最大气泡压力法测定液体的表面张力
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实验七 最大气泡压力法测定液体的表面张力
一、实验目的
1、用最大气泡法测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力，计算溶液表面吸附量、被吸附分子的截面积和吸附层厚度。
2、掌握最大气泡法测定溶液表面张力的原理和技术。
二、实验原理
一定温下纯液体的表面张力σ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。
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，这种表面浓度与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:
T
C RT
C σ∂⎛⎞Γ=−
⎜⎟∂⎝⎠ 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0T C σ∂⎛⎞<⎜⎟∂⎝⎠时，Г>0称为正吸附；当0T
C σ∂⎛⎞
>⎜⎟∂⎝⎠时，Г<0称为负吸附。
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. 当界面上被吸附分子的浓度增大时，它的排列方式在改变着，最后，当浓度足够大时，被吸附分子盖住了所有界面的位置，形成饱和吸附层。
这样的吸附层是单分子层，随着表面活性物质的分子在界面上愈益紧密排列，则此界面的表面张力也就逐渐减小。
以σ对C 作图，可得到σ-C 曲线，从图可以看出，在开始时随浓度增加，σ迅速下降，以后变化趋缓。
被吸附的分子在界面上的排列图 表面张力和浓度关系图
在曲线上任选一点a 作切线，即可得到该点所对应浓度的斜率
T
Z C C σ∂⎛⎞=−⎜⎟∂⎝⎠ 再由
T
C Z RT
C RT σ∂⎛⎞Γ=−
=⎜⎟∂⎝⎠ 求出不同浓度下的吸附量Γ。
据朗格谬尔(Langmuir)吸附公式
:
Г∞为饱和吸附量，即表面被吸附物铺满一层分子时的Г，线性化得
以C/Г对C 作图，得一直线，该直线的斜率为1/∞Γ。
由所求得的代入
∞Γ1A L
∞=
Γ截 可求被吸附分子的截面积(L 为阿佛加得罗常数)。
若已知溶质的密度ρ，分子量M ，就可计算出吸附层厚度δ
σ的最大气泡法测定原理是：
毛细管插入测定管待测液体中，液柱上升一定高度。
当抽气瓶缓慢抽气时，体系压力下降，与大气压力产生压力差p Δ,液柱下降以液泡逸出时
2U p p p g h R
σ
ρ=Δ=−=
Δ大气体系型管 实验时，用已知表面张力的纯水标定后再测定不同浓度样品溶液
2222H O
H O H O p g h R
σρΔ=
=Δ
2p g h R
σρΔ==Δ样品样品
样品
2222H O H H O H O
p h p h σσΔΔ==ΔΔ样品样品样品
O σ
三、仪器药品
最大泡压法表面张力仪 1套 吸耳球 1个 移液管(50mL 和1mL) 各1只 烧杯(500mL) 1只 正丁醇(AR) 蒸馏水
四、实验步骤 1. 仪器准备与检漏
将表面张力仪容器和毛细管先用洗液洗净，再顺次用自来水和蒸馏水漂洗，烘干后按图连接好。
将水注入抽气管中。
在测量管中蒸馏水，用吸耳球由活塞处抽气，调节液面，使之恰好与细口管尖端相切。
然后关紧活塞，再打开抽气瓶活塞，这时瓶中水流出，使体系内的压力降低，当压力计中液面指示出若干厘米的压差时，关闭活塞，停止抽气。
若2min ～3min 内，压力计液面高度差不变，则说明体系不漏气，可以进行实验。
2.标定
打开活塞对体系抽气，调节抽气速度，使气泡由毛细管尖端成单泡逸出，且每个气泡形成的时间为10s～20s。
若形成时间太短，则吸附平衡就来不及在气泡表面建立起来，测得的表面张力也不能反映该浓度之真正的表面张力值。
当气泡刚脱离管端的一瞬间，压力计中液面差达到最大值，记录最高读数，连续读取三次，取其平均值。
再由手册中，查出实验温度时，水的表面张力σ。
3.表面张力随溶液浓度变化的测定
在上述体系中，用移液管移入0.100mL正丁醇，用吸耳球打气数次(注意打气时，务必使体系成为敞开体系。
否则，压力计中的液体将会被吹出)，使溶液浓度均匀，然后调节液面与毛细管端相切，同“2”法测定压力计的压力差。
然后依次加入0.200mL、0.200mL、0.200mL、0.500mL、0.500mL、1.00mL、1.00mL 正丁醇，每加一次测定一次压力差。
正丁醇的量一直加到饱和为止，这时压力计的压力差最大值几乎不再随正丁醇的加入而变化。
五、注意事项
1、仪器系统不能漏气。
2、所用毛细管必须干净、干燥，应保持垂直，其管口刚好与液面相切。
3、读取压力计的压差时，应取气泡单个逸出时的最大压力差。
六、数据记录与处理
室温实验温度大气压纯水的σ
正丁醇溶液的表面张力
C乙
/mol.l-1
σ/N.m-1
1、计算溶液表面张力σ，绘制σ—C等温线。
2、作切线求Z，并求出Г，C/Г。
3、绘制Г—C，C/Г—C等温线，求Г∞并计算A和δ。
【思考问题】
1、毛细管尖端为何必须调节得恰与液面相切?否则对实验有何影响?
2、最大气泡法测定表面张力时为什么要读最大压力差?如果气泡逸出的很
快，或几个气泡一齐出，对实验结果有无影响?
参考文献
[1]庄志萍. 溶液表面张力测定实验的改进.大学化学，2003，18（3 ），54-55
[2]贡学东. 最大气泡法测溶液表面张力的改进.大学化学，2004，19（5），37-38
[3] 黄波.溶液表面吸附实验数据的计算机非线性拟合法处理.大学化学，
2002，17（3），51-52，62。
