溶液中吸附作用表面张力的测定.docx

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溶液中吸附作用表面张力的测定

溶液中的吸附作用和表面张力的测定

-------最大气泡压力法

胡文龙PB07206300

摘要：

本实验利用最大气泡压力法测定了不同浓度的正丁醇水溶液的表面张力，了解并验证吸附量与溶液浓度的关系，最终根据表面张力与浓度的关系曲线求得正丁醇分子的横截面积。

关键词：

正丁醇毛细管常数吸附量表面张力最大气泡压力法表面积

TheSolutionadsorptionAndDeterminationofsurfacetension

–Themaximumbubblepressuremethod

WenlongHuPB07206300

Departmentofpolymer.Theuniversityofscience&TechnologyofChina

Abstract:

Thesurfacetensionofn-Butylalcoholsolutionwasdeterminedbythemaximumbubblepressuremethod.Accordingtothedetermineddata,wecangettoknowtherelationshipbetweentheadsorptionquantityandtheconcentration.Finallytheacrossareaofn-butylalcoholmolecularwasfiguredoutaccordingtotherelationshipbetweensurfacetensionandtheconcentrationcurve.

Keywords:

n-butylalcoholcapillaryconstantadsorptionquantitysurfacetension

Themaximumbubblepressuremethodsurfacearea

前言

界面科学是化学、物理、生物、材料和信息等学科之间相互交叉和渗透的一门重要的边缘科学，是当前三大科学技术（即生命科学、材料科学和信息科学）前沿领域的桥梁。

界面化学是在原子或分子尺度上探讨两相界面上发生的化学过程以及化学工程前驱的一些物理过程。

由于在界面上的分子处境特殊，有许多特殊的物理和化学的性质，随着工业生产的发展，与界面现象有关的应用也越来越多，从而建立了表面化学这一科学分支。

表面化学是一门既有广泛实际应用又多门学科密切联系的交叉学科，既有传统的、唯象的、比较成熟的规律和理论，又有现代分子水平的研究方法和不断出现的新的发现。

表面张力即促使液体表面收缩的力，是分子力的一种表现。

它发生在液体与气体接触时的边界部分，由表面层的液体分子的特殊情况决定。

表面张力系数与液体性质有关，与液面大小无关。

实验部分

1．实验原理

物体表面的分子和内部分子所处的境况不同，因而能量也不同，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。

如要把一个分子由内部迁移到表面，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（DA）所需耗费功（W）的量，其大小应与DA成正比。

表面分子和

内部分子的不同情况

－W=DA

.如果DA＝1m2，则－W＝，即在等温下形成1m2新的表面所需的可逆功。

故称为单位表面的表面能，其单位为N·m-1。

这样就把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。

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。

在纯液体情形下，表面层的组成与内部的组成相同，因此液体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，由于溶质会影响表面张力，因此可以调节溶质在表面层的浓度来降低表面自由能。

根据能量最低原理，溶质能降低溶液的表面张力时，表面层中溶质的浓度应比溶液内部大，反之，溶质使溶液的表面张力升高时，它在表面层中的浓度比在内部的浓度低。

这种表面浓度与溶液里面浓度不同的现象叫“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间的关系式。

＝

式中，——气一液界面上的吸附量（mol·m-2）；

——溶液的表面张力（N·m-1）;

T——绝对温度（K）；c－溶液浓度（mol·m-3）；

R——气体常数（8.314J·mol-1·K-1）。

当

时，>0，称为正吸附。

反之，

时，<0，称为负吸附。

前者表明加入溶质使液体表面张力下降，此类物质叫表面活性物质，后者表明加入溶质使液体表面张力升高，此类物质叫非表面活性物质。

表面活性物质具有显著的不对称结构，它是由亲水的极性部分和憎水的非极性部分构成。

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。

而非极性部分则为RCH2－。

正丁醇就是这样的分子。

在水溶液表面的表面活性物质分子，其极性部分朝向溶液内部，而非极性部分朝向空气。

表面活性物质分子在溶液表面的排列情形随其在溶液中的浓度不同而有所差异。

当浓度极小时，溶质分子平躺在溶液表面上，如图11－2（a），浓度逐渐增加，分子排列如图11－2（b），最后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。

