表面张力的测定

表面张力的测定

一、实验目的

1. 掌握最大气泡压力法测定表面张力的原理和技术。

2. 通过对不同浓度的乙醇溶液表面张力的测定, 加深对表面张力, 表面自由能,

表面张力和吸附量关系的理解。

3. 掌握折光仪的原理及测定方法。

二、实验学时 4学时

三、实验原理

在液体的内部，每个分子周围的吸引力是平衡的，可在表层却不同，它一方面受到液体

内部邻近分子的吸引，又受到液面外气体分子的吸引，前者大于后者，因此在液体表层的分

子都受到垂直液面并指向液体内部的不平衡的力，这不平衡的力使液体表面上的分子向内

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力而作

功，增加分子的位能。所以说分子在表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 ，或增大一平方米表面所引起的表面自由能

的变化△G ，称为表面自由能。其单位J ·m 2-;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N ·m 1-.液体的单位表面的表面能和它的表面张力在数值上是相等的。

如欲使液体的表面积增加△S 时，所消耗的可逆功A 应该是：

－A = △G = σ△S (1)

对于纯溶剂，表面与内部的组成相同，对溶液确不同，加入溶质后，溶剂的表面张力要

发生变化。若溶质能降低溶剂的表面张力σ，则表面层浓度大于内部浓度，若溶质能使溶

剂的表面张力升高，则表面层浓度小于内部的浓度，这种表面浓度与内部的浓度不同的现象

叫做溶液的表面吸附。

在T ，P ，一定，溶液的表面吸附溶质的量与溶液的表面张力和加入的溶质的量有关，

它们的关系用吉布斯（Gibbs ）公式表示：

T c

RT c )(∂∂-=Γσ …… （2） 式中：Γ吸附量（mol ﹒m 2-）; σ表面张力(J ﹒m 2-); c 溶液的浓度(mol ﹒L 1-) T 绝

对温度（K ）；R 气体常数（8.31411--⋅⋅mol K J ）。（T c

)∂∂σ表示在一定温度下，溶液的表面张力随溶液浓度的变化率。只要测定溶液的浓度和表面张力，

就可求出各种不同浓度下溶

图1分子间吸引

示意图

液的吸附量Γ。 T c

RT c )(∂∂-=Γσ 本实验中溶液浓度的测量是应用浓度与折光率的关系，表面张力的测定是利用最大气

泡压力法测定。

大气P = 系统P + △p (3)

或 △p = 大气P － 系统P

附加压力△p 和溶液的表面张力σ成正比，与气泡的曲率半径R 成反

比，其关系式为

△p = R

σ2 ……（4） 图2

当r R =时，附加压力最大，为

r

p ax m σ2=∆ ……（5） max P K ∆=σ

这附加压力可由微压计上直接读出。

图3 表面张力测定装置

四、仪器及试剂 表面张力测定仪1套； 折光仪1台；恒温槽1台；无水乙醇（AR ）。

五、 实验步骤

1.配制溶液 配制质量摩尔浓度分别为 0.7、1.3、

2.0、2.6、

3.2、

4.0mol/L 的乙醇溶

液，已知乙醇的密度cm g d ∙/-3 ρ= ⨯-54.880645.02

96109.210t t --⨯-，水的密度 查书后附表。

2..气密性检查：连接表面张力测试仪，调节恒温槽的温度为250

C 。漏斗内加入水，将毛细管上用夹子夹上，打开漏斗减压，缓慢加压至满量程，观察压力计显示值变化情况，若显示值稳定，说明传感器及其检测系统无泄露，确认无泄露后，将毛细管上胶管及夹子取下。

3. 仪器常数的测定：先用少量丙酮洗涤毛细管，再用蒸馏水仔细清洗样品管和毛细管，打开漏斗上面的通气阀门通大气，微压计采零后关闭阀门，然后加入适量蒸馏水，调节水面高度与毛细管相切。恒温10分钟，打开滴液漏斗调节气泡逸出的速度在每分钟15~20个左右，读出压力计的最大读数，更换样品重复测定二次，取平均值。已知250C 时水的表面张力σ=71.971310--⋅⨯m N ，计算仪器常数K 。

4. 乙醇溶液表面张力的测定：取0.7mol/L 乙醇溶液洗涤仪器和毛细管，然后加入适量的样品待恒温后，按上述步骤测定m ax P ∆。

按步骤4依次测定其余各浓度溶液的m ax P ∆。

六、实验数据的记录及处理

1. 用表格列出不同浓度乙醇溶液的最大压力差值，并求其表面张力和吸附量。

2. 以浓度为横坐标，表面张力为纵坐标作图。

3. 在表面张力和浓度的曲线上任取若干点，分别作出曲线，求得斜率，根据吉布斯吸附方程式求出各浓度的吸附量，并画出浓度的吸附量关系图。

七、讨论题

1. 表面张力为什么必须在恒温槽中进行？温度变化对表面张力有何影响？

2. 测量过程中如果气泡逸出速率较快，对实验有无影响？为什么？

3．为什么毛细管一定要与液面相切，如果毛细管插入一定深度，对测定结果有什么影响？