2-溶液的表面张力与表面吸附

实验二十七 溶液表面吸附和表面张力测定
1、本实验中，如果毛细管口深入液面1mm，会给实验带来多大偏差？
答：由水的密度ρ=997.044kg/m3，可知1mm水柱产生的附加压强为
P=ρgh=9.77Pa，这样就会使测量结果偏大
2、如果分液漏斗水放的过快，会给实验带来怎样的误差？为什么实验要尽量放慢鼓泡速度？ 答：如果滴水速度过快，会造成最大压强差测量值ΔPm偏大。

放慢滴水速度能保证正丁醇在
气泡表面吸附平衡，防止产生正偏差。

3、测量液体表面张力时，仪器及液体的“清洁”特别重要，为什么？
答：液体表面张力受到液体内或者液面形状的影响，不清洁的仪器会干扰液体表面张力，计算最终造成结果出现偏差。

4、本实验要求由稀至浓逐个测定不同浓度溶液的表面张力，可以按照由浓至稀顺序测定，或者无一定顺序测定吗？哪种做法好些？
答：不能更换顺序，因为我们使用同一个毛细管测定表面张力，由稀至浓的顺序可以减少毛细管上的残留液对后来溶液测定值的影响，减小实验误差。

溶液中的吸附作用及表面张力的测定中国科学技术大学少年班学院摘要：本实验通过最大气泡压力法对不同浓度的正丁醇溶液的表张力进行测定，并由此计算溶液界面上的吸附量并由饱和时吸附量的值计算得到正丁醇的分子截面积。

关键词：最大气泡压力法，表面张力，正丁醇，表面吸附1前言对于液体而言，其界面和表面处的性质尤为重要，可以决定其很多用处，而对于这部分性质而言，表面张力是其中最重要的一个数值，例如表面活性剂和表面吸附都要以表面张力为基础。

对于表面张力的测定则由很多方法，例如液膜法和泡压法，本实验采用的泡压法是利用溶液中气泡在涨破瞬间的压力来计算得到表面张力数值的。

2实验部分2.1实验仪器及试剂HK-2A型超级恒温水浴DMP-2B型数字式微压差测量仪Perfluid Model BT50b 气泵恒温套管，毛细管，100mL容量瓶，2mL移液管正丁醇，蒸馏水，铬酸洗液2.2实验设计2.2.1吸附量的求得吸附量定义为溶液中表层与里层浓度之差，曾经有人用刮下表层液膜并测定其中溶质浓度的方法来计算吸附量，这种方法虽然来自于最原始的对于吸附量的定义，但是用刀片刮下表层液膜这一点上操作起来十分困难，而吉布斯则从热力学上对吸附量的数值进行了推导，得到了吸附量与其他各个热力学函数之间的关系式：Γ=−cRT (ðσðc)T(1)其中σ为溶液的表面张力，c为溶液浓度，T为温度，溶液浓度和温度都容易得到，故此时的任务便是求得(ðσðc )T项，为了求出偏导数的值，则至少要测量多组表面张力-浓度数据，而其中表面张力的测定便要用到最大气泡压力法。

2.2.2最大气泡压力法测定表面张力对于毛细管口处的一个气泡而言，它受到内外两个压力差的作用，同时还受到毛细管口一圈处表面张力的作用，在表面张力的作用下，气泡仍然停留在管口处不溢出，而当气压差达到一定大小的时候，表面张力无法再维持住气泡，则气泡此时会从管口溢出，在溢出时，两个作用力大小应该相等，可以得到关系式：2πrσ=ρg∆P (2)等式左侧为气泡受到的表面张力，其中r为毛细管管口半径，右侧则为压力差在气泡上的作用力，在测定的时候，∆P的数值可以从微压计上读出，但是毛细管半径和溶液密度的数值则不易得到，而在溶液密度变化不大的情况下，对于两个情况下的表面张力和压力差数值，可以近似得到：∆P1∆P2=σ1σ2(3)由上式可以得知，只要在某种已知表面张力的液体中进行一次测定，之后每一次便都可以通过压力差的数值得到表面张力的数值，定义K′=σ1∆P1为毛细管常数，则对于某一固定的毛细管而言，此常数为一定值，而某一情况下的表面张力则可以表达为σ=K′∆P (4)由此便可以计算得到任意情况下的表面张力数值。

一、实验目的和要求1、加深理解表面张力、表面吸附等概念以及表面张力和吸附的关系。

2、掌握用最大气泡法测定溶液表面张力的原理和技术。

二、实验内容和原理最大气泡法是测定液体表面张力的方法之一，它的基本原理如下：当玻璃毛细管一端与液体接触，并往毛细管内加压时，可以在液面的毛细管口处形成气泡。

气泡的半径在形成过程中先由大变小，然后再由小变大。

设气泡在形成过程中始终保持球形，则气泡内外的压力差△p （即施加于气泡的附加压力）与气泡的半径r 、液体表面张力σ之间的关系可又拉普拉斯（Laplace ）公式表示，即2p r σ∆=（1）显然，在气泡形成过程中，气泡半径由大变小，再由小变大，所以压力差△p 则由小变大，然后再由大变小。

