最大泡压法测定溶液表面张力
最大泡压法测定溶液的表面张力
最大泡压法测定溶液的表面张力(总13页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--最大泡压法测定溶液的表面张力一、实验目的1、掌握最大泡压法测定表面张力的原理，了解影响表面张力测定的因素。
2、了解弯曲液面下产生附加压力的本质，熟悉拉普拉斯方程，吉布斯吸附等温式，了解兰格缪尔单分子层吸附公式的应用。
3、测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力，计算饱和吸附量, 由表面张力的实验数据求正丁醇分子的截面积及吸附层的厚度。
二、实验原理1、表面张力的产生液体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，由于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，如图所示，这种吸引力使表面上的分子自发向内挤促成液体的最小面积。
在温度、压力、组成恒定时，每增加单位表面积，体系的表面自由能的增值称为单位表面的表面能（J·m-2）。
若看作是垂直作用在单位长度相界面上的力，即表面张力（N·m-1）。
事实上不仅在气液界面存在表面张力，在任何两相界面都存在表面张力。
表面张力的方向是与界面相切，垂直作用于某一边界，方向指向是表面积缩小的一侧。
液体的表面张力与液体的纯度有关。
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。
由于表面张力的存在，产生很多特殊界面现象。
2、弯曲液面下的附加压力静止液体的表面在某些特殊情况下是一个弯曲表面。
由于表面张力的作用，弯曲表面下的液体或气体与在平面下情况不同，前者受到附加的压力。
弯曲液体表面平衡时表面张力将产生一合力P s ，而使弯曲液面下的液体所受实际压力与外压力不同。
当液面为凹形时，合力指向液体外部，液面下的液体受到的实际压力为：P ' = P o - P s ；当液面为凸形时，合力指向液体内部，液面下的液体受到的实际压力为： P ' = P o + P s 。
最大泡压法测定溶液的表面张力
（2）测定不同浓度乙醇溶液的表面张力 配制浓度分别为0.02，0.05，0.10，0.15，0.20， 0.25，0.30，0.35，0.50mol.L-1 正丁醇溶液各50ml。 按（1） 数据记录和处理
(1) 记录实验温度，大气压，以及蒸馏水和不 同浓度乙醇溶液的的△h。 (2) 按式（7-66）计算毛细管常数K。不同温度 下纯水的表面张力见附录14。
最大泡压法测表面张力
（3）求乙醇的分子截面积 饱和吸附量
kc 1 kc
(7-68)
c 作 ～c图，由直线斜率求
1 c 1 k
求乙醇分子截面积
1 ＝ L
(7-69)
8
最大泡压法测表面张力
3. 实验步骤
（1） 测定毛细管常数K. 将蒸馏水装于带支管的毛细管，使毛细管的端 面与液面相切，打开滴液漏斗的活塞，使水缓慢滴 下而降低系统的压力，气泡均匀逸出，读取U形压 力计两臂最大高度差。
2
最大泡压法测表面张力
2. 实验原理
体相分子：
（1）溶液的界面吸附 纯液体和其蒸气组成的体系 自由移动不消耗功
表面分子： 液体有自动收缩表面 而呈球形的趋势。
2 G (J m ) γ A T , P ,nB
g
l
比表面自由能（表面张力）
3
最大泡压法测表面张力
溶液： 体系可调节溶质在表面相的浓度来降低 表面自由能。
(3) 按式（7-66）计算不同浓度乙醇溶液的表 面张力。
10
最大泡压法测表面张力
(4)作 ～c/c 曲线，在曲线上分别取c / c 为0.03， 0.05，0.10，0.15，0.20，0.30，0.40的点作 d 切线，求切线斜率 。 dc / c
最大泡压法测定溶液的表面张力（泡压法、滴重法、毛细管升高法）
最⼤泡压法测定溶液的表⾯张⼒（泡压法、滴重法、⽑细管升⾼法）表⾯张⼒的测定——最⼤⽓泡压⼒法、滴重法、⽑细管升⾼法⼀、实验原理：1.最⼤⽓泡压⼒法测定表⾯张⼒（装置如下图所⽰）：其中，B是管端为⽑细管的玻璃管，与液⾯相切。
⽑细管中⼤⽓压为P0。
试管A中⽓压为P，当打开活塞E时，C中的⽔流出，体系压⼒P逐渐减⼩，逐渐把⽑细管液⾯压⾄管⼝，形成⽓泡。
当⽓泡在⽑细管⼝逐渐长⼤时，其曲率半径逐渐变⼩，⽓泡达最⼤时便会破裂。
此时⽓泡的曲率半径最⼩，即等于⽑细管半径r，⽓泡承受的压⼒差也最⼤△P=P0-P=2γ/r 此压⼒差可由压⼒计D读出，故γ=r△P/2若⽤同⼀⽀⽑细管测两种不同液体，其表⾯张⼒分别为γ1、γ2，压⼒计测得压⼒差分别为△P1、△P2则：γ1/γ2=△P1/△P2若其中⼀种液体的γ已知，例如⽔，则另⼀种液体的表⾯张⼒可由上式求得。
