《物理化学》课程教学资源（基础实验 Experiment of Physical Chemistry）实验9 溶液中的吸附作用和表面张力的测定.doc_大学文库

实验九溶液中的吸附作用和表面张力的测定一最大气泡压力法一、实验目的与要求： 1、通过测定不同浓度(c)正丁醇水溶液的表面张力（σ），由一曲线求溶液界面上的吸附量和单个正丁醇分子的横截面积(S) 了解表面张力的性质表面能的意义以及表面张力和吸附的关系。 3、掌握一种测定表面张力的方法一最大气泡法。二、预习要求： 1、掌挥最大气泡压力法测定表面张力的原理。 2、了解影响表面张力测定的因素。了解如何由表面张力的数据求正丁醇的横截面积三、实验原理： 1、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，。g一。如图11一1，表面层的分子受到向内的拉力，所以液体表面都有自动。 0o 缩小的鹊势。如要扣一个分子由内部迁移到表面，就需要对抗拉力而。米。作功，放表面分子的能量比内部分子大体系的总能量即增加了体系过 ()的量，其图131表面分子和大小应与△A成正比内部分子的不同情况一W=A 12-1) 如果AA=1m2,则一W=G,即在第温下形成1m2新的表面所需的 ,其单位为N -1 这样就把看作为作用在界面上每力，通常称为表张力。它表示表面自动缩小的趋的大小表面张力是液体的重要特性之，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、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 = (12-2) 式中，P- -气一液界面上的吸附量(molm2): -溶液的表面张力(N·m 一绝对温度(K):c一溶液浓度(molm3): R— -气体常数(8.314mol1.K1)。当(，0时，r0,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一NH,一OH,一SH,一COOH

63 实验九溶液中的吸附作用和表面张力的测定 ──最大气泡压力法一、实验目的与要求： 1、通过测定不同浓度（c）正丁醇水溶液的表面张力（），由－c 曲线求溶液界面上的吸附量和单个正丁醇分子的横截面积（S0）。 2、了解表面张力的性质、表面能的意义以及表面张力和吸附的关系。 3、掌握一种测定表面张力的方法—最大气泡法。二、预习要求： 1、掌握最大气泡压力法测定表面张力的原理。 2、了解影响表面张力测定的因素。 3、了解如何由表面张力的数据求正丁醇的横截面积。三、实验原理： 1、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，如图 11－1，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（A）所需耗费功（W）的量，其大小应与A 成正比。－W=A (12－1) 如果A＝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。 2、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  ＝ T RT c c       −   (12－2) 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 ( )  c T  0 时， >0，称为正吸附。反之， ( )  c T  0 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，图 13-1 表面分子和内部分子的不同情况

一SO,O以。而非极性部分则为RCH,一。正丁脑球是这样的分子。在水溶液表面的表面活性物质分子，其极性都分 o∠。∠(a) 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11一2(a),浓度深渐增加，分子排列加图11一2(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如图1】 -2(c)。正丁醇是一种表面活性物质，其水溶液的表面张力和图11-2不同浓度时，溶质分子在浓度关系见图11一3中的一c曲线，在。一c曲线上作不溶液表面的排列情况同浓度c时的切线，把切线的斜率B(,代入Gs 吸附公式，可以求出不同浓度时气一液界面上的吸附量厂在一定温度下，吸附量与溶液浓度之间的关系由Langmuir等温方程式表示： K.C r=「m1+kC 12-3) 「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(3)式化成直线方程，则 (12-4) 若以二~C作图可得一直线，由直线斜率即可求出工。假设在饱和吸附情况下，正丁醇分子在气一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。 1 So=T.N 11.(5) 式中，N一阿佛加德罗常数。 3、最大气泡压力法量表面张力的转置示意图如11一4 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。打开滴液漏斗的活砻，使水缓慢下滴而使体系内的压图1山3正丁醇水溶液的表面力增加，这时毛细管内的液面上受到一个比恒温试管中液面张力与浓府的关系图稍大的压力，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、相温套管 2、毛细管(r在0.15-0.2mm】 3、数字式微压苏测量仪温水进 4、分液漏斗。 5、塑料烧杯」 6、连接橡皮管。图11一4最大气泡法测表面张力装置

