溶液中的吸附作用和表面张力的测定
实验二十九 溶液中的吸附作用和表面张力的测定 1、实验目的:
?测定不同浓度正丁醇(乙醇)水溶液的表面张力;
?了解表面张力的性质，表面自由能的意义及表面张力和吸附的关系;
?由表面张力—浓度曲线(σ—c曲线)求界面上吸附量和正丁醇分子的横截面积S;
?掌握最大气泡法测定表面张力的原理和技术。
2、实验原理:
液体表面层分子和内部(本体)分子受力情况不同。内部分子受到周围液体分子的作用力相互抵消，合力为零。而表面层分子受到液体和气相分子的引力，合力指向液体内部，要使液体内部分子移到表面层(使液体的表面积增大)，就必须克服此吸引力作工。
在恒温恒压下可逆增加液体表面积，自由能改变为: ˊ dG=δW=γdA T.PR
G,则 (1) (),,T,PA,
式中γ是增加单位表面积时所需的可逆功，也就是单位面积的表面层分子比
-2相同数量的内部分子多出的自由能，称为比表面自由能，单位为J?m。
由于表面层分子受到内部分子的引力，因而表面层分子有自动进入液体内部的倾向，在宏观上表现为有一个与表面平行，力图使表面收缩的力。从这个角度
-1来理解γ的物理意义时，γ又称为表面张力，单位为N?m. 表面张力γ的大小与液体的本性、共存气相、温度和压力有关.当温度升高时，表面张力下降，到达临界状态时， 表面张力趋于零。
当液体中加入某种溶质形成溶液后，溶剂的表面张力会升高或降低。若加入溶质使溶液的表面张力降低，则表面层中溶质的浓度大于溶液本体的浓度;反之，若使溶液的表面张力增加，则表面层中溶质的浓度小于溶液本体的浓度。当然，表面层与溶液本体的浓度差又会引起溶质分子的扩散，当这两种相反的趋势达到平衡时，溶液表面层与溶液本体的组成不同，这种现象称为溶液的表面吸附。在一定的温度和压力下， 溶液的表面吸附量与溶液的表面张力和浓度有关.对二组分稀溶液，它们之间的关系可用吉布斯(Gibbs)公式表示:
c,,,,,() (2) TRT,c
式中:
-2Γ——为表面吸附量(mol?m)，
-1γ——为表面张力(N?m)，
-3c——为溶液的浓度(mol?dm)，
T——为热力学温度(K)，
R——为气体常数。
,,,,若，则Γ>0，称为正吸附;若，则Γ<0，称为负吸附。(),0(),0TT,c,c
从(2)式可以看出，只要测定溶液表面张力与浓度的等温曲线γ=f(c)，通过曲线的斜率即可求得各浓度下溶液的表面吸附量Γ。
对于单分子吸附，其吸附量Γ与浓度c之间的关系可用朗格缪尔(Langmuir)等温吸附方程表示，即:
ac ,,, (3) ,1，ac
为饱和吸附量，α为常数.将此式面边取倒数可整理成线性方程 式中,,
cc1 (4) ,，,,a,,,
以c/Γ对c作图为一直线，其斜率m=1/，若以N代表饱和吸附时单位面,,
积表面层中的分子数，则N=N。N为阿佛加德罗常数。在饱和吸附时，每,AA,
个被吸附分子在表面上所占的面积，即分子的截面积S为:
1 (5) s,,N,A
本实验利用最大气泡法测定液体的表面张力，其测量装置如图所示。将毛细管端面与液面相切，液面即沿毛细管上升，打开抽气瓶活塞让水缓慢流下，使毛细管内溶液受到的压力比样品管中液面的稍大，气泡就从毛细管口逸出。这一压差可由精密压差计读出。
下图为最大气泡法测定表面张力的装置。设毛细管的半径为r，气泡由毛细
2管口逸出时总作用力为:πrP，而P=P—P。 最大最大大气系统
气泡在毛细管口受到表面张力引起的作用力为2πrσ。当气泡逸出时，上述
2两压力相等πrP=2πrσ。如将表面张力为σ、σ的两种液体，采用同一支最大12
毛细管和压差计，分别测定其最大压差，则有:
P,最大11, (7) ,P2最大2
P最大2 (8) ,,,,,K,P21最大2P最大1
式中: 为毛细管常数 K,,P1最大1
该常数由表面张力为σ已知的液体为
标准
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求出，利用上式可求出其它液体1
的表面张力。
3、试剂与仪器:
最大气泡表面张力测定仪 1套
恒温槽 1台
比重瓶10ml 1只
容量瓶 100ml 9只
铁夹 1只
自由夹 1只
超纯水
正丁醇(A.R):摩尔质量74.12g/mol 或 无水乙醇(A.R) 4、实验步骤:
?分别配制浓度为0.01、0.02、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35mol/L
的正丁醇溶液100ml。配制方法如下:洗净、烘干。于其中注满正丁醇，迅速称量，计算密度。根据需要配制的浓度用代刻度的移液管取正丁醇，在100ml的容量瓶中配制溶液。
?将仪器仔细洗涤干净，调节恒温槽温度为25?。
?样品管中装入蒸馏水，使液面与毛细管端面向切，注意保持毛细管与液面垂直。
?打开抽气瓶活塞，让水缓慢流下，使毛细管中气泡逸出速度为5—10秒/个。
?纪录压力计最大值，重复二次，求出P平均值。 最大1
?同法测定各浓度下正丁醇水溶液的P值。 最大2
5、数据
记录
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与处理:
?按下表将所得数据记入下表:
浓度(mol/L)
P(Pa) 最大
,水 ?利用公式计算毛细管常数。 K,P最大水
?由正丁醇溶液的实验数据计算各溶液的表
面张力，并作σ—C曲线。
d,?由σ—C曲线分别求出各浓度的()TdC
值。
?利用Gibbs吸附等温式计算出各浓度下的
Γ，将Γ及由3、4式算出的各项结果列表:
,d浓度 P(Pa) σ(N/m) Γ(mol/m) C/Γ 最大(mol/L) dC
?作C/Γ~C图，应得一直线，由直线斜率求出Γ; ?2?计算正丁醇分子的横截面积S。(文献值19.5A) 0
6、思考题:
?表面张力仪的清洁与否对所测数据有何影响,
?测定不同浓度溶液的表面张力时应注意什么,
?安装仪器时为什么要使毛细管与液面垂直，且管口端面刚好与液面向切, ?实验时，为什么溶液浓度以由稀至浓测定为宜, ?测定中能否应用加压的方法来鼓泡,
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