溶液表面吸附
溶液表面吸附量的测定.
溶液表面吸附量的测定（3学时）一、目的要求1、了解溶液表面吸附量的物理意义及其测定原理。
2、了解最大气泡法测定溶液表面张力的基本原理和方法。
3、了解弯曲液面的附加压力与液面弯曲度、溶液表面张力之间的关系。
二、实验原理当一种溶质溶于水形成溶液时，溶质在溶液表面的浓度与其在溶液本体中的浓度存在着差别，这种现象称为溶液的表面吸附。
理论上，可用“表面吸附量”（或称表面超量）表示溶液的表面吸附程度大小，表面吸附量的物理化学意义是指溶质在溶液表面处的浓度与其在溶液本体中浓度的差值，通常用符号表示，其SI 单位为mol.m -2。
Γ在恒温、恒压条件下，表面吸附量(mol m -2)、溶液中溶质的活度和溶液表面张力Γa 三者之间的关系可用式（8.1）中的Gibbs 等温式进行描述：()1N m γ−（8.1）a d RT da γΓ=−在浓度不太大时，可以采用浓度代替活度，因此Gibbs 等温式可写成：()1mol L c −a （8.2）c d RT dc γΓ=−可见，只要通过实验测得溶液的表面张力与溶质浓度的关系曲线，即可利用公式γc （8.2）计算得到某一个浓度条件下的表面吸附量。
c Γ例如，图8.1为溶液表面张力随溶质浓度的变化曲线，若要求溶质浓度为时溶液的表1c 面吸附量，可在浓度轴上点作浓度轴的垂线，该垂线与关系曲线相交于A 点，1Γ1c ~c γ则曲线在A 点处切线AB 的斜率即为，由图8.1可知，AD 为纵轴的垂线，则有d dc γ。
又因为，则得到，代入到式（8.2）中即可DB AD d dc γ=1AD c =()1DB c d dc γ=求出浓度为时溶液的表面吸附量。
1c对于溶液表面吸附，可以采用Langmuir 理想吸附模型描述表面吸附量与溶液浓度Γc 之间的关系，即：（8.3）1kc kc θ∞Γ==Γ+γBD 1图8.1表面张力随浓度的变化关系曲线式（8.3）中，为溶质分子对溶液表面的覆盖百分率；为溶液的最大吸附量，对于θ∞Γ给定的体系，一定条件下是常数；为吸附常数∞Γk 可以将式（8.3）重排为直线形式：（8.4）1c c k ∞∞=+ΓΓΓ以对作图可得到一条直线，根据直线的截距和斜率可以求得最大吸c Γc 1k ∞Γ1∞Γ附量和吸附常数。
溶液表面吸附的测定实验报告
溶液表面吸附的测定实验报告实验报告：溶液表面吸附的测定实验目的：1. 了解溶液表面张力的测定方法；2. 理解溶液中表面吸附现象的产生和作用；3. 掌握X方法测定特定物质的表面吸附现象。
实验原理：当溶液与固体表面接触时，由于表面活性剂的存在，表面物质会吸附在固体表面上，形成薄膜。
表面吸附现象与溶液温度、浓度、pH值等因素密切相关，其大小与固体表面性质、溶质分子结构、外界环境温度、压力、湿度等因素有关。
实验中，通过添加已知浓度的物质到溶液中，然后分别测定不同浓度下溶液表面张力值，再将数据代入公式计算出表面吸附物质的吸附量。
实验仪器和试剂：1. 表面张力计；2. 磁力搅拌器；3. 鱼油酸钠试剂（0.1mol/L）；4. 标准盐酸（0.5mol/L）；5. 微量滴定管。
实验步骤：1. 准备工作：清洁实验仪器和试剂瓶口，定量取出所需试剂。
2. 将100mL二甲苯溶液倒入清洁的烧杯中，加入脱氧鱼油酸钠浸泡1小时，搅拌均匀。
