实验十四溶液表面张力的测定

1、实验十四 溶液表面张力的测定（一）最大气泡法【目的要求】1. 掌握最大气泡法（或扭力天平）测定表面张力的原理，了解影响表面张力测定的因素。2. 测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力，计算吸附量，由表面张力的实验数据求分子的截面积及吸附层的厚度。【实验原理】1. 溶液中的表面吸附从热力学观点来看，液体表面缩小是一个自发过程，这是使体系总自由能减小的过程,欲使液体产生新的表面 AA，就需对其做功，其大小应与从成正比：W=（ AA如果AA为1m2,则W= b是在恒温恒压下形成 1m2新表面所需的可逆功，所以称为比表面吉布斯自由能，其单位为J- m-2。也可将b看作为作用在界面上每单位长度边缘上的力， 称

2、为表面张力，其单位是 N m-1。在定温下纯液体的表面张力为定值，当加入溶质形成溶 液时，表面张力发生变化，其变化的大小决定于溶质的性质和加入量的多少。根据能量最低原理，溶质能降低溶剂的表面张力时，表面层中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， 它在表面层中的浓度比在内部的浓度低，这种表面浓度与内部浓度不同的现象叫做溶液的表面吸附。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之间的关系遵守吉布斯（Gibbs）吸附方程:C d 二RT dC T式中，r为溶质在表层的吸附量；b为表面张力；C为吸附达到平衡时溶质在介质中的浓度。当归0时，r0称为正吸附；当竺i

3、idC .TidC .丿丁0时，rv o称为负吸附。吉布斯吸附等温式应用范围很广，但上述形式仅适用于稀溶液。物质，被吸附的表面活性物质分子在界面层中的排I-(I) i2i弓I起溶剂表面张力显著降低的物质叫表面活性图2-26-1被吸附的分子在界面上的排列图列，决定于它在液层中的浓度，这可由图2-26-1看出。图2-26-1中和是不饱和层中分子的排列，（3）是饱和层分子的排列。当界面上被吸附分子的浓度增大时，它的排列方式在改变着，最后，当浓度足够大时，被吸附分子盖住了所有界面的位置，形成饱和吸附层，分子排列方式如图2-26-1（3）所示。这样的吸附层是单则此界面的表面张力也就逐渐减分子层，随着表面

4、活性物质的分子在界面上愈益紧密排列,小。如果在恒温下绘成曲线0= f（C）（表面张力等温线），当C增加时，b在开始时显著下降，而后下降逐渐缓慢下来，以至O的变化很小，这时O的数值恒定为某一常数（见图2-26-2）。利用图解法进行计算十分方便，如图2-26-2所示，经过切点 a作平行于横坐标的直线，交Z的长度等于纵坐标于b点。以Z表示切线和平行线在纵坐标上截距间的距离，显然吸附等温线。dcT，企)_Z_idC 人 cidc.ICc、IRT idC 丿tZ 二-RT以不同的浓度对其相应的 r可作出曲线,r= f(C)称为根据朗格谬尔（Langmuir）公式:r为饱和吸附量，即表面被吸附物铺满一层分

5、子时的C = kC 1 =rkr：以c/r对c作图，得一直线，该直线的斜率为1/ roo由所求得的 r代入可求得被吸附分子的截面积so=1/ rn （ N为阿佛加得罗常数）o若已知溶质的密度 p,分子量m，就可计算出吸附层厚度s图2-26-3表面张力测定装置图2. 最大气泡法测表面张力其装置图如2-26-3所示：其中A为表 面张力仪，其中间玻璃管下端一段直径为 0.2mm0.5mm的毛细管，B为充满水的抽 气瓶，C为微压差计。将待测表面张力的液体装于表面张力 仪中，使F管的端面与液面相切，液面即沿毛细管上升，打开抽气瓶的活塞缓缓抽气， 毛细管内液面上受到一个比 A瓶中液面上大的压力，当此压力差

6、一附加压力（Zp = p大气一p系统）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，气泡就从毛细管口脱出，此附加压力与表面张力成正比，与气泡的曲率半径成反比，其关系式为:式中，巾为附加压力；b为表面张力；R为气泡的曲率半径。如果毛细管半径很小， 则形成的气泡基本上是球形的。当气泡开始形成时， 表面几乎是平的，这时曲率半径最大；随着气泡的形成，曲率半径逐渐变小，直到形成半球形，这时曲率半径R和毛细管半径r相等，曲率半径达最小值， 根据上式这时附加压力达最大值。气泡进一步长大，R变大，附加压力则变小，直到气泡逸出。根据上式，R= r时的最大附加压力为：匚P最大或p最大（8）r2实际测量

