试验十四最大泡压法测定溶液的表面张力山西大学化学试验中心.ppt

最大泡压法测定溶液的表面张力 实验目的 1、通过测定不同浓度的正丁醇水溶液的表面张力，计算表面吸附量与浓度的关系及吸附量和正丁醇分子的横截面积。 2、了解表面张力的性质，表面能的意义及表张力和吸附的关系。 3、掌握用最大泡压法测定表面张力的原理和技术。 实验原理 1、表面自由能 物体表面的分子和内部分子所处的境遇不同，表面层的分子受到向内的拉力，所以液体表面都有自动缩小的趋势。如果把一个分子自内部迁移到表面，就需要对抗拉力而作功，故表面分子的能量比内部分子大。增加体系的表面，即增加了体系的总能量。体系产生新的表面（△A）所需耗费功（W）的量，其大小应与△A成比，即：-W=σ△A。（14-1） 如果△A=1m2，则-W=σ，即在等温下形成1m2新的表面所需的可逆功。故σ称为单位表面自由能。 若把σ看作为作用在界面上每单位长度边缘上的力，通常称为表面张力，其单位为N·m-1。它表示表面自动缩小的趋势的大小。 表面张力是液体的重要特性之一，与所处的温度、压力、液体的组成共存的另一相的组成等有关。 溶液的表面吸附 纯液体表面的组成与内部的组成相同，因此，溶液降低体系表面自由能的唯一途径是尽可能缩小其表面积。对于溶液由于溶液会影响表面张力，因此可以调节溶质在表面层的浓度来降低表面自由能。根据能量最低原则，溶质能降低溶剂的表面张力时，表面层中溶质的浓度应比溶液内部来得大。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内部的浓度低。这种表面浓度与溶液内部不同的现象叫“吸附”。 在指定温度和压力下，吸附与溶液的表面张力及溶液的浓度有关。Gibbs用热力学的方法推导出它们之间的关系式： （14-2） 式中：Γ为表面吸附量（mol·m-2）；R为气体常数（8.314J·mol-1·K）；c为溶液浓度（mol·m-3）；T为、热力学温度（K）；σ为溶液的表面张力（N·m-1）。 （dσ/dc)t0时，则Γ0称为正吸附；当 （dσ/dc)t 0，Γ 0称为负吸附。前者表明加入溶液使液体表面张力下降，此类物质称为表面活性物质。后者表明加入溶质使液体表面张力升高，词类物质称非表面活性物质。 表面张力对浓度作图，可得到σ—c曲线，从图中可以看出，在开始时岁浓度的增加而迅速下降，以后的变化比较缓慢。 在σ—c曲线上任意选一点i做切线，即可得该点所对应浓度ci的斜率（d/dci）T代入（14-2）式，可求出不同浓度时的吸附量Γ。 饱和吸附与溶质分子的横截面积。 在一定温度下，吸附量与浓度之间的关系由Langmuir等温方程式表示。 （14-3） 式中：Γ∞为饱和吸附量，k为经验常数，与溶质的表面活性大小有关。 将（14-3）式化成直线方程则： （14-4） 若以σ—C作图可以得到一条直线，有直线斜率即可求出假设在饱和吸附的情况下，在气液截面上铺满一单分子层，由此可得每个溶质分子在表面所占据的横截面积S0。 式中L为阿伏加得罗常数。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，便可计算出溶质分子的横截面积S0。 最大泡压法 实验装置和原理如图1所示。 将被测液体装入测定管B中使玻璃管C下端的毛细管端面与液面相切，液面沿毛细管上升，，打开抽气瓶活塞使水缓慢下滴，则测定管中液面的压力（P）逐渐减小，毛细管中的压力逐渐增大，液面缓缓下降。 根据拉普拉斯公式有： （14-6） 大气压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最小，实际上测定管中的压力差却在进一步增大，所以立即导致气泡的破裂。最大压力差可用U型压力计中最大液柱△h来表示 （15-7） 式中p为压力