第2章 溶液的表面张力和表面吸附
第二章 溶液表面
T
1、Gibbs表面（相界面） 与纯液体的相似，就是在气-液（、） 两相的过渡区内划定一个无厚度的、理想 的几何面，实际体系分为、两相。
第二章 溶液表面 Chapter 2 Surface of Solution
§2-1 溶液表面张力与表面活性
§2-2 溶液表面的吸附
第二章 溶液表面 Chapter 1 Surface of Solution §2-1 溶液表面张力与表面活性 §2-1-1 溶液表面张力 ① 表面惰性物质—自身内 1 聚能较高，与溶剂作用较 0 强，如：泉水，海水无机 盐电解质、多羟基有机物、 蔗糖、甘露醇等。
②非极性基团与水分子间缺少强烈的相互 作用，无法补偿熵减少所引起的自由能升高， 而出现逃离水的趋势，即疏水效应。 疏水效应是熵驱动过程：G= H -TS 若TS > H, 则G < 0, 过程可自动进行。 如：溶液表面吸附和胶团化
碳氢基团越大，疏水效应越明显， 表面活性也就越强。
烃分子从水溶液迁移到烃溶液的过程 就是疏水效应的结果。 HC-W= HC-W =RTlnxW 一系列直链、支链、环烷化合物的理 论计算值和实验值都支持“似冰理论”。 3、表面活性 表面活性的物理化学作用 —表面吸附和胶团化
相界面的热力学基本方程： dU= dH = TdS +dA+idni dF = dG = -SdT +dA+idni 与全微分式比较得： SdT+Ad+nidi =0 恒温下：i=i+RTlnai 则：SdT+Ad+nidi = Ad+niRTdlnai =0
溶液中的吸附作用和表面张力的测定-西安电子科技大学
溶液中的吸附作用和表面张力的测定
二、实验原理 1.液体表面张力的测定方法
将待测液体装入样品管中，使玻璃管下端毛细管端面与液面垂直相 切，液面即沿毛细管上升，打开滴液瓶的活塞缓缓放水抽气，样品管中的 压力便逐渐减小，此时毛细管中的压力p0（大气压）比样品管中液面上的压 力p大。当此压力差在毛细管端面上产生的作用力稍大于毛细管口液体的表 面张力时，毛细管中的液面便被压至管口并形成气泡。
3. 每次测定前须确保毛细管内外溶液浓度一致。每测量一种 浓度的乙醇水溶液表面张力，同时测量其折光率，以确定乙醇 水溶液的准确浓度。
4. 同法测定20%乙醇水溶液在35℃、40℃时的表面张力。
西安电子科技大学物理化学实验
溶液中的吸附作用和表面张力的测定
四、思考题
l. 若毛细管不干净、温度不恒定，对测量结果有何影响？ 2. 在测定管中，为什么毛细管端面要与液面垂直相切？ 3. 在毛细管口所形成的气泡什么时候其半径最小？ 4. 实验中为什么要测定水的△p0,max？ 5. 为什么要求从毛细管中逐出的气泡必须均匀而间断？如 何控制出泡速度？
最大气泡压力法测定溶液的表面张力示意图
西安电子科技大学物理化学实验
溶液中的吸附作用和表面张力的测定
设气泡在形成过程中始终保持球形，则气泡内外的压力差△p（即施加
于气泡的附加压力）与气泡的半径r、液体表面张力σ之间的关系可由拉
普拉斯（Laplace）公式表示，即
∆p = 2σ
r
∆pmax
=
∆p
=
2σ
Γ
=−
c RT
dσ
( dc
)T
σ－c 作图，可求Γ
表面张力与浓度关系图
西安电子科技大学物理化学实验
溶液表面的吸附现象.
CH3(CH2)7=CH(CH2)7 COO－
• 油酸分子模型图
固定的 障片
可移动 的障片
• 油酸单分子膜示意图
H+
表面活性物质的亲水基
团X受到极性很强的水分子
的吸引而有竭力钻入水面的
趋势, 同时非极性的碳链倾向
于翘出水面或钻入非极性的
有机溶剂或油类的另一相中,
从而在界面上形成单分子膜.
7
表面活性物质
表面活性物质的基本性质: 溶入少量 γ 就可使溶液的表面张力急剧降低; 当浓度 γ0 达到一定值后, 浓度几乎不影响表面张力.
上述性质是由表面活性分子在溶液中
的存在形态和分布引起的(见图示).
c • 表面张力与浓度关系
单分子膜
小型 胶束
球状 胶团
(a) 稀溶液
(b)开始形成胶束 的溶液
(c)大于临界胶束 浓度的溶液
况.
