溶液中的吸附作用和外表张力的测定

南京大学化学化工学院 物理化学试验教案 邱金恒溶液中的吸附作用和外表张力的测定一、教学目的1、把握最大气泡法和滴重法测定外表活性物质正丁醇的外表张力，并且利用Gibbs吸附公Langmuir吸附等温式测定正丁醇分子的横截面积。2及直线拟合处理得到不同数据。3二、试验原理1. 压力和组成恒定时，可逆地外表增加dA所需对体系做的功，叫外表功，可以表示为：WdA式中σ为比例常数。σ在数值上等于当T、p和组成恒定的条件下增加单位外表积所必需对体系做的可逆非σJ/m。假设把σ看作为作用在界面上每单位长度边缘上的力，通常称为外表张力。从另外一方面考虑外表现象，特别是观看气液界面的一些现象，可以觉察到外表上处处存在着一种张力，它力图缩小外表积，此力称为外表张力，其单位是牛顿每米N/m。外表张力是液体的重要特性之一，与所处的温度、压力、浓度以及共存的另一相的组成有关。纯液体的外表张力通常是指该液体与饱和了其本身蒸气的空气共存的状况而言。2、纯液体外表层的组成与内部层一样，因此，液体降低体系外表自由能的唯一途径是尽度来降低外表自由能。来得大。反之溶质使溶剂的外表张力上升时，它在外表层中的浓度比在内部的浓度来得低，这种外表浓度与溶液内部浓度不同的现象叫“吸附溶液的外表张力及溶液的浓度有关，Gibbs c dRT

dcT式中Γ为外表超量mol/2；σ为溶液的外表张力J/m；Tc度mol/3；R为气体常数。d当

00称为正吸附；反之当d

00称为负吸附。前dc

dcTT TT外表张力上升，此类物质称非外表活性物质。因此，从Gibbs关系式可看出，只要测出不同σ～ｃGibbs～液界面上的吸附量Γ。在肯定的温度下，吸附量与溶液浓度之间的关系由Langmuir等温式表示：1南京大学化学化工学院 物理化学试验教案 邱金恒Kc1Kc式中 为饱和吸附量，K为阅历常数，与溶质的外表活性大小有关。将上式化成直线方程则：c c 1c

K假设以

~c作图可得始终线，由直线斜率即可求出 。假设在饱和吸附的状况下，在气～液界面上铺满一单分子层，则可应用下式求得被测物质的横截面积S0。1S 0S为阿佛加德罗常数。仪器与药品0

0 N〕1个，毛细管〔半径为0.15mm～0.020mm〕1根，容量瓶〔50mL〕8只，容量瓶〔100mL〕1只，数字式微压测量仪1台，移液管3根，滴重管1根，洗耳球2个。正丁醇〔分析纯，丙酮〔分析纯。试验方法分为两种：最大气泡法和滴重法〔一、最大气泡法2南京大学化学化工学院 物理化学试验教案 邱金恒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液体的外表张力时管口逸出，这一最大压力差可由数字式微压测量仪上读出。其关系式为p ＝p最大

－p ＝p大气 系统假设毛细管半径为r，气泡由毛细管口逸出时受到向下的总压力为r2p最大气泡在毛细管受到的外表张力引起的作用力为2πrσ。刚发生气泡自毛细管口逸出时，上述压力相等，即r2p最大

r2p＝2r2假设用同一根毛细管，对两种具有外表张力分别为σ、σ

的液体而言，则有以下关系：1 2＝rp1 2 1＝rp2 2 2 p1＝p12＝p22

2＝Kp

〔1〕式中K为仪器常数。

1 1p 12因此，以外表张力的液体为标准，即可求出其它液体的外表张力。〔二、滴重法将肯定量的液体吸入滴重管3南京大学化学化工学院物理化学试验教案邱金恒南京大学化学化工学院物理化学试验教案邱金恒南京大学化学化工学院物理化学试验教案邱金恒南京大学化学化工学院物理化学试验教案邱金恒4455当所形成液滴刚刚落下时，可以认为这时重力和外表张力相等，因而mg＝2r式中m为液滴质量；g为重力加速度；r为管端半径；σ但实际液滴不会全部落下，液体总是发生变形，形成“细颈细颈以下液体滴落，其余残留管内。进展校正后可得 Fm