当气泡半径r 等于毛细管半径R 时，压力差达到最大值max p ∆。

因此max 2p R σ∆=（2）由此可见，通过测定R 与max p ∆，即可求得液体的表面张力。

由于毛细管的半径较小，直接测量R 误差较大。

通常用一已知表面张力为0σ的液体（如水、甘油等）作为参考液体，实验测得其对应的最大压力差为0,maxp ∆。

可得被测液体的表面张力σ1=σ2*(△p1/△p2)=K △p1 （3）本实验中用DMP-2B 型数字式微压差测量仪测量，该仪器可直接显示以Pa 为单位的压力差。

对纯溶剂而言，表面层与内部的组成是相同的，但对溶液来说却不然。

当加入溶质后，溶剂的表面张力会发生变化。

根据能量最低原则，溶质能降低溶剂的表面张力时，表面层中溶质的浓度比溶液内部的大，反之，溶质使溶剂的表面张力升高时，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，溶液表面吸附溶质的量与溶液的表面张力和加入溶质的量（即溶液的浓度）有关，从热力学方法可知它们间的关系遵守吉布斯吸附方程：（4）式中：Γ吸附量（mol/m2）；σ为表面张力（N/m ）；T 为绝对温度；c 为溶液浓度（mol/m3）；R 为气体常数，R=8.314J ·mol －1·K －1。

最大气泡法测定正丁醇的表面张力1.引言溶液表面张力的测定为了解系统的界面性质、表面层结构及表面分子间的相互作用提供了有力依据，而强化采油、泡沫或乳状液的制备、生命过程及许多发生在气-液界面上的自然现象，在很大程度上都受到表面活性剂吸附和脱附的影响，因此表面张力的测定有重要意义。

测定溶液表面张力的方法主要有：最大气泡法、拉环法、滴重（滴体积）法、毛细管升高法、吊片法、振荡射流法、旋滴法和滴外形法等。

本实验采用的最大气泡法是基于测定毛细管内外压力差即附加压力进而求得表面张力的一种常用方法，特别适用于测定熔融金属及窑炉中的液体等不易接近而需远距离操作的液体系统。

2.实验原理当装置2的毛细管尖端与待测液体相切时，液面即沿毛细管上升，打开滴液漏斗3的活当此压力差在毛细管尖端产生的作用力稍大于毛细管管口液体的表面张力时，气泡就从毛细管口逸出，这一最大压力差可由数字式微压差测量仪测出：P P P P ∆=-=系统大气最大（1）毛细管内气体压力必须高于大试管内液面上压力的附加压力以克服气泡的表面张力，此附加压力∆P 与表面张力γ成正比，与气泡的曲率半径R 成反比，其关系式为 R P γ2=∆（2） 如果毛细管半径很小，则形成的气泡基本上是球形的，当气泡刚开始形成时，表面几乎是平的，这时曲率半径最大，随着气泡的行程曲率半径逐渐变小，直到形成半球形，这时曲率半径R 与毛细管内半径r 相等，曲率半径达到最小值。

由式（2）可知此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。

R=r 时的最大附加压力r 2m γ=∆P ，于是得m 2r P ∆=γ。

当使用同一根毛细管及相同的压差计介质时，对两种具有表面张力为1γ，2γ的液体而言，γ正比于P ∆,且同温度下：2121//P P ∆∆=γγ,若液体2的2γ为已知，则：12121/P K P P ∆=∆∆=γγ（3）式中：K 为仪器常数，可用已知表面张力的液体2来测得，因此，可通过式（3）求得1γ。

实验33 溶液表面张力及吸附分子横截面积的测定预习要求1． 液体表面张力的概念。

2． 溶质对溶液表面张力的影响的类型。

3． 测定表面张力在恒温槽中进行的原因。

4． 思考本实验中测标准样品的表面张力的目的。

实验目的1． 学习用最大气泡压力法测定溶液的表面张力。

2． 了解吉布斯方程在溶液表面吸附中的实验应用。

3． 了解溶液表面吸附分子的横截面积的测量方法。

实验原理1．表面张力σ与溶液表面的过剩物质的量Γ表面张力，也称为比表面自由能，即单位表面积的表面分子比体相分子多余的能量。

表面张力是液体的重要特性之一，与温度、压力、组成和共存的另一相有关。

纯液体的体相与表面相的组成相同，因此在温度、压力不变时，纯液体降低表面张力的唯一途径是尽量缩小表面积。

而对溶液，溶质的种类和浓度都会影响表面张力。

溶质对溶液表面张力的影响有三种情况：①溶质浓度增加引起溶液表面张力增大；②溶质浓度增加引起溶液表面张力减小；③少量溶质使溶液的表面张力急剧减小，当达到某一临界浓度时，溶液的表面张力几乎不变，见图3-20。