3. 用干净针头涂取适量已浸泡好的鱼油酸钠溶液滴到表面张力计的平衡槽中；4. 将磁力搅拌器调整至适当转速，使溶液中的表面张力尽量平衡；5. 记录稳定状态下的表面张力值；6. 依次加入不同浓度的标准盐酸，重复第4-5步操作，测定不同浓度下的表面张力值；7. 计算出不同浓度下的表面吸附物质的吸附量。
实验结果：根据实验数据，我们可以得到如下的表面吸附量数据（单位mg/m2）：【表格】实验结论：通过本次实验的测定，我们可以得到不同浓度下的表面张力值及表面吸附量数据。
从实验数据中可以看出，表面吸附量会随着浓度的增加而增加，这与表面吸附物质分子与溶剂分子接触几率增加的结论相符。
通过本实验可进一步认识表面吸附现象，有助于我们深入了解该现象在工业生产和实际应用中的作用。
实验注意事项：1. 实验仪器需保证干净，以免影响实验结果；2. 实验试剂需定量取用，并注意浓度值，以保证实验数据的准确性；3. 操作过程中需严格按照实验流程进行，确认数据和记录结果时应谨慎。
物理化学实验溶液的表面吸附实验数据、结论和实验报告
实验名称：溶液的表面吸附
实验目的：
用最大气泡压力法测同浓度的醇溶液的表面张力σ，作出σ-c曲线，并计算吸附量；作吸附量Γ对浓度c的曲线，找出最大吸附量Γ∞；掌握最大气泡压力法测定表面张力的原理和技术
实验原理：
当液体中加入溶质时，体表面张力发生变化，随着溶液的浓度变化不同，表面张力发生的变化也不相同。
附加压力与表面张力成正比，与气泡曲率半径成反比，此本实验采用最大气泡压力法测定不同浓度乙醇溶液的表面张力
操作步骤：
数据处理：
<第一部分>
由K=
σ
水
∆p水
，求出仪器常数K=-1.3254，记录室温25℃
根据上图可知该温度下最大吸附量Γ∞为60.5×10−11mol∙cm−2 <第二部分>
由K=
σ
水
∆p水
，求出仪器常数K=-1.3304，记录室温35℃
根据上图可知该温度下最大吸附量Γ∞为55.7×10−11mol∙cm−2
分析与讨论：
1.实验时，确保粗细两毛细管插入液面下的位置一致，且橡胶塞密封完好
2.鼓泡速率不能太快也不能太慢，适宜的速率为5-6秒产生一个气泡。
溶液的表面吸附
s s A s A
G = n µ + n µ + Aγ
s s A s A s B s B
s A s A s B s B s B s B
dG = n dµ + µ dn + n dµ + µ dn + γdA + Adγ
表面热力学基本关系式: 表面热力学基本关系式
dG = − S dT + V dp + µ dn + µ dn
代入吉布斯等温吸附式 b′γ 0 a2 Γ2 = ⋅ ' RT K + a2 Ka2 Γ2 = Γ∞ ⋅ 1 + Ka2
两亲分子在气液界面上的定向排列
根据实验， 根据实验，脂肪酸在水中的浓度达到一定数值 后，它在表面层中的超额为一定值，与本体浓度无 它在表面层中的超额为一定值， 关，并且和它的碳氢链的长度也无关。 并且和它的碳氢链的长度也无关。 这时， 这时，表面吸附已达到 饱和，脂肪酸分子合理的 饱和， 排列是羧基向水， 排列是羧基向水，碳氢链向 空气。 空气。
溶液的表面吸附
溶液的表面张力
H 2O
C2H5OH (aq)
NaCl (aq)
溶液的表面张力不仅与温度、压力有关， 溶液的表面张力不仅与温度、压力有关， 并且还与溶液的种类和浓度有关。 并且还与溶液的种类和浓度有关。
溶质对表面张力的影响
1.
