实验十八最大气泡法测定溶液的表面张力..doc

实验十 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: (2.18.1) 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: (2.18.2) 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，Г0称为正吸附；当 0时，Г0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或，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2.18..1看出。图2.18..1中(1)和(2)是不饱和层中分子的排列，(3)是饱和层分子的排列。 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，分子排列方式如图2.18.1中（3）所示。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。如果在恒 2.18..1 被吸附的分子在界面上的排列图 图2.18.2 表面张力和浓度关系图 温下绘成曲线σ=f(C)(表面张力等温线)，当C增加时，σ在开始时显著下降，而后下降逐渐缓慢下来，以至σ的变化很小，这时σ的数值恒定为某一常数(见图2.18.2)。利用图解法进行计算十分方便，如图4.2所示，经过切点a作平行于横坐标的直线，交纵坐标于b′点。以Z表示切线和平行线在纵坐标上截距间的距离，显然Z的长度等于 ， 即 （2.18.3） 将（2.18.3）式代入（2.18.2）式，得 （2.18.4） 以不同的浓度对其相应的Г可作出曲线，Г=f(C)称为吸附等温线。 根据朗格谬尔(Langmuir)公式: (2.18.5) Г∞为饱和吸附量，即表面被吸附物铺满一层分子时的Г，上式可以写为如下形式 (2.18.6) 以C/Г对C作图，得一直线，该直线的斜率为1/Г∞。 由所求得的Г∞代入 (2.18.7) 可求被吸附分子的截面积(N0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 (2.18.8) 测定溶液的表面张力有多种方法，较为常用的有最大气泡法和扭力天平法。本实验使用最大气泡法测定溶液的表面张力，其测量方法基本原理如下（参见图2.18..3）。 将待测