2．⽑细管⾝升⾼法（装置如下图所⽰）：⽑细管法测定表⾯张⼒仪器⽑细管表⾯张⼒⽰意图当⼀根洁净的，⽆油脂的⽑细管浸进液体，液体在⽑细管内升⾼到h⾼度。
在平衡时，⽑细管中液柱重量与表⾯张⼒关系为：2πσrcosθ=πr2gdhσ=gdhr/2cosθ（1）如果液体对玻璃润湿，θ=0，cosθ=1（对于很多液体是这样情况），则：σ=gdhr/2 （2）式中σ为表⾯张⼒；g为重⼒加速度；d为液体密度；r为⽑细管半径。
上式忽略了液体弯⽉⾯。
如果弯⽉⾯很⼩，可以考虑为半球形，则体积应为：πr3 -2/3πr3 =1/3πr3从（2）可得：σ=gdr/2（h+1/3r）（3）更精确些，可假定弯⽉⾯为⼀椭圆球。
（3）式应变为：σ=gdhr/2（1+1/3（r/h）-0.1288（r/h）2+0.1312（r/h）3）（4）3. 滴重法（装置如右图所⽰）：从图中可看出，当达到平衡时，从外半径为r的⽑细管滴下的液体重量应等于⽑细管周边乘以表⾯张⼒，即：mg=2πσr （5）式中m为液滴质量；r为⽑细管外半径；σ为表⾯张⼒；g为重⼒加速度。
最大泡压法测定溶液的表面张力
最大泡压法测定溶液的表面张力一、实验目的1．了解表面张力的性质，表明自由能的意义以及表面张力和吸附的关系；2．掌握用最大泡压法测定表面张力的原理和技术；3．测定不同浓度乙醇的表面张力，计算表面吸附量和乙醇分子的横截面积。
二、实验原理1．表面自由能从热力学观点看，液体表面缩小是一个自发过程，这是使体系总的自由能减小的过程。
如欲使液体产生新的表面ΔA，则需要对其作功。
功的大小应与ΔA成正比：-W=σΔA (Ⅱ-24-2)式中σ为液体的表面自由能，亦称表面张力（单位为J·m-2）。
它表示了液体表面自动缩小趋势的大小，其量值于液体的成分、、溶质的浓度、温度及表面气氛等因素有关。
2．溶液的表面吸附纯物质表面层的组成与内部的组成相同，因此纯液体降低表面自由能的唯一途径是尽可能缩小其表面积。
对于溶液，由于溶质能使溶剂表面张力发生变化，因此可以通过调节溶质在表面层的浓度来降低表面自由能。
根据能量最低原则，当表面层溶质大浓度比溶液内部大时，溶质能降低溶剂的表面张力；反之，溶质使溶剂的表面张力升高时，表面层中溶质的浓度比内部低。
这种表面浓度与溶液内部浓度不同现象叫做溶液的表面吸附。
显然，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有关，从热力学方法可知它们之间的关系遵守吉布斯吸附方程：Г=(-c/RT)*(dσ/dc)T (Ⅱ-24-2)式中Г为表面吸附量（单位为mol·m-2）；T为热力学温度（K）；c为稀溶液的浓度（mol·L-1）；R为摩尔气体常数。
(dσ/dc)T﹤0，则Г﹥0，称为正吸附；(dσ/dc)T﹥0，则Г﹤0，称为负吸附。
本实验测定正吸附情况。
以表面张力对浓度作图，可得σ-c曲线，如图Ⅱ-24-2所示。
从图中可以看出，在开始时σ随浓度增加而迅速下降，以后的变化比较缓慢。
在σ-c曲线上任选一点i作切线，即可得该点所对应浓度c i的斜率(dσ/dc i)T。
最大泡压法测定溶液的表面张力
最大泡压法测定溶液的表面张力
预习思考题
1. 表面张力的定义是
，单位
。测定表面张力的意义是
。
2. 溶 液 的 表 面 吸 附 是 指
，当
时，发生正吸
附
；当
时，发生负吸附，此时溶液本体浓度
液体
表面浓度，此时，溶液本体浓度
液体表面浓度。
3. 表面活性剂是能够
的物质。
4. 最大泡压法测定表面张力，保持仪器和药品的清洁是实验成功的关键，因为
如果以 N 代表 1m2 表面层的分子数，则：
N Γ NA
式中， NA 为 Avogadro 常数，则每个分子的截面积 A 为：
2
A
1 Γ N
A
测定表面张力的方法很多，有最大泡压法、拉环法、张力计法等，在本实验中，采用最
大泡压法来测定液体的表面张力。装置图如下。
待测液体置于支管试管中，使毛细管端面与液面相切，液面随着毛细管上升至一定高度。
量。吸附量与浓度之间的关系可以用 Langmuir 等温吸附方程式表示：
Γ
Γ
1
Kc Kc
式中，Γ 表示吸附量，通常指单位质量吸附剂上吸附溶质的摩尔数；Γ∞表示饱和吸附量；c
表示吸附平衡时溶液的浓度；K 为常数。将上式整理可得如下形式: cc 1 Γ Γ KΓ
作 c/Γ ~ c 图，得一直线，由此直线的斜率和截距可求常数 Γ∞和 K。
力学方法研究表面现象时采用的物理量，液体的表面张力和表面吉布斯自由能在数值上是相
等的，但是具有不同的物理意义。
液体的表面张力与温度、纯度等因素有关。温度愈高，表面张力愈小；纯度发生变化时，
表面张力也相应发生变化，其变化的大小决定于溶质的本性和加入量的多少。