d γ / dc > 0
非表面活性物质 无机盐、不挥发酸碱
γ
n dµ + n dµ + Adγ = 0
s A s A s B s B
溶液相, 由吉布斯-杜亥姆方程 溶液相 由吉布斯 杜亥姆方程 Gibbs-Duhem equation
溶液表面吸附的测定
溶液表面吸附的测定1. 实验目的① 掌握最大气泡压力法测定溶液表面张力的原理和方法② 根据吉布斯吸附方程，计算溶液表面吸附量和乙醇分子的横截面积2. 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 ，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：纯物质液体的表面层与本体（内部）组成相同。
根据能量最低原理，为降低其表面吉布斯自由能，必须尽可能地收缩液体表面。
对溶液则不同，加入溶质后，溶剂表面张力发生变化，根据能量最低原理，若加入的溶质能降低溶剂表面张力时，则溶剂在表面层的浓度比在溶液本体中的浓度大；反之，若溶质使溶剂表面张力升高，溶质在表面层的浓度小于在溶液本体中的浓度。
溶质在溶液表面层与在溶液本体中浓度不同的现象称为溶液的表面吸附，即溶液借助于表面吸附来降低表面吉布斯自由能。
③ 溶液表面吸附溶质的量Γ与表面张力σ、浓度c 有关。
其关系符合吉布斯吸附方程：Γ=-C RT(∂σ∂c)T 。
(∂σ∂c)T ，表示在一定温度下，表面张力随浓度的变化率。
如果溶液表面张力随浓度增加而减小，即(∂σ∂c)T <0，则T>0，此时溶液中溶质在表面层中的浓度大于在溶液本体中的浓度，称为正吸附。
如果(∂σ∂c )T >0，则T<0，称为负吸附。
④ 以表面张力对浓度作图，得到σ-C 曲线，在σ-C 曲线上任选一点作切线，即可得到该点所对应浓度c i 的斜率 ∂σ∂c iT 。
其中MN =-c i ∂σ∂c iT ，则Γ=MNRT，根据此式可求得不同浓度下各个溶液的Γ。
对于溶液表面吸附，可以采用朗格缪尔(Langmuir)吸附等温式描述表面吸附量Γ与溶液浓度c 之间的关系，即θ=ΓΓ∞=kc1+kc 。
溶液的表面吸附实验报告
溶液的表面吸附实验报告溶液的表面吸附实验报告引言：表面吸附是溶液中溶质分子或离子在溶剂表面附着的现象。
它在化学、生物学和材料科学等领域中具有重要的应用价值。
本实验旨在通过测定铜离子在水溶液中的表面吸附量，探究不同条件下表面吸附的影响因素。
实验材料与方法：1. 实验材料：铜离子溶液、去离子水、试管、比色皿、分光光度计等。
2. 实验方法：a. 准备一系列浓度不同的铜离子溶液。
b. 取一定量的去离子水，加入不同浓度的铜离子溶液，得到一系列不同浓度的溶液。
c. 将每个溶液分别倒入比色皿中。
d. 使用分光光度计测量每个溶液的吸光度。
e. 根据吸光度与溶液浓度之间的关系，计算出表面吸附量。
结果与讨论：通过实验测得的吸光度数据，我们可以得到不同浓度下的表面吸附量。
进一步分析数据发现，表面吸附量随着溶液浓度的增加而增加。
这说明溶液浓度是影响表面吸附的重要因素之一。
当溶液浓度较低时，表面吸附量较小，随着浓度的增加，表面吸附量逐渐增大。
这可能是因为溶质分子或离子在溶液中的浓度增加，导致更多的分子或离子能够接触到溶剂表面并发生吸附。
此外，我们还进行了不同温度下的表面吸附实验。
实验结果表明，随着温度的升高，表面吸附量呈下降趋势。
这可能是因为高温下分子或离子的热运动增强，使其更容易脱离溶液表面，减少了表面吸附的数量。
因此，温度也是影响表面吸附的重要因素之一。
此外，我们还观察到pH值对表面吸附的影响。
实验结果显示，在酸性条件下，表面吸附量较大，而在碱性条件下，表面吸附量较小。
这可能是因为酸性条件下，溶液中存在更多的H+离子，它们与铜离子形成络合物，增加了表面吸附的数量。
而在碱性条件下，溶液中的OH-离子与铜离子形成沉淀，降低了表面吸附的数量。
结论：通过本实验，我们得出了以下结论：1. 溶液浓度是影响表面吸附量的重要因素，浓度越高，表面吸附量越大。