3
表面过剩与吉布斯吸附等温式
总界面过剩量 nBσ = Γ B As = nB − (V α cαB + V β cBβ )
类似地, 定义界面相的其它热力学函数:
Uσ= U－(Uα+ Uβ); Sσ= S－(Sα+Sβ); Gσ= G－(Gα+ Gβ)
当界面相的吉布斯函数Gσ发生微小变化时,
dGσ =－SσdT + Vσdp +γdAs + ΣµBdnBσ
β相 Vβ(实) cBβ
b
b
σ界面层 Vσ(实)
s
a
a
α相 V α(实) cBα
β相 Vβ cBβ σ界面相
Vσ= 0
α相 V α cBα
V = Vσ(实) + Vβ(实) + V α(实) V = Vσ+ Vβ • 实际溶液界面(左)与吉布斯界面模型(右)
第2章 溶液的表面张力和表面吸附
来描述：
γ0 −γ c / cΘ = b ln( + 1) γ0 a
3.第Ⅲ类曲线
加入少量的溶 质就能显著降 低水的表面张 力，曲线很快 趋于水平线。 有时在水平线 的转折处出现 是小值。
γ = γ 0 −γ 0bln(c + a) +γ 0blna = γ 0 '−γ 0bln( + a) c
σ /(10 −3 N ⋅ m −1 )
2.表面活性物质和表面活性剂
表面活性 物质
能使水的表面张力降低的物质。 能使水的表面张力降低的物质。 如第Ⅱ类和第Ⅲ 如第Ⅱ类和第Ⅲ类物质
表面 活性
表面活性 剂
在低浓度下就能显著降低水的表面张 力的物质。 力的物质。 即上述第Ⅲ 即上述第Ⅲ类物质
表面非活 性物质
使水的表面张力增加的物质， 使水的表面张力增加的物质， 如上述第Ⅰ种物质。 如上述第Ⅰ种物质。
四、动表面张力
静表面张力
前面所述的表面吸附是表面吸附与溶液本体处理平衡 状态，没考虑吸附速率问题。 状态，没考虑吸附速率问题。吸附平衡时的表面张力 称为静表面张力 静表面张力。 称为静表面张力。
动表面张力
在处理实际问题时，往往要考虑动表面张力。 在处理实际问题时，往往要考虑动表面张力。在未达 动表面张力。 吸附平衡前的表面张力称为动表面张力 吸附平衡前的表面张力称为动表面张力。
溶质扩散进入次表面层
溶液表面 吸附 过程
进入吸附层 取代原有分子 脱水并定向排列
3.动表面张力的测定方法1秒之间的动表面张力 适用于秒以下至10微秒间的动表面张力 可适用于毫秒级的动表面张力的测定
吊片法 滴重法
最大气泡 压力法 振荡射流法
二、吉布斯吸附公式
乙醇水溶液的表面张力模型和表面吸附量计算
乙醇水溶液的表面张力模型和表面吸附量计算乙醇水溶液的表面张力模型和表面吸附量计算一、绪论乙醇水溶液作为典型的复杂液体，因其具有复杂的液液相变行为及表面张力，在研究外部场和表面反应等方面具有重要的意义。
此外，它具有易分解性质，计算表面张力和表面吸附量也关系到它的应用。
广义上讲，影响乙醇水溶液表面张力和表面吸附量的机制可以归纳为：（1）结合作用，由于乙醇与水分子的相互作用导致液体表面膨胀，形成表面张力；（2）H-bonding，H-bonding作用会影响乙醇水溶液的表面张力；（3）润湿行为，表面被润湿的物体会产生表面张力；（4）表面吸附，表面吸附态结合在液体表面上的分子会形成表面吸附量；（5）气泡的形成，气泡的形成也会影响液体表面张力。
二、模型根据以上机制，乙醇水溶液表面张力模型可以分为分子自力张力模型和润湿行为张力模型。
这两种模型将以上机制进行了详细的分析，从而推断出乙醇水溶液的表面张力。
2.1 分子自力张力模型分子自力张力模型是对液液相变行为的分析。
它先假定液体表面是由一层表面分子组成的，而这些表面分子之间存在一种自力作用，即这些分子之间有一定的张力。
如果液体表面分子的自力能大于液体里的分子，那么液体表面会形成一层表面分子层，而这一层也就形成了液液界面。
接下来，需要计算这个分子层拥有的表面张力，以及这个分子层拥有的表面吸附量。
2.2 润湿行为张力模型润湿行为张力模型是对液体表面性质的分析和表示。
它假设当一种液体被涂抹在一个固体表面上时，液体会通过润湿行为进行扩散，而扩散过程会形成一个表面张力平面。
这样，液体表面就会产生表面张力和表面吸附量。
三、结论综上所述，乙醇水溶液的表面张力和表面吸附量受多种机制影响，在对乙醇水溶液表面张力进行测量和表面吸附量计算时，可以根据必要的机制进行模型建立，例如分子自力张力模型和润湿行为张力模型等。
借助这些模型，可以更准确的计算出乙醇水溶液的表面张力和表面吸附量。
溶液的表面张力和表面吸附
在环保领域的应用
污水处理
利用表面张力原理，可以有效地去除 污水中的油、重金属和其他有害物质 ，提高污水处理效果。
空气净化
通过表面吸附原理，可以去除空气中 的有害气体和颗粒物，提高空气质量 。
在生物医学领域的应用
药物传递
利用表面张力原理，可以设计出具有特定释放性能的药物传递系统，实现药物 的定向输送和控释。
农药
作为农药的增效剂，提高农药 的附着和渗透能力。
油田开采
作为乳化剂，提高采油效率。
04 溶液的表面张力与吸附在 科技中的应用
