表面张力法测定固体在溶液中等温吸附.docVIP

表面张力法测定固体在溶液中等温吸附 一、实验目的 （1）测定不同浓度下正丁醇的表面张力σ，计算活性炭吸附量Γ。 （2）了解测定固体在溶液中的等温吸附的原理、方法。 二、实验原理 1．表面自由能 从热力学观点看，液体表面缩小是一自发过程，这是体系总的自由能减小的过程，欲使产生新的表面△A，就需要对其做功，其大小应与△A成正比： -W=σ·△A????? ………………………………（1） 若△A=1m2，则σ为在等温下形成的1m2新的表面所需的可逆功，故称σ为单位表面的表面能，其单位为J/m2。也可将σ看做为作用在界面上每个单位长度边缘上的力，称为表面张力，其单位为N/m1。 2．溶液表面吸附 表面张力σ（或比表面Gibbs函数）是表面化学热力学的重要性质之一。纯溶剂中溶入溶质形成溶液后，溶液的表面张力不同于纯溶剂。 在一定的温度和压力下，溶液表面吸附溶质的量与溶液的表面张力和加入的溶质量（即溶液的浓度）有关，它们之间的关系可用吉布斯(Gibbs)公式表示： Γ＝－()T???????………………………………（2） 式中： Γ为吸附量(mol/m2 )；σ为表面张力( N/m )；T为绝对温度( K )； c为溶液浓度( mol/L )；R为气体常数( 8.314J．K—I·mol－1 )。 其中，()T?表示在一定温度下表面张力随溶液浓度而改变的变化率。 如果表面张力σ随浓度的增加而增加，即()T?0，则Γ0，此时溶液表面层的浓度小于溶液本身的浓度，称为负吸附作用。如图1中A曲线。 如果表面张力σ随浓度的增加而减小，即()T?0，则Γ0，此时溶液表面层的浓度大于溶液内部的浓度，称为正吸附作用。如图1中B、C曲线。 只要测定溶液的浓度和表面张力，就可求得各种不同浓度下溶液的吸附量Γ。 3．固体在溶液表面吸附 正丁醇被吸附的物质的量x计算式： x =(c-ce)·v …………………………………（3） c —溶液初始浓度,单位:mol/m3; ce —溶液吸附平衡浓度,单位:mol/m3; v —所加溶液体积,单位:dm3; 表面张力σ计算式： σ=k·△Pmax …………………………………（4） Pmax=(P1+P2+P3+P4)/4 ……………………………（5） 被活性炭吸附的正丁醇的物质的量x（mol），从而计算出活性炭的吸附量Γ： Γ=x/m …………………………………（6） 根据Freundlich经验方程 lgΓ=lg k+1/nlgce ………………………………（7）其中Γ=x/m Γ —吸附量，单位：mol/kg； x —被吸附物质物质的量，单位：mol； m —固体吸附剂的质量，单位：kg； ce —溶液吸附平衡浓度，单位：mol/m3； n,k—常数。 作lgΓ-lgc直线，由直线的截距和斜率可求常数k和n。 4．固体在溶液表面吸附 将待测表面张力的液体装于表面张力仪中，使毛细管的端面与液面相切，液面即沿毛细管上升，打开抽气瓶的活塞缓缓抽气，毛细管内的液面上受到一个比A瓶中液面上大的压力，当此压力差——附加压力（△p=p大气-p系统）在毛细管端面上产生的作用力稍大于毛细管液体的表面张力时，气泡就从毛细管口脱出，此附加压力与表面张力成正比，与气泡的曲率半径成反比，其关系式为： Δp = 2σ/R …………………………………（8） 式中： Δp为附加压力；σ为表面张力；R为气泡的曲率半径 如果毛细管半径很小，则形成的气泡基本上是球形的。如图3所示，当气泡开始形成时，表面几乎是平的，这时曲率半径最大；随着气泡的形成，曲率半径逐渐变小，直到形成半球形，这时的曲率半径R和毛细管的半径r相等，曲率半径最小值，根据上式这时附加压力达最大值。气泡进一步长大，R变大，附加压力则变小，直到气泡逸出。 当R=r时的最大附加压力为： Δp最大 = 2σ/r …………………………………（9）实际测量时，使毛细管端刚与液面接触，则可忽略气泡鼓起所需克服的静压力，这样就可以直接用上式进行计算。当将其它参数合并为常数K时，则上式变为： σ=KΔp最大 …………………………………（10）式中仪器常数K可用已知表面张力的标准物质蒸