《物化实验》最大气泡法测定溶液表面张力

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1、最大气泡法测定溶液表面张力姓名范泓洋学号2006030003班级牛64同组实验者邢泽宇实验日期2008・3・22,提交报告日期2008・3・29带实验助教卢晋1.实验原理1.1表面张力在液体内部，任一分子受四周分子的吸引力是平衡的，但液体表面层的分子却要受到向内的拉力，因此要使液体的表面积增大，就必须反抗分子向内的拉力而作功，说明了分子在表面层内比在液体内部有较大的势能，这势能就是表面自由能。在恒温、恒压及组成不变的条件下，使表面积可逆地增加dA,体系自由能的增量dG应等于环境对体系所做的表面功-兀即:dG-一戈,=cdA式中＜7为比例常数，其物理意义是在恒温恒压组成不

2、变的条件下，增加单位表面积时引起体系自由能的增加值，因此＜7称为比表面自由能，其量纲为丿•〃严。因其量纲又可以写成N/加,所以＜7还可称为表面张力，其物理意义是沿着与表面相切的方向，垂直作用于表面单位长度上的力。表面张力是液体的重要特性之一，它与所处的温度、压力、浓度以及共存的另一相的组成有关。1.2溶液的表面吸附纯液体表面层的组成与内部组成相同，因此液体只能通过尽可能地缩小其表面以降低体系的表面自由能。对于溶液，由于溶质能引起溶剂表血张力的变化，因此可通过调节溶质在表面层的浓度来降低表面能。若溶质能降低溶剂的表面张力时，则表面层中溶质的浓度大于溶液内部溶质的浓度；反Z

3、,如果溶质能使溶剂的表面张力升高，，则表面层屮溶质的浓度小于溶液内部溶质的浓度。这种表面浓度与溶液内部浓度不同的现象叫做溶液的表面吸附。在一定的温度和压力下，吉布斯用热力学的方法推导出了溶液表面吸附量与溶液的表面张力和溶液浓度之问的关系，即：r~~~RT式中「为表面超量mo^mG为溶液的表面张力J"：T为热力学温度K,c为溶液的浓度mohdm-人为气体常数。＜0如果加入溶质使液体表而张力降低，即人，则「＞0,此时溶液表面层的浓度大于溶液内部的浓度，称为正吸附，此类物质称为表面活性物质。如果加入溶质使液体表面张力升高,咎＞0即人,则「＜0,此时溶液表面层的浓度小于溶液

4、内部的浓度，称为负吸附，此类物质称为非表面活性物质。由吉布斯吸附等温式可看出，只要测得某一温度下不同浓度溶液的表面张力，以"C作图,在"C的曲线上作不同浓度下的切线，可获得不同浓度所对应的斜率将斜率代入，即可求出不同浓度时气一液界面上的吸附量fo1.3饱和吸附量和溶质分子的横截面积在一定的温度下，吸附量「与浓度c之间的关系，可用Langmuir吸附等温式表示Kc1+Kc式中Ao为饱和吸附量，K为经验常数，其值与溶质的表血活性大小有关。将上式两边取倒数，即可化成如下直线方程C若以亍〜C作图，可得一直线，由直线的斜率可求出「00。若以N代表1加2表面上溶质的分子数，则在饱和

5、吸附时N=fooAC4式中的山为阿佛加徳罗常数，由此可得每个溶质分子在表血上所占据的横截血积1・4表面张力的测定方法测定表面张力的方法有许多种，这里仅介绍儿种常用而又简便的方法。1.4.1毛细管上升法将干净的毛细管一端插入密度为P的液体中，则因表面张力Q的作用，液体沿毛细管上升一定的高度h。达平衡时，上升的力和毛细管中液柱的重力相等，即：2=nrgph式中「为毛细管半径，g为重力加速度,3为接触角。因此：p劝ro=——2cos0当液体完全润湿毛细管时，9=0°则：*业2只要测得液柱上升的高度便能计算出表面张力。1.4.2环法通常用钳丝制成圆形拉环，使环平面与液面恰好完全

6、平衡接触，测定把钳环慢慢提离液体时的最大拉力W。设拉起來的液体是圆柱形，所需的最大拉力和液柱的重力mg相等，也和沿环周围的表面张力反抗向上的拉力相等。若环的内半径为R',环的外半径为R'+2r,则W=mg=+2兀(R'+2厂)(7=4兀(R'+厂)(7令1<=(R'+r)为钳环的平均半径，显然：W(J=5R实际上，拉起的液柱并不是圆柱形，因而在实际使用上式时，必须进行校正，相关资料可查阅有关专著(赵国玺，表面活性剂物理化学，1984)。1.4.3滴体积法将一定量的液体吸入滴体积管，液滴在重力作用下滴落，同时受到向上的表面张力的影响，平衡时，液体的表面张力。与管口外周界长

7、度2龙尸乘积应等于液滴的重力即式屮，r为管端半径，V为液滴的体积，人卩为液体密度与空气密度之差。但实际上，液滴不会全部落下，因此也必须对上式进行校正，详细资料可查阅：朱步瑶、赵国玺，化学通报,6(1981)341o1.4.4最大压力气泡法该测定方法的装置和原理如图III-25—1所示。将下口齐平的毛细管垂直插入试液，并使管口刚好与液血相切，则可看到毛细管内形成凹液面。然后从滴液漏斗中放水抽气，随着毛细管内外压差逐渐增大，泡的曲率半径由大变小，当气泡的半径等于毛细管的内半径时,其半径达到最小值，而泡内压力达到最大值，此时的泡内外压最大差M可