表面张力实验数据记录与处理

溶液表面张力的测定——最大气泡法

实验者：杨岳洋 同组实验者：张知行

学号：2015012012 班级：材54

实验日期：2016年10月10日

助教：汤妍

1 引言

1.1实验目的

（1）测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力。

（2）根据吉布斯公式计算正丁醇溶液的表面吸附量。

（3）掌握用最大气泡法测定表面张力的原理和技术。

1.2实验原理

在液体内部，任何分子受周围分子的吸引力是平衡的。可是表面层的分子受内层分子的吸引与受表面层外介质的吸引并不相同，所以，表面层的分子处于力不平衡状态，表面层的分子比液体内部分子具有较大势能，如欲使液体产生新的表面，就需要对其做功。在温度、压力和组成恒定时，可逆地使表面积增加dA所需做的功为

dAWγδ （1）

比例系数γ表示在等温等压下形成单位表面所需的可逆功，其数值等于作用在界面上每单位长度边缘的力，称为表面张力。

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，由于溶质使溶剂表面张力发生变化，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，表面层溶质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浓度及溶液的表面张力随浓度的变化率有关，从热力学方法可知它们之间的关系遵守吉布斯公式：

PTdcdRTc、 （2）

式中：Г为表面吸附量（mol•m-2）；γ为表面张力（N•m-1）；c为溶质的浓度（mol•m-3）；T为热力学温度（K）；R 为摩尔气体常数（8.314 J•mol•K-1）。

Г值可正可负，正值为正吸附，负值为负吸附。显然，Г不仅能表明吸附的性质，而且其值还能说明表面吸附的程度：Г=0表明无吸附现象；其值越远离0；表明吸附程度越大。

液体表面张力系数测定的实验报告

一、实验目的

1、 掌握用拉脱法测量液体表面张力系数的原理和方法。

2、 学习使用力敏传感器测量微小力的原理和方法。

3、 研究液体表面张力系数与液体温度、浓度等因素的关系。

二、实验原理

液体表面层内分子受到指向液体内部的拉力，使得液体表面有收缩的趋势。要使液体表面增大，就需要克服这种内聚力而做功。单位长度上所受的这种力称为表面张力，其大小与液体的种类、温度和纯度等因素有关。

拉脱法测量液体表面张力系数的基本原理是：将一个金属圆环水平地浸入液体中，然后缓慢地将其拉起，在拉起的过程中，圆环会受到液体表面张力的作用。当圆环即将脱离液面时，所施加的拉力等于液体表面张力与圆环所受重力之差。

设圆环的内半径为$r_1$，外半径为$r_2$，拉起圆环所需的拉力为$F$，液体的表面张力系数为$＼sigma$，则根据力的平衡条件，有：

＄F ＝ （π(r_2^2 r_1^2)）＼sigma$

从而可得液体表面张力系数： ＄＼sigma ＝ ＼frac{F}｛π(r_2^2 r_1^2)｝＄

在本实验中，拉力$F$通过力敏传感器测量，其输出电压$U$与拉力$F$成正比，即$F ＝ kU$，其中$k$为力敏传感器的灵敏度。

三、实验仪器

1、 液体表面张力系数测定仪。

2、 力敏传感器。

3、 数字电压表。

4、 游标卡尺。

5、 纯净水、洗洁精溶液等。

四、实验步骤

1、 仪器安装与调试

将力敏传感器固定在铁架台上，使其探头向下。

将数字电压表与力敏传感器连接，调整零点。

用游标卡尺测量金属圆环的内半径$r_1$和外半径$r_2$。

2、 测量纯净水的表面张力系数

将洗净的金属圆环挂在力敏传感器的挂钩上，调整升降台，使圆环浸入纯净水中。 缓慢地向上移动升降台，观察数字电压表的示数变化。当圆环即将脱离液面时，记录电压表的示数$U_1$。

