物理化学-表面张力及表面吸附量的测定-175

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dA W γδ=- （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：PT dc d RT c 、⎪⎭⎫ ⎝⎛-=Γγ （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。

最大气泡压力法测量溶液中的吸附作用和表面张力摘要：本实验采用最大气泡法测量液体的表面张力。

通过测量不同浓度下正丙醇的表面张力，计算吸附量，求出正丙醇分子的横截面积。

并探讨了表面张力的性质、表面吸附，加深对表面自由能的理解和表面活性剂的了解。

关键词：最大气泡法 表面张力 吸附 横截面积0. 引言在日常生活中, 我们对见到的一些现象可能已经习以为常，比如, 下过雨后, 我们可以见到树叶、草上的小水珠都接近於球形；不小心打碎了体温计后, 里面的水银掉到地上, 小水银滴也呈球形．其实这些现象都与表面张力有关．液体与气体相接触时, 会形成一个表面层, 在这个表面层内存在着的相互吸引力就是表面张力, 它能使液面自动收缩．表面张力是由液体分子间很大的内聚力引起的．处於液体表面层中的分子比液体内部稀疏, 所以它们受到指向液体内部的力的作用, 使得液体表面层犹如张紧的橡皮膜, 有收缩趋势, 从而使液体尽可能地缩小它的表面面积．我们知道, 球形是一定体积下具有最小的表面积的几何形体．因此, 在表面张力的作用下, 液滴总是力图保持球形, 这就是我们常见的树叶上的水滴按近球形的原因．表面张力与我们生活息息相关。

1、实验部分1．1实验原理：物体表面的分子和内部分子所处的境况不同，因而能量也不同，如图11－1，表面层的分子受到向内的拉力，所以液体表面都有自动缩小的趋势。

如要把一个分子由内部迁移到表面，就需要对抗拉力而作功，故表面分子的能量比内部分子大。

增加体系的表面，即增加了体系的总能量。

体系产生新的表面（∆A ）所需耗费功（W ）的量，其大小应与∆A 成正比。

－W =σ∆A (12－1) 如果∆A ＝1m 2，则－W ＝σ，即在等温下形成1m 2新的表面所需的可逆功。

故σ称为单位表面的表面能，其单位为N ·m -1。

这样就把σ看作为作用在界面上每单位长度边缘上的力，通常称为表面张力。

它表示表面自动缩小的趋势的大小。

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。

大学化学实验II实验报告——物理化学实验学院：化学和化工学院专业：班级：姓名实验日期实验时间学号指导教师实验项目名称表面张力的测定实验目的1.掌握最大泡压法测定液体表面的方法，了解表面张力测定的因素。

2.测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力，计算吸附量，并由表面张力的实验数据求分子的表面积。

实验原理表面张力是液体的重要性质之一，它是因表面层分子受力不均衡所引起的。

如液体和其蒸气构成的系统：液体内部的分子和周围分子间的作用力是球形对称的，可以彼此抵消，合力为零，而表面层分子处于力场不对称的环境中，液体内部分子对它的作用力远大于液面上蒸气分子对它的作用力，从而使它受到指向液体内部的拉力作用，故液体都有自动缩小表面积的趋势。

从热力学观点来看，液体表面缩小是使系统总吉布斯函数减小的一个自发过程，如欲使液体产生新的表面ΔA，就需对其做功，其大小应和ΔA成正比：ΔG =W′= γΔA （1）比例系数γ从能量的角度被称为比表面吉布斯函数，即为恒温恒压下形成1m2新表面所需的可逆功，其单位为J•m-2。

从物理学力的角度看，γ可被理解为沿着表面、和表面相切、垂直作用于单位长度相界面线段上的表面紧缩力，即表面张力，其单位是N•m-1。

在定温下纯液体的表面张力为定值，当加入溶质形成溶液时，表面张力发生变化，其变化的大小决定于溶质的性质和加入量的多少。

根据能量最低原理，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，这种表面浓度和内部浓度不同的现象叫做溶液的表面吸附。

在指定的温度和压力下，溶质的吸附量和溶液的表面张力及溶液的浓度之间的关系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程：PTcRTc,⎪⎭⎫⎝⎛∂∂-=Γγ（2）式中，Г为溶质在表面层的吸附量；γ为表面张力；c为吸附达到平衡时溶质的浓度。

引起溶剂表面张力显著降低的物质叫表面活性物质，Г>0，即产生正吸附的物质；反之称为表面惰性物质，Г<0，即产生负吸附的物质。

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。

- 1 -实验 溶液表面张力的测定−−最大压力气泡法一、实验目的1．掌握最大气泡压力法测定表面张力的原理和技术。

2.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。

二、实验原理1. 表面张力在恒温、恒压及组成不变的条件下，使表面积可逆地增加dA ，体系自由能的增量dG 应等于环境对体系所做的表面功-δw ′即dG ＝-δw ′＝σdA (1)式中σ为比例常数，物理意义：恒温恒压组成不变的条件下，增加单位表面积时引起体系自由能的增加值，称为比表面自由能，其量纲为J ·m -2。