最大泡压法测定溶液的表面张力
最大泡压法测定溶液的表面张力、实验目的1掌握最大泡压法测定表面张力的原理，了解影响表面张力测定的因素。
2、了解弯曲液面下产生附加压力的本质，熟悉拉普拉斯方程，吉布斯吸附等温式，了解兰格缪尔单分子层吸附公式的应用。
3、测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力，计算饱和吸附量醇分子的截由表面张力的实验数据求正丁面积及吸附层的厚度。
二、实验原理1表面张力的产生液体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，由于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，如图所示，这种吸引力使表面上的分子自发向内挤促成液体的最小面积。
在温度、压力、组成恒定时，每增加单位表面积，体系的表面自由能的增值称为单位表面的表面能（J ∙m2）。
若看作是垂直作用在单位长度相界面上的力，即表面张力（N∙ m1）。
事实上不仅在气液界面存在表面张力，在任何两相界面都存在表面张力。
表面张力的方向是与界面相切，垂直作用于某一边界，方向指向是表面积缩小的一侧。
液体的表面张力与液体的纯度有关。
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。
由于表面张力的存在，产生很多特殊界面现象。
2、弯曲液面下的附加压力静止液体的表面在某些特殊情况下是一个弯曲表面。
由于表面张力的作用，弯曲表面下的液体或气体与在平面下情况不同，前者受到附加的压力。
弯曲液体表面平衡时表面张力将产生一合力P s,而使弯曲液面下的液体所受实际压力与外压力不同。
当液面为凹形时，合力指向液体外部，液面下的液体受到的实际压力为：P = P o - F S ;当液面为凸形时，合力指向液体内部，液面下的液体受到的实际压力为：P = P o + P S 。
这一合力P S ,即为弯曲表面受到的附加压力，附加压力的方向总是指向曲率中心。
附加压力与表面张力的关系用拉普拉斯方程表示：（式中σ为表面张力，R 为弯曲表面的曲率半径，该公式是拉普拉斯方程的特殊式，适用于当弯曲表面刚好为半球形的情况）。
最大泡压法测定溶液的表面张力
将（14-3）式化成直线方程则：
C kC 1 C 1 k k
（14-4）
若以σ—C作图可以得到一条直线，有直线斜率 即可求出假设在饱和吸附的情况下，在气液截面 上铺满一单分子层，由此可得每个溶质分子在表 面所占据的横截面积S0。
S 1 N 0
式中L为阿伏加得罗常数。因此若测得不 同浓度的溶液的表面张力，从σ—c曲线上 求出，便可计算出溶质分子的横截面积S0。
• 由于存在表面张力平衡过程，故用最大泡压法测 平衡表面张力，泡速要慢。
• 对于一些从体相迁移到表面相速度很慢的物质， 即使泡速很慢，测出的表面张力实际上仍是动表 面张力,往往和用其它方法测定值相差较大，即通 常所讲最大泡压法平衡性能较差．但它对测定冶 金中液态金属有较大优越性，可把耐高温毛细管 插在液态金属中，而远距离测出ΔP。
数据处理
• 根据溶液温度查表可知水的表面张力。
•
根据公式 力。
p m a x
2
r气
，可得各溶液的表面张
• 作ΔPmax -浓度图，并在曲线上取两个点 （C=0.05和0.20处），分别作出切线并求相 应的斜率，求出这两个点的吸附量。
• 根据方程（14-2）求算各浓度的吸附量，并 作出(c/ Γ)-c图，由直线斜率求其Γ ∞，并计 算横面积S0值。
• 用最大泡压法测定易发泡液体的表面张力 时应注意哪些问题？
• 有些物质（如十二烷基硫酸钠）用最大泡 压法测定其溶液的表面张力往往和用其它 方法（如滴重法）测量结果相差较大，试 简单分析其原因。
在σ—c曲线上任意选一点i做切线，即可 得该点所对应浓度ci的斜率（d/dci）T代入 （14-2）式，可求出不同浓度时的吸附量Γ。
饱和吸附与溶质分子的横截面积。
最大泡压法测定溶液的表面张力
最大泡压法测定溶液的表面张力
1. 连接电源，打开电源开关（在仪器后面板上），在水浴槽中加入蒸
馏水至加热棒的上沿处。
2. 设置水浴温度（一般设置为25℃，当气温较高时，一般设置为气
温+5℃），开启加热开关和搅拌开关，调节合适的搅拌速率（一般为550-600r/min左右）。
3. 清洗样品管，装入蒸馏水至刻度线处，调节液位调节器，使毛细
管与液面相切，恒温10-15min，进行毛细管常熟测定。
4. 将仪器的出气口与样品管的增压操作口连接，将增/减压操作切换
