最大气泡法测表面张力实验报告

最大气泡法测表面张力实验讲义1

最大气泡法测定表面张力

一、 实验目的

1、 用气泡最大压力法测定乙醇水溶液的表面张力。从而计算溶液在某一浓度C时的表面吸附量；

2、 学会使用表面张力试验组合装置；

3、 学会对lnC作图求。

二、 实验原理

1、 在指定温度下，纯液体的表面张力是一定的，如果在液体中加入溶质而成溶液时，情况就发生了变化。我们说溶液的表面张力不仅与温度有关，而且也与溶液的种类，溶液浓度有关。这是由于溶液中部分溶质分子进入到溶液表面，使表面层的分子组成发生了改变，分子间引力起了变化，因而表面张力也随着改变，根据实验结果证明，加入溶质以后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何差别，有些溶液表面层浓度大于溶液内部浓度，有些恰恰相反，这种现象称为溶液浓度表面吸附作用。

按吉布斯吸附等温式CddRTdcdRTCln1，其中代表溶液浓度为C时的表面吸附量（mol/cm2），C代表平衡时溶液浓度（mol/1），R为气体常数（8315×107mol·K），T为吸附时的温度。

由上（1）式可看出，在一定温度时，溶液表面吸附量是与平衡时溶液浓度C和表面活度dcd或cddln成正比关系。

当dcd＜0时，＞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。

我们把能产生显著正吸附的物质（即有显著降低溶液表面张力的物质）称为表面活性物质。本实验用表面活性物质十六烷基三甲基溴化铵配制成一系列不同浓度的水溶液，分别测定这些溶液的表面张力，然后以对lgC作图，得一曲线，求曲线上某一点的斜率（d/dlgC），可计算相应于该点浓度时溶液的表面吸附量。

2、 本实验测定各溶液的表面张力采用气泡最大压力法，此法原理的当毛细管与液面相接触时，由毛细管内加压（或在溶液体系内减压）则可以在液面的毛细管出口处形成气泡。如果毛细管半径很小，当开始形成气泡时，表面几乎是平的，即这时的曲率半径最大，随着气泡的形成，曲率半径逐渐变小直到形成半球形，这时曲率半径R与毛细管半径r相等，曲率半最大气泡法测表面张力实验讲义2

实验二十三 最大气泡法测定溶液表面张力的测定

1 实验目的

(1) 测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力，计算吸附量。

(2) 掌握最大气泡法测定溶液表面张力的原理和技术。

(3) 了解气液界面的吸附作用，计算表面层被吸附分子的截面积及吸附层的厚度。

2 实验原理

从热力学观点来看，液体表面缩小是一个自发过程，这是使体系总自由能减小的过程，欲使液体产生新的表面ΔS，就需对其做功，其大小应与ΔS成正比:

SW' (1)

如果ΔS为1m2，则-W′=σ是在恒温恒压下形成1m2新表面所需的可逆功，所以σ称为比表面吉布斯自由能，其单位为J·m-2。也可将σ看作为作用在界面上每单位长度边缘上的力，称为表面张力，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。水溶液表面张力与其组成的关系大致有三种情况：

①随溶质浓度增加表面张力略有升高；

②随溶质浓度增加表面张力降低，并在开始时降得快些；

③溶质浓度低时表面张力就急剧下降，于某一浓度后表面张力几乎不再改变。

以上三种情况溶质在表面上的浓度与体相中的都不相同，这种现象称为溶液表面吸附。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。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之间的关系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程:

(2)

式中，Г为溶质在表层的吸附量;σ为表面张力;C为吸附达到平衡时溶质在介质中的浓度。

当 <0时，Г>0称为正吸附；当 >0时，Г<0称为负吸附。通过实验若能测得表面张力与溶质浓度的关系，则可作出－C 或 lnC 曲线，并在此曲线上任取若干点作曲线的切线，这些切线的斜率就是与其相应浓度的TC)(或TC)ln(，将此值代入2式便可求出在此浓度时的溶质吸附量Γ。吉布斯吸附等温式应用范围很广，但上述形式仅适用于稀溶液。 引起溶剂表面张力显著降低的物质叫表面活性物质，被吸附的表面活性物质分子在界面层中的排列，决定于它在液层中的浓度，这可由图4.1看出。图4.1中(1)和(2)是