不同浓度时，溶质分

子在溶液表面的排列情况

丁醇是一种表面活性物质，其水溶液的表面张力和浓度关系见图11－3中的－c曲线，在－c曲线上作不同浓度c时的切线，把切线的斜率B（

）代入Gibbs吸附公式，可以求出不同浓度时气－液界面上的吸附量。

在一定温度下，吸附量与溶液浓度之间的关系由Langmuir等温方程式表示：

为饱和吸附量，K为经验常数，与溶质的表面活性大小有关。

若以

～C作图可得一直线，由直线斜率即可求出

。

假设在饱和吸附情况下，正丁醇分子在气－液界面上铺满一单分子层，则可应用下式求得正丁醇分子的横截面积S0。

正丁醇水溶液的表面

张力与浓度的关系图

式中，

－阿佛加德罗常数。

最大气泡压力法测量表面张力的装置示意图如11－4。

当表面张力仪中的毛细管截面与欲测液面相齐时，液面沿毛细管上升。

打开滴液漏斗的活塞，使水缓慢下滴而使体系内的压力增加，这时毛细管内的液面上受到一个比恒温试管中液面上稍大的压力，因此毛细管内的液面缓缓下降。

当此压力差在毛细管端面上产生的作用力稍大于毛细管口溶液的表面张力时，气泡就从毛细管口逸出。

这个最大的压力差可由数字式微压差测量仪上读出。



1、恒温套管。

2、毛细管（r在0.15～0.2mm）

3、数字式微压差测量仪

4、分液漏斗。

5、塑料烧杯。

6、连接橡皮管。

最大气泡法测表面张力装置

如毛细管的半径为r，气泡由毛细管口逸出时受到向下的总作用力为r2P最大，而

P最大＝P系统－P大气压＝Dhg

式中，Dh－数字式微压差测量仪上的读数

g－重力加速度

－压力计内液体的密度

气泡在毛细管上受到表面张力引起的作用力为2r。

气泡自毛细管口逸出时，上述两种力看作相等，即：

若用同一只毛细管和压力计，在同一温度下，对两种溶液而言，则得：

式中

为毛细管常数。

用已知表面张力2的液体为标准，可求出其他液体的表面张力1。

2.仪器与试剂

仪器：

超级恒温水浴1台数字式微压差测量仪1台

恒温套管1支毛细管（半径为0.15～0.2mm）1支

100mL容量瓶7个2mL移液管1支

250mL分液漏斗1个500mL塑料烧杯1个

试剂：

正丁醇（分析纯）

3.实验步骤

1）毛细管常数的测定

按实验装置图装好仪器，打开恒温水浴，使其温度稳定于25℃。

取一支浸泡在洗液中的毛细管依次次用自来水、蒸馏水反复清洗若干次，同样把玻璃套管也清洗干净，加上蒸馏水，插上毛细管，用套管下端的开关调节液面恰好与毛细管端面相切，使样品在其中恒温10分钟。

在分液漏斗中加入适量的自来水，注意切勿使体系漏气。

然后调节分液漏斗下的活塞使水慢慢滴下，这时体系压力逐渐减小，直至气泡由毛细管口冒出，细心调节出泡速度，使之在5－10秒钟内出一个。

注意气泡爆破前数字式微压差测量仪的读数，并用电脑采集数据得到最大的压差值，求平均值而得

。

2）不同浓度的正丁醇溶液表面张力的测定：

用2mL移液管分别移取0.40ml、0.80ml、1.20ml、1.60ml、2.00ml、2.40ml、2.80ml正丁醇到100ml容量瓶中，然后稀释到刻度。