开关打到增压侧，调节气速调节器使压力变化容易读数，记录压力表显示的最大正压力值，读取三组数据；将增/减压操作切换开关打到中间位置（断路位置），将仪器的出气口与样品管的减压操作口连接，将增/减压操作切换开关打到减压侧，调节气速调节器使压力变化容易读数，记录压力表显示的最大负压力值，读取三组数据；用水的标准表面张力值和上述测定的最大正压力值与最大负压力值的差值计算毛细管常数。
5. 依照步骤4和5，对待测样品溶液进行测量。
从小浓度依次到大浓
度，每次测完后将样品倒入废液回收处，直接用下一个高浓度样品涮洗样品管，再次装入样品，恒温10-15min后进行测量。
（应注意液位计的液位高度变化，切不可液位相差过高）
6. 测量结束，关闭增/减压开关，关闭搅拌，关闭控温开关，打开平
衡开关，使两液位计液位向平，关闭平衡开关。
7. 数据处理，计算待测溶液溶质（正丁醇）的分子截面积。
最大泡压法测溶液的表面张力
五、实验注意事项
1、测定用的毛细管一定要清洗干净，否则气泡 不能连续稳定地通过，而使压力计读书不稳定。
2、控制好出泡速度，不要使气泡一连串地脱 出，，读取压力计的压差时，应取气泡单个逸 出时的最大压力差。
3、洗涤毛细管时不能用热风吹干或烘烤，避免毛 细管的结构发生变化。
4、实验结束后要将所用仪器全部洗涤干净。
最大泡压法测定溶液的表面张力
三峡大学化学与生命科学学院化学系物理化学教研室制
一、实验目的及要求
1、通过测定不同浓度的正丁醇水溶液的表面 张力，计算表面吸附量与浓度的关系及吸附量 和正丁醇分子的横截面积。
2、了解表面张力的性质，表面能的意义及表 张力和吸附的关系。
3、掌握用最大泡压法测定表面张力的原理和 技术。
六、数据处理
1、以纯水测得结果按（15～8）式计算仪器 常数K’值，水的表面张力由附录表中查出
2、用表格列出各浓度的溶液压力差值，并求 得其表面张力值。
3、在方格坐标纸上作σ-c图 ，并在σ-c曲线上 取10～20个点，分别作出切线，并求得对
应的斜率。
4、根据方程（15-2）求算各浓度的吸附量，并 作出(c/ Γ)-c图，由直线斜率求其Γ ∞，并计 算横面积S0值。
二、实验原理
图1 最大气泡法表面张力测定装置 1-滴液漏斗，2-支管试管，3-毛细管，4-恒 温槽，5-压差计
根据拉普拉斯公式，气泡承受的压力差也最大。 （15-6）
三、仪器与试剂
表面张力测定装置 洗耳球 滴管 不同浓度的乙醇溶液
1套 1个 1个
四、实验步骤
仪器常数的测定 溶液的表面张力的测定
七、思考题
1、有哪些因素影响表面张力测定的结果？如 何减小以致消除这些因素对实验的影响？
最大泡压法测定溶液的表面张力
根据能量最低原则，当溶质能降低溶剂的表面张力时，它在表面层中的溶质浓度比溶液内部的大；
最大泡压法测定溶u液的有表些面张物力质溶入溶剂以后，能使溶剂的表面张力显著降低，这类物质 P根m据a能x =量ρΔ最h低g 原则被，称当溶为质表能降面低活溶剂性的物表面质张。力时工，业它在和表面日层常中的生溶活质浓中度被比溶广液泛内部使的用大；的去污剂、乳化剂、 它表示了液体表面润自湿动缩剂小以趋势及的起大小泡，剂其量等值等也液都体是的成表分面、溶活质性的浓物度质、温。度及表面气氛等因素有关。 σ乙为醇液水体溶的液表的面浓自度u由由能阿以，贝亦表折称光面表仪面张测张定力力。（对单浓位为度J·m作-2）图。，可得到σ-c曲线，开始σ随浓度增加而迅速 3、测定不同浓度下乙醇降水，溶液以的后表面的张变力，化计算比表较面吸缓附慢量 。在σ-c曲线上任选一点作切线，即可得该 当以最同大样 泡方压>法法0将测时大定，试溶点管液<所中的0,换表对称以面为应不张负同力浓吸浓附度度。的的乙斜醇溶率液（，dd测c 出) T不同。的压力差，再用公式求出表面张力。 以同样方法将大试u管中本换实以不验同采浓度用的乙最醇大溶液气，泡测出法不测同的定压乙力差醇，再水用溶公式液求的出表表面面张力张。力 ， 通 过 乙 醇 水 溶 P以m同a样x =方ρΔ法h将g 大试液管的中换表以面不同张浓力度的和乙浓醇溶度液的，测关出系不同求的出压力表差面，再吸用附公式量求，出表仪面器张力装。置如图：
若3、用测同定一不支同毛浓细度发管乙，生醇同水变一溶压化液力的，计表，因面对张此两力种可，具计以有算表通表面面过张吸力调附σ量1节，σ溶2的质液在体而表言面，则层有的下列浓关度系式来：降低表面自由能。 （二）毛细管洁u净根与否据对能所测量数最据有低何原影响则？，当溶质能降低溶剂的表面张力时，它在表面层中 反面之吸， 附溶。质使溶的剂的溶表质面张浓力度升高比时溶，它液在内表面部层的中的大浓度；比反溶液之内，部的溶浓质度低使，溶这种剂表的面浓表度面和内张部力浓度升不高同的时现，象叫它做溶液的表
实验十 最大泡压法测定溶液的表面张力
实验十最大泡压法测定溶液的表面张力一、实验目的1．了解表面张力的性质，表面能的意义以及表面张力和吸附的关系。
2．掌握一种测定表面张力的方法——最大泡压法。