2. 温度的升高会降低表面吸附量，因为高温下分子或离子更容易脱离溶液表面。
3. pH值对表面吸附也有影响，酸性条件下表面吸附量较大，碱性条件下较小。
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
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。
溶液表面吸附的测定
溶液表面吸附的测定一、实验目的1、采用最大泡压法测定不同浓度的乙醇水溶液的表面张力2、根据吉布斯吸附公式计算溶液表面的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△A ，则需要对其作功。
功的大小应与△A 成正比：A W ∆=σ-式中σ为液体的表面自由能，亦称表面张力。
它表示了液体表面自动缩小趋势的大小，其量值与液体的成分、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，溶质能降低溶剂的表面张力时，表面层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，表面层中的浓度比内部的浓度低。
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(Gibbs)吸附方程：Tdc dσRTc-Γ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛= 式中：Γ为表面吸附量(单位：mol·m -2)；T 为热力学温度(单位：K)；c 为稀溶液浓度(单位：mol·dm -3)；R 为气体常数。
T dc dσ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛<0，则Γ>0，称为正吸附；Tdc dσ⎪⎪⎭⎫⎝⎛>0，则Γ<0，称为负吸附。
以表面张力对浓度作图，即得到c -σ曲线，在c -σ曲线上任选一点作切线，如图12.1所示，即可得该点所对应浓度c i 的斜率：()T i c d /d σ，图12.1 表面张力与浓度的关系其中： ()T i i c c MN d /d σ-= 则： RT MN /=Γ，根据此式可求得不同浓度下各个溶液的Γ值。
6 溶液表面吸附的测定
柱。细
心调节活塞 使压力计读数向负值方向慢慢增加，比如
。然后突然某一瞬间
又跳回到 。最好使压力计读数向负值方向每次增加小数点后 个数字，注意观察读数
增加到突然减小前的最后一个负的最大值，此数值即为内外压力差的最大值。记录压力差的
最大值。重复读取此数字三次，且每两次压差值之间相差不应超过 （如误差超过此范围
用于单位长度上使液体表面积收缩的力；向液体中加入溶质时，其表面张力会发生改变，造
成了溶质在液体表面和溶液中的浓度差异，即溶液的表面吸附现象。表面吸附量 可由
吸附公式得到（其中 cB 是溶液本体浓度， 代表溶质）：
更进一步的实验表明，吸附量与浓度的关系可以用
等温吸附方程来描述：
其中 是饱和吸附量， 为常数， 是吸附平衡时的溶液浓度。方程可改写为
毛细管 之间由磨口密封，必须在磨口处涂上凡士林才能保证密封良好，而在此实验中磨
口处不能涂凡士林）。
．测定最大压力差
打开分液漏斗活塞 ，使水以较快速度流出。观察到毛细管口有气泡逸出时，缓慢调节
活塞 使压力计读数尽可能缓慢变化（此时压力计的读数均为负值，说明此时系统内的压
力比大气压小）。按压力计面板上单位按键将压力的读数单位由 切换为
管 中取出时读数为零，当毛细管 放入测定管 中时，读数为零点几 。观察此读数
变化，如此读数基本保持不变说明系统不漏气。如此读数不断减小说明系统有漏气现象，可
通过按压分液漏斗上端橡皮塞和毛细管 使系统尽可能密封良好（只要调至系统有轻微漏
气，即压力计读数最后一位数字缓慢减小即可。因为此装置不可能完全不漏气，测定管 与
恒温槽的设定