在能源领域的应用
燃料电池
溶液的表面张力对燃料电池的性 能产生重要影响，通过调节溶液 的表面性质可以优化燃料电池的 效率和稳定性。
太阳能电池
表面吸附物质可以改变太阳能电 池的光吸收和光电转换效率，从 而提高太阳能电池的能量转换效 率。
提高表面活性剂的性能和效率
总结词
提高表面活性剂的性能和效率是解决实际应用问题的关键。
详细描述
通过改进合成方法、优化配方以及研究其在不同条件下的性 能表现，可以进一步提高表面活性剂的性能和效率。这有助 于降低使用量，提高清洁效果，减少能源消耗和环境污染。
表面活性剂的安全性和环境影响
总结词
随着对环境保护的日益重视，表面活性 剂的安全性和环境影响成为研究重点。
02
溶质分子与溶液表面分子之间存在范德华力，导致溶质分子在
表面层的浓度增加。
静电力
03
溶质分子与溶液表面分子之间存在静电力，导致溶质分子在表
面层的浓度增加。
表面吸附与表面活性的关系
表面活性是指溶液表面的分子 或离子具有降低表面张力的能 力。
表面吸附作用与表面活性密切 相关，因为溶质分子在表面的 聚集状态会影响表面张力的大 小。
溶液中的吸附作用和表面张力的测定
溶液中的吸附作用和表面张力的测定化学物理系彭星星PB09206060 摘要：表面张力与溶液的吸附作用是表面化学中非常重要的连个参量。
但他们比较难以测量，受环境扰动变化较大，故人们一直很难得到他们的准确数据。
本实验利用最大气泡压力法测量了水与正丁醇的混合溶液的表面张力与吸附作用，并对结果进行可分析讨论。
关键词：表面张力吸附作用最大气泡法Abstract：The absorption an surface tension are two of the most important parameters in the field of surface science.As they are hard to be measured directly and the results are easily influenced by the surrouding environment, it has always been hard for us to acquire the accurate data. The author measured the adsorption and surface tension of n-butanol's water solution using the maximum bubble pressure method. The results are also discussed in this article.一、实验简介1、物体表面的分子和内部分子所处的境况不同，因而能量也不同，如图11－1，表面层的分子受到向内的拉力，所以液体表面都有自动缩小的趋势。
如要把一个分子由内部迁移到表面，就需要对抗拉力而作功，故表面分子的能量比内部分子大。
增加体系的表面，即增加了体系的总能量。
体系产生新的表面（∆A）所需耗费功（W）的量，其大小应与∆A成正比。
－W=σ∆A (12－1)∆A＝1m2，则－W＝σ，即在等温下形成1m2新的表面所需的可逆功。
【DOC】溶液中的吸附作用和表面张力的测定
【DOC】溶液中的吸附作用和表面张力的测定
吸附作用是指一种物质在表面上形成的极小的颗粒，其主要来源于溶质与固体接触表面之间的力学或化学作用。
它可以增强溶质与固体之间的相互作用强度，从而影响溶质的活性和溶液的物理性质。
由于这种作用，溶液表面生成一个新的“界面”，使原有一种溶液有千变万化的表现。
表面张力是指液体表面承受的力，是液体自身有限的张力表现出来的参数。
它是影响液体流变性能的关键因素之一，也是液体的重要性质之一。
此外，表面张力也影响着液体表面的其他性质，比如：表面活性剂的吸附与混溶能力、表面污染物的吸附能力、溶质的极性和分散性等等。
因此，测定溶质中的吸附作用及溶液表面张力非常重要。
常见的测定溶质中的吸附作用的方法有实验检测和模型预测两种，它们之间相关度很高，能够综合考察不同溶质的吸附作用及其机理。
一般而言，实验检测是介观检测性质，比如：液体表面张力等，而模型预测则可以从微观角度反映溶质之间的相互作用，并能够深入分析吸附作用及其机理。
通常，液体表面张力的测定可以采用传统的实验检测方法，例如：气液界面法、粘度计等。
以气液界面法为例，通过测量小液滴的重量就可以计算出液体表面张力。
其他方法如粘度计测定、机械张力法、上清法等也是测量液体表面张力的常用方法之一；而扫描电镜等技术可以分析吸附过程中液体表面的构型，从而加深对溶质吸附的认知。
本文从实验检测和模型预测的角度讨论了溶质中的吸附作用及表面张力测定的方法与技术，从而为进一步研究和应用提供借鉴与参考。
物理化学实验报告-溶液表面张力的测定及等温吸附(2)
p最大 = p大气 − p系统 = ∆p
毛细管内气体压力必须高于大试管内液面上压力的附加压力以克服气泡的表面张力，此附加压力∆p与 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：