重复上述实验步骤，按照由稀至浓的顺序依次进行测量。

求得一系列浓度的正丁醇溶液的Dh。

4..实验结果

原始数据及数据处理过程见附表。

1）毛细管常数的测定

实验测得毛细管常数K=0.943Pa

纯水时计算得△h=0.0763m=7.63cm而实验要求为8cm左右，与理想值较为接近。

由此可知实验所用的毛细管粗细恰好，不影响实验的正常进行。

2）求算s＝f（c）和

＝f’（c）关系式

由图采用多项式二次拟合得：

σ（10-3N/m）=67.68-137.77C+151.09C2

=-137.77+302.18C

图s＝f（c）的曲线拟合方法有好几种，但为正确简单的求得

＝f’（c）关系采用多项式二次拟合较为理想，且二次拟合曲线与实验点吻合得很好。

3）绘制

－c曲线。

由图采用多项式二次拟合得Γ（×10-6mol/m2）=-0.002+55.53C-121.82C2

由图可知实验点和曲线吻合得非常好。

由关系式可知当C=0时，Γ=-2×10-9mol/m2，

可见此值可视为0，即正丁醇浓度为零时吸附量为零，

与事实相符。

由正丁醇的Γ—C关系图可知，曲线符合表面活性剂溶

的规律，从稀溶液c上升Γ随之增大，但浓度增大到一定程度后，

Γ趋于一个极限值，在高浓度段，Γ反而有所下降。

这是因为正

丁醇与水有良好的互溶性关系，当正丁醇在溶液中占大量时，

正丁醇在体相中的增加量超过表面相中的增加量，故表面相与体相的正丁醇含量差值反而下降，即Γ值略有下降。

这类物质的表面吸附量总是随溶液浓度而改变没有恒定不变的饱和吸附量。

4）计算正丁醇横截面积

由实验算得正丁醇分子的横截面接为S0=2.1×10-19m2

而根据文献参考值S0=2.4×10-19～3.2×10-19m2

实验值与文献值比较接近。

（误差来源见实验分析）

5．实验分析

1）实验误差分析

正丁醇分子的横截面积的实验值与文献值较为接近，但稍有偏差，误差主要来源有：

●气泡的的逸出速度不能保持完全一致，以致记录数据的衡量标准不一样。

●正丁醇浓度配置不太准确，造成与理论计算浓度有偏差。

●毛细管不能每次到保持一样完全垂直。

●毛细管每次与液面的相切程度不一样。

●每次实验后正丁醇浓度不断加大，但毛细管内部仍含有一点上次实验的正丁醇浓度溶液，虽然含量少，但对毛细管来说仍有一定影响。

●数据处理过程中对数据不同的处理方法，对曲线不同的拟合方法都会得到不同的实验结果。

2）实验时要尽量保持出泡速度一致，每次加入另一种新的溶液后都要耐心等待几分钟，使出泡稳定。

3）实验时分液漏斗中的水应该尽量加多一点，这样便于控制出泡速度。

4）当正丁醇溶液浓度增大时，出泡速度越来越困难。

5）该实验测定表面张力时，要求待测液面正好与毛细管底端相切，这是该实验最困难的地方。

这点应该加以改进，可以预先在大试管壁上作个标记（如用有刻度的大试管则更好）表示液面高度，则可根据标记倒人溶液，不会偏离太多。

一般可稍高于刻度，然后用毛细管吸取多余的溶液，当吸到液面以下看不到毛细管时立即停止，移去多余的溶液。

这样可以保证毛细管底端与液面正好相切。

6）Gibbs吸附公式是有使用条件的，它只适用于溶液浓度小于或等于临界胶束浓度（c．m．c）的范围。

7）表面吸附量还与温度有关，在相同的溶液浓度情况下，温度升高，正丁醇溶液的表面吸附量增加。

因此，实验过程中应该保持温度一致。

参考文献

[1].南京大学物理化学研究室.傅献彩沈文霞姚天扬物理化学第四版.