设定恒温槽的温度比室温高
。
．压力计调零
按照实验装置图用软管连接测量管、
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
溶液表面的吸附现象
脂肪酸吸附量大小顺序为： 甲酸<乙酸<丙酸<丁酸<……
表面活性物质
能使水的表面张力明显降低的溶质称为表面活性物质。
这种物质通常含有亲水的极性基团和憎水的非极性碳链或碳环(或称亲油 基团)有机化合物。简称两亲分子。
溶于水中时，亲水基团进入水中，憎水基团企图离开水而指向空气，在 界面定向排列。
表面活性剂的效率与有效值在数值上常常是相反的。例如，当憎水基团的 链长增加时，效率提高而有效值降低。
两亲分子在气液界面上的定向排列
两表面活性剂分子在低浓度时，主 要分布在水面上。当浓度达到一定数值 后，它在表面层中的超额为一定值，与 本体浓度无关，并且和它的碳氢链的长 度也无关。这时，表面吸附已达到饱和， 分子合理的排列是亲水基基向水，碳氢 链向空气。
R2N-(C2H4O)nH
聚氧乙烯烷基胺
R-CONH(C2H4O)nH
聚氧乙烯烷基酰胺
R-COOCH2(CHOH)3H
多元醇型
表面活性剂效率和有效值
表面活性剂效率 使水的表面张力明显降低所需要的表面活性剂的浓度。显然，所需浓度愈 低，表面活性剂的性能愈好。
表面活性剂有效值 能够把水的表面张力降低到的最小值。显然，能把水的表面张力降得愈低， 该表面活性剂愈有效。
2质.浓度( 低c>于0)，本T 增体加浓溶度质。2表的面浓惰度性使物表质面属张于力这升种高情，况G。为负值，是负吸附。表面层中溶
表面活性物质
有研究表明，一些短链的表面活性物质表面张力几 乎相等，但是，当将他们溶于水中后，使水表面张力降 低的能力却不相同，相应地，其吸附量也有所不同。
溶液的表面吸附
二、溶液的表面吸附和吉布斯吸附等温式
（一）溶液的表面吸附现象 温度为T 温度为 ，压力为 p 时，表面吉布斯能 G表面 = σ A， ， dGT,p< 0 的自发方向： 的自发方向： 自动缩小。 纯液体 ：指定温度下σ 为定值，A自动缩小。 自动缩小 溶液： σ 不仅是温度的函数，还和组成有关。溶液不仅会 溶液： 不仅是温度的函数，还和组成有关。 自发使表面积缩到最小， 自发使表面积缩到最小，还会尽可能改变表面浓度使表面张 力降到最低。 力降到最低。
一、溶液的表面张力和浓度之间的关系
II.一些极性较强的小 一些极性较强的小 分子有机物如醇、 分子有机物如醇、醛、 酯等， 酸、酯等，虽然也溶于 水，但和溶剂间的相互 作用力较弱。 作用力较弱。 这一类溶液的表面张 力随浓度的增大而缓慢 下降。 下降。 III.表面活性剂溶液在低浓度时，溶液的表面张力随浓度 III.表面活性剂溶液在低浓度时， 表面活性剂溶液在低浓度时 的增加而急剧下降，当达到一定浓度后，表面张力值趋于稳定， 的增加而急剧下降，当达到一定浓度后，表面张力值趋于稳定， 不再随浓度的增加而改变。 不再随浓度的增加而改变。 表面活性剂是一些分子量较大， 表面活性剂是一些分子量较大，同时具有较强极性和非极性 基团结构的溶质，如烷基磺酸盐、羧酸盐等。 基团结构的溶质，如烷基磺酸盐、羧酸盐等。
二、溶液的表面吸附和吉布斯吸附等温式
2．实验方法 ． 测定溶液在不同浓度c 测定溶液在不同浓度 时 的表面张力σ ，根据所测数 据用浓度c 据用浓度 对表面张力σ 作 图。 再用图解法求出所绘表面 张力等温线各指定浓度点切 线的斜率， 线的斜率，根据吉布斯公式 可以求出各浓度下溶液的表 面吸附量。 面吸附量。 曲线。 用所得结果绘制Γ-c曲线。 曲线
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；
界面现象溶液表面的吸附现象
吉布斯吸附等温式 文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。
Γ c d
γ
RT dc
I 无机酸, 碱, 盐等.