2γ ∆p = R
如果毛细管半径很小，则形成的气泡基本上是球形的。随着气泡的形成曲率半径逐渐变小，直到形成
装
半球形。这时曲率半径R与毛细管内半径r相等，曲率半径达到最小值。
数字式微压差测量仪当表面张力仪的活塞使水缓慢下滴而减小系统压力这样毛细管内液面上受到一个比试管中液面上大的压力当此压力差在毛细管尖端产生的作用力稍大于毛细管管口液体的表面张力时气泡就从毛细管口逸出这一最大压力差可由数字式微压差测量仪测出
1.精密恒温水槽；2.带有毛细管的表面张力仪； 3.滴液漏斗；4.数字式微压差测量仪
答：实验中，气泡的速度对实验数据有很大的影响。速度过快，会使数据变大。因此，保持相同的气泡速
度对于实验的成败有很大的关系。而实验装置中，随着滴液漏斗中水的不断流出，滴液的速度会减慢，装
置的此处有待改进。另外，毛细管的竖直以及毛细管进入液面的深度，对于测定结果都有一定的影响，实
装
验中应该注意。实验的数据处理也是很关键的一步，对测量结果有较大影响。
=
71.97 280.7
=
0.2564
mN
∙
m−1
∙
Pa−1
2. 求出各浓度正丁醇溶液的表面张力。
γ溶液 = K∆p溶液
表 1 正丁醇溶液表面张力的测定数据记录表
c mol ∙ L−1
0
0.02 0.04 0.06 0.09 0.12 0.16 0.2 0.24
∆pm1 Pa ∆pm2 Pa ∆pm3 Pa ∆pm Pa γ mN ∙ m−1
溶液表面张力的测定及等温吸附
一、实验目的和要求1、加深理解表面张力、表面吸附等概念以及表面张力和吸附的关系。
2、掌握用最大气泡法测定溶液表面张力的原理和技术。
二、实验内容和原理最大气泡法是测定液体表面张力的方法之一，它的基本原理如下：当玻璃毛细管一端与液体接触，并往毛细管内加压时，可以在液面的毛细管口处形成气泡。
气泡的半径在形成过程中先由大变小，然后再由小变大。
设气泡在形成过程中始终保持球形，则气泡内外的压力差△p （即施加于气泡的附加压力）与气泡的半径r 、液体表面张力σ之间的关系可又拉普拉斯（Laplace ）公式表示，即2p r σ∆=（1）显然，在气泡形成过程中，气泡半径由大变小，再由小变大，所以压力差△p 则由小变大，然后再由大变小。
当气泡半径r 等于毛细管半径R 时，压力差达到最大值max p ∆。
因此max 2p R σ∆=（2）由此可见，通过测定R 与max p ∆，即可求得液体的表面张力。
由于毛细管的半径较小，直接测量R 误差较大。
通常用一已知表面张力为0σ的液体（如水、甘油等）作为参考液体，实验测得其对应的最大压力差为0,maxp ∆。
可得被测液体的表面张力σ1=σ2*(△p1/△p2)=K △p1 （3）本实验中用DMP-2B 型数字式微压差测量仪测量，该仪器可直接显示以Pa 为单位的压力差。
对纯溶剂而言，表面层与内部的组成是相同的，但对溶液来说却不然。
当加入溶质后，溶剂的表面张力会发生变化。
根据能量最低原则，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的大，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。
这种表面浓度与溶液内部浓度不同的现象叫做溶液的表面吸附。
显然，在指定的温度和压力下，溶液表面吸附溶质的量与溶液的表面张力和加入溶质的量（即溶液的浓度）有关，从热力学方法可知它们间的关系遵守吉布斯吸附方程：（4）式中：Γ吸附量（mol/m2）；σ为表面张力（N/m ）；T 为绝对温度；c 为溶液浓度（mol/m3）；R 为气体常数，R=8.314J ·mol －1·K －1。
第二章+表面活性剂在溶液中的状态和性质
聚氧乙烯化的非离子型表面活性剂胶团表面层结 构与离子性者有所不同，其表面是一层相当厚的 聚氧乙烯“外壳”。此“外壳”可包括大量的水 化水。这些水与聚氧乙烯的醚氧基相结合。非离 子胶团不带电，溶液中也不存在扩散双电层。
一般认为，对于常见的表面活性剂，在浓度不 是很大，而且没有添加剂和加溶物的体系中， 在小于10倍临界胶团浓度的范围内，胶团大多 呈球形。在10倍临界胶团浓度或更高浓度的表 面活性剂溶液中，胶团一般是非球形的，可以 是椭球形、扁球形、碟形或棒形。
cmc
降低表面张力的效率：通常是指使水的表面张 力降低到一定值时，所需的该表面活性剂的浓 度。通常用 pC20 来表示，意指将水的表面 张力降低了20mN/m所需的表面活性剂的浓度 的负对数。 表面压：
cmc 0 cmc
2.1.3表面活性剂 溶液特性
（1）离子型表面活性剂 的Krafft点。
表面活性剂surface active agent (surfactant): 当浓度很小时，溶液的表面张力便急剧 ， 但减小到一定值后就不再随浓度增加而变化。 从结构组成上看，一般为具有长碳链（碳 原子数大于 ）的极性有机化合物.