二、实验原理1．物体表面分子和内部分子所处的环境不同，表面层分子受到向内的拉力。
如果把一个分子由内部迁移到表面，就需要对抗拉力而做功。
在温度、压力和组成恒定时，可逆地使表面增加dA 所需对体系做的功，叫表面功，可以表示为：dA W ⋅=-σδ'(1) 式中σ为比例常数。
σ在数值上等于当T 、p 和组成恒定的条件下增加单位表面积时所必须对体系做的可逆非体积功，也可以说是每增加单位表面积时体系自由能的增加值。
环境对体系作的表面功转变为表面层分子比内部分子多余的自由能。
因此，σ称为表面自由能，其单位是焦耳每平方米(J ／m 2)。
若把σ看作为作用在界面上每单位长度边缘上的力，通常称为表面张力。
从另外一方面考虑表面现象，特别是观察气液界面的一些现象，可以觉察到表面上处处存在着一种张力，它力图缩小表面积，此力称为表面张力，其单位是牛顿每米(N ／m)。
表面张力是液体的重要特性之一，与所处的温度、压力、浓度以及共存的另一相的组成有关。
纯液体的表面张力通常是指该液体与饱和了其本身蒸气的空气共存的情况而言。
2．纯液体表面层的组成与内部层相同，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。
对于溶液则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。
根据能量最低原则，若溶质能降低溶剂的表面张力时，表面层中溶质的浓度应比溶液内部来得大。
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来得低，这种表面浓度与溶液内部浓度不同的现象叫“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：T dcd RT c )(σ-=Γ(2) 式中Γ为表面超量(mol ／m 2)；σ为溶液的表面张力(J ／m 2)；T 为热力学温度；c 为溶液浓度(mol ／m 3)；R 为气体常数。
实验八十三 最大泡压法测定溶液的表面张力
实验八十三最大泡压法测定溶液的表面张力一、实验目的（1）了解表面张力的性质，表面自由能的意义以及表面张力和吸附的关系；（2）掌握用最大气泡压法测定表面张力的原理和技术；（3）测定不同浓度正丁醇水溶液的表面张力，计算表面吸附量和正丁醇分子横截面积。
二、实验原理1、表面自由能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83-l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。
从热力学观点看，液体表面缩小是一个自发过程，这是使系统总的吉布斯自由能减小的过程。
在温度、压力和组成恒定时，可逆地使液体产生新的表面△A，则需要对其作表面功，该表面功就转化为表面分子的吉布斯自由能。
表面功的大小应与△A成正比：△G =W =γ△A （1）式中γ为液体的比表面自由能，单位为J·m-2，即增加单位表面积引起系统吉布斯自由能的增量，或者单位表面积上的分子比相同数量的内部分子“超额的” 吉布斯自由能。
也可将γ看作液体限制其表面，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，单位为N·m-1。
γ表示了液体表面自动缩小趋势的大小，其值与液体的成分、溶质的浓度、温度及表面气氛等因素有关。
2、溶液的表面吸附纯液体表面层的组成与内部的组成相同，因此，纯液体降低表面自由能的唯一途径是尽可能缩小其表面积。
对于溶液，由于溶质能使溶剂表面张力发生改变，因此，可以通过调节溶质在表面层的浓度来降低表面自由能。
根据能量最低原则，当溶质能降低溶剂的表面张力时，溶质表面层中的浓度比溶液内部大；反之，溶质使溶剂的表面张力升高时，溶质表面层中的浓度比内部的浓度低。
最大泡压法测定溶液表面张力
实验一 表面张力的测定——最大气泡法一、实验目的1．掌握最大气泡法测定表面张力的原理和技术。
2．通过对不同浓度正丁醇溶液表面张力的测定，加深对表面张力、表面自由能和表面吸附量关系的理解。
3．学习用Origin 或Excel 处理实验数据。
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20－l 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Nm -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。
欲使液体表面积增加△S 时，所消耗的可逆功A 为：图11.1 分子间作用力示意图-A =△G =σ△S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。
