实验十二溶液的吸附作用和液体表面张力的测定 一、实验目的 1.用最大泡压法测定不同浓度的表面活性物质（正丁醇）溶液在一定温度下的表面 张力。 2.应用Gibbs和Langmuir吸附方程式进行精确作图和图解微分，计算不同浓度正丁醇 溶液的表面吸附量和正丁醇分子截面积，以加深对溶液吸附理论的理解。 3.掌握作图法的要点，提高作图水平 二、实验原理 当液体中加人某种溶质时，其表面张力要发生变化。例如在水中溶入醇、醛、酮等有机 化合物，水的表面张力要减小；若加入某些无机物，则水的表面张力稍有增大。溶液系统可 通过自动调节不同组分在表面层中的量来降低表面Gbbs能，使系统趋于稳定。因此，若加 入的溶质能够降低溶液的表面张力，则该溶质力图浓集在表面上；反之，则该溶质在表面层 中的浓度一定低于溶液的内部，这种表面层中某物质的含量与溶液本体中不同的现象，称之 为表面吸附作用。当表面层中物质的量大于本体溶液中的量，叫做发生了正吸附，反之为发 生负吸附，Gibbs用热力学方法导出了一定温度下，吸附量的定量公式一Gibbs吸附 等温式： y r=一RTdc (10-52) 式中，T为表面吸附量(mol/m2)；y为表面张力(N/m或J/m2):T为热力学温度(K); c为溶液本体的平衡浓度(mol/L)R为气体常数[J/(mol·K)]。 能使溶剂水的表面张力降低的溶质通常称为表面活性物质。工业上和生活中所用的去污 剂、起泡剂、乳化剂及润滑剂等都是表面活性物质。表面活性物质的分子是由亲水的极性部 分和憎水的非极性部分构成的，正丁醇分子为ROH型一元醇，其羟基为亲水基，烃基为憎 水基，当它溶于水后，在溶液表面层形成羟基朝下，经基朝上的正丁醇单分子层。当溶液浓 度增加时，表面吸附量也增加：当浓度足够大时，吸 附量达极限值T®溶液的表面吸附达饱和状态。T。可 近似看成在表面上定向排满单分子层时单位表面积中 正丁醇的物质量。 正丁醇溶液的Yc曲线示于图10-29。从曲线可求得 不同浓度下的dy/c值，将各值代人Gibbs公式可计算不 同浓度时表面吸附量。如果作P曲线，可求得饱和吸 附量T,并由下式计算出正丁醇的分子截面积： S-FNo (10-53) Y-c 式中，No为Avgodro常数(6.02X1023/mol). 实际上将几c曲线外推求T比较困难。设气固单 图10-29e曲线、Pc曲线和。c曲线 分子层吸附的Langmuir吸附等温式适用于溶液的表
面吸附，并以表面吸附量下（表面超量）代替单位表面上所含正丁醇的物质量，则有： =十K (10-54) 或 =后+ (10-55) 式中，日为吸附分数；℃为溶液本体的平衡浓度；K为与溶液表面吸附有关的经验常数。由 片~c作图可得-一直线，由直线斜率求几，进而可求分子的截面积S. 用最大泡压法测表面张力方法如下： 测定液体表面张力的方法很多，如毛细管升高法、滴重法、环法、滴外形法等。本实验 采用最大泡压法，实验装置如图10-30所示。 图10-30中A为充满水的抽气瓶：B为直径为0.2~0.5mm的毛细管；C为样品管；D 为恒温槽：E为放空管。 将毛细管竖直放置，使滴口平面与液面相切，液体即沿毛细管上升，打开抽气瓶的活 栓，让水缓缓滴下，使样品管中液面上的压 E放空管 力渐小于毛细管内液体上的压力（即室压）， B毛细臂 毛细管内外液面形成一压差，此时毛细管内 接压力计 气体将液体压出，在管口形成气泡并逐渐胀 由气 C样品管 大，当压力差在毛细管口所产生的作用力稍 大于毛细管口液体的表面张力时，气泡破裂， D恒温槽 压差的最大值可由微压仪测量。 若毛细管的半径为r,气泡从毛细管出 来时受到向下的压力为： △Pmmx一p大气-D楼兰△hpg 式中，△h为U形压力计所示最大液柱高度 图10-30最大泡压法测液体表面张力装置图 差；g为重力加速度；P为压力计所储液体的 密度。气泡在毛细管口所受到的由表面张力引起的作用力为2πr·Y,气泡刚脱离管口时， 上述二力相等： π2△力mnx=2Try 所以 yr△bmax/2 （10-56) 若将表面张力分别为和2的两种液体用同一支毛细管和压力计用上法测出各自的 △pmx,1和△pmx,2,则有如下关系： 六-8 △pn=K△paal Yh=△pmx2 (10-57) 对同一支毛细管来说，K值为一常数，其值可借一表面张力已知的液体标定之。本实 验用纯水作为基准物质，20.0C时纯水的表面张力为7.275×10-2N/m(或J/m2)。 -2
三、仪器和试剂 1.仪器 表面张力测定装置（包括恒温槽和微压仪）1套；容量瓶100mL1个，50mL5个； 1mL刻度移液管1支；洗耳球1个。 2.试剂 正丁醇（二级)；去离子水。 四、实验步骤 1.溶液配制 按表10-6分2次配制9份溶液，第一次配制1~5号，第二次配6~9号。 表106正丁醇表面张力测定溶液配制方法 样品号数 1 2 3 5 6 7 8 9 容量瓶体积/cm3 100 50 50 50 50 50 50 50 50 Vw/cm 0.10 0.10 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.如图10-30装配仪器，恒温槽温度调至20.0°℃，样品管内置待测液体，毛细管竖直 放置，毛细管口与液面相切。恒温5in以上，测定液体的表面张力。 3.先测定毛细管常数。样品管内加入一定量蒸馏水（以放人毛细管后管口刚好与液面 相切为准)，旋动抽气瓶活栓让水缓缓滴下，使气泡从毛细管口均匀逸出，以3~5s逸出1 个气泡为宜，调徽压仪测最大压差，读数3一5次，取△pmx,2的平均值计算毛细管常 数K值。 4,同法测定各正醇溶液的△pmax,1值，测量顺序由稀到浓，每次测量前用样品冲洗样品 管和毛细管数次。 五、结果与讨论 1.按式(10-57)计算各浓度正丁醇溶液的表面张力，作Yc曲线（用一整张16开坐标纸）。 2。用双玻璃棒法或镜面法求曲线六个以上切点（均匀分布）的()，值。 3.按式(10-52)计算T值，并求c/T值。 4.按式(10-55)作c/T~c图，得直线，由直线斜率求T值。 5.按式（10-53)算出正丁醇的分子截面积。文献记载直链醇类的分子截面积约为2.2× 10-19m2,并以此求出相对误差。 六、思考题 1.为什么毛细管要与液面垂直且管口要与液面相切？若毛细管深入液面一定深度能否 准确测出液体的表面张力？如何测定与计算？ 2.为什么气体的逸出速度要均匀、缓慢？否则有何影响？ 3,本实验中哪个样的准确测定最为重要？为何测量顺序要由稀至浓，若顺序颠倒有 何缺点？ 4.本实验存在哪些方法误差？ -3