从结构上看，表面活性物质是两亲分子，一端亲水 （－OH,－COOH,－SO3Na等),另一端亲油（憎水） （－R等）。
例如，考虑n个表面活性剂单体形成半径为 l 的 c 球形胶团的情况。胶团的表面积A和疏水内核的 体积V有下列关系：
A 4lc nA0
2
4lc V nVc 3
3
合并上面的式子，即得
Vc
l c A0
1
3
为计算几何排列参数P所需的 Vc , lc , A0 的值可以
分别由实验测定和理论计算等到。A0通常根据
第二章 表面张力和三个公式
3
2．1 表面张力和表面自由能
2. 表面自由能(Surface Free Energy)
使液体表面积增大的过程是克服液相分子吸引力, 使体相分子转移到 表面相的过程，需要环境对体系做功。以可逆方式做功最少，称之为表面 功：
Wreversible dA
由吉布斯自由能性质可知，在恒温恒压下，此表面功即等于体系吉 布斯自由能的变化量的相反数：
6
2．1 表面张力和表面自由能
3. 表面张力（surface tension）
由于体系的能量越低越稳定，故液体表面具有自动收缩的趋势。我们也可 将这种趋势看作为表面分子相互吸引的结果，(好象表面是一层受张力的 橡胶膜，)此吸引力与表面平行，它的大小就反映了表面自动收缩的趋势 大小，我们称其为表面张力。 在两相(特别是气-液)界面上，垂直于表面的边 界，指向液体方向并与表面相切的，作用于单位 边界线上的力称为表面张力，用γ表示，单位是 N·m-1。 将一含有一个活动边框的金属线框架放在肥皂液 中，然后取出悬挂，活动边在下。由于金属框上 的肥皂膜的表面张力作用，可滑动的边会被向上 拉，直至顶部。 如果在活动边框上挂一重物，使重物质量W2与边框 质量W1所产生的重力F（F=（W1+W2）g）与总的表面 张力大小相等方向相反，则金属丝不再滑动。
对于单组分体系，这种特性主要来自于同一物质在不同相中的密度不 同；对于多组分体系，则特性来自于界面层的组成与任一相的组成均不相 同。
2
2．1 表面张力和表面自由能
2. 表面自由能(Surface Free Energy)
这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势，并使表面层显示出一些独特 性质，如表面张力、表面吸附、毛细现象、过饱和状态等，液体的表面积 因而有自发收缩的趋势。 这解释了为什么液滴会以球形的形态存在 表面相的分子比本体相的分子具有额外的势能，这种势能只有当分子处在表 面时才有，所以叫表面自由能, 简称表面能。欲使表面增加，则必须消耗一 定数量的功，所消耗的功即等于表面自由能的增加。当表面缩小时，同样大 小的能量又被释放。
2溶液的表面张力与表面吸附
✓ 其他因素相同时，非离子型的表面活性剂的饱和吸附量大于离子型的。这是因为吸附在表面上的 表面活性离子带相同电荷，彼此存在电斥力，使其吸附层较为疏松。
3.39
9.82
31.4
93.1
❖ 当溶液浓度很稀时，
，
❖
(2-3)
❖ 即γ-c为直线关系，斜率为
。
,式c(2-c2)可改写为a lnc 1 c c
a a
0
0b c
a c
0b
ac
2.1.1水溶液表面张力的三种类型
❖ (3)第Ⅲ类曲线 ❖ 加入少量的溶质就能显著地降低水的表面张力。
在很小的浓度范围内，溶液的表面张力急剧下降， 然后γ-c曲线很快趋于水平线，即再增加溶液的 浓度，溶液的表面张力变化不大。
性物质分子处境稳定，另一方面也降低了两相交界处的表面能。
2.5 饱和吸附量
❖ 表面活性剂的饱和吸附量反映其表面吸附的能力。从饱和吸附量数据可得出下列经验规律。 ✓ 表面活性剂分子截面积小的饱和吸附量较大。表面活性剂分子截面积有的取决于亲水基，有的取 决于疏水基。不过，大多是水合亲水基的截面积起决定作用。
2.2.2吉布斯吸附公式
❖ 对两组分体系，式(2-10)为
❖
或
dΓ d ❖
这就是吉布斯相对吸附等温式，也称为吉布斯吸附公式或吉布斯吸(1附)定理。
Γ (1)
2
2
2
LT
❖ 吉布斯吸附公式可见： ❖ 若溶质的
d
dc
溶液的表面张力和界面吸附
如脂肪酸阴离子，可用于分离提纯蛋白质； 消化过程：脂肪在肠胃的消化 依赖于胆盐胶束的增溶作用
34
4. 洗涤：去污。
去污过程：
在水 (W) 中，粘附于固体衣
物 S 表面的污垢 D，在洗涤 剂的作用下，降低了D与S的 粘附功 Wa，而使 D 脱落。
消耗的表面功增大。
体相浓度>表面浓度
非表面活性物质
4
水溶液表面张力随浓度的变化 B） 随浓度 c 增加而下降，开 始下降快一些，逐渐减慢。
