物化实验讲义2.pdf

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1、表面性质与胶体化学部分实验9溶液中的吸附作用和表面张力的测定9．1实验目的及要求9．1．1测定不同浓度乙醇水溶液的表面张力，计算表面吸附量和乙醇分子的横截面积。9．1．2解表面张力的性质，表面自由能的意义以及表面张力和吸附的关系。9．1．3握用最大泡压法测定表面张力的原理和技术。9．2实验原理9．2．1表面自由能从热力学观点看，液体表面缩小是一个自发过程，这是使体系总的自由能减小的过程。如欲使液体产生新的表面ΔA，则需要对其作功。功的大小应与ΔA成正比：−W=σΔΑ（9.1）式中σ为液体的表面自由能，亦称表面张力。它表示了液体表面自动缩小趋势的大小，其量值与液体的成分、

2、溶值的浓度、温度及表面气氛等因素有关。有关表面张力的其它问题可参见有关资料。9．2．2溶液的表面吸附纯物质表面层的组成与内部的组成相同，因此纯液体降低表面自由能的唯一途径是尽可能缩小其表面。对于溶液，由于溶质能使溶剂表面发生变化，因此可以调节溶质在表面层的浓度来降低表面自由能。根据能量最低原理，溶质能降低溶剂的表面张力时，表面层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，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浓度不同的现象叫做溶液的表面吸附。显然，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有关，从热力学方法可知它们之间的关

3、系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程：c⎛dσ⎞Γ=−⎜⎟（9.2）RT⎝dc⎠T-2式中：为表面吸附量（单位：Γmol•m）；T为热力学温度（单位：K）；c为稀溶液浓度（单-2⎛dσ⎞⎛dσ⎞位：mol•m）；R为气体常数。⎜⎟<0，则Γ>0，称为正吸附；⎜⎟>0，则Γ<0，称为⎝dc⎠T⎝dc⎠T负吸附。本实验研究正吸附情况。有一类物质，溶入溶剂后，能使溶剂的表面张力降低，这类物质被称为表面活性物质。表面活性物质具有显著的不对称结构，它们是由亲水的极性基团和憎水的非极性基团构成+的。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，

4、—SO2OH等。乙醇就属于这样的化合物。它们在水溶液表面排列的情况随其浓度不同而异。40如图9—1所示，浓度很小时，分子可以平躺在表面上；浓度增大时，分子的极性基团取向溶液内部，而非极性基团基本上取向空间；当浓度增至一定程度，溶质分子占据了所有表面，就形成饱和吸附层图9—1表面活性物质分子在水溶液表面上的排列情况示意图以表面张力对浓度作图，可得到σ—c曲线，如图9—2所示。从图中可以看出，开始时，σ随着浓度增加而迅速下降，以后的变化比较缓慢。在σ—c曲线上任选一点I作切线，即可得该点所对应浓度ci的斜率（dσ）T，再由式？可求得不dci同浓度下的值。Γ饱和吸附与溶质分子

5、的横截面积吸附量Γ与浓度c之间的关系，可用朗谬尔（Langmuir）吸附等温式表示：KcΓ=Γ∞（9.3）1+Kc图9—2表面张力与浓度的关系式中：Γ∞为饱和吸附量，K为常数。将上式取倒数可得：cc1=+(9.4)ΓΓ∞KΓ∞c作~c图，直线斜率的倒数即为Γ∞。Γ2如果以N代表1m表面上溶质的分子数，则有：N=Γ∞L式中L为阿伏加德罗常数，由此可得每个溶质分子在表面上所占据的横截面积：1图9—3表面张力实验装置示意图σB=(9.5)Γ∞L因此，若测得不同浓度的溶液的表面张力，从σ—c曲线上求出不同浓度的吸附量，再从ΓcΓ~c直线上求出Γ∞，便可计算出溶质分子的横截面积σ

6、B。B9．2．3最大泡压法41测定表面张力的方法很多。本实验用最大泡压法测定乙醇水溶液的表面张力，其实验装置和原理如图9—3所示。将被测液体装于测定管中，使玻璃管下端毛细管面与液面相切，液面沿毛细管上升。打开抽气瓶的活塞缓缓放水抽气，则测定管中的压力p逐渐减小，毛细管中压力p0就会将管中液面压至管口，并形成气泡，其曲率半径由大而小，直至恰好等于毛细管半径r，根据拉普拉斯(Laplace)公式，这时能承受的压力差也最大：2σΔpmax=Δpr=p0−pr=(9.6)r随后大气压力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减少，实际上测定管中的

7、压力差却在进一步加大，所以立即导致气泡的破裂。最大压力差可用精密数字式压力计读出。2设毛细管半径为r，气泡由毛细管口逸出时总作用力为πrP最大，而P最大=P大气——P系统。气泡在毛细管口受到表面张力引起的作用力为2πrσ。当气泡逸出时，上述两压力相等2πrP最大=2πrσ。如将表面张力为σ1、σ2的两种液体，采用同一支毛细管和压差计，分别测定其最大压差，则有σ1P最大1=(9.7)σ2P最大2P最大2σ2=•σ1=K•P最大2(9.8)P最大1K为毛细管常数由已知表面张力σ1的液体为标准，由上式可求其它液体的表面张力σ2。9．3仪器试剂最