1 实验十一 最大气泡法测定溶液的表面张力

11.6数据记录及处理

(一) 乙醇溶液的实验数据

11.5.1乙醇溶液的配制

表1. 乙醇溶液的配制

室温 25.00 ℃；实验温度 30.00 ℃；大气压 96.18 kPa

11.5.2仪器常数的测定

表2. 仪器常数的测定

室温 25.00 ℃；实验温度 30.00 ℃；大气压 96.18 kPa

待测物质 pH2O /Pa σ

/N·m-1 仪器常数K

/N·m-1·Pa-1 1 2 3 平均值

H2O 885 884 883 884 71.18×10-3 8.052×10-5

计算公式：K=σH2O/pH2O (N·m-1·Pa-1)

11.5.3乙醇溶液表面张力的测定

表3. 乙醇溶液表面张力的测定

室温 25.00 ℃；实验温度 30.00 ℃；大气压 96.18 kPa

乙醇浓度

/mol·m-3 Δp/Pa σ

/N·m-1 1 2 3 平均值

930.9 680 680 680 680 0.0548

1934.6 578 578 578 578 0.0465

2427.1 533 532 533 533 0.0429

3911.9 453 452 453 453 0.0365

5294.3 402 402 402 402 0.0324

6550.6 361 361 361 361 0.0291

7587.9 345 345 345 345 0.0278

9633.0 316 316 316 316 0.0254

11.5.4作σ~c图，求出曲线上不同浓度c点处的(әσ/әc)T,p，并计算相应浓度的Γ。 容量瓶编号 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8#

m乙醇/g 4.2887 8.9148 11.184 18.026 24.396 30.185 34.965 44.389

c乙醇=m乙醇/M乙醇/(100×10-3) /mol·dm-3，M乙醇= 46.08g.·mol-1

1 实验十一 最大气泡法测定溶液的表面张力

11.1实验目的

11.1.1测定不同浓度正丁醇水溶液的表面张力，计算表面吸附量和正丁醇分子的横截面积；

11.1.2了解表面张力的性质，表面自由能的意义以及表面张力和吸附的关系；

11.1.3 掌握用最大泡压法测定表面张力的原理和技术。

11.2实验原理

11.2.1表面自由能

物体表面分子和内部分子所处的境遇不同，表面分子受到向内的拉力，所以液体表面都有自动缩小趋势。如果把一个分子由内部迁移到表面，就需要对抗拉力而做功。在温度、压力和组成恒定时，可逆地使表面增加dA所需做的功，叫表面功，可表示为：

-δW′= σdA (11.1)

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表面积时所必须对体系做的可逆非膨胀功，也可以说是每增加单位表面积时体系自由能的增加值。环境对体系作的表面功转变为表面层分子比内部分子多余的自由能。因此，σ称为表面自由能，其单位是J·m-2。若把σ看作为作用于每单位长度边缘上的力，通常称为表面张力。

从另外一方面考虑表面现象，特别是观察气液界面的一些现象，可以觉察到表面上处处存在着一种张力，它力图缩小表面积，此力称为表面张力，其单位是N·m-1。表面张力是液体的搬弄是重要特性之一。与所处的温度、压力、浓度以及共存的另一相的组成有关。纯液体的表面张力通常是指该液体与饱和了其本身蒸气的空气共存的情况而言。

11.2.2溶液的表面吸附

纯液体表面层的组成与内部组成层相同，因此，液体降低体系表面自由能的唯一途径是尽可能缩小其表面积。对于溶液则由于溶质会影响表面张力，因此可以调节溶质在表面的浓度来降低表面自由能。 2 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应比溶液的内部来得大；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来得低，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。从热力学方法可知它们之间的关系遵守Gibbs吸附方程：