这类溶质有：非离子型极性有机物， 如：（可溶于水的）醇、酸、醛、酮、 醚、酯类等。一般含有一个极性基 （如 OH 基或 COOH 基）和一个非极性碳氢基团。这类分子倾 向于聚集在表面层， 表面取向：极性部分指向体相溶液，非极性部分朝向气相。源自 32 1020
m 32 (A )
2
o 2
Am 20.5 (A )
o 2
(其它方式)
这个值比用其它方法求得的数值偏大 ：
这可能是由于水分子进入表面层的缘故（表面烃基 链之间有空隙）
19
饱和吸附量的经验规律
Γ与分子截面积大小及分子间作用力有关，而截面
积大多取决于亲水基之大小，当亲水基截面积大，
效率 ↗ ↘ ↘
有效值 ↘ ↗ ↗
结论：脂肪长链、亲水基团在末端的表面活性剂效 率高，但相同 CH 链长下，有效值较低。如图：
29
三. 胶束
对于（常用的）离子型活性剂，当浓度增大到一定值 时，溶液内的活性分子可以以憎水基的相互靠拢而聚
集成 “胶束 ”。
物理化学实验报告-溶液中的吸附作用和表面张力的测定实验报告
实验十二溶液中的吸附作用和表面张力的测定摘要：本实验采用最大气泡压力法测定了液体表面张力，通过对不同浓度下正丙醇溶液的表面张力研究其和浓度之间的关系。
初步探讨了表面张力的性质、表面能的意义以及表面张力和吸附作用的关系。
关键词：吸附作用、表面张力、最大气泡法The measurement of the adsorption effect andsurface tensionAbstract：In this experiment, according to Gibbs formula and Langmuir equal-temperature equation, we apply the biggest bladder pressure method to research the relationship between the amount of absorption and the consistency of a substance in the solution besides the surface tension. The phenomenon show that the consistency of a substance in the surface of the solution is different from that inside is called absorption.Keyword：Surface tension, The biggest bubble pressure method, Absorption effect1. 序言物体表面的分子和内部的分子所处的境况不同，因此能量也不同，表面张力就是内部分子对表面分子的作用力，它是液体的重要属性之一，与所处的温度、压力、液体的组成共存的另一面的组成等因素都有关。
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。
表面物理化学 第2章 溶液的表面张力和表面吸附
2.2 吉布斯吸附公式
2.2.1 表面吸附量
表面活性物质在溶液表面浓集，在某多组分封闭体系
中有 相和 相两相共平衡共存。组分 i 的物质量
为 ni ，则 ni ni ni。实验证明，在两相交界处通
常有一个厚约几个分子大小的过渡层，如上图所示， 各组分的组成是连续变化的。
AA‘面以上为 相， BB’面以下为 相，它们之间
属于这类物质有肥皂、油酸钠、八碳以上直链有机 酸的碱金属盐、烷基苯磺酸钠、高级脂肪酸等。此类 物质明显的表现出表面浓度大于溶液的体相浓度，产 生正吸附。
第Ⅲ类物质的 c 曲线可用下式来描述：
0
0b ln c a 0b ln
a
/ 0
0b ln c a
这类溶液表面张力与浓度之间的关系可用下式来描
述：
0 0
b
ln
c
c a
1
a为溶质的特征经验常数；b为有机化合物同系物的 特征经验常数。
从上式可以看出，在一定浓度 c 下，对于同一类 有力机的同能系 力物 强， 。能a使值表小面的张则力降 0低0 得值较大大，的即物降质低表表面面活张
－C17H35为亲油基团，－COONa为亲水基团。
水是极性液体，由于表面活性物质的两亲性， 它的极性头和水的亲和力强，倾向于处于水中 ，而憎水基尾端又受到水的排斥，有逃离水的 倾向，被排向水界面，将憎水部分伸向空气。 使得处于表层的表面活性物质分子所受的向液 体内部的拉力比处在表面的水分子向水内部的 拉力要小一些，所以在宏观上是溶液的表面张 力比纯水小。