7、时，使毛细管端刚与液面接触，则可忽略气泡鼓泡所需克服的静压力，这样就可直接用上式进行计算。当将匚合并为常数K时，则上式变为：2二=Kh 最大（9）式中的仪器常数 K可用已知表面张力的标准物质测得。【仪器试剂】最大泡压法表面张力仪 1套，包括500mL分液漏斗1个，0.5mL刻度吸管作为毛细管 使用，精密数字压力计1台；吸耳球1个；移液管（50mL和1mL）各1只；烧杯（100mL , 500mL） 各1只。正丁醇（化学纯）；蒸馏水。【实验步骤】1. 仪器准备与检漏将表面张力仪容器和毛细管先用洗液洗净，再顺次用自来水和蒸馏水漂洗，烘干后按图2-26-3 按好。将水注入抽气管中。在 A管中用移液管

8、注入 50mL蒸馏水，用吸耳球由 G处抽气，调 节液面，使之恰好与细口管尖端相切。压力计调零，然后关紧G处活塞，再打开活塞 H,这时管B中水流出，使体系内的压力降低，当压力计中液面指示出若干厘米的压差时，关 闭H，停止抽气。若2min3min内，压力计示数不变，则说明体系不漏气，可以进行实验。2. 仪器常数的测量开H对体系抽气，调节抽气速度，使气泡由毛细管尖端成单泡逸出，且每个气泡形成的时间为10s20s（数显微压差测量仪为 5s10s）。若形成时间太短，则吸附平衡就来不及 在气泡表面建立起来，测得的表面张力也不能反映该浓度之真正的表面张力值。当气泡刚脱离管端的一瞬间，压力计中液面差达到最大值

9、，记录压力计读数，连续读取三次，取其平均值。再由手册中，查出实验温度时，水的表面张力q则仪器常数匚水巾最大3. 表面张力随溶液浓度变化的测定在上述体系中，用移液管移入0.100mL正丁醇，用吸耳球打气数次 （注意打气时，务必使体系成为敞开体系。否则，压力计中的液体将会被吹出），使溶液浓度均匀，然后调节液面与毛细管端相切，用测定仪器常数的方法测定压力计的压力差。然后依次加入0.200mL、0.200mL、0.200mL、0.500mL、0.500mL、1.00mL、1.00mL 正丁醇，每加一次测定一次压 力差Ap最大。正丁醇的量一直加到饱和为止，这时压力计的Ap最大值几乎不再随正丁醇的加入而变

10、化。【注意事项】仪器系统不能漏气。所用毛细管必须干净、干燥，应保持垂直，其管口刚好与液面相切。所用移液管必须干净。气泡单个逸出，形成每个气泡510s，如果出现多泡，毛细管不干净。读取压力计的压差时，应取气泡单个逸出时的最大压力差。【数据处理】试验原始数据记录V(mL,buta nol) P实验数据处理:- = K RmaxK -根据书后附录，得到正丁醇密度:298k =8.0908 105g.m表1: 298K正丁醇的表面张力浓度表-3C(mol.m )d (103N.m )表2 : 298K正丁醇的表面张力一吸附量表-3C(mol.m )021.7865.1108.08150.71255.8

11、4358.93559.25752.11937.926 2r (10 mol.m )01.973.0053.8554.5575.2545.6786.5096.6096.609图1 : 298K正丁醇的二-C图mOE r0100200300400500600700-3C(mol.m )800图2: 298K时正丁醇吸附等温线图 3: 298K 时 r /CC 图根据图3，直线斜率:Sop网上查到的有关数据：298K，饱和正丁醇溶液的表面张力为24.6 lON.m，分子面积为0.458nm2/个1. 测定液体表面张力有多种方法，例如：环法、滴体积法、毛细管法和最大气泡压力法等。拉脱法表面张力仪主要分

12、为吊环法和吊片法两种，仪器有sigma703数字表面张力仪、JYW-200全自动界面张力仪等多种仪器。2. 各种测定表面张力方法的比较环法精确度在1%以内，它的优点是测量快，用量少，计算简单。最大的缺点是控制温度困难。对易挥发姓液体常因部分挥发使温度较室温略低。最大气泡法所用设备简单，操作和计算也简单，一般用于温度较高的熔融盐表面张力的测定，对表面活性剂此法很难测准。毛细管上升法最精确(精确度可达0.05% )。但此法的缺点是对样品润湿性要求极严。滴体积 法设备简单操作方便，准确度高同时易于温度的控制，已在很多科研工作中开始应用，但对毛细管要求较严，要求下口平整、光滑、无破口。3. 用表面张力方法可研究不同链长的醇类同系物及不同链长的羧酸类同系物的界面吸附现象和它们的截面积及吸附层厚度的不同，找出其规律性。3、实验成败的关键(1)最大气泡法是应用相当广泛的方法该方法可以快速测定表面张力，但应注意管口 必须与液面保持相切，管口必须完全被液体所润湿，否则结果有误差。(2)实