溶液表面吸附的测定

1、溶液表面吸附的测定一、实验目的1、采用最大泡压法测定不同浓度的乙醇水溶液的表面张力2、根据吉布斯吸附公式计算溶液表面的吸附量和乙醇分子的横截面积二、实验原理1、表面自由能从热力学观点看，液体表面缩小是一个自发过程，这是使体系总的自由能减小的过程。如欲使液体产生新的表面A，则需要对其作功。功的大小应与A 成正比：- WA 式中为液体的表面自由能，亦称表面张力。它表示了液体表面自动缩小趋势的大小，其量值与液体的成分、溶质的浓度、温度及表面气氛等因素有关。2、溶液的表面吸附纯物质表面层的组成与内部的组成相同，因此纯液体降低表面自由能的唯一途径是尽可能缩小其表面积。对于溶液， 由于溶质能使溶剂表面张力

2、发生变化，因此可以调节溶质在表面层的浓度来降低表面自由能。根据能量最低原则，溶质能降低溶剂的表面张力时，表面层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，表面层中的浓度比内部的浓度低。这种表面浓度与溶液内部浓度不同的现象叫做溶液的表面吸附。显然，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有关，从热力学方法可知它们之间的关系遵守吉布斯(Gibbs) 吸附方程：cd-dc TRT式中：为表面吸附量 (单位： mol?m-2) ；T 为热力学温度 (单位： K) ；c 为稀溶液浓度 (单位：mol?dm-3)； R 为气体常数。ddc<0，则d>0，称为

3、正吸附；Tdc>0，则<0，T称为负吸附。以表面张力对浓度作图，即得到- c 曲线，在- c 曲线上任选一点作切线，如图 12.1所示，即可得该点所对应浓度ci 的斜率： d / dciT ，图 12.1表面张力与浓度的关系其中：MNcid/ dci T则：MN /RT，根据此式可求得不同浓度下各个溶液的值。根据朗格缪尔（Langmuir ）吸附等温式，吸附量与浓度c 之间的关系可用下式表示：Kc / 1K c式中：为饱和吸附量，K 为吸附常数，c 为稀溶液的浓度。将上式取倒数得：C /C /1/ K以 c / F 对c 作图可得一直线，直线斜率的倒数即为。当达到饱和吸附时，溶液表

4、面上的分子占据了所有表面。若以N 代表1m2 表面上溶质的分子数，则有NL式中；L为阿佛加德罗常数， 因此每个溶质分子在表面上所占据的横截面积q 可按下式计算：q1/L表面张力的测定可按装置图12.2 进行，将被测液体装于测定管中，使毛细管的下端面与液体相切，液体沿着毛细管上升。打开抽气瓶的活塞缓缓地放水抽气，测定管中的压力 P 逐渐减少，毛细管中压力 P0 就会将管中液面压至管口，并形成气泡，当气泡的曲率半径等于毛细管半径r（即气泡的曲率半径为最小值），此时所承受的压力差最大，根据拉普拉斯（ Laplace）公式：PmaxPrP0Pr2/ r此时最大的压力差值可由U 型压力计中最大液柱差h

5、来表示：Pmaxg h式中为 U 型压力计中液体介质的密度。由上述两式可得：g hr / 2K 'hK为仪器常数， 可用已知表面张力的液体标定。因此，只要将不同液体装于测定管中，测定U 型压力计中最大液柱差h，就可计算该液体的表面张力。三、仪器与药品1、装置及材料表面张力测定装置见图12.2。图 12.2 表面张力测定装置图表面张力测定装置1 套；恒温水浴1 套；洗耳球1 个；阿贝折光仪1 台；烧杯（ 50、100、 200ml ）各 1 只； 25ml 具塞锥形瓶 5 只； 10ml 比重瓶 5 只；乙醇（分析纯），超级恒温槽（公用） 。四、实验步骤1、配制溶液：用称重法粗略配制5，

6、 10， 15， 20， 25， 30， 35， 40的乙醇水溶液待用。2、测定仪器常数：将仪器认真洗涤干净，在测定管中注入蒸馏水，使管内液面刚好与毛细管口相接触，置于恒温水浴内恒温10 min 。注意使毛细管保持垂直并注意液面位置，然后按图12.2 接好系统。慢慢打开抽气瓶活塞进行抽气。注意气泡形成的速度应保持稳定，通常以每分钟约8 12 个。记录 U 型压力计两边最高和最低读数各3 次，求出平均值。 3、测定乙醇溶液的表面张力：以不同浓度的乙醇溶液进行测量，从稀到浓依次进行。 每次测量前必须用少量被测液洗涤测定管，尤其是毛细管部分， 确保毛细管内外溶液的浓度一致。 4、乙醇溶液浓度的折光率

7、测定：采用阿贝折光仪测定上述乙醇溶液的折光率，由测定的乙醇浓度折光率标准曲线确定各乙醇溶液的浓度。5、乙醇浓度 折光率工作曲线的测定：（1）将预先干燥的25ml 具塞锥形瓶在电子天平上准确称重，质量W1；（2）在瓶中滴入一定量的无水乙醇，加塞后准确称重，质量W2；（3）用水稀释乙醇至约 25ml，加塞摇匀，再次准确称重，质量W3 ；（4）将预先干燥的10ml 比重瓶在电子天平上准确称重，质量W4；（5）将乙醇溶液注满比重瓶，置于实验温度的恒温槽中恒温10 分钟，用滤纸仔细吸去从毛细管顶端溢出的溶液，取出比重瓶，仔细拭干瓶外壁的水滴，冷却至室温， 在电子天平上准确称重，质量W5。（6）乙醇摩尔浓

8、度按下式计算：W2 W1 / gc / mol dm3M 乙醇 / g mol 1W2 W1W5W4100W3W13M 乙醇W3W10.01 / dmW5W4（7）将该溶液在恒温的阿贝折光仪上测定折光率。（8）用上述方法，在所需浓度范围内配制 10 份准确浓度的乙醇溶液，并测定其折光率， 以乙醇摩尔浓度 折光率作图，得到工作曲线。五、数据记录与处理1、以纯水测量结果计算K值。2、根据所测折光率，由乙醇摩尔浓度- 折光率工作曲线查出各溶液的浓度。3、计算各溶液的值。4、作- c 图，并在曲线上取10 个点，分别作出切线，并求得对应的斜率。5、求算各浓度的吸附量，并作出c，并计算乙醇分子的横截面c

9、 图，由直线斜率求其积 q 值。不同温度下水的表面张力：t / C103 / N m 1t/ C103/ N m 1t / C103 / N m 1-877.01873.056066.18-576.42072.757064.4075.62571.978062.6574.93071.1810058.91074.224069.561573.495067.91六、思考题1、表面张力仪的清洁与否和恒温水浴温度是否稳定对测量结果有何影响？2、本实验中为什么要读取最大压力差？实验时将毛细管部分末端插入溶液内，对实验结果有何影响？3、在测量过程中，抽气的速度能否过快？参考文献：1 北京大学化学系物理化学教研室编， 物理化学实验 ，第三版， 北京：北京大学出版社，1995， 181-186.2 天津大学物理化学教研室编， 物理化学，第三版，下册，北京：高等教育出版社， 1993，159-161； 173-174.3 复旦大学等编，物理化学实验 ，第二版，北京；高等教育出版社，