最大泡压法测定溶液的表面张力

1、最大泡压法测定溶液的外表张力一、实验目的1. 测定不同浓度正丁醇溶液的外表张力，计算吸附量。2. 了解气液界面的吸附作用，计算外表层被吸附分子的截面积及吸附层的厚度。3掌握最大气泡法(或扭力天平)测定溶液外表张力的原理和技术。二、预习要求1掌握最大气泡法(或扭力天平)测定外表张力的原理，了解影响外表张力测定的因素。2. 了解如何由外表张力的实验数据求分子的截面积。3掌握如何由实验数据计算吸附量。三、实验原理从热力学观点来看，液体外表缩小是一个自发过程，这是使体系总自由能减小的过程，欲使液体产生新的外表AA,就需对其做功，其大小应与AA成正比：一；匸二b丄七(1)如果AA为1m2，那么-W =c

2、是在恒温恒压下形成1m2新外表所需的可逆功，所以称为比外表吉布斯自由能，其单位为Jm-2。也可将b看作为作用在界面上每单位长度边缘上的力，称为外表张力，其单位是Nm-1。在定温下纯液体的外表张力为定值，当参加溶质形成溶液时，外表张力发生变化，其变化的大小决定于溶质的性质和参加 量的多少。根据能量最低原理，溶质能降低溶剂的外表张力时，外表层中溶质的浓度 比溶液内部大；反之，溶质使溶剂的外表张力升高时，它在外表层中的浓度比在内部 的浓度低，这种外表浓度与内部浓度不同的现象叫做溶液的外表吸附。在指定的温度 和压力下，溶质的吸附量与溶液的外表张力及溶液的浓度之间的关系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程：

3、式中，r为溶质在表层的吸附量；b为外表张力；c为吸附到达平衡时溶质在介质中 的浓度。r >o称为正吸附；当r <0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。引起溶剂外表张力显著降低的物质叫外表活性物质，被吸附的外表活性物质分子在界面层中的排列，决定于它在液层中的浓度，这可由图川-23-1看出。图川-23-1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，分子排列方式如图川-23-13所示。这样的吸附层是单分子层，随着外表活性物质的分

4、子在界面上愈益紧密排列，那么此界面的外表张力也就逐渐减小。如果在恒温下绘成曲线沪fC外表张力等温线，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川-23-2。利用图解法进行计算十分方便，如图川-23-2所示，经过切点 a作平行于横坐标的直线，交纵坐标于b'点。以Z表示切线和平行线在纵坐标上截距间的距离，显然图川-23-1被吸附的分子在界面上的排列图川-23-2外表张力和浓度关系图以不同的浓度对其相应的r可作出曲线，r =fC称为吸附等温线。根据朗格谬尔Langmuir公式:rkCr为饱和吸附量，即外表被吸附物铺满一层分子时的1十

5、M以c/ r对C作图，得一直线，该直线的斜率为1/ rop由所求得的r代入a=i/ roL可求被吸附分子的截面积L为阿佛加得罗常数 。假设溶质的密度p,分子量 m，就可计算出吸附层厚度s测定溶液的外表张力有多种方法，较为常用的有最大气泡法和扭力天平法。最大泡压法一、结构原理最大气泡法的仪器装置如右图所示：A为外表张力仪，其中间玻璃管F下端一段直径为的毛细管，B为充满水的抽气瓶，C为U型压力计，内盛比重较小的水或酒精、甲苯等，作为工作介质，以测定 微压差。将待测外表张力的液体装于外表张力仪中，使F管的端面与液面相切，液面即沿毛细管上升，翻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

6、上 大的压力，当此压力差 一附加压力4=p大气-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外表张力时，气泡就从毛细管口脱出，此附加压力与外表张力成正比,与气泡的曲率半径成反比，其关系式为：式中，Ap为附加压力；b为外表张力；R为气泡的曲率半径。如果毛细管半径很小，那么形成的气泡根本上是球形的。当气泡开始形成时，外表几乎是平的，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，附加压力那么变小，直到气泡逸出。根据上式，R=r时的最大附加压力为：8实际测量

7、时，使毛细管端刚与液面接触，那么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。当用密度为 p的液体作压力计介质时，测得与Ap最大相适应的最大压力差为Ah最大那么：'：-9当将一 FL合并为常数 K时，那么上式变为：L-i- 10式中的仪器常数 K可用外表张力的标准物质测得。二、仪器药品1. 仪器最大泡压法外表张力仪1套；吸耳球1 个;移液管50mL和1mL各1只;烧杯500mL只。2. 药品正丁醇化学纯；蒸馏水。三、实验步骤1. 仪器准备与检漏将外表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 后按图川-23-3按好。将水注入抽气管中。 在A管中用移液

8、管注入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。然后关紧G处活塞，再翻开活塞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假设干厘米的压差时，关闭H，停止抽气。假设2min3min内，压力计液面高度差不变，那么说明体系不漏气，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。假设形成时间太短，那么吸附平衡就来不及在气泡外表建立起来，测得的外表张力也不能反映该浓度之真正的外表张力值。当气泡刚脱离管端的一瞬间，压力计中液面差到达最大值，记录压

9、力计两边最高和最低读数，连续读取三次，取其平均值。、再由手册中，查出实验温度时，水的外表张力 6,那么仪器常数K 二-叫3. 外表张力随溶液浓度变化的测定在上述体系中，用移液管移入正丁醇，用吸耳球打气数次注意打气时，务必使体系成为敞开体系。否那么，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。然后依次参加正丁醇，每加一次测定一次压力差Ah最大。正丁醇的量一直加到饱和为止，这时压力计的Ah最大值几乎不再随正丁醇的加入而变化。四、考前须知1. 仪器系统不能漏气。2. 所用毛细管必须干净、枯燥，应保持垂直，其管口刚好与液面相切。3. 读取压力计的压差时，应取气泡单个逸出时的最大压力差。五、数据处理1. 计算仪器常数 K和溶液外表张力6绘制C等