物化实验讲义2

表面性质与胶体化学部分实验9 溶液中的吸附作用和表面张力的测定9．1实验目的及要求9．1．1测定不同浓度乙醇水溶液的表面张力，计算表面吸附量和乙醇分子的横截面积。

9．1．2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。

9．1．3握用最大泡压法测定表面张力的原理和技术。

9．2实验原理9．2．1表面自由能从热力学观点看，液体表面缩小是一个自发过程，这是使体系总的自由能减小的过程。

如欲使液体产生新的表面A Δ，则需要对其作功。

功的大小应与A Δ成正比：ΔΑ=−σW （9.1）式中σ为液体的表面自由能，亦称表面张力。

它表示了液体表面自动缩小趋势的大小，其量值与液体的成分、溶值的浓度、温度及表面气氛等因素有关。

有关表面张力的其它问题可参见有关资料。

9．2．2溶液的表面吸附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。

对于溶液，由于溶质能使溶剂表面发生变化，因此可以调节溶质在表面层的浓度来降低表面自由能。

根据能量最低原理，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，表面层中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表面张力及溶液的浓度有关，从热力学方法可知它们之间的关系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程：Tdc d RT c ⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=Γσ （9.2） 式中：为表面吸附量（单位：mol •m Γ-2）；T 为热力学温度（单位：K ）；c 为稀溶液浓度（单位：mol •m -2）；R 为气体常数。

T dc d ⎟⎠⎞⎜⎝⎛σ<0，则Γ>0，称为正吸附；Tdc d ⎟⎠⎞⎜⎝⎛σ>0，则Γ<0，称为负吸附。

本实验研究正吸附情况。

40 有一类物质，溶入溶剂后，能使溶剂的表面张力降低，这类物质被称为表面活性物质。

表面活性物质具有显著的不对称结构，它们是由亲水的极性基团和憎水的非极性基团构成的。

对于有机化合物来说，表面活性物质的极性部分一般为—NH +3，—OH ，—SH ，—COOH ，—SO 2OH 等。

乙醇就属于这样的化合物。

它们在水溶液表面排列的情况随其浓度不同而异。

如图9—1所示，浓度很小时，分子可以平躺在表面上；浓度增大时，分子的极性基团取向溶液内部，而非极性基团基本上取向空间；当浓度增至一定程度，溶质分子占据了所有表面，就形成饱和吸附层以表面张力对浓度作图，可得到σ—c 曲线，如图9—2所示。

从图中可以看出，开始时，σ 随着浓度增加而迅速下降，以后的变化比较缓慢。

在σ —c 曲线上任选一点I 作切线，即可得该点所对应浓度c i 的斜率（i dc d σ）T ，再由式？可求得不同浓度下的值。

Γ饱和吸附与溶质分子的横截面积吸附量与浓度c 之间的关系，可用朗谬尔（Langmuir ）吸附等温式表示： ΓKcKc +Γ=Γ∞1 （9.3）图9—1 表面活性物质分子在水溶液表面上的排列情况示意图图 9—2表面张力与浓度的关系 式中：为饱和吸附量，K 为常数。

将上式取倒数可得：∞Γ∞∞Γ+Γ=ΓK c c 1 (9.4) 作c c ~Γ图，直线斜率的倒数即为∞Γ。

图9—3 表面张力实验装置示意图如果以N 代表1m 2表面上溶质的分子数，则有：L N ∞Γ=式中L 为阿伏加德罗常数，由此可得每个溶质分子在表面上所占据的横截面积：L B ∞Γ=1σ (9.5) 因此，若测得不同浓度的溶液的表面张力，从σ—c 曲线上求出不同浓度的吸附量，再从Γc c ~Γ直线上求出∞Γ，便可计算出溶质分子的横截面积σB 。

