最大起泡法测分子横截面积

1、实验十四溶液中的吸附作用和表面张力的测定最大气泡压力法Determination of Surface Tension Using Maxinum Bubble Pressure Method1. 实验目的与要求：1） 通过测定不同浓度（c）正丁醇水溶液的表面张力（b ）,由b -c曲线求溶液界面上的 吸附量和单个正丁醇分子的横截面积（S0）。2）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。3）掌握一种测定表面张力的方法一一最大气泡法。2. 预习要求：1）掌握最大气泡压力法测定表面张力的原理。2）了解影响表面张力测定的因素。3）了解如何由表面张力的数据求正丁醇的横截面积。3. 实

2、验原理：1） 物体表面的分子和内部分子所处的境况不同，因而能量也不同，如图12-1所示，表面层的分子受到向内的拉力，所以液体表面都有自动缩小的趋势。如要把一个分子由内部迁移到表面，就需要对抗拉力而作功，故表面分子的能量比内部分子大。增加体系的表面，即增加了体系的总能量。体系产生新的表面（ A）所需耗费功（W）的量，其大小应与 A成正比。-W=b A（12.1 ）如果 A =l贝U - W= b ,即在等温下形成 1 W新的表面所需的可逆功。故b称为单位表面的表面能，其单位为 Nm1。这样就把b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。它表示表面自动缩小的趋势的大小。表面张力是

3、液体的重要特性之一,与所处的温度、压力、液体的组成共存的另一相的组成等有关。纯液体的表面张力通常指该液体与饱和了其自身蒸气的空气共存的情况而言。图12-1 分子间作用力示意 图2）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

4、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(12.2 )式中，一气-液界面上的吸附量（mol itf）：b 一溶液的表面张力（N - m1）;3T 一绝对温度（K） ; c一溶披浓度（mol m ）：R 一气体常数（8.314 J - mol-1 - K-1）。（塞（票）S当/ 时，UO,称为正吸附。反之， 已 时，r <q称为负吸附。前者表明加入溶质使液体表面张力下降，此类物质叫表面活性物质， 后者表明加入溶质使液体表面张力升高，此类物质叫非表面活性物质。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，

5、表面活性物质的极性部分一般为-NH3+, -OH, -SH, -COOH -S0 20H。而非极性部分则为 RCIH-。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，12.2(c)。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 12.2（a）,浓度逐渐增加， 分子排列如图12.2（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图12-2 不同浓度时，溶质分子在溶液表面的排列情况正丁醇是一种表面活性物质，其水溶液的

6、表面张力和浓度关系符合Gibbs吸附公式（12-2 ）。通过实验测得正丁醇不同浓度下的表面张力b，在恒温下作b - c曲线（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b的变化很小，这时b的数值恒定为某一常数（见图 12-3 ），利用图解法可求出对应于每个浓度的（如过a点作b - c曲线的切线，切线的斜率即为）。或在作出b - c曲线后，用计算机拟合出曲线方程，求导 得到一反映c 关系的解析式，求出不同 浓度c下的。将 代入Gibbs吸附公 式12-2，可以求出不同浓度时气 -液界面上的吸附量 P o图12.3 b -c曲线在一定温度下，吸附量与溶液浓度之间的关

7、系由Langmuir等温方程式表示:(12.3)I”为饱和吸附量, 则K为经验常数，与溶质的表面活性大小有关。将（12-3）式化成直 线方程,(12.4)若以c/c作图可得一直线，该直线的斜率为1 / Is,由直线斜率即可求出I%假设在饱和吸附情况下，正丁醇分子在气-液界面上铺满一单分子层，则可应用下式求得正丁醇分子的横截面积S。(12.5)式中，市为阿佛加德罗常数。若已知溶质的密度队分子量M,就可计算出吸附 层厚度a ：,55 =(12.6)P3) 最大气泡 压力法测量表面张力的装置示意 图如12.4。当表面张力仪中的毛细管截面与欲 测液面相齐时，液面沿毛细管上升。打开滴液漏斗的 活塞，使水

8、缓慢下滴而使体系内的 压力(Ps)增加，这时毛细管内的液面上受到一个比恒温 试 管中液面上稍大的 压力，因此毛细管内的液面 缓缓下降。当此压力差在毛 细管端面上 产生的 作用力稍大于毛 细管口溶液的表面 张力时，气泡就从毛 细管口逸出。由于数字式微 压差测量 仪在使用前 调零，因而这一最大压力差就等于系 统压力，该压力可由数字式微 压差测量仪上 直接读出，其关系式为：Pa=0 , Pmax= Ps,其中Pa为大气压力，Ps为系统压力。若毛细管半径为，气泡由毛 细管口逸出时，受到向下的 总压力为兀Pmax。气泡在毛细管受到的表面张力引起的作用力为2兀rb,当气泡自毛细管口逸出时，上述两 力相等。

