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1、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：RTI de71)
2、式中：1 为溶质在单位面积表面层中的吸附量（mol.m-2）；b 为溶液的表面张力（N.m-2）；c为溶液浓度（m ol.m-3）；R 气体常数,8.314J.mo卜i. K -!；T 为绝对温度（ K）。当（db /de）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（db / de） 0时，1 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b b2即可求得吸附量1。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（ 71）-5所示。图 71 表面张力测定装置1样品管
3、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 72 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72）。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
4、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（AP）与液体 的表面张力b成正比。利用杨一拉普拉斯公式有：式中：Ap 曲率半径最小时气泡的最大附加压力，单位为Pa ； mAh 压力计上绝对值最大的读数,，单位为mmH2O;P 水的密度；单位为kg.L-1g 重力加速度；单位为 m.s-2b 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：rb =-pg - Ah 二 KAh272)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 b ，测得最大压力
5、读数 AP ，则ooK =b / Ap，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。oob= KAP = b =b(73)o APo Ahoo式中Ah, Ah为精密数字压力计的最大读数。o由实验测得不同浓度时的表面张力b，以浓度c为横坐标，b为纵坐标，得b c曲 线如图(73)所。当溶液浓度较小时，b随c的增大而迅速下降。溶液浓度继Cr图73表面张力及吸附等温线图74c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73所示，在bc曲线上取任意一点a，通过a点作
6、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二Z，则dbbbZdcdc 0 一 c将上式代入(71)吉布斯吸附等温方程，得到该浓度时的吸附量为：r =-RTI dcRT74)以不同的浓度对其相应的r作出曲线，r二f (c)称为吸附等温线，如图73中曲线 r c 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：kcckc +1c 175)= = +rkrrkrggg以c/r对c作图，得一直线，如图74所示。该直线的斜率为1/r。r为饱和吸附量， gg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
7、 数为N，则有N= r NA； NA为阿伏伽德罗常数。由此可以计算出当饱和吸附时，每个分子 g A A在表面上所占据的面积，此面积亦可看作是分子的截面积：1A =(76)S N rA g若已知溶液的密度P,摩尔质量M,就可以计算出吸附层厚度5。Q r mb = （77）P（三）、仪器药品DP4W表面张力实验仪、DPA精密数字微压计、电吹风、小烧杯、量筒、滴管0.050； 0.100； 0.200； 0.300； 0.400； 0.500； 0.600mol.L-1 正丁醇溶液（四）、实验步骤1仪器准备和检漏将表面张力仪的各个玻璃仪器和毛细管先用洗液，再用自来水和蒸馏水洗涤，烘干后按 图 71
8、安装好。将水注入减压瓶中，然后用洗瓶将蒸馏水注入样品管中，反复用滴管调节毛细管底端平 面与液面的高度，使毛细管底端平面恰好与液面相切，并且样品管与桌面垂直。打开微压计4的电源，并将仪器的单位设置为“mmH2O”，在装置图大气平衡管5与大 气相通的情况下，按下微压计的“采零”钮，使仪器示数为“0”。夹紧5处的胶管，在开启 活塞 6，这时减压瓶 3 中水面下降，使体系内压力降低（实际上等于对系统抽气）。当压力 计 4 有一定示数（至少为-30 mmH2O 以上）时，关闭活塞6，若两三分钟内微压计的示数不 变，则说明体系不漏气，可以进行实验。2仪器常数的测定打开活塞 6，对体系减压，调节水流速度，使
9、气泡由毛细管底端成单泡逸出（每分钟约 20 个气泡），记录微压计绝对值最大的读数三次，取其平均值。再由附录中查出实验温度下水的表面张力G 一，则仪器常数K为：水bK=水（78）Ah最大3正丁醇溶液表面张力的测定：将样品管中的蒸馏水全部倒出，用待测液将样品管及毛细管仔细洗涤3次，在样品管中 装入待测溶液，用上述方法测定浓度为0.050、0.100、0.200、0.300、0.400、0.500、0.600 mol丄 1 的正丁醇溶液的最大压力差，每个样品分别测定三次，取其平均值。（五）、数据处理处理1. 数据记录实验温度T= 24.7C水的表面张力b =72.2 X10-3N mT；水2.数据记
10、录及处理正丁醇C/ mol L-10.0500.1000.2000.3000.4000.5000.600Ah的平均值/mmH2036.031.427.225.624.223.121.6表面张力b /N m-10.06120.05340.04620.04240.04010.03850.0367-0.224-0.097-0.033-0.016-0.010-0.006-0.004吸附量/10-6mol m-24.52310.39419.73425.3426.65227.05627.103c/r /109m-i(1) 仪器常数 K/Ah 二72.2xlO-3N m-40.8 mmH20 = 0.001
11、7水2(2) 按照b二K -Ah二计算 各浓度溶液的b列入上表中；(3) 绘制bc曲线(4) 由图1求各浓度溶液的db /dC列入上表中；5)按照r =-和c/计算 各浓度溶液的r和c/列入上表中;丿T6) 绘 制 c/等温线(7)c/rc等温线的线性方程为: m(斜率)=0.02381r = 1/0.0238=rMWP74.12 x0.8987 x 106(六) 、思考题1 溶液的表面为何必须得调至与毛细管端口相切？否则对实验有何影响？ 答：毛细管插入溶液中的深度直接影响测量结果的准确性，如果将毛细管末端插 入溶液内部，毛细管内将会有有一段水柱，产生压力，则测定管中的压力Pr会变小，APma
12、x会变大，测量结果偏大。为了减少静压力的影响，应尽 可能减少毛细管的插入和深度，使插入深度Ah接近0。2 气泡逸出速度过快或不成单泡，对实验有何影响？答：气泡逸出速度过快或不成单泡，气泡的形成与溢出速度而不稳定，致使压力 计的读数不稳定，不易出观察其最高点而起到较大的误差，使表面张力测定 值偏高所以要求从毛细管中溢出的气泡必须单泡溢出，有利于表面活性物质 在表面达到吸附平衡，并可减少气体分子及气体与管壁之间的摩擦力，才能 获得平衡的表面张力。3 仪器的清洁与否对所测数据有无影响？ 测定时毛细管及支管试管洗涤干净，则气泡不能连续形成，而影响最大压差的测量 4用本法测表面张力时，为什么要测定仪器常数？如何测定？答：当曲率半径等于毛细管半径的表面张力为，5=KH,式中的K为仪器常 数，可用已知表面张力的标准物质蒸馏水测得，仪器常数与温度无关。