重复测量多次，取平均值。

3、 测量不同温度下纯净水的表面张力系数

最大气泡压力法测定溶液的表面张力

一、实验目的

1. 了解表面自由能、表面张力的意义及表面张力与吸附的关系。

2. 掌握最大气泡压力法测定表面张力的原理和技术。

3. 通过测定不同浓度乙醇水溶液的表面张力，计算吉布斯表面吸附量和乙醇 分子的横截面积，进一步了解表面张力、表面自由能、表面张力和吸附量关系的 理解。

技能要求：掌握表面张力测定仪的使用方法，实验数据的作图处理方法

二、实验原理

在温度、压力、组成恒定时，每增加单位表面积，体系的吉布斯自由能的增 值称为表面吉布斯自由能，用二表示，也可以看作是垂直作用在单位长度相界面 上的力，即表面张力（N m-2 ）。液体的表面张力与温度有关，温度越高，表面 张力越小，当到达临界温度时，液体与气体不分，表面张力趋于零。液体的表面 张力与液体的浓度有关，在溶剂中加入溶质，表面张力就会发生变化，并且，决 定于溶质的本性和加入量的多少。

如果溶质的加入能降低表面吉布斯自由能，则边面层溶质浓度比溶液本体浓 度大；如果溶质的加入能升高表面吉布斯自由能， 则边面层溶质浓度比溶液本体

浓度小；在一定温度和压力下，溶质的表面吸附量与溶液的表面张力有关， 并符

合：

=_RT(X)T

上式称为吉布斯等温（GibbS）吸附方程，式中-为表面吸附量（mol m-2）；

C为溶液浓度（mol L-）； T为绝对温度（K）； ▽为溶液的表面张力。

由GibbS公式可以看出， 若（丄）T 0 ,贝U - 0 ,称为正吸附，即溶液表

CC 面层浓度大于本体溶液浓度，这种溶质称为表面活性物质；若 ^)T 0 , - ： 0 ,

GC

为负吸附，即溶液表面层浓度小于本体溶液浓度，这种溶质称为非表面活性物质。

GibbS公式表明，只要测得溶液的浓度和表面张力关系，就可求得各种不同浓度 下溶液的吸附量:。

吸附量与浓度之间的关系也可以用 Langmuir等温吸附方程式表示，即： 空

十kc

实验四液体表面张力的测定

一、实验目的

1．了解表面张力的性质，表明自由能的意义以及表面张力和吸附的关系；

2．掌握用最大泡压法测定表面张力的原理和技术；

3．测定不同浓度乙醇的表面张力。

二、实验原理

在定温定压条件下，纯溶剂的表面张力为定值。当其中加入可以降低溶剂表面张力的溶质后，根据能量最低原理，表面层中溶质的浓度比溶液内部大；反之若溶质能使溶剂表面张力提高时，则溶质在表面层中的浓度低于溶液内部，上述溶液内部与表面层溶质浓度不同的现象叫表面吸附。液体单位表面的表面能和它的表面张力在数值上是相等的。

液体的表面张力与温度有关，温度愈高，表面张力愈小。到达临界温度时，液体与气体不分，表面张力趋近于零。液体的表面张力也与液体的纯度有关。在纯净的液体（溶剂）中如果掺进杂质（溶质），表面张力就要发生变化，其变化的大小决定于溶质的本性和加入量的多少。

当加入溶质后，溶剂的表面张力要发生变化。把溶质在表面层中与本体溶液中浓度不同的现象称为溶液的表面吸附。使表面张力降低的物质称为表面活性物质。用吉布斯公式表示：TdcdRTC其中G为吸附量（mol.m2）,为表面张力（N/m）,C为溶液的浓度（mol/m3），T为绝对温度（K），R为气体常数（8.314N.m.mol-1.K-1）。

根据上述关系，确定吸附量首先得测定表面张力和浓度之间的关系。本实验旨在用最大泡压法测定表面张力。其原理如下：

从浸入液面下的毛细管端鼓出空气泡时，需要高于外部大气压的附加压力来克服气泡的表面张力，该附加压力P与表面张力成正比，与气泡的曲率半径R成反比，其关系式为：RP2。

如果毛细管很小，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，气泡半径最大；但随着气泡的形成，曲率半径逐渐减小，直到形成半球形，这时的曲率半径R与毛细管的半径r相等，曲率半径达到最小值，这时附加压力达到最大值。气泡进一步长大，R变大，附加压力则变小，直到气泡逸出。当R气泡半径等于毛细管半径r时的最大附加压力为： maxmax2hgrP