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 一、实验目的 1.测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力，计算吸附量。 2.了解气液界面的吸附作用，计算表面层被吸附分子的截面积及吸附层的厚度。 3.掌握最大气泡法(或扭力天平)测定溶液表面张力的原理和技术。 二、预习要求 1.掌握最大气泡法(或扭力天平)测定表面张力的原理， 了解影响表面张力测定的因 素。 2.了解如何由表面张力的实验数据求分子的截面积。 3.掌握如何由实验数据计算吸附量。 三、实验原理 从热力学观点来看，液体表面缩小是一个自发过程，这是使体系总自由能减小的 过程，欲使液体产生新的表面 ΔA，就需对其做功，其大小应与 ΔA 成正比: (1) 如果 ΔA 为 1m2，则-W′=σ 是在恒温恒压下形成 1m2新表面所需的可逆功，所以 σ 称为比表面吉布斯自由能，其单位为 J·m-2。也可将 σ 看作为作用在界面上每单位长度 边缘上的力，称为表面张力，其单位是 N·m-1。在定温下纯液体的表面张力为定值， 当加入溶质形成溶液时，表面张力发生变化，其变化的大小决定于溶质的性质和加入 量的多少。根据能量最低原理，溶质能降低溶剂的表面张力时，表面层中溶质的浓度 比溶液内部大；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在内部 的浓度低，这种表面浓度与内部浓度不同的现象叫做溶液的表面吸附。在指定的温度 和压力下，溶质的吸附量与溶液的表面张力及溶液的浓度之间的关系遵守吉布斯 (Gibbs)吸附方程: (2) 式中，Г 为溶质在表层的吸附量;σ 为表面张力;C 为吸附达到平衡时溶质在介质中 的浓度。 当 0 称为正吸附；当 0 时，Г0 称为负吸附。吉布斯 吸附等温式应用范围很广，但上述形式仅适用于稀溶液。 引起溶剂表面张力显著降低的物质叫表面活性物质，被吸附的表面活性物质分子 在界面层中的排列，决定于它在液层中的浓度，这可由图Ⅲ-23-1 看出。 图Ⅲ-23-1 中(1)和(2)是不饱和层中分子的排列，(3)是饱和层分子的排列。 当界面上被吸附分子的浓度增大时，它的排列方式在改变着，最后，当浓度足够 大时，被吸附分子盖住了所有界面的位置，形成饱和吸附层，分子排列方式如图 Ⅲ-23-1(3)所示。这样的吸附层是单分子层，随着表面活性物质的分子在界面上愈益紧 密排列，则此界面的表面张力也就逐渐减小。如果在恒温下绘成曲线 σ=f(C)(表面张力 等温线)，当 C 增加时，σ 在开始时显著下降，而后下降逐渐缓慢下来，以至 σ 的变化 很小，这时 σ 的数值恒定为某一常数(见图Ⅲ-23-2)。利用图解法进行计算十分方便， 如图Ⅲ-23-2 所示，经过切点 a 作平行于横坐标的直线，交纵坐标于 b′点。以 Z 表示切 线和平行线在纵坐标上截距间的距离，显然 Z 的长度等于 ， 图Ⅲ-23-1 被吸附的分子在界面上的排列图 Ⅲ-23-2 表面张力和浓度关系图 (3) 以不同的浓度对其相应的 Г 可作出曲线，Г=f(C)称为吸附等温线。 根据朗格谬尔(Langmuir)公式: (4) Г∞为饱和吸附量，即表面被吸附物铺满一层分子时的 Г， (5) 以 C/Г 对 C 作图，得一直线，该直线的斜率为 1/Г∞。 由所求得的 Г∞代入 A=1/Г∞L 可求被吸附分子的截面积(L 为阿佛加得罗常数)。 若已知溶质的密度 ρ，分子量 M，就可计算出吸附层厚度 δ (6) 测定溶液的表面张力有多种方法，较为常用的有最大气泡法和扭力天平法。 