1.dγ/dc <0，增长溶质旳浓度使表 γ0
面张力下降，Г为正值，是正吸附。
Ⅱ 有机酸, 醇, 酯
表面层中溶质浓度不小于本体浓
度。表面活性物质属于这种情况。 ( Ⅲ型曲线 )
Ⅲ 肥皂, 合
18
表面活性物质 文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。
助磨作用 表面活性物质(助磨剂)能增长粉碎程度, 提升粉碎效率. 物料粉碎过程是相界面明显增大旳过程, 当物料颗粒很小 时, 比表面很大. 若采用干磨, 增大旳表面是表面张力很大旳固 －气界面, 系统吉布斯函数急剧增大, 须消耗很大旳表面功. 而 湿磨时增大旳是界面张力小得多旳固-液(表面活性剂溶液)界 面, 所以得到一样分散度旳粉末消耗旳能量要小得多. 分散后 旳颗粒也因表面活性物质吸附在表面而不易粘聚. 同步, 表面活性物质还发挥“劈裂”作用和助滑作用.
在单位面积旳表面层中，所含溶质旳物质旳量与同量溶 剂在溶液本体中所含物质旳量旳差值，称为溶质旳表面过 剩或表面吸附量——表面过剩Γ
吉布斯吸附等温式——对稀溶液，表面过程T能够这么表达：
c d
RT dc
C是溶液中表面 活性剂旳浓度
以实测旳γ对c 作图, 求出指定浓度下旳斜率( / c ) ， 即
可由吉布斯吸附等温式求得该浓度 时溶质吸附量 .
这些物质旳离子有 水合作用，趋向于把水 分子拖入水中，非表面 活性物质在表面旳浓度 低于在本体旳浓度。
γ
I 无机酸, 碱,
盐等.
γ0 Ⅱ 有机酸, 醇, 酯, 醚, 酮等.
Ⅲ 肥皂, 合成 洗涤剂等.
溶液表面吸附的测定_实验数据处理
3.000x10-2
-5.00
-4.00
-3.00
-2.00
-
0.07263 0.0197 ln 111.0004elnc
R2 0.98854
040901120 王博 溶液表面吸附的测定_实验数据处理
对上式进行微分，得到微分曲线：
0.0000
-0.0050
1.350×10-6 3.922×10-6 4.975×10-6 5.548×10-6 5.908×10-6 6.155×10-6 6.336×10-6
1.481×10-4 2.550×10-4 3.618×10-4 4.686×10-4 5.755×10-4 6.823×10-4 7.892×10-4
根据以上数据，绘制 Γ~c 曲线图：
040901120 王博 溶液表面吸附的测定_实验数据处理
7.000x10-6
6.000x10-6
5.000x10-6
/ (mol.m-2)
4.000x10-6
3.000x10-6
2.000x10-6
1.000x10-6
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
z
ln
c
T
Γ/ (mol·m-2)
c / (m2·L-1)
0.02 0.10 0.18 0.26 0.34 0.42 0.50
-3.91 -2.30 -1.71 -1.35 -1.08 -0.87 -0.69
3.5526×10-3 1.0319×10-2 1.3089×10-2 1.4597×10-2 1.5544×10-2 1.6195×10-2 1.6669×10-2
c/(mol.L-1)
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。
物理化学(第五版) 演示文稿8-5 溶液表面的吸附
C.污垢悬在水中或随泡沫浮到水面后 被去除，洁净表面被活性剂分子占领。
§8-5 溶液界面上的吸附
溶质在界面层中的浓度与在体相中浓度不同的 现象称为溶液界面上的吸咐。
相对浓集——正吸附； 相对贫乏——负吸附。
一、溶液的表面张力
当溶剂中加入溶质成为溶液后，比之纯溶剂， 溶液的表面张力会发生改变，或者升高或者降低。 如下图所示。
1
图8-19
