实验十五 最大泡压法测定溶液的表面张力.pptVIP

实验十五 最大泡压法测定溶液的表面张力 一、实验目的及要求 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。 二、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 （15-1） 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。纯液体的表面张力通常指该液体与饱和了其自身蒸气的空气共存的情况而言。 　2、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”。显然，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： （15-2） 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)t0时，则Γ0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。 表面活性物质具有显著的不对称结构，它是由亲水的极性基团和憎水的非极性基团构成。对于有机化合物来说，表面 活性物质的极性部分一般为—NH3+，—OH，—SH，—COOH，—SO2OH等，而非极性部分为RCH2—，她们在水溶液表面排列的情形随 其在溶液中的浓度不同而有所差异。当浓度很小时。溶液分子平躺在溶液表面上，浓度逐渐增加时，分子的极性基团取溶液内部，而非极性基团基本取向空间；当浓度增加到一定程度时，被吸附了的表面活性物质分子占据了所有表面形成了单分子的饱和吸附层。 仪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（15-2）式，可求出不同浓度时的吸附量Γ。 3.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。 （15-3） 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（15-3）式化成直线方程则： （15-4） 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。 （15-5） 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。 4.最大泡压法 测定表面张力的方法很多。本事眼用最大泡压法测定正丁醇水溶液的表面张力，其实验装置和原理如图1所示。 A为充满水的抽气瓶（减压瓶），B为表面张力仪，中间有一个玻璃管C，其下端接有一端直径为0.2～0.5mm上午毛细管。d为U型压力剂，内盛有比重较小的水、酒精等作介质，以测定微压差。