[2].崔献英，何燕雄，袁绍纯.物理化学实验中国科学技术大学出版社2002

[3]邝生鲁，刘常坤，向建敏，等编.物理化学实验.武汉:

武汉工业大学出版社，1996

附件：

1.原始数据

实验温度：

T前=25.01℃T后=25.00℃

编号

1

2

3

4

5

6

7

8

正丁醇用量ml

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

2.4

2.8

最大

压差

/Pa

1

745.5

647.5

579.9

536.0

509.1

461.5

433.4

410.4

2

745.5

646.4

580.1

535.5

510.4

461.6

433.5

410.3

3

744.8

646.5

580.1

536.4

509.1

461.8

433.4

410.2

4

745.3

646.4

579.7

536.8

510.5

461.4

433.7

409.6

5

745.1

646.2

580.6

535.0

509.2

461.8

434.0

409.8

6

745.1

646.1

580.9

536.9

510.1

462.8

433.8

410.1

平均值

745.2

646.5

580.2

536.1

509.7

461.8

433.6

410.1

2.毛细管常数的测定（T=25℃）

实验常数：

ρ水=997.043kg/㎥重力加速度g=9.8N/kg纯水＝71.97×10-3N·m-1根据P最大=ρg△h

得纯水时△h=P最大/ρg=745.2Pa/（9.8N/kg×997.043kg/㎥）

=0.0763m

又σ=K△h

代入数据得K=σ/△h=71.97×10-3N·m-1/0.0763m=0.943Pa

3.绘制σ-C关系曲线

根据关系式有：

P最大=ρg△hρ正丁醇=0.8109g/mlM=74.14

在正丁醇浓度很小时假设密度不变，故有：

根据纯水时的表面张力求的正丙醇水溶液的表面张力并整理得：

编号

1

2

3

4

5

6

7

正丁醇用量ml

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

2.4

2.8

最大压差Pa

646.5

580.2

536.1

509.7

461.8

433.6

410.1

溶液浓度cmol/L

0.044

0.087

0.131

0.175

0.219

0.262

0.306

表面张力σ10-3N/m

62.44

56.03

51.78

49.22

44.60

41.88

39.61

利用origin做σ-C关系曲线

σ×10-3N/m

0.044

62.44

0.087

56.03

0.131

51.78

0.175

49.22

0.219

44.60

0.262

41.88

0.306

39.61

C/mol/L

＝f（c）

利用多项式拟合得σ（10-3N/m）=67.68-137.77C+151.09C2浓度单位为（mol/L）

4．求算微分方程，计算微商值

由＝f（c）关系式求微分得

＝f’（c）关系：

求得

=-137.77+302.18C代入数据即得个点的微分值。

编号

1

2

3

4

5

6

7

正丁醇用量ml

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

2.4

2.8

溶液浓度cmol/L

0.044

0.087

0.131

0.175

0.219

0.262

0.306

×10-6N.m2.mol-1

-124.47

-111.48

-98.18

-84.89

-71.59

-58.60

-45.30

5.绘制

－c曲线

根据公式

，即可计算各不同浓度时的吸附量.

将数据代入公式并将结果整理得：

编号

1

2

3

4

5

6

7

溶液浓度cmol/L

0.044

0.087

0.131

0.175

0.219

0.262

0.306

吸附量Γ×10-6mol/m2

2.21

3.91

5.19

5.99

6.32

6.19

5.59

Γ×10-6mol/m2

利用origin制作

－c图

0.044

2.21

0.087

3.91

0.131

5.19

0.175

5.99

0.219

6.32

0.262

6.19

0.306

5.59

cmol/L

－c关系曲线图

用多项式拟合得

－c关系式为：

Γ（×10-6mol/m2）=-0.002+55.53C-121.82C2

其中C的单位为mol/L

6.绘制

～c关系曲线

利用上次上面数据求算

值并整理得：

编号

1

2

3

4

5

6

7

溶液浓度cmol/L

0.044

0.087

0.131

0.175

0.219

0.262

0.306

×107.m-1

1.99

2.23

2.52

2.92

3.46

4.23

5.47

利用origin做图得：

×107.m-1

0.044

1.99

0.087

2.23

0.131

2.52

0.175

2.92

0.219

3.46

0.262

4.23

0.306

5.47

～c关系曲线

cmol/L

由线性拟合得

（×107.m-1）=1.06+12.56C（mol/L）

又根据关系式

得：

=12.56×104m2/moL求得：

=7.96×10-6mol/m2

7.计算正丁醇分子的横截面积

由公式：

，其中

－阿佛加德罗常数

代入数据得：

S0=1/（7.96×10-6mol/m2×6.02×1023mol-1）

=2.1×10-19m2