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溶液中的吸附作用和表面张力的测定 钱洁 中国科学技术大学地球化学和环境科学系 安徽合肥 230026 qj12345@mail.ustc.edu.cn 【摘要】 本实验采用最大气泡压力法测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力，利用σ-c曲线求得溶液界面上的吸附量、和单个正丁醇分子的横截面积(S0) 【关键词】 最大气泡压力法 正丁醇 表面张力 吸附量 1.引言 图9-1 表面分子和内部分子的不同情况  物体表面的分子和内部分子所处的境况不同，因而能量也不同，如图9－1，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。如要把一个分子由内部迁移到表面，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成正比。 -W=??A (9-1) 如果?A＝1m2，则－W＝?，即在等温下形成1m2新的表面所需的可逆功。故?称为单位表面的表面能，其单位为N·m-1。这样就把? 在纯液体情形下，表面层的组成与内部的组成相同，因此液体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，由于溶质会影响表面张力，因此可以调节溶质在表面层的浓度来降低表面自由能。 根据能量最低原理，溶质能降低溶液的表面张力时，表面层中溶质的浓度应比溶液内部大，反之，溶质使溶液的表面张力升高时，它在表面层中的浓度比在内部的浓度低。这种表面浓度与溶液里面浓度不同的现象叫“吸附”。显然，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。 2.实验 2.1实验原理： （1）Gibbs用热力学的方法推导出吸附量与溶液浓度和表面张力间的关系式：   ? ＝ (9－2) 式中，?——气一液界面上的吸附量（mol·m-2）；  ?——溶液的表面张力（N·m-1）;  T——绝对温度（K）；c－溶液浓度（mol·m-3）；  R——气体常数（8.314J·mol-1·K-1）。 当时，? 0，称为正吸附。反之，时，? 0，称为负吸附。前者表明加入溶质使液体表面张力下降，此类物质叫表面活性物质，后者表明加入溶质使液体表面张力升高，此类物质叫非表面活性物质。 表面活性物质具有显著的不对称结构，它是由亲水的极性部分和憎水的非极性部分构成。对于有机化合物来说，表面活性物质的极性部分一般为－NH3+，－OH，－SH，－COOH，－SO2OH。而非极性部分则为RCH2－。正丁醇就是这样的分子。在水溶液表面的表面活性物质分子，其极性部分朝向溶液内部，而非极性部分朝向空气。表面活性物质分子在溶液表面的排列情形随其在溶液中的浓度不同而有所差异。当浓度极小时，溶质分子平躺在溶液表面上，如图9－2（a），浓度逐渐增加，分子排列如图9－2（b），最后当浓度增加到一定程度时，被吸附了的表面活性物质分子占据了所有表面形成了单分子的饱和吸附层如图9－2（c）。 正丁醇是一种表面活性物质，其水溶液的表面张力和浓度关系见图11－3中的?－c曲线，在?－c曲线上作不同浓度c时的切线，把切线的斜率B ()代入Gibbs吸附公式，可以求出不同浓度时气－液界面上的吸附量?。 在一定温度下，吸附量与溶液浓度之间的关系由Langmuir等温方程式表示： 图9-2 不同浓度时，溶质分子在溶液表面的排列情况 (9－3) 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（9-3）式化成直线方程，则 (9－4) 图9-3 正丁醇水溶液的表面 张力与浓度的关系图 若以～C作图可得一直线，由直线斜率即可求出。 假设在饱和吸附情况下，正丁醇分子在气－液界面上铺满一单分子层，则可应用下式求得正丁醇分子的横截面积S0。  (9-5) 式中，－阿佛加德罗常数。 （2）最大气泡压力法测量表面张力的装置示意图如9－4。当表面张力仪中的毛细管截面与欲测液面相齐时，液面沿毛细管上升。打开滴液漏斗的活塞，使水缓慢下滴而使体系内的压力增加，这时毛细管内的液面上受到一个比恒温试管中液面上稍大的压力，因此毛细管内的液面缓缓下降。当此压力差在毛细管端面上产生的作用力稍大于毛细管口溶液的表面张力时，气泡就从毛细管口逸出。这个最大的压力差可由数字式微压差测量仪上读