【2017年整理】实验十最大泡压法测定溶液的表面张力.doc

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： (1) 式中 为比例常数。 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，称为表面自由能，其单位是焦耳每平方米(J／m2 )。若把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： (2) 式中为表面超量(mol／m2 )；为溶液的表面张力(J／m2 )为热力学温度；c为溶液浓度(mol／m3)；R为气体常数。 当o时，o称为正吸附；反之，当0时，0称为负吸附。前者表 明加入溶质使液体表面张力下降，此类物质称表面活性物质。后者表明加入溶质使液体表面张力升高，此类物质称非表面活性物质。因此，从Gibbs关系式可看出，只要测出不同浓度溶液的表面张力，以～c作图，在图的曲线上作不同浓度的切线，把切线的斜率代入Gibbs吸附公式，即可求出不同浓度时气～液界面上的吸附量。 在一定的温度下，吸附量与溶液浓度之间的关系由Langmuir等温式表示： (3) 式中为饱和吸附量，K为经验常数，与溶质的表面活性大小有关。将(3)式化成直线方程则： (4) 若以～c作图可得一直线，由直线斜率即可求出。 假若在饱和吸附的情况下，在气～液界面上铺满一单分子层，则可应用下式求得被测物质的横截面积S0。 (5) 式中N为阿佛加德罗常数。 3．本实验选用单管式最大泡压法，其装置和原理如图Ⅱ-12-1所示。 当表面张力仪中的毛细管端面与待测液体面相切时，液面即沿毛细管上升。打开分液漏斗的活塞，使水缓慢下滴而减少系统压力，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端面上产生的作用力稍大于毛细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上读出。其关系式为 (6) 如果毛细管半径为r，气泡由毛细管口逸出时受到向下的总压力为。 气泡在毛细管受到的表面张力引起的作用力为。刚发生气泡自毛细管口逸出时，上述两力相等，即 (7) (8) 若用同一根毛细管，对两种具有表面张力为和的液体而言，则有下列关系： 则 (9) 式中 K为仪器常数。 因此，以已知表面张力的液体为标准，从式(9)即可求出其它液体的表面张力。 三、实验仪器和试剂 恒温装置1套，烧杯(25mL)1个，带有支管的试管(附木塞)1支，毛细管(半径为0.15mm ～0.020mm)l根，容量瓶(50mL)8只，数字式微压差测量仪1台。正丁醇(分析纯)。 四、实验步骤 1．洗净仪器并按图Ⅱ-11