表面吸附：表面浓度与本体浓度不同称为表面吸附 。
表面浓度小于本体浓度称为负吸附；
溶液表面张力的测定及等温吸附
恒温处理：将恒温水槽中的水加热至所需温度，然后将表面张力计浸入水中，恒温处理一段时间
测定表面张力：将待测溶液倒入烧杯中，然后将表面张力计的测量头浸入溶液中，读取表面张力 值
03
等温吸附基础
吸附定义
吸附：物质在固体表面上 的富集现象
物理吸附：通过分子间作 用力发生的吸附
气体分离：利用等温吸附技术分 离混合气体，如氧气和氮气。
环境科学：等温吸附技术用于研 究污染物在土壤和水中的吸附行 为，有助于环境保护。
06
等温吸附研究展望
等温吸附理论研究展望
深入研究等温吸附理论，建立更加完善的数学模型和计算方法。 拓展等温吸附理论的应用范围，将其应用于更多领域，如环境科学、 生物医学等。 结合实验研究，提高等温吸附理论的预测精度和可靠性。
表面张力是表面层分子间 引力与斥力平衡的结果
表面张力是液体表面自收 缩应力的表现
测定方法
表面张力计法：利用表面张力计测量表面张力
悬液滴法：通过观察悬液滴的形状变化来测定表面张力
气泡压力法：通过测量气泡在液体表面形成时的压力来测定表面张力 最大泡压法：通过测量液体表面产生最大压力时的气泡大小来测定表面张 力
单击此处添加副标题
溶液表面张力测定及等温
吸附
汇报人：XX
目录
01 02 03 04 05 06
添加目录项标题 溶液表面张力测定
等温吸附基础 等温吸附实验 等温吸附应用 等温吸附研究展望
01
添加目录项标题
02
溶ห้องสมุดไป่ตู้表面张力测定
表面张力定义
表面张力是液体表面所受 的沿表面切向的力
表面张力与液体的性质、 温度和压力等因素有关
溶液的表面张力和表面吸附
d
c c
0.112 0.36 1
2
c c RT
d
d
c c
0.36 0.02034 3.0 106 mol m2
8.314 293
2.2.4 离子型表面活性剂溶液的吉布斯吸附公式
对于离子型表面活性剂溶液，由于表面活 性剂离子和反离子都会在表面上产生吸附， 且还要服从电中性原则，此时吉布斯吸附公 式为以下形式：
图2-9是十二烷基硫酸钠水溶液的表面张力与时间 的关系曲线。
表面寿命与表面活性剂溶液
浓度有关，表面活性剂溶液浓度
越大，达到平衡表面张力所需的
时间越短。
对于离子型表面活性剂溶液，
加入无机盐可以大大缩短达到吸
附平衡所需的时间。
2.6.2 溶液表面吸附速率
动表面张力反映了表面吸附量与时间的关系，即反 映了表面吸附速率。
饱和吸附量是表面活性剂的重要参数。
2.3 表面活性物质在溶液表面上定向排列
由实验可知，同系物的各不同化合物，例如具有不 同长度排列的直链脂肪酸，其饱和吸附量大致是相同 的，在达到饱和吸附时，这些表面活性物质分子在溶 液表面上如图所示，定向而整齐的排列，极性基伸入 水相，非极性基向着空气。
吸附量 2 的定义是单位表面上溶质的过剩量，但 达到饱和吸附时，本体浓度与表面浓度相比很小，故 可以把饱和吸附量近似看成单位表面上溶质的物质量。
（2）其他因素相同时，非离子型的表面活性剂的饱和 吸附量大于离子型的。这是因为吸附在表面上的表面 活性离子带有相同的电荷，彼此存在电斥力，使其吸 附层较为疏松。
（3）加入无机盐可明显增加离子型表面活性剂的吸 附量。这是因为更多的反离子进入吸附层，削弱了 表面活性离子之间的电斥力，使其排列更为紧密。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
.
对于Ⅰ类曲线，此类溶液的表面张力与溶液浓度呈 线性关系：
0 kc
表面吸附：表面浓度与本体浓度不同称为表面吸附。
表面浓度小于本体浓度称为负吸附；
表面浓度大于本体浓度称为正吸附。 第Ⅰ类曲线为负吸附。
.
（2）第Ⅱ类曲线，如图2－1中曲线Ⅱ。这类溶质的加 入会使水的表面张力下降，随着浓度的增加，表面张 力下降更多，但不是直线关系。属于这类的溶质：有 机脂肪酸、醇、醛、酯、胺及其衍生物等。
改写为：
a a
0
0b
a
c c
即 c 为直线关系，斜率为 0b c
a c
曲线Ⅱ在低浓度下可以看成是直线。
.
（3）第Ⅲ类曲线 如图中曲线Ⅲ，加入少量的溶质 就能显著的降低水的表面张力，在很小的浓度范围内， 溶液的表面张力急剧下降，然后曲线很快趋于水平线， 再增加溶液的浓度，溶液的表面张力变化不大。有时 在水平线的转折处出现最小值，这是由于杂质的影响。
式中， , 0 分别表示溶液和纯水的表面张力；
下图为NaCl-H2O的 c 结果。
.
