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1、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。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=A。（14-1）实验原理l如果A=1m2，则-
2、W=，即在等温下形成1m2新的表面所需的可逆功。故称为单位表面自由能。l若把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Nm-1。它表示表面自动缩小的趋势的大小。l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。l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
3、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：为表面吸附量（molm-2）；R为气体常数（8.314Jmol-1K）；c为溶液浓度（molm-3）；T为、热力学温度（K）；为溶液的表面张力（Nm-1）。（ d/dc)t0称 为 正 吸 附 ； 当 （d/dc)t 0， 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。l表面张力对浓度作图，可得到c曲线，从图中可以看
4、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。l 在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。l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：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
5、度的溶液的表面张力，从c曲线上求出，便可计算出溶质分子的横截面积S0。l最大泡压法 实验装置和原理如图1所示。 图图1 最大气泡法表面张力测定装置最大气泡法表面张力测定装置1-1-滴液漏斗，滴液漏斗，2-2-支管试管，支管试管，3-3-毛细管，毛细管，4-4-恒温槽，恒温槽，5-5-压差计压差计l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。l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
6、，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为压力计中液体介质的密度；h为U型压力计两边读数之差值；g为加速度。由（15-6）和（15-7）式可得： （15-8） 式中的仪器常数K可用已知表面张力的标准物质测得。 通常讲溶液表面张力指体相和表面相达到平衡时表面张力即平衡表面张力或静表面张力，但最大泡压法测定时气泡表面积(即气液界面积)随时间而变化：气泡表面积胀大，将使得表面上吸附的溶质浓度变稀，如果溶质从体相内部迁移到表面相的速度很慢，测出的表面张力将随着泡速而变化，称为动表面张力，它和平衡表面张力有较大的差值
7、。由于存在表面张力平衡过程，故用最大泡压法测平衡表面张力，泡速要慢。对于一些从体相迁移到表面相速度很慢的物质，即使泡速很慢，测出的表面张力实际上仍是动表面张力,往往和用其它方法测定值相差较大，即通常所讲最大泡压法平衡性能较差但它对测定冶金中液态金属有较大优越性，可把耐高温毛细管插在液态金属中，而远距离测出P。 l实验装置见图1。l毛细管要求出泡均匀，最好在纯水中测量hmax达14cm左右，不可内径太粗，否则误差大，毛细管头部必须平整光滑，不沾油污，以免出泡不均匀。l正丁醇（分析纯）。仪器与试剂实验步骤l仪器常数的测定洗净试管，用蒸馏水淌洗后，再加蒸馏水，调节毛细管高度，使毛细管刚接触液面，如图
8、14-3接好仪器(不能漏气)。试管安装在恒温槽中。缓缓打开滴液漏斗旋塞，滴液，使气泡尽可能缓慢地鼓出，同时记下U形压力计（也可用数字压力计读数）最大压差hmax，读数三次，取平均值。求出仪器常数K。 l测定正丁醇溶液的表面张力依次从稀到浓的顺序测量待测溶液的表面张力。每次更换溶液时不必洗涤试管和毛细管，只需倒掉原溶液后，用待测液荡洗试管两次即可，注意测表面活性剂溶液时，溶液要沿管壁慢慢加入，防止大量起泡。测定时也应放掉一些气泡后，才读出最大压差，不能让泡沫在液面上过多堆积影响溶液浓度和形成静压差。数据处理 根据溶液温度查表可知水的表面张力。根据公式 ，可得各溶液的表面张力。作Pmax -浓度图
9、，并在曲线上取两个点（C=0.05和0.20处），分别作出切线并求相应的斜率，求出这两个点的吸附量。根据方程（14-2）求算各浓度的吸附量，并作出(c/ )-c图，由直线斜率求其 ，并计算横面积S0值。实验注意事项l测定用的毛细管一定要清洗干净，否则气泡不能连续稳定地通过，而使压力计读书不稳定。l控制好出泡速度，不要使气泡一连串地脱出，读取压力计的压差时，应取气泡单个逸出时的最大压力差。 l 洗涤毛细管时不能用热风吹干或烘烤，避免毛细管的结构发生变化。思考问题最大泡压法测定表面张力时为什么要测定仪器常数？用最大泡压法测定易发泡液体的表面张力时应注意哪些问题？有些物质（如十二烷基硫酸钠）用最大泡压法测定其溶液的表面张力往往和用其它方法（如滴重法）测量结果相差较大，试简单分析其原因。参考文献李江中,罗志刚,通用化学实验技术M, 广州,：华南理工大学出版社,1997. 吴肇亮,蔺五正,杨国华等物理化学实验M,北京,石油大学出版社 ,1993.Hugh W. Salzberg et. al., Physical Chemistry Laboratory: Principles and Macmillan Publishing Co.,INC.(New York).1978.
