度的关系

图

图11－4最大气泡法测表面张力装置