【2017年整理】实验五表面张力及表面吸附量的测定预习.doc

实验五 表面张力及表面吸附量的测定 实验目的 （1）测定不同浓度的乙醇水溶液的表面张力，计算表面吸附量和乙醇分子的横截面积。 （2）了解表面张力的性质及表面张力和吸附量的关系。 （3）掌握最大泡压法测定溶液表面张力和表面吸附量的原理。 二． 实验原理 （一）表面张力及其影响因素 在一个液体的内部，任何分子周围的吸引力是平衡的。可是在液体表面层的分子却不相同。因为表面层的分子一方面受到液体内层分子的吸引另一方面受到液体外部气体分子的吸引，而且前者的作用力比后者大。因此在液体表面表面层中，每个分子都受到垂直于并指向液体内部的不平衡力。这种吸引力使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向力而作功，增加分子的位能。所以说分子在表面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或增大一平方米所引起的表面自由能的变化△G,称为单位表面的表面能，其单位为J·m-1；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，其单位是N·m-1。液体单位表面的表面能和它的表面张力在数值上是相等的。如欲使液体表面面积增加ΔS时，所消耗的可逆功A应该是： -A＝ΔG＝γΔS （1） ??液体的表面张力与温度有关，温度愈高，表面张力愈小。到达临界温度时，液体与气体不分，表面张力趋近于零。液体的表面张力也与液体的纯度有关，在纯净的液体(溶剂)中如果掺进杂质(溶质)，表面张力就要发生变化，其变化的大小，决定于溶质的本性和加入量的多少。 （二）表面吸附和吉布斯吸附等温式 在纯液体情形下，表面层的组成与内部的组成相同，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，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。 根据能量最低原理，溶质能降低溶液的表面张力时，表面层中溶质的浓度应比溶液内部大，反之，溶质使溶液的表面张力升高时，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里面浓度不同的现象叫“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：Γ为吸附量(mol.m-1)；γ为表面张力(J·m-1)；T为绝对温度(K)；c为溶液浓度(mol．L-1)；R为气体常数(8．314J．K-1·mol-1)。( )T?表示在一定温度下表面张力随溶液浓度而改变的变化率。如果γ随浓度的增加而减小，也即( )T?0，则Γ0，此时溶液表面层的浓度大于溶液内部的浓度，称为正吸附作用。如果γ随浓度的增加而增加即( )T?0，则Γ0，此时溶液表面层的浓度小于溶液本身的浓度，称为负吸附作用。 表面活性物质具有显著的不对称结构，它是由亲水的极性部分和憎水的非极性部分构成。对于有机化合物来说，表面活性物质的极性部分一般为－NH3+，－OH，－SH，－COOH，－SO2OH。而非极性部分则为RCH2－。正丁醇就是这样的分子。在水溶液表面的表面活性物质分子，其极性部分朝向溶液内部，而非极性部分朝向空气。表面活性物质分子在溶液表面的排列情形随其在溶液中的浓度不同而有所差异。当浓度极小时，溶质分子平躺在溶液表面上，如图（a），浓度逐渐增加，分子排列如图（b），最后当浓度增加到一定程度时，被吸附了的表面活性物质分子占据了所有表面形成了单分子的饱和吸附层如图（c）。 乙醇是一种表面活性物质，其水溶液的表面张力和浓度关系见图中的?－c曲线，在?－c曲线上作不同浓度c时的切线，把切线的斜率B ()代入Gibbs吸附公式，可以求出不同浓度时气－液界面上的吸附量?。 在一定温度下，吸附量与溶液浓度之间的关系由Langmuir等温方程式表示： 图11-2 不同浓度时，溶质分子在溶液表面的排列情况 (3) 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) 溶液的表面张力 与浓度的关系图 若以～C作图可得一直线，由直线斜率即可求出。 假设在饱和吸附情况下，乙醇分子在气－液界面上铺满一单分子层，则可应用下式求得乙醇分子的横截面积S0。 (5) 式中，－阿佛加德罗常数。 （三） 最大气泡压力法 图11－4最大气泡法测表面