最大气泡法测定表面张力教案.docx

(一)、实验目的

最大气泡法测定液体的表面张力

掌握最大气泡法测定液体的表面张力的原理和方法。

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。

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：

??? c ?d??

?

RT?

? （7—1）

dc?T

·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（Nm－2）；

·

c—为溶液浓度（mol·m－3）；

R—气体常数，8.314Jmol－1

K－1；

· ·

T—为绝对温度（K）。

当 (d?/dc)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(d?/dc)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? 、

1

? ??即可求得吸附量?。

2

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（?P）与液体的表面张力?成正比。利用杨

—拉普拉斯公式有：

?P ??g??h?2?

m r

m式中：?P—曲率半径最小时气泡的最大附加压力，单位为Pa；

m

?h—压力计上绝对值最大的读数，，单位为mmHO;

2

?—水的密度；单位为 kgL－1

·

g—重力加速度；单位为 m·s－2

?—表面张力；

r—气泡的最小曲率半径，同时也是毛细管的半径。

于是得到： ??r?g??h?K?h （7—2）

2

式中K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 ?P，则

K??

?

/?p

?

，求出该毛细管的K

?

值，就可用它测定其他液体的表面张力了。

??K?P?? ?P

?P

?

?h

?? ??h （7—3）

?

?

式中?h,?h

由实验测?

为精密数字压力计的最大读数。

得不同浓度时的表面张力?，以浓度c为横坐标，?为纵坐标，得?—c曲

线如图（7—3）所。当溶液浓度较小时，?随c的增大而迅速下降。溶液浓度继

???C

?

??C

a

??C

C

b

Z

b

o c

图7—3 表面张力及吸附等温线 图7－4 c

?

～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?~c曲线上取任意一点a，通过a点作曲线的切线ab和平

行于横轴的直线ab?，分别交于纵轴b和b?。令bb??Z，则

d? ?

bb?

??Z

故 Z??cd?

dc 0?c c dc

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：

? ???? c ?d?? ? ZRT?dc? RT

? ?

T

（7—4）

以不同的浓度对其相应的?作出曲线，??f(c)称为吸附等温线，如图7—3中曲线

?~c所示。

在一定的温度下，吸附量与溶液浓度