Transcript 实验十四最大泡压法测定溶液的表面张力

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)t<0时，则Γ>0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。
kC
  
1  kC
（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：
C kC  1 C
1




k
 k
（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。
1
S
 N 0
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。
图1 最大气泡法表面张力测定装置
1-滴液漏斗，2-支管试管，3-毛细管，4-恒温槽，5-压差计
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。
2
根据拉普拉斯公式有： p 
（14-6）
R
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
r
  pgh最大
2
（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：
  K  h最大
（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。
• 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ΔP。
仪器与试剂
 实验装置见图1。
 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。
 正丁醇（分析纯）。
实验步骤
 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Δhmax，读数三次，取平均
值。求出仪器常数K。
 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 pmax
力。
2

r气
，可得各溶液的表面张
• 作ΔPmax -浓度图，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/ Γ)-c图，由直线斜率求其Γ ∞，并计
算横面积S0值。
实验注意事项
 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。
 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。
 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.