＝Vρ/Vρ

〔2〕 Fm O O0 0 00m，m0分别为待测液体和标准液体的质量。利用同一根滴重管可以近似的认为F＝F，〔滴数一样并称重，代入上式，即可求得待测液体的外表张力。0三、试验步骤〔一、最大气泡法1、洗净仪器并依据试验装置图搭好。对需枯燥的仪器作枯燥处理；先利用称量瓶准确0.8moL/L100mL0.02moL/L，0.05moL/L，0.10moL/L，0.15moL/L，0.20moL/L，0.25moL/L，0.30moL/L，0.35moL/L50mL。2、记录下试验时温度。3、仪器常数的测定，先以水为待测液测定其仪器常数。方法是将枯燥的毛细管垂直插到使毛细管的端点刚好与水面相切，翻开滴液漏斗，掌握滴液速度，使毛细管逸出的气泡，5s～10s1个。在毛细管口气泡逸出的瞬间最大压差约在700Pa～800Pa左右〔否则需要更换毛细管。可以通过手册查出试验温度时水的外表张力，利用公式，求出仪器常数。4依据仪器常数测定的方法，测定浓度的待测样品的压力差，计算其外表张力。〔二、滴重法将滴重管垂直固定在铁架台上，利用洗耳球加乳胶管将水和待测液体吸入滴重管内，至入枯燥的称量瓶中进展称量，一般为～10〔2测溶液的外表张力。四、教学提问及争论1、如何定义外表活性物质与非外表活性物质？d答：当

00为正吸附时为外表活性物质，当d

00为负Tdc T

dcT T吸附时为非外表活性物质。2、最大气泡法测定中＝r2

p公式在什么状况下成立？答：只有当压力差为最大压力时上述公式才成立。3、毛细管为何每次必需垂直，而且肯定要与液面相切？为最大。4、滴重法测定时为何必需掌握滴速使液体能一滴一滴下落？0 O σ/σ＝Vρ/Vρ0 O 5、σ～c拟合出曲线方程，再求其导数。6．除了本试验的方法外，还有什么别的方法测定外表张力？〔主要由教师介绍。五、教学关键环节及留意点〔一、最大气泡法1、配制溶液时应当计算好溶液所需的量。由于母液仅有100mL，所以配制溶液时必需节约使用，应当从高浓度向底浓度逐份配制。2、测定用的毛细管肯定要洗干净，而且必需滴加丙酮吹洗后再用电吹风吹干，否则气泡可能不能连续稳定的流过而使压差计读数不稳定。3、毛细管肯定要保持垂直，管口刚好插到与液面接触。4、在数字式微压测量仪上，应当认真调整分液漏斗的活塞使得气泡能够尽可能缓慢逸出，然后再读出微压测量仪上的最大压力。5、每次更换溶液时毛细管必需洗净烘干，千万留意不要将异物吹入毛细管内使其堵塞。〔二、滴重法1、必需保持滴重管的端口平坦、光滑，滴重管要始终保持垂直。2、液面高度，滴速和每次的滴数都要保持一样。3、活塞或洗耳球都必需要好好掌握。六、数据处理以及结果要求〔一、数据处理方法1、由试验结果计算出各份溶液的外表张力σ，并作σ～c曲线。

d2、在σ～c曲线上分别在各个浓度的点上作切线，分别求出各浓度的

dc值，并计算各相应浓度下的Γ。c3、用c。4、计算正丁醇分子的横截面积S0〔二、结果要求1、σ～c2c~c作图，直线线性良好。3、正丁醇分子的横截面积S＝2.4×10－19～3.2×10－19m2。0文献值直链醇类S＝2.74×10－19～2.89×10－19m2。0，p77〔1961年〕