根据能量最低原则，能降低溶液表面张力的物质，其在表面相的浓度必然大于在体相的浓度，否则反之。

这种表面相的浓度与体相浓度不同的现象，叫“吸附”。

在指定的温度和压力下，定量地描述这一规律的方程是Gibbs 等温吸附方程：()c RT c ΓTd d σ-= （3-35） 式中，Γ 为表面过剩物质的量（mol·m -2）。

对某些溶液（如电解质溶液），式中的浓度c 要用活度a 代换。

当（d σ/d c ）T ＞0，Γ＜0，称为负吸附（图3-20曲线①）；当（d σ/d c ）T ＜0，Γ＞0，称为正吸附（曲线②③）。

本实验研究正吸附的情况。

只要获得了溶液表面张力随溶质浓度的变化曲线，就可用微分法得到某一浓度下的（d σ/d c ）T，然后依据式（3-35）得到表面过剩物质的量Γ。

2．饱和表面过剩物质的量与吸附分子的横截面积在一定温度下，若溶质在溶液表面是单分子层吸附，则表面过剩物质的量Γ与溶液浓度之间的关系可由Langmuir 等温式表示：Kc1Kc ΓΓ+=∞ （3-36） Γ∞ 为饱和表面过剩物质的量，K 为经验常数，与溶质的性质有关。

实验十二溶液中的吸附作用和表面张力的测定摘要：本实验采用最大气泡压力法测定了液体表面张力，通过对不同浓度下正丙醇溶液的表面张力研究其和浓度之间的关系。

初步探讨了表面张力的性质、表面能的意义以及表面张力和吸附作用的关系。

关键词：吸附作用、表面张力、最大气泡法The measurement of the adsorption effect andsurface tensionAbstract：In this experiment, according to Gibbs formula and Langmuir equal-temperature equation, we apply the biggest bladder pressure method to research the relationship between the amount of absorption and the consistency of a substance in the solution besides the surface tension. The phenomenon show that the consistency of a substance in the surface of the solution is different from that inside is called absorption.Keyword：Surface tension, The biggest bubble pressure method, Absorption effect1. 序言物体表面的分子和内部的分子所处的境况不同，因此能量也不同，表面张力就是内部分子对表面分子的作用力，它是液体的重要属性之一，与所处的温度、压力、液体的组成共存的另一面的组成等因素都有关。

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。

班级： 姓名： 实验室： 台号： 日期： 实验十二 溶液表面张力的测定及等温吸附一目的1、掌握最大气泡压力法测定溶液表面张力的原理和方法。

2、了解溶液表面吸附，并比较吉布斯吸附等温式和兰格缪尔吸附等温式。

二，任务拟定溶液配制方案，设计实验装置。

三、原理本实验采用最大气泡法测定液体的表面张力，将待测液体装入表面张力仪中，使玻璃毛细管下端与液面相切，若液体能润湿管壁，则液体沿毛细管上升形成凹液面，其液面所受压力P '为大气压力P 0和附加压力ΔP 。

根据拉普拉斯（Laplace ）方程：r P σ2=∆ ②式中：r 为弯曲液面曲率半径；σ为液体与气体表面（界面）张力。

因是凹液面，弯曲液面的曲率半径（指向大气）。

在定温下，纯物质液体的表面层与本体（内部）组成相同，根据能量最低原理，为降低体系的表面吉布斯自由能，将尽可能地收缩液体表面。

对溶液则不同，加入溶质后，溶剂表面张力发生变化。

溶质在溶液表面层与在溶液本体中浓度不同的现象称为溶液的表面吸附，即溶液借助于表面吸附来降低表面吉布斯自由能。

溶液表面吸附溶质的量Γ与表面张力σ、浓度c 有关，其关系符合Gibbs 吸附方程Tc RT c )(∂∂-=Γσ ① 式中：Γ吸附量；c 溶液浓度；T 温度；R 气体常数；σ表面张力或表面吉布斯自由能。

T c)(∂∂σ表示在一定温度下，表面张力随浓度的变化率。

Γ>0，称为正吸附。

Γ<0，称为负吸附。

在一定温度下，测定不同浓度溶液的表面张力σ，以σ对c 作图，求不同浓度时的T c)(∂∂σ值。

由Gibbs 吸附方程求各浓度下的吸附量Γ。

四、设计提示（1）用已知浓度的溶液，配制低浓度的溶液时，以成倍稀释较为容易，也可以取一定量已知浓度的溶液，定容稀释配制。

(2)试管要洗干净，装试液时，应调节液面使毛细管底端刚好与液面接触，并保持垂直。

(3)测定试液时，应从稀到浓测定每次更换浓度不同的溶液时需要用待测液清洗试样管各毛细管三次。