把能显著降低液体表面张力的物质称为该液体的 表面活性剂（曲线Ⅲ）。
表面活性剂分类：
阴离子表面活性剂， 如肥皂 RCOONa
离子型表面活性剂
阳离子表面活性剂， 如胺盐 C18H37NH3+Cl-
表面活性剂
两性表面活性剂，
如氨基酸型R-NHCH2COOH
非离子型表面活性
如聚乙二醇类
HOCOH2[CH2OCH2]nCH2OH
11
表面活性剂有广泛应用，主要有： 润湿作用(渗透作用)：用作润湿剂、渗透剂。 乳化作用，分散作用，增溶作用：用作乳化剂、 分散剂、 增溶剂。 洗涤作用：用作洗涤剂。 发泡作用，消泡作用：用作起泡剂、消泡剂。
关系为：
Γ B
aB RT
aB
T
吉布斯方程
溶液很稀时，cB代替aB，上式变为
Γ B
c RT
cB
T
5
cB
0
cB
0
则B<0，即发生负吸附； 则B >0，发生正吸附。
图8-19
6
三、表面活性剂
1、 结构特征
由亲水性的极性基团(亲水基)和憎水(亲油)性 的非极性基团(憎水基或亲油基)两部分所构成，如 图所示。
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姓名: 肖池池 序号: 31 周次: 第四周 指导老师: 张老师
溶液表面的吸附
——最大气泡压力法测溶液表面张力
一、实验目的：
1、掌握气泡最大压力法测定液体表面张力的原理与方法，并测定不同浓度正丁醇水溶液的表面张力；
2、了解溶液表面的吸附作用，应用Gibbs 吸附等温式和Langmuir 吸附等温式求出正丁醇的饱和吸附量，并计算正丁醇分子的截面积。
二、 实验原理：
在一定温度下,溶液的表面吸附量Γ与表面张力γ及溶液本体浓度c 之间的关系符合吉布斯吸附等温式：
dc d RT c γ⋅-
=Γ （1） 式中：Γ为表面吸附量（mol ·m -2）；T 为热力学温度（K ）；c 为稀溶液浓度（单位：mol ·L -1）；
γ为表面张力（单位：N ·m -1）
；R 为气体常数。
用吉布斯吸附等温式计算某溶质的吸附量时，可
通过实验测定不同浓度的溶液的表面张力γ
，并以γ
对c 作图，如图左所示。
在
c γ-曲线上任
取一点a ,通过a 点作曲线的切线和平行于横坐
标的直线，分别与纵坐标交于'
,b b 。
令'b
b Z =，则
d Z c
dc γ=-，代入式（1），得：
Z
RT Γ=
；从c γ-曲线上取不同的点，就可求得不同浓度时
溶质在表面层的吸附量Γ。
对可形成单分子层吸附的表面活性物质，溶液的表面吸附量Γ与溶液内部浓度c 之间的关系符合Langmuir 吸附等温式：
1kc
kc ∞Γ=Γ⋅
+ （2）
b’
b
γ
式中：
∞Γ为 饱和吸附量；k 为常数。
将式（6-1-2）两边取倒数，并同乘以c ，可得
11c c k ∞∞=+ΓΓΓ （3） 根据式（3），以c
Γ对c 作图应为一直线，直线的斜率的倒数即为∞Γ。
如果以N 代表饱和
吸附时单位面积表面层中的分子数，则N=Γ∞N A ，N A 为阿伏加德罗常数。
而在饱和吸附时，每个被吸附的溶质分子在表面上所占的面积，即溶质分子的截面积m a 为：
（4）
本实验选用气泡最大压力法测定溶液的表面张力。
由Laplace 方程可知，此压力差p ∆与溶液的表面张力γ
成正比，与气泡的曲率半径r 成反比：
r p γ
2=
∆ （5）
毛r r p γγ22min max =
=
∆ （6）
max max /2r p k p γ=∆=⋅∆毛 （7）
式中：k 为仪器常数，通常用已知表面张力的物质确定，本实验用蒸馏水确定k 。
若用同一根毛细管，对表面张力分别为1γ和2γ的液体而言，则有下列关系：
11max k p γ=⋅∆， 2m a x k p γ=⋅∆2，
1max
12
max p p γγ∆=∆，2， （8） 由此可见，只要测出最大压力差，即可由已知表面张力的标准物质求出待测物质的表面张力。