其量纲又可以写成N ．m －1, σ还可称为表面张力，其物理意义是沿着与表面相切的方向，垂直作用于表面单位长度上的力。

表面张力是液体的重要特性之一，它与所处的温度、压力、浓度以及共存的另一相的组成有关。

2. 溶液的表面吸附在一定的温度和压力下，溶液表面吸附量与溶液的表面张力和溶液浓度之间的关系：T dc d RT c ⎪⎭⎫ ⎝⎛σ-=Γ (2)式中Γ为表面吸附量（mol ·m -2）, σ为溶液的表面张力（J ·m -2），T 为热力学温度（K ），c 为溶液的浓度（mol ·dm -3），R 为气体常数。

由吉布斯吸附等温式可看出，只要测得某—温度下不同浓度溶液的表面张力，以σ~ c 作图，在σ~ c 的曲线上作不同浓度下的切线，可获得不同浓度所对应的斜率T dc d ⎪⎭⎫ ⎝⎛σ，将斜率代入（2）式中，即可求出不同浓度时气-液界面上的吸附量Γ。

- 2 -3. 饱和吸附量和溶质分子的横截面积在一定的温度下，吸附量Γ与浓度c 之间的关系，可用Langmuir 吸附等温式表示Kc Kc +Γ=Γ∞1 (3)式中Γ∞ 为饱和吸附量，K 为经验常数，其值与溶质的表面活性大小有关。

将上式两边取倒数，即可化成如下直线方程∞∞Γ+Γ=ΓK c c 1 (4) 若以Γc~ c 作图，可得一直线，由直线的斜率可求出Γ∞。

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。

物理化学实验报告溶液表面吸附的测量姓名：学号：班号：指导老师：溶液表面吸附的测量一、实验目的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) 根据吉布斯（Gibbs ）吸附方程式，计算溶质（乙醇）在单位溶液表面的吸附量Γ，并作Γ-c 图。

二、实验原理在定温下，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，根据能量最低原理，若加入的溶质能降低溶剂表面张力时，则溶质在表面层的浓度比在溶液本体的浓度大，反之，若溶质使溶剂表面张力升高，溶质在表面层的浓度小于在溶液本体中的浓度。

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T cRT c )(∂∂-=Γσ （C22.1） 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。

如果溶液表面张力随浓度增加而减小，即T c)(∂∂σ<0，则Γ>0，此时溶液中溶质在表面层中的浓度大于在溶液本体中的浓度，称为正吸附。

如果T c)(∂∂σ>0，则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。

求T c)(∂∂σ值，可以通过镜面法和平行线法，在曲线上做切线。

目前更好的方法是使用计算机处理数据，例如使用数据处理软件origin 或Excel 。

详细内容参见本书绪论部分。

测定液体表面张力的方法较多，如最大气泡压力法、滴体积法、毛细管升高法、环法等，本实验采用最大气泡压力法。

实验装置如图C22.1所示。

短链醇溶液表面张力及表面吸附测定的实验研究周亭;陈俊峰;张志庆;张国栋;王芳珠【摘要】分别测定得到6种短链醇溶液在不同浓度下的表面张力,考察了分子结构对表面张力和吸附性能的影响,提出了适用于综合实验的醇类稀溶液浓度范围,并利用Origin软件分别基于传统数据处理方式和曲线拟合方式计算得到吸附分子的横截面积.通过此实验,力求针对最大压差测定方法、处理实验数据和理论知识点3个目标层次,使学生尽可能全面地掌握表面化学相关实验原理和技术、数据处理方法,加深影响表面张力和吸附测定的因素和相应的概念、理论的理解,努力培养和提高学生实际应用能力.【期刊名称】《实验室研究与探索》【年(卷),期】2019(038)001【总页数】5页(P27-30,68)【关键词】表面张力;饱和吸附量;最大压差;吸附等温式【作者】周亭;陈俊峰;张志庆;张国栋;王芳珠【作者单位】中国石油大学(华东)理学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)化学工程学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)理学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)理学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)理学院,山东青岛266580【正文语种】中文【中图分类】O6470 引言溶液表面吸附与表面张力测定实验是化学、化工、应用化学、环境和材料等专业开设的一个重要的物理化学基础实验，该实验的测定原理和数据处理过程几乎涉及到表面化学中所有重要的基本概念和公式[1-2]，例如表面张力、表面过剩、饱和吸附量、覆盖度(或吸附率)、吸附分子的横截面积、Laplace方程、Gibbs吸附公式和Langmuir吸附等温式等等，而且许多现象，如毛细现象、润湿现象、吸附现象等与表面张力相关，3次采油、原油管道运输、化工传质分离、矿物浮选和环境监测等领域也都与液体的表面张力和吸附息息相关[1]。

