溶液表面吸附的测量

实验报告：溶液表面吸附的测量

一．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（Gibbs ）吸附方程式，计算溶质（乙醇）在单位溶液表面的吸附量Γ，并作Γ-c 图。

二．实验原理

在定温下，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，为降低体系的表面吉布斯自由能，将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，则溶质在表面层的浓度比在溶液本体的浓度大，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。

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Gibbs 吸附方程

T c

RT c )(∂∂-

=Γσ T c

)(

∂∂σ

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T c

)(∂∂σ

<0，则Γ>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T c

)(∂∂σ

>0，则Γ<0，称为负吸附。

将待测液体装入表面张力仪中，使玻璃毛细管下端与液面相切，若液体能润湿管壁，则液体沿毛细管上升形成凹液面，其液面所受压力P '为大气压力P 0和附加压力ΔP 。根据拉普拉斯（Laplace ）方程：

r

P σ2=

∆

当打开漏斗的活塞，让水缓慢滴入下面密封的加压瓶中时，毛细管内液面上受到比毛细管外液面上更大的压力，毛细管内液面开始下降。当此压力差在毛细管上面产生的作用稍大于毛细管口液体的表面张力所能产生的最大作用时，气泡就从毛细管口逸出，如图所示。气泡逸出前能承受的最大压力差为ΔP max ，可以用微压差测量仪测出。根据拉普拉斯方程，毛细管内凹液面的曲率半径等于毛细管的半径r 时，能承受的压力差最大。则有

r

P σ2max

=∆ max 2

P r

∆=

σ 测定毛细管的半径r 和ΔP max 即可求得液体表面张力σ。直接测定毛细管半径r 容易带入较大的误差，可用同一支毛细管，在相同条件下分别测出已知表面张力为σ1的参考液体的ΔP max,1和待测液体的ΔP max ，得

1

max,1

max 22P P r ∆σ∆σ=

=

max 1

max,1P P ∆∆σσ=

三．仪器与试剂

微压差测量仪（DMPY-2C 型）、表面张力测量玻璃仪器、恒温槽、容量瓶、电子天平、烧杯、洗瓶、无水乙醇（A.R.）。

四．实验步骤

1.配制溶液：使用0.01g 精度的电子天平称取无水乙醇，加入到容量瓶中，加水至刻度。配制乙醇水溶液，浓度分布如表所示。

2.检查安装仪器。将恒温水通入表面张力仪内，调节恒温槽温度为31.00℃。

3.在洗净的表面张力仪中加入适量去离子水，通恒温水10min 以上。放入毛细管，使玻璃毛细管下端刚好与液面相切。

图 毛细管口示意图

4.将毛细管与乳胶管断开，将毛细管内外处理干净（用吹气法），将毛细管放入表面张力仪，缓慢旋紧橡皮塞，使毛细管下端刚好与液面相切。使微压差测量仪通大气，按一下 “置零”按钮，然后轻轻将毛细管与乳胶管连接上。

5.缓缓打开漏斗的活塞，当毛细管下端气泡稳定形成（约5～10s 出一个气泡）后，从微压差测量仪上读取压力差最大值1max,P ∆。读三次，计算时取平均值。

6.用上述方法，将表面张力仪中的去离子水换为不同浓度待测的乙醇水溶液，测得各溶液的m ax P ∆值。

7.实验完毕，洗净玻璃容器。

五．实验数据记录与处理

1.实验数据记录 恒温槽温度T=304.15K

编号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 预计浓度/mol*L-1 0 0.7 1.4 2.1 2.8 3.5 4.2 4.9 5.6 乙醇质量/g 0 1.62 3.22 4.91 6.46 8.07 9.69 11.29 12.9 溶液体积/mL 50 50 50 50 50 50 50 50 50 浓度/mol*L-1 0 0.70 1.40 2.13 2.80 3.50 4.21 4.90 5.60 △p max1/Pa 464 387 347 308 285 262 244 229 217 △pmax2/Pa 465 393 347 309 284 262 244 229 218 △pmax3/Pa 464 394 348 308 285 262 245 229 217 △pmax 平均/Pa 464

391

347

308

285

262

244

229

217

表面张力σ/mN*m -1 71.02 59.90 53.16 47.19 43.57 40.10 37.40 35.05 33.27 斜率

-15.94 -

12.19 -9.35 -7.07 -5.47 -4.19 -3.20 -2.46 -1.88 吸附量

0.00

3.39

5.17

5.96

6.06

5.80

5.32

4.76

4.16

Γ/mol*m2

2.σ-c曲线

2.Γ-c曲线

六．结果讨论与误差分析

1.实验中标定溶液时可能存在一定误差，实验实际的浓度与理论浓度存在一定的差异。