9．2．3最大泡压法41测定表面张力的方法很多。

本实验用最大泡压法测定乙醇水溶液的表面张力，其实验装置和原理如图9—3所示。

将被测液体装于测定管中，使玻璃管下端毛细管面与液面相切，液面沿毛细管上升。

打开抽气瓶的活塞缓缓放水抽气，则测定管中的压力p 逐渐减小，毛细管中压力p 0就会将管中液面压至管口，并形成气泡，其曲率半径由大而小，直至恰好等于毛细管半径r ，根据拉普拉斯(Laplace)公式，这时能承受的压力差也最大：rp p p p r r σ20max =−=Δ=Δ (9.6) 随后大气压力将把此气泡压出管口。

曲率半径再次增大，因此气泡表面膜所能承受的压力差必然减少，实际上测定管中的压力差却在进一步加大，所以立即导致气泡的破裂。

最大压力差可用精密数字式压力计读出。

设毛细管半径为r ，气泡由毛细管口逸出时总作用力为πr 2P 最大，而P 最大=P 大气——P 系统。

气泡在毛细管口受到表面张力引起的作用力为2πr σ。

当气泡逸出时，上述两压力相等 πr 2P 最大=2πr σ。

如将表面张力为σ1、σ2的两种液体，采用同一支毛细管和压差计，分别测定其最大压差，则有2121最大最大P P =σσ (9.7) 21122最大最大最大P K P P •=•=σσ (9.8)K 为毛细管常数由已知表面张力σ1的液体为标准，由上式可求其它液体的表面张力σ2。

9．3仪器试剂最大气泡表面张力测定仪 1套 容量瓶 若干只 铁架 1只 自由夹 1只胶管 1节 恒温槽 1套乙醇（分析）9．4实验步骤9．4．1分别配制浓度为0.01、0.02、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35mol •dm -3的乙醇溶液100cm 3。

配制方法采用称重法，如下：洗净、烘干比重瓶一只，于其中注满乙醇，迅速称量，设称量所得为m （g 。

cm -3），注入100cm 3容量瓶中，以水稀释到所得溶液浓度为0。

010mol •dm -3。

9．4．2仪器仔细洗涤干净，调节恒温槽温度为25℃。

9．4．3将样品管中装入蒸馏水，使水面与毛细管端面相切，注意保持毛细管与液面垂直。

9．4．4打开抽气瓶活塞，让水缓慢流下，使毛细管中气泡逸出速度为5~10秒/个。

观察并记录产生最大气泡的一瞬间压力表的最大数值。

9．4．5记录压力计最大值，重复二次，求出P 最大1平均值。

429．4．6同法测定各浓度下乙醇水溶液的P 最大2值。

9．5实验注意事项9．5．1使用毛细管一定要干净，否则气泡不能连续稳定地逸出，使压力计的读值不稳定，并影响溶液的表面张力。

9．5．2毛细管一定要保持垂直，管口端面刚好与液面相切。

9．5．3读取压差时，应取气泡单个逸出时的最大值。

9．6数据处理9．6．1纯水测量K=σ最大/P 最大水值（毛细管常数）。

9．6．2按下表记录实验数据：乙醇溶液浓度（mol •dm -3） 0.01 0.02 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35P 最大mmH 2O9．6．3由乙醇溶液的实验数据计算各溶液的表面张力，并作σ—c 曲线。

9．6．4由σ—c 曲线分别求出浓度为0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30mol •dm -3时的 （dc d σ）T 值。

9．6．5用Gibbs 吸附等温式计算各浓度下的Γ值。

9．6．6作C C~Γ图，应得一直线，由直线斜率求出∞Γ。

9．6．7计算乙醇分子的横截面积S 0。

9．7思考题9．7．1安装仪器时为什么要使毛细管与液面垂直，并管口端面刚好与液面相切？9．7．2实验时，为什么溶液浓度以由稀至浓测定为宜？9．7．3滴定速度过快，对实验结果有何影响？为什么？9．7．4测定中能否应用加压的方法来鼓泡9．7．5如果毛细管末端插入溶液内部进行测量行吗？为什么？9．7．6实验中为什么要读取最大压力差？9．7．7表面张力仪的清洁与否和温度不恒定对测量数据有何影响？43实验10 胶体电泳速度的测定10.1实验目的1.1 掌握凝聚法制备Fe （OH ）3溶胶和纯化溶胶的方法1.2 观察溶胶的电泳现象并了解其电学性质，掌握电泳法测定胶体电泳速度和溶胶ζ电位的方法。