三、 仪器与药品：
表面张力测定装置1套；不同浓度的正丁醇（AR ）溶液。
四、 实验步骤：
(1)仪器准备与检漏
1.将表面张力测定管与毛细管洗净，连接装置。
插上电源插头，打开电源开关，LED 显示即亮，预热五分钟后按下置零按钮显示为0000，表示此时系统大气压差为零。
2.在洗净的表面张力测定管中装入适量的蒸馏水，打开放水阀使毛细管管端与液面恰好相
切，关闭放水阀。
3.在滴液漏斗中装入适量水，打开滴液漏斗的活塞，滴液漏斗的水流到磨口烧杯中，使系统
的压力增加，压力计上即显示一压力差。
关闭滴液漏斗的活塞，若2-3分钟内压力计的读数
不变，则表明系统不漏气，然后进行后续试验。
（2以水作为待测液测定仪器常数
打开滴液漏斗，控制滴液速度，使气泡由毛细管管口成单泡逸出，且每个气泡的形成时间约
为5～10秒，记录最大的压差△p max，连续读数三次，取其平均值。
（3）待测正丁醇溶液表面张力的测定
用同样方法测定不同浓度的正丁醇水溶液，注意由稀至浓依次测定，每次更换溶液时，应用
待测液洗涤毛细管内壁及表面张力管2～3次。
测定已知浓度的待测样品的最大压力差△
p max ，连续读数三次，取其平均值。
五、数据记录与处理：
（1）实验数据记录：
t/ ℃= 25
c / (mol / L) 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.16 0.24
△p / Pa 1 717 673 642 613 579 558 538 516 464 △p / Pa 2 716 673 643 611 579 557 536 515 464 △p / Pa 3 717 673 641 610 579 557 536 517 463
△p / Pa(平均值) 716.7
71.97 673.0
67.585
642.0
64.472
611.3
61.392
579.0
58.145
557.3
55.969
536.7
53.894
516.0
51.818
463.7
46.563
γ×103/（N·m-1）
Z×1030.000 3.267 6.021 8.261 9.989 11.203 11.905 11.769 5.340 ×106（mol·m-2）0.000 1.323 2.438 3.347 4.049 4.544 4.832 4.787 2.212（2）实验数据处理：
表面张力与浓度关系图
γx 103
/(N /m )
c/(mol/L)
图一
Γ∞/c
与c 关系图
c /Γx 10
-6
c /(mol/L)
图二
由图二可以得到曲线的斜率k= 0.12602×106， Γ∞ = 1/（0.12602×106） = 7.935×10-6 而
=1/（7.935×10-6×6.022×1023）= 2.09×10-19m 2 = 0.209nm 2
六、注意事项：
（1）测定用毛细管一定要清洗干净，测定时毛细管要保持垂直，管端与液面相切；
（2）实验用毛细管的管端一定要光滑、平整、力求程圆形。
七、思考题：
1、做好本实验的关键是什么？
答：做好本实验主要是控制气泡的溢出数率，不能太快也不能太慢，每个气泡的形成时间约5~10s.，且每次测量的数率尽量一样。
2、毛细管不干净，对实验数据有何影响?
答：如果毛细管不干净可能会堵住毛细管，使测量的值偏大，而且毛细管上的残留物会影响测量溶液的浓度，对实验造成影响。
3、为什么毛细管端口必须和液面相切?
答：毛细管尖端若不与液面相切插入一定深度，会引起表面张力测定值偏小。
4、若气泡不成单泡逸出，或逸出速度太快，将会给实验带来什么影响？为什么?
答：气泡逸出速率会影响气泡的大小，近而影响压力差值的大小，因而要保证测定过程中气泡逸出速率恒定。
5、温度变化对表面张力有何影响?
需要恒温，因为表面张力的大小受温度的影响。