北京化工大学：《物理化学》课程教学资源（实验指导）溶液的吸附作用和液体表面张力的测定

蓉液的吸附作用和液体表面张力的。定 页码，1/4 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Lang 面吸附量和正丁醇分于 3,掌握作图法的要点，提高作图水平。 二.实验原理 当液体中加入某种溶质时，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 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，Gbs用热力学方法导出了一定 温度下，吸附最的定量公式一一Gibbs吸附等温式： r=-后￥ 式中，厂为表面吸附量(molm2):Y为表面张力(NWm或/m2):T为热力学温度(K):c为溶液 本体的平衡浓度(molL):R为气体常数(molK。 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，烃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，吸附量达极大值「，表面溶液的表面吸附达饱和状态。「。可近似看成表面 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r-c曲线示于图一。从曲线可求得不同浓度下的dydc值，将各值待入Gibs公式可 计算不同浓度时表面吸附量厂。如果作厂-©曲线，可求得饱和吸附最「。，并由下式计算出正丁醇 的分子截面积： S=TNo 式中，N为Avgodro常数(6.02×1023/mol)。 实际上将T-c曲线外推求「，比较困难。没气固单分子层吸附的Langmuirl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： 或 file://E:\whsy\whsy12.htm 2008-4-22

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 当液体中加入某种溶质时，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Gibbs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——Gibbs吸附等温式： ＝－ 式中， 为表面吸附量（mol/m2）；γ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，烃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，吸附量达极大值 ，表面溶液的表面吸附达饱和状态。 可近似看成表面 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γ-c曲线示于图一。从曲线可求得不同浓度下的dγ/dc值，将各值待入Gibbs公式可 计算不同浓度时表面吸附量 。如果作 -c曲线，可求得饱和吸附量 ，并由下式计算出正丁醇 的分子截面积： S= 式中，N0为Avgodro常数（6.02×1023/mol）。 实际上将 -c曲线外推求 比较困难。设气固单分子层吸附的Langmuir吸附等温式适用于溶液 的表面吸附，并以表面吸附量 （表面超量）代替单位表面上所含正丁醇的物质量，则有： θ＝ 或 Γ dc d RT c γ • Γ Γ∞ Γ∞