最大气泡法测定液体的表面张力.docVIP

最大气泡法测定液体的表面张力 (一)、实验目的 1．掌握最大气泡法测定液体的表面张力的原理和方法。 2．熟悉表面张力的意义和性质，测定不同浓度液体的表面张力。 3．熟悉表面吸附的性质及与表面张力的关系。 (二)、实验原理 溶剂中加入溶质后，溶剂的表面张力要发生变化，加入表面活性物质（能显著降低溶剂表面张力的物质）则它们在表面层的浓度要大于在溶液内部的浓度，加入非表面活性物质则它们在表面层的浓度比溶液内部低。这种表面浓度与溶液内部浓度不同的现象叫溶液的吸附。显然，在指定的温度压力下，溶质的吸附量与溶液的表面张力及溶液的浓度有关。从热力学可知，它们之间的关系遵守吉布斯吸附等温方程： （7—1） 式中：—为溶质在单位面积表面层中的吸附量（mol·m－2）； —为溶液的表面张力（N·m－2）； c—为溶液浓度（mol·m－3）；； —气体常数，8.314J·mol－1·－1； —为绝对温度（）。 当 0时， 0，即溶液的表面张力随着溶液浓度的增加而下降时，吸附量为正值，称为正吸附，反之，当 0时， 0称为负吸附。吉布斯吸附等温方程式应用范围很广，但上述形式只适用于稀溶液。通过实验测得不同浓度溶液的表面张力、……即可求得吸附量。 本实验采用最大气泡压力法测定正丁醇水溶液的表面张力值。试验装置如图（7—1）所示。 图7—1 表面张力测定装置 1—样品管 2—毛细管 3—压瓶 4—精密数字压力计 5—大气平衡管 6—活塞　　　　　图7—2 气泡曲率半径的变化规律 将欲测表面张力的溶液装入样品管中，使毛细管的端口与液面相切，液体即沿毛细管上升，打开减压瓶3的活塞6，使里面的水慢慢的滴出，则系统内的压力慢慢减小，毛细管2液面上受到一个比样品管中液面上大的压力，此时毛细管内液面就会下降，直到在毛细管端面形成一个稳定的气泡。开始时气泡表面很平，曲率半径很大，随着气泡的形成，曲率半径逐渐变小，形成半球时，气泡的曲率半径与毛细管的半径相等，曲率半径达最小值（如图7—2）。气泡进一步长大，曲率半径又变大，直到气泡从毛细管口脱出。曲率半径最小时有最大的附加压力，在压力计上就有绝对值最大的读数。此时气泡的曲率半径就是毛细管的半径。可见毛细管口冒出气泡所需要增加的压力（）与液体的表面张力成正比。利用杨—拉普拉斯公式有： 式中：—曲率半径最小时气泡的最大附加压力，单位为； —压力计上绝对值最大的读数，，单位为mmH2O; —水的密度；单位为 kg·L－1 —重力加速度；单位为 m·s－2 —表面张力； —气泡的最小曲率半径，同时也是毛细管的半径。 于是得到： （7—2） 式中与毛细管的半径有关，对同一支毛细管是常数，称为仪器常数，可由已知表面张力的液体求得，例如已知水在实验温度下的表面张力，测得最大压力读数，则，求出该毛细管的值，就可用它测定其他液体的表面张力了。 （7—3） 式中为精密数字压力计的最大读数。 由实验测得不同浓度时的表面张力，以浓度为横坐标，为纵坐标，得—曲线如图（7—3）所。当溶液浓度较小时，随的增大而迅速下降。溶液浓度继 oc 图7—3 表面张力及吸附等温线 图 7－4 ～ c 关系图 续增大，溶液的表面张力随浓度的变化渐趋平缓。当浓度增大到某一值后，溶液的表面张力几乎不随浓度增加而改变。为了求得在不同浓度下的吸附量，可以利用图解法 进行计算。如图7—3所示，在曲线上取任意一点，通过点作曲线的切线和平行于横轴的直线，分别交于纵轴。令，则 故 将上式代入（7—1）吉布斯吸附等温方程，得到该浓度时的吸附量为： （7—4） 以不同的浓度对其相应的作出曲线，称为吸附等温线，如图7—3中曲线所示。 在一定的温度下，吸附量与溶液浓度间的关系可用Langmuir吸附等温式表示： 或 （7—5） 以对作图，得一直线，如图7—4所示。该直线的斜率为。为饱和吸附量，是溶液表面盖满一单分子层溶质的量，其单位是mol·cm－2。设1 cm－2表面上被吸附的分子数为N，则有N＝N