把溶质在表面层中与本体溶液中浓度不同的现象称为溶液的表面吸附。
使表面张力降低的物质称为表面活性物质。
用吉布斯公式(Gibbs)表示：Tc d RT dc σ⎛⎫Γ= ⎪⎝⎭ （11-1） 式中：Γ为表面吸附量(mol ·m -2)，σ为表面张力（J ·m -2）。
最大泡压法测定溶液表面张力
最大泡压法测定溶液表面张力
最大泡压法测定溶液表面张力
最大泡压法，又称为担子法，是测量溶液表面张力的常用方法。
它通过测量在溶液表面上创建的泡压来测定溶液表面张力。
实验过程简单，但实验技巧很重要，数据准确性较高。
最大泡压法测定溶液表面张力主要由以下几个步骤：1.准备实验设备，包括显微镜、放大器、调制器等；2.将实验条件（如测试液、温度等）设置好；3.在溶液表面上插入微型担子，担子被排入溶液表面后，用微型调制器调节其偏移量；4.随着微型调制器的偏移量的增加，担子将会创建一个泡压，泡压会不断增大，当到达最大时，测定溶液表面张力的值；5.测定完成后，将担子及时取出，表面张力测定完成。
最大泡压法是一种快速、简单、准确的溶液表面张力测定方法，但是需要有正确的实验技巧才可以确保测定结
果的准确性。
此外，操作过程中应注意安全，避免伤害自身。
最大泡压法测溶液的表面张力
最大泡压法测溶液的表面张力一．实验目的1． 了解表面张力的性质，表面能的意义以及表面张力和吸附的关系； 2． 掌握一种测定表面张力的方法—最大泡压法 二．实验原理表面能：,T pG A γ∂⎛⎫=⎪∂⎝⎭.......................................................................................................① 其意义为在可逆时增加体系单位表面积所需作的功(称表面功)。
单位：J·m -2 表面张力γ：作用于液面上(与液面相切)的单位长度的线段(沿曲线的法线方向)并指向液面内侧的力。
数值与表面能相同，单位：N·m -1。
吸附：向水中加入有机物等，溶液的表面张力将降低。
此时溶质分子在溶液表面作定向排列，且浓度大于本体的浓度，这种现象称为(正)吸附。
吸附量：溶液表面上单位面积内的溶剂所含的溶质与同量的溶剂在溶液本体所含溶质的物质的量的差值，用Γ表示，单位：mol·m -2。
吉布斯吸附公式：d d a R T a γΓ=-⋅ ...................................................................................................②若用浓度代替活度，吉布斯吸附公式为：d d c R TcγΓ=-⋅...................................................................................................③若浓度较大时，Γ不再随浓度增大，此时称饱和吸附，相应地，吸附量为饱和吸附量，用Γ∞表示。
一定温度下，吸附量与浓度的关系可表示为兰格缪尔式：1K c K cΓΓ∞=+ ...................................................................................................④上式重排为：1ccK ΓΓΓ∞∞=+................................................................................................⑤以cΓ对c 作图，由斜率可求出Γ∞。
最大泡压法测定溶液表面张力
最大泡压法测定溶液表面张力一．实验目的1．明确表面张力、表面自由能和吉布斯吸附量的物理意义；2．掌握最大泡压法测定溶液表面张力的原理和技术；3．掌握计算表面吸附量和吸附质分子截面积的方法。
二．实验原理1．表面张力和表面吸附液体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，由于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，这种吸引力使表面上的分子自发向内挤促成液体的最小面积，因此，液体表面缩小是一个自发过程。
在温度、压力、组成恒定时，每增加单位表面积，体系的吉布斯自由能的增值称为表面吉布斯自由能（J ·m-2），用γ表示。
也可以看作是垂直作用在单位长度相界面上的力，即表面张力（N ·m-1）。