无机盐类电解质之所以能增加水的表面张力，是因 为无机电解质在水中电离成离子，带电离子与极性水 分子发生强烈作用，使离子水化，随着溶液体相内部 粒子之间相互作用比纯水强，从而将溶液体相中的粒 子移到表面更难。也就是说这类溶质处于表面会使表 面自由能更高。
界面相。在上述界面相中任一位置画一个平行于AA‘与
BB’的平面SS‘，以 表示，设其面积为A，有：
ni ni ni ni
或
ni ni ni ni
ni 表示在表面相中某一平面SS‘上组分 i 的过剩量。 单位面积上组分 i 的表面过剩量称为吸附量，以 i 表
示。
i
ni A
i值为正时，为正吸附， 若 i 值为负时，则为负
.
从表中可以看出，异丁醇降低水的表面张力的能 力更大，这是因为， 丙醇：b=0.1973,a=0.1515; 异丁醇：b=0.1784，a=0.0450。
它们的b值相差不大，而异丁醇的a值比丙醇小， 故其降低表面张力的活性要大。
.
0 0
b
ln
c
c a
1
当溶液浓度很稀时，c c a, ln c 1 c c ，上式可
.
2.2 吉布斯吸附公式
2.2.1 表面吸附量
• 表面活性物质在溶液表面浓集，在某多组分封闭体系
中有 相和 相两相共平衡共存。组分 i 的物质量
为 ni ，则 ni ni ni。实验证明，在两相交界处通
常有一个厚约几个分子大小的过渡层，如上图所示， 各组分的组成是连续变化的. 。
AA‘面以上为 相， BB’面以下为 相，它们之间为
T
由吉布斯吸附式可知： （中1）曲若线溶Ⅱ质和的Ⅲ，ddc即 0表，面则活性2 物0，质为产正生吸正附吸，附如。图2-1
（线2Ⅰ），若即无ddc机盐0 等，水则溶液2 产0 生，负为吸负附吸。附，如图2-1中曲
表面活性物质之所以具有降低水的表面张力的能力， 这与它们的物质结构有关。它们的结构具有双亲性：一 端为亲水性基团，另一端为亲油性基团（疏水基团或憎 水基团）。例如硬脂酸钠C17H35COONa，其中
－C17H35为亲油基团，－COONa为亲水基团。
.
• 水是极性液体，由于表面活性物质的两亲 性，它的极性头和水的亲和力强，倾向于 处于水中，而憎水基尾端又受到水的排斥， 有逃离水的倾向，被排向水界面，将憎水 部分伸向空气。使得处于表层的表面活性 物质分子所受的向液体内部的拉力比处在 表面的水分子向水内部的拉力要小一些， 所以在宏观上是溶液的表面张力比纯水小。
第2章 溶液的表面张力 和表面吸附
.
2.1 溶液的表面张力
纯液体的表面张力在恒定温度、压力下是 定值，只有改变表面积来改变自身表面自由能。 对溶液，由于溶质的加入会使溶液的表面张力发 生改变，有的使表面张力升高，有的则降低，本 节主要介绍水溶液中溶液浓度对表面张力的影响 因素。
.
2.1.1 水溶液表面张力的三种类型
吸附。
.
2.2.2 吉布斯吸附公式 经过推导得出的吉布斯多组分体系表面张力公式为：
d 1d1 2d2
得到的吉布斯吸附公式为：
21
1 RT
ln
c2
c T
整理：
21
c2 RT
.
c2 c
T
• 若溶质的化学势表示为：
则：
2
2
RT
ln
p2 p
21
1 RT
ln
p2 p
这类溶液表面张力与浓度之间的关系可用下式来描
述：
0 0
b
ln
c
c a
1
a为溶质的特征经验常数；b为有机化合物同系物的 特征经验常数。
从上式可以看出，在一定浓度 c 下，对于同一类 有力机的同能系 力物 强， 。能a使值表小面的张则力降 0低0 得值较大计算不同浓度下溶液的表面 张力。
酸钠根水据溶上液式的，lnlncc0/c呈图线0。bc性ln关c系c c。 下图是十二烷基硫
由图可见，在溶液浓度为 0.01mol dm-3时，表面张力 出现转折，这一浓度为 表面活性剂的临界胶束浓度CMC。
.
2.1.2 特劳贝规则
特劳贝研究了许多同系物的 c 曲线，发现同系
物中每增加一个CH2基团， 这就是特劳贝规则。
属于这类物质有肥皂、油酸钠、八碳以上直链有机 酸的碱金属盐、烷基苯磺酸钠、高级脂肪酸等。此类 物质明显的表现出表面浓度大于溶液的体相浓度，产 生正吸附。
第Ⅲ类物质的 c 曲线可用下式来描述：
0
0b ln c a 0b ln
a
/ 0
0b ln c a
.
同系物的碳链越长，a越小，表面活性越大。对于多 碳链的表面活性剂，其 c a c ，故有：
0
c
或
d
dc
值增加3倍，
下表列出了一些有机物水溶液的一些数据，从这些 数据中可以看出特劳贝规则基本是正确的。
.
2.1.3 表面活性物质和表面活性剂 •能使水的表面张力降低的物质称为表面活性物质。
如图1－1中第Ⅱ类和第Ⅲ类物质均属表面活性物质。 •能在低浓度下就能显著降低水的表面张力的物质称为 表面活性剂。