T南京大学化学化工学院物理化学试验教案邱金恒南京大学化学化工学院物理化学试验教案邱金恒南京大学化学化工学院物理化学试验教案邱金恒南京大学化学化工学院物理化学试验教案邱金恒67〔三〕数据结果正丁醇质量m=5.9587g试验温度T=17.8℃，T=18.5℃，平均温度T=18.2℃1 218.2℃时

＝73.02×10-3N/m，水1、最大气泡法数据结果水的最大压力p

＝1148Pa，仪器常数K=6.361×10-5N/m·Pa水〔mol/L)p〔Pa〕1043956888803739712672〔mol/L)p〔Pa〕1043956888803739712672638〔N/m〕6.63×10-26.08×10-25.65×10-25.11×10-24.70×10-2c4.53×10-24.27×10-24.06×10-2浓度浓度0.02010.04980.1030.1510.2010.2510.3050.354c〔mol/L〕dc〔mol/L〕ddcTmol/2〕c

~c值0.04980.1030.1510.2010.2510.305-1.3210-1-1.0810-1-7.5010-2-6.1010-2-4.9310-2-3.7510-22.72×10-64.46×10-64.64×10-65.04×10-65.09×10-64.64×10-61.84×1042.24×1043.23×1043.97×1044.91×1046.47×104c从~c

1直线上得到的斜率

＝1.70×105mol/m2所得的正丁醇分子的横截面积 S02、滴重法数据结果称量瓶质量m=11.1722g，m =0.4447g水

N＝2.82×10-19m211c(mol/L)m(g)总c(mol/L)m(g)总m(g)液〔N/m〕0.02010.04980.1030.1510.2010.2510.3050.35411.590611.551611.509311.474511.450611.421111.420811.41200.41840.37940.33710.30230.27840.24890.24860.23986.8706.2305.5354.9644.5714.0874.0823.938×10-2×10-2×10-2×10-2×10-2×10-2×10-2×10-2c4

~c值c〔mol/L〕c〔mol/L〕0.04980.1030.1510.2010.2510.305ddcT-2.2610-1-1.1510-1-9.2010-2-7.0010-2-5.0010-2-3.2010-2mol/2〕c4.66×10-64.75×10-6 5.70×10-6 5.78×10-6 5.16×10-63.96×10-61.07×1042.11×1042.63×1043.46×1044.84×1047.58×104c从~c

1直线上得到的斜率

＝1.70×105mol/m2所得的正丁醇分子的横截面积七、思考题解答

S 10 N

＝2.82×10-19m21、用最大气泡法测定外表张力时为什么要读最大压力差？R=r〔r为毛细管半径〕R=r读最大压力差。2、哪些因素影响外表张力测定结果？如何减小以致消退这些因素对试验的影响？〔〕换毛细管使读数准确。毛细管不干净，或有异物进入毛细管内使得压力读数不稳。应当认真操作使得每一个环节都保持良好的操作步骤。测定过程中温度的变化对外表张力的影响，可以用恒温装置来解决。其它操作上的问题，如毛细管与液面是否相切，毛细管是否垂直等等。3、滴液漏斗放水的速度过快对试验结果有没有影响？为什么？值。应当认真调整活塞，使得放水速度适当，让气泡能够一个一个冒出。八．争论温度对液体和溶液的外表张力的影响是不行无视的，应保持较好的控温条件。示。对于非缔合性液体的外表张力与温度的关系根本上是线性的。 T

[1K(TT)]0 0式中T、0分别为温度T和T0K为外表张力的温度系数。外表自由能和外表张力从不同的角度反映了外表上存在不对称力的同一事实。它们表示。那么表示为外表自由能时其单位是J/m－2,表示为外表张力时其单位是N/m－1〔浓度及其共存的另一相性质的影响。九．教学体会本试验的主要目的是利用两种不同的方法测定外表活性物质的外表张力学期物化试验中唯一的胶体与外表化学局部的试验容进展具体的阐述。本试验的两种方法都要利用到毛细管的根本原理和Gibbs些相关学问是格外必要的。影响外表张力的因素有很多，主要有温度T、压强p、以及溶液的组分nB，本试验中只