最大泡压法 一、结构原理 最大气泡法的仪器装置如右图所示: A 为表面张力仪，其中间玻璃管 F 下端一段直径为 0.2mm～0.5mm 的毛细管，B 为充满水的抽气瓶，C 为 U 型压力计，内盛比重较小的水或酒精、甲苯等，作为工作 介质，以测定微压差。 将待测表面张力的液体装于表面张力仪中，使 F 管的端面与液面相切，液面即沿 毛细管上升，打开抽气瓶的活塞缓缓抽气，毛细管内液面上受到一个比 A 瓶中液面上 大的压力， 当此压力差—附加压力(Δp=p 大气-p系统)在毛细管端面上产生的作用力稍大于 毛细管口液体的表面张力时，气泡就从毛细管口脱出，此附加压力与表面张力成正比， 与气泡的曲率半径成反比，其关系式为: (7) 式中，Δp 为附加压力；σ 为表面张力；R 为气泡的曲率半径。 如果毛细管半径很小，则形成的气泡基本上是球形的。当气泡开始形成时，表面 几乎是平的，这时曲率半径最大;随着气泡的形成，曲率半径逐渐变小，直到形成半球 形，这时曲率半径 R 和毛细管半径 r 相等，曲率半径达最小值，根据上式这时附加压 力达最大值。气泡进一步长大，R 变大，附加压力则变小，直到气泡逸出。 根据上式，R=r 时的最大附加压力为: (8) 实际测量时，使毛细管端刚与液面接触，则可忽略气泡鼓泡所需克服的静压力， 这样就可直接用上式进行计算。 当用密度为 ρ 的液体作压力计介质时，测得与 Δp 最大相适应的最大压力差为 Δh 最大则: (9) 当将 合并为常数 K 时，则上式变为: (10) 式中的仪器常数 K 可用已知表面张力的标准物质测得。 二、仪器药品 1.仪器 最大泡压法表面张力仪 1 套;吸耳球 1 个； 移液管(50mL和 1mL)各 1 只;烧杯(500mL) 只。 2.药品 正丁醇(化学纯);蒸馏水。 三、实验步骤 1.仪器准备与检漏 将表面张力仪容器和毛细管先用洗液洗净，再顺次用自来水和蒸馏水漂洗，烘干 后按图Ⅲ-23-3 按好。 将水注入抽气管中。 在 A 管中用移液管注入 50mL 蒸馏水， 用吸耳球由 G 处抽气， 调节液面，使之恰好与细口管尖端相切。然后关紧 G 处活塞，再打开活塞 H，这时管 B 中水流出，使体系内的压力降低，当压力计中液面指示出若干厘米的压差时，关闭 H，停止抽气。若 2min～3min 内，压力计液面高度差不变，则说明体系不漏气，可以 进行实验。 2.仪器常数的测量 开 H 对体系抽气，调节抽气速度，使气泡由毛细管尖端成单泡逸出，且每个气泡 形成的时间为 10s～20s(数显微压差测量仪为 5s～10s)。若形成时间太短，则吸附平衡 就来不及在气泡表面建立起来，测得的表面张力也不能反映该浓度之真正的表面张力 值。当气泡刚脱离管端的一瞬间，压力计中液面差达到最大值，记录压力计两边最高 和最低读数，连续读取三次，取其平均值。 、再由手册中，查出实验温度时，水的表 面张力 σ，则仪器常数 3.表面张力随溶液浓度变化的测定 在上述体系中，用移液管移入 0.100mL 正丁醇，用吸耳球打气数次(注意打气时， 务必使体系成为敞开体系。否则，压力计中的液体将会被吹出)，使溶液浓度均匀，然 后调节液面与毛细管端相切，用测定仪器常数的方法测定压力计的压力差。然后依次 加入 0.200mL、0.200mL、0.200mL、0.500mL、0.500mL、1.00mL、1.00mL 正丁醇， 每加一次测定一次压力差 Δh 最大。 正丁醇的量一直加到饱和为止，这时压力计的 Δh 最大值几乎不再随正丁醇的加 入而变化。 四