欲使液体产生新的表面S ，就需对其做表面功，其大小应与ΔS 成正比，系数为即为表面张力 γ：S ∆⨯=γ'W Δ (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，分子间的作用力发生变化，表面张力也发生变化，其变化的大小决定于溶质的性质和加入量的多少。
水溶液表面张力与其组成的关系大致有以下三种情况：（1）随溶质浓度增加表面张力略有升高；（2）随溶质浓度增加表面张力降低，并在开始时降得快些；（3）溶质浓度低时表面张力就急剧下降，于某一浓度后表面张力几乎不再改变。
以上三种情况溶质在表面层的浓度与体相中的浓度都不相同，这种现象称为溶液表面吸附。
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。
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：Tc RT c ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-=Γγ (2) 式中，Г为溶质在表层的吸附量，单位mol ·m2，γ为表面张力，c 溶质的浓度。
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最大泡压法测定溶液表面张力
一．实验目的
1．明确表面张力、表面自由能和吉布斯吸附量的物理意义。
2．掌握最大泡压法测定溶液表面张力的原理和技术。
3．掌握计算表面吸附量和吸附质分子截面积的方法。
4．绘制Г—c 吸附等温线，提高作图能力
二．实验原理
1．表面张力和表面吸附
液体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，由于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自发向内挤，促成液体的最小面积，因此，液体表面缩小是一个自发过程。
在温度、压力、组成恒定时，每增加单位表面积，体系的吉布斯自由能的增值称为表面
吉布斯自由能（J·m -2），用γ表示。
也可以看作是垂直作用在单位长度相界面边缘上的力，即表面张力（N·m -1），此二者是等价的。
欲使液体产生新的表面ΔS ，就需对其做表面功，其大小应与ΔS 成正比，系数为即为表面张力γ： S W ∆⨯=γ'
(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，分子间的作用力发生变化，表面张力也发生变化，其变化的大小决定于溶质的性质和加入量的多少。
水溶液表面张力与其组成的关系大致有以下三种情况：
（1）随溶质浓度增加表面张力略有升高；
（2）随溶质浓度增加表面张力降低，并在开始时降得快些；
（3）溶质浓度低时表面张力就急剧下降，于某一浓度后表面张力几乎不再改变。
以上三种情况溶质在表面层的浓度与体相中的浓度都不相同，这种现象称为溶液表面吸附。
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。
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)
图1 液体表面与内部分子受力情况图
吸附方程： T
dc d RT
c ⎪⎭⎫
⎝⎛-
=Γγ （2） 式中，Г为溶质在表层的吸附量，单位mol·m 2，γ为表面张力，c 溶质的浓度。
若T
dc d ⎪⎭⎫
⎝⎛γ＜0，则Γ＞0，此时表面层溶质浓度大于本体溶液，称为正吸附。
引起溶剂表面张力显著降低的物质叫表面活性剂。
若T
dc d ⎪⎭⎫
⎝⎛γ＞0，则Γ＜0，此时表面层溶质浓度小于本体溶液，称为负吸附。
通过实验测得表面张力与溶质浓度的关系，作出γ－c 曲线，并在此曲线上任取若干点作曲线的切线，这些切线的斜率就是与其相应浓度的T c
)(
∂∂γ
，将此值代入（2）式便可求出在此浓度时的溶质吸附量Γ。
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。
2．最大泡压法测表面张力原理
测定溶液的表面张力有多种方法，较为常用的有最大泡压法，其测量方法基本原理可参见图2。
图中B 是管端为毛细管的玻璃管，与待测液面相切。
毛细管与大气相
通，气压为p 0。
试管A 内气压为p ，当打开活塞E 时，C 中的水流出，体系压力p 将逐渐减小，逐渐把毛细管液面压至管口，形成气泡。
在形成气泡的过程中，液面半径经历：大→小→大，即中间有一极小值r min ＝r 毛，此时气泡的曲率半径最小，根据拉普拉斯公式，气泡承受的弯曲液面产生的压力差也最大，有公式：
r p p p /20γ=-=∆ （5）
此压力差可由压力计D 读出，故待测液的表面张力为：
2/p r ∆⨯=γ （6）