9、即：兀 r Pmax=2 兀 r b , b =r Pmax 12。(12.7)使用同一根毛 细管，对具有表面张力为b1和b2的液体而言，则有下列关系：b 1= r A Pi /2b 2= r P2 /2(12.8)两式相比，有：b 1= b 2 A Pi / P2=kPi,仪器常数k= r/2 ,由此求得b 2=kP2(12.9)用已知表面 张力b 1的的液体，从12-9式可求出其他液体的表面 张力b 2。M字式房图12.4最大气泡法表面 张力测定装置1.恒温套管2.毛细管(r在0.150.2mm)3.数字式微压差测量仪4. 分液漏斗5.吸滤瓶6、连接橡皮管。4.仪器试剂超级恒温水浴1台；数

10、字压力计1台；恒温套管1支；250分液漏斗抽l个;毛细管(0.150.2mm) 1 支； 烧杯(500mL) 1 个；100mL 容量瓶 9 个；500mL 吸滤瓶 1 个；20、15、10mL移液管各1支；1.0mol dm-3正丁醇溶液(AR);重蒸储水。5. 实验步骤1) 仪器常数的测定(1)毛细管常数的测定：按实验装置图装好仪器，打开恒温水浴，使其温度 稳定于25C。取一支浸泡在洗液中 的毛细管依次用自来水，蒸储水反复清洗若干次，同样把玻璃套管也清洗干 净，加上蒸储水， 插上毛细管，用套管下端的 开关调节 液面恰好与毛 细管端面相切，使 样品在其中恒温10分 钟。在分液漏斗中加入适量的

11、水并与吸滤瓶连接好，注意切勿使体系漏气。 然后调节分液漏斗下的活塞使水慢慢滴入吸 滤瓶中，这时体系压力逐渐增加，直至气泡由毛 细管口冒出，细 心调节出泡速度，使之在5-10秒钟内出一个。注意气泡爆破 时微型压力计的读数，并重复 记录最高值三次，求平均值而得 Ph2o ,根据手册查出25 C时水的表面张力为b =71.97 10-3N m-1,以b h2o/ Ph2o=K，求出所使用的毛 细管常数。(2)不同浓度的正丁醇溶液表面 张力的测定：以0.8mol dm-3浓度的正丁醇溶液 为基准，分别准确配制 0.020、0.040、0.060、0.08> 0.10、0.12、0.15、0.20

12、 mol dm-3的正丁醇溶液各100mL。重复上述实验步骤，按照由稀至 浓的顺序依次进行测量。求得一系列 浓度的正丁醇溶液的 P正丁醇。本实验的关键在于溶液浓度的准确性和所用毛 细管、恒温套管的清 洁程度。因此除事先 用热的洗液清洗它 们以外，每改变一次测量溶液必须用待测的溶液反复洗涤它们，以保证所 测量的溶液表面 张力与实际溶液的浓度相一致。并控制好出泡速度、平稳地重复出现压力差。 而不允许气泡一连串地出。洗 涤毛细管时切勿碰破其尖端，影响 测量。温度对该实验 的测量影响也比 较大，实验中请注意观察恒温水浴的温度，溶液加入 测量 管后恒温10min后再进行读数测量。6. 实验注意事项：1)

13、 测定用的毛 细管和恒温 试管一定要先洗干 净，玻璃不挂水珠 为好，否则气泡可能不 能连续稳定地通过，而使压力计的读数不稳定。2) 毛细管端口一定要 刚好垂直切入液面，管口要和液面刚好接触，不能离 开液面，但 亦不可深插。3) 表面张力和温度有 关，因此要等溶液恒温后再 测量。4) 控制好出泡速度，从毛 细管口脱出气泡 每次应为一个，即间断脱出，读取压力计的 压力差时，应取气泡单个逸出时的最大 压力差。5) 正丁醇溶液要准确配置，使用 过程防止挥发损失。7. 数据记录及处理：室温：(T H2°l)记录数据表格:大气压： PH2O :恒温槽温度：毛细管常数K:容量瓶编号1234567+8正丁醇用量/ml2.557.51012.5152025溶液浓度/mol dm30.0200.0400.0600.0800.100.120.160.20压差读数/Pa正丁醇水溶液的b 正丁醇水溶液的 db /dc正丁醇水溶液的r正丁醇水溶液的c/r2）作b - c曲线（用Excel作图），求出曲线方程，求 导数得一解析式，利用 该式求出 不同浓度时正丁醇水溶液的 b。值，作：T