目前，用以测定溶液表面张力和表面吸附的方法很多，如毛细管上升法、吊环法、最大压差法、滴体积法和悬滴法等[3-4]。

溶液表面张力的测定及等温吸附周韬摘要：实验利用最大气泡法测定溶液的表面张力。

利用已知表面张力的溶液测定毛细管的仪器常数，然后利用测定的仪器常数测定含不同量溶质的溶液的表面张力，并且根据吉布斯吸附方程和Langmuir吸附等温式画出吸附等温线，求出了饱和吸附量等一系列数据。

关键词：表面张力；最大气泡发；附加压力；等温吸附；饱和吸附量。

1.前言贡雪东等人的“最大气泡法测溶液表面张力的改进”[1]实验中，采用在试管上做标记的方法来快速调节毛细管与液面相切。

由于实验的本身并不是非常耗时，并且相切步骤比较容易调节，所以本实验没有采用标记的方法。

)T的计算基本上都是通过γ对现在用气泡法测定正丁醇表面张力的实验(ðγðcc作图，然后运用切线法求得。

这种方法在实验数据的处理上显得非常的繁琐。

向明礼等人的“Origin 对溶液σ-c 关系的非线性拟合”[2]中提到了运用希斯科夫斯基经验公式法对其进行了求导计算。

这种方法在数据处理上占有一定的优势。

所以本实验的数据处理也采用了该经验公式的方法。

2.实验部分2.1原理一.表面张力的测定本次实验利用最大气泡法测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力，并利用表面张力计算等温吸附的一系列数据。

图1为本次实验所用到的实验装图1最大气泡发实验装置置图。

当装置中毛细管（2）尖端与表面张力仪中的液面相切时，液体沿毛细管上升（毛细管现象）。

当打开滴液漏斗3的活塞使其中的液体缓慢滴出时，表面张力仪与外界气压形成一个压力差，压力差大于毛细管管口液体的表面张力时，气泡从毛细管中逸出，此时的压力差为最大压力差（也就是附加压力Δp），可由数字式微压测量仪测定。

此附加压力与毛细管内液体的表面张力γ成正比，与气泡的曲率半径R成反比，其关系式为：Δp=2γ/R 式1当毛细管的半径很小时，形成的最大气泡基本为球形。

在气泡刚开始形成的时候，表面几乎是一个平面，此时的曲率半径最大，随着气泡的增大，曲率半径逐渐减小。

实验十九表面吸附量的测定预习题1 •为什么表面活性物质水溶液的表面张力随溶液浓度的变化而变化？2 •用气泡最大压力法测表面张力时，为什么气泡必须均匀缓慢冒出？3 •为什么毛细管端要刚好与液面接触？若毛细管端浸入溶液，则使最大压力差变大还使变小? 为什么？4 •毛细管常数如何测定？5 •表面吸附量r的物理意义是什么？6 .浓度为4.00 TO-4 mol L・-1时的溶液表面吸附量如何得到？此表面吸附量的单位是什么？7 •分析影响本实验结果的因素有哪些？一.实验目的1 •用气泡最大压力法测定十六烷基三甲基溴化铵水溶液的表面张力。

从而计算溶液在某一浓度时表面吸附量r2 •熟悉斜管压力计的使用方法。

二•实验原理1 •在指定的温度下，纯液体的表面张力是一定的，一旦在液体中加入溶质成溶液时情况就不同了，溶液的表面张力不仅与温度有关，而且也与溶质的种类，溶液浓度有关。

这是由于溶液中部分分子进入到溶液表面，使表面层的分子组成也发生了改变，分子间引力起了变化，因此表面张力也随着改变，根据实验结果，加入溶质以后在表面张力发生改变的同时还发现溶液表面层的浓度与内部浓度有所差别，有些溶液表面层浓度大于溶液内部浓度，有些恰恰相反，这种现象称为溶液的表面吸附作用。

根据吉布斯吸附等温式一如一1代（1）RTdc 2.303RT d lg c式中，r代表溶液浓度为c时的表面上溶质的吸附量（mol m-2）, c代表平衡时溶液浓度（mol L-1）, R为理想气体常数（8.314 J mol-1 K-1） , T为吸附时的温度（K）。

从（1）式可看出，在一定温度时，溶液表面吸附量与平衡时溶液浓度c和表面张力随浓度变化d -率——成正比关系。

dcd -当0时，r> 0表示溶液表面张力随浓度增加而降低，则溶液表面发生正吸附，此时溶液dc表面层浓度大于溶液内部浓度。

d :二当0时，r < 0表示溶液表面张力随浓度增加而增加，则溶液表面发生正吸附，此时溶dc液表面层浓度小于溶液内部浓度。