若用同一支毛细管测两种不同液体，其表面张力分别为γ1、γ2，压力计测得压力差分别为Δp 1、Δp 2则： 2121//p p ∆∆=γγ (7)
若其中一种液体的γ1已知，例如纯水，则另一种液体的表面张力可由上式求得。
即：
22112)/(p K p p ∆⨯=∆⨯∆=γγ (8)
图2 最大泡压法测液体表面张力装置
式中： )/(11p K ∆=γ （9） 称为仪器常数，可用某种已知表面张力的液体（常用蒸馏水）测得。
三．仪器与试剂
最大泡压法表面张力仪，DP-A 精密数字压力计(南京桑力电子设备厂)，吸耳球，移液管（各种量程），容量瓶 (50mL)，正丁醇（分析纯），蒸馏水。
四．实验步骤
1．仪器准备与检漏
将洁净的表面张力仪各部分连接好。
将自来水注入抽气管C 中；在试管A 中注入约50mL 蒸馏水，使毛细管下端较深地浸入到水中；打开活塞E ，这时抽气管C 中水流出，使体系内的压力降低（注意：勿降低到使毛细管口冒泡），当压力计指示出若干压力差时，关闭活塞E ，停止抽气。
若2min ～3min 内，压力计指示压力差基本不变，则说明体系不漏气，可以进行实验。
2．仪器常数K 的测量
调节毛细管或液面高度，使毛细管口与水面相切。
打开活塞E 抽气，调节抽气速度，使气泡由毛细管尖端成单泡逸出，且每个气泡形成的时间为为6s ～10s 。
若形成时间太短，则吸附平衡来不及在气泡表面建立起来，测得的表面张力也不能反映该浓度之真正的表面张力值。
在形成气泡的过程中，液面曲率半径经历：大→小→大，同时压力差计指示值的绝对值则经历：小→大→小的过程，记录下绝对值最大的压力差，共三次，取其平均值。
再由附录中，查出实验温度时水的表面张力γ1，则可以计算仪器常数
3．系列浓度正丁醇水溶液表面张力的测定
配制50mL 浓度为0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 mol·L -1的系列正丁醇溶液，与测仪器常数相同的方法，按由稀到浓的顺序测定各溶液最大压力差，求出各溶液的表面张力γ。
测定管每次应用待测液至少淌洗一次。
测量时应确保气泡是单个出现，否则数据不稳定。
五．数据处理
1．查出在实验温度21℃下水的表面张力为72.59N.m -1，计算仪器常数K =γ/Δp=72.59×10-3/669=1.08×10-4
2．计算系列正丁醇溶液的表面张力，根据计算结果，绘制γ—c 等温线。
求出正丁醇溶液和表面张力的关系式为γ=0.4638+0.4266 /(1+exp((C+0.3682)/0.1525)) 求导得：T
dc d ⎪⎭⎫
⎝⎛γ=-2.7974X( exp((C+0.3682)/0.1525) /(1+exp((C+0.3682)/0.1525)2 3．由γ－c 等温线用Orign 软件拟合而得(dγ/dc)T ，求(dγ/dc)T ，并求出Г，绘制Г—c 吸附等温线。
温度：21℃水的表面张力：72.59N.m-1仪器常数K： 1.08×10-4
表1 实验数据记录及处理
1．所用毛细管必须干净、干燥，应保持垂直，其管口刚好与液面相切，不能离开液面，但亦不可深插，从毛细管口脱出气泡每次应为一个，即间断脱出。
2．读取压力计的压差时，应取气泡单个逸出时的最大压力差。
七．思考题
1．毛细管尖端为何必须调节得恰与液面相切? 如果毛细管端口插入液面有一定深度，对实验数据有何影响？
答：如果将毛细管末端插入到液体内部，毛细管内会有一段水柱，产生压力P′,则测定管中的压力Pr会变小，△pmax会变大，测量结果偏大。
2．最大泡压法测定表面张力时为什么要读最大压力差？如果气泡逸出的很快，或几个气泡一齐出，对实验结果有无影响？
答：如果毛细管半径很小，则形成的气泡基本上是球形的。
当气泡开始形成时，表面几乎是平的，这时曲率半径最大；随着气泡的形成，曲率半径逐渐变小，直到形成半球形，这时的曲率半径R和毛细管r相等，曲率半径达最小值，根据拉普拉斯公式，此时能承受的
压力差为最大：△pmax=p0-pr=。
气泡进一
步长大，R变大，附加压力则变小，直到气泡逸出。
最大压力差可通过数字式微压差测量仪得到。
如气泡逸出速度太快，气泡的形成与逸出速度快而不稳定；致使压力计的读数不稳定；不易观察出其最高点而起到较大的误差。
3．本实验为何要测定仪器常数？仪器常数与温度有关系吗？
答:因为用同一支毛细管测两种不同液体，其表面张力为γ1，γ2，压差计测得的压力分别为△p1，△p2，则γ1/γ2=△p1/△p2，若其中一液体γ1已知，则γ2=K×△p2，其中K=γ1/△p1，实验中测得水的表面张力γ1，就能求出系列正丁醇的表面张力。
温度越高，仪器常数就越小。
4．实验中，对相同浓度的溶液，两组同学测得的压力差并不相同，为什么？
答：由于个人操作和读数过程中存在误差，所以对相同浓度的溶液，两组同学测得的压力差并不相同。