64 －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如图 11 －2（c）。正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 ( ( )  c T )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：  =   +   K C 1 K C (12－3)  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（3）式化成直线方程，则 C C   K = +   1 (12－4) 若以 C  ～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。 S N 0 1 =  ~ 11.(5) 式中， ~ N －阿佛加德罗常数。 3、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。图 11-2 不同浓度时，溶质分子在溶液表面的排列情况图 11-3 正丁醇水溶液的表面张力与浓度的关系图图 11－4 最大气泡法测表面张力装置

如毛细管的半径为，气泡由毛细管口逸出时受到向下的总作用力为知P,而式中，一数字式微压测量仪上的读数 =Ahpg g一重力加速度 ù一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2mσ。气泡自毛细管口逸出时，上述两种力看作相等，即： m2P大=m2hg 11.(6) 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： -Nhi Nh =K'Nh 11.(7 式中K为毛细管常数。用已知表面张力m的液体为标准，从(7)式可求出其他液体的表面张力0。四、仪器与药品：超级恒温水浴 1台数字式微压差测量仪 1台恒温在管毛细管（半径为0.15~0.2mm)1支 100mL容量瓶 1 2mL移液程 250mL分液漏斗 500mL塑料烧杯正丁醇（分析纯）五、实验步骤：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话塞使水慢慢滴 ,这时体系压力逐渐诚小，直至气泡由毛细管口冒出，细心调节出泡速度泡爆破前数悠名有大的压，尖宇均很手出5新果办 )秒用电脑乳 ×10N,m1,以△h-K求出所使用的毛细管常数，此值控制在8cm左右为宜，否则毛细管太粗误差较大，毛细管太细，易堵塞气泡很难逸出 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100m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△h。本实验的关健在于溶液浓度的准确性和所用毛细管、恒温套管的清洁程度。因此除事先用热的洗液清洗它们们以外，每改变一次测量溶液必须用待测的溶液反复洗涤它们，以保证所测量的溶液表面张力与实际溶液的浓度相一致，并控制好出泡速度、平稳地重复出现压力差。而不允许气泡一连串地出。洗涤毛细管时切勿碰破其尖端，影响测量。温度对该实验的测量影响也比较大，实验中请注意观察恒温水浴的温度，溶液加入测量管后恒温10min后再讲行读数测量。 65

65 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r 2P 最大，而 P 最大＝P 系统－P 大气压＝hg 式中，h－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 2r。气泡自毛细管口逸出时，上述两种力看作相等，即： r P r hg 2 2 最大 =  11.(6)  =  r h g 2  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：   1 2 1 2 =   h h   1 2 2 = 1 = 1    h h K' h 11.(7) 式中 K' 为毛细管常数。用已知表面张力2 的液体为标准，从（7）式可求出其他液体的表面张力1。四、仪器与药品：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 个正丁醇（分析纯）五、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 hH2O 。根据手册查出 25℃时水的表面张力为＝71.97 ×10-3N·m-1，以/h=K 求出所使用的毛细管常数，此值控制在 8cm 左右为宜，否则毛细管太粗误差较大，毛细管太细，易堵塞，气泡很难逸出。 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h。本实验的关键在于溶液浓度的准确性和所用毛细管、恒温套管的清洁程度。因此除事先用热的洗液清洗它们以外，每改变一次测量溶液必须用待测的溶液反复洗涤它们，以保证所测量的溶液表面张力与实际溶液的浓度相一致。并控制好出泡速度、平稳地重复出现压力差。而不允许气泡一连串地出。洗涤毛细管时切勿碰破其尖端，影响测量。温度对该实验的测量影响也比较大，实验中请注意观察恒温水浴的温度，溶液加入测量管后恒温 10min 后再进行读数测量