10.2实验原理溶胶是一个多相体系，其分散相胶粒的大小约在1nm ～1um 之间。

由于本身的电离或选择性地吸附择性地吸附一定量的离子以及其它原因所致，胶粒表面具有一定量的电荷；胶粒周围的介质分布着反离子。

反离子所带电荷与胶粒表面电荷符号相反，数量相等。

整个溶胶体系保持电中性。

胶粒周围的反离子由于静电引力和热扩散运动的结果形成了两部分——紧密层和扩散层。

紧密层约有一两个分子层厚。

紧密吸附在胶核去面上．而扩散层的厚度则随外界条件(温度，体系中电解质浓度及其离子的价态等)而改变，扩散层中的反离子符合玻兹曼分布。

由于离子的溶剂化作用，紧密层结合着一定数量的溶剂分子，在电场的作用下，它和胶粒作为一个整 图10－1 扩散双电层模体移动，而扩散层中的反离子则向相反的电极方向移动。

这种在电场作用下分散相粒子相对于分散介质的运动称为电泳。

发生相对移动的界面称为切动面，切动面与液体内部的电位差称为电动电位或ζ电位，而作为带电粒子的胶粒表面与液体内部的电位差称为质点的表面电θϕ。

胶粒电泳速度除与外加电场的强度有关外，还与ζ电位的大小有关。

面ζ电位不仅与测定条件有关，还取决于胶体粒子的性质。

ζ电位是表征胶体特性的重要物理量之一，在研究胶体性质及其实际应用有着重要意义。

胶体体的稳定性与ζ电位有直接关系，ζ电位绝对值越大，表明胶粒荷电越多，胶粒间排斥力越大，胶体越稳定。

反之则表明胶体越不稳定。

当ζ电位为零时．胶体的稳定性最差，此时可观察到胶体的聚沉。

本实验是在一定的外加电场强度下通过测定Fe(OH)3 胶粒的电泳速度然后计算出ζ电位。

实验用 拉比诺维奇-付其曼U 形电泳仪，如图10-2所示。

活塞2、3以下盛待测的溶胶，以上盛辅助液。

在电泳仪两极间接上电位差E （V ）后，在t （s ）时间内溶胶界面移动的距离为D(m)，即胶粒电泳速度为：1()U m S − 44D U t=相距为l(m)的电极间的电位梯读平均值为：1()H V m − E H l= 如果辅助液的电导率0L 与溶胶的电导率L 相差较大，则在整个电泳管内的电位降是不均匀的，这时需用下式求H0()k k EH L l l l L =−+式中为溶胶两界面间的距离。

k l 从实验求得胶粒电泳速度后，可按下式求出ζ(V)电位：K U Hπηςε= 式中K 为与胶粒形状有关的常数（对于球形粒子1022115.410K V s kg −−=×m − ；对于棒形粒子1022113.610K V s kg m−−=× ，本实验胶粒为棒形）；η为介质的粘度（）；1kg m s −− 1ε为介质的介电常数。

10．2．2仪器与药品直流稳压电源1台；电导率仪1台；电泳仪1个；铂电极2个。

三氯化铁（化学纯）；棉胶液（化学纯）10．3实验步骤10．3．1Fe(OH)3溶胶的制备 将0.5g 无水FeCl 3溶于20mL 蒸馏水中，在搅拌的情况下将上述溶液滴入200mL 沸水中（控制在4min ～5min 内滴完），然后再煮沸1min~2min ，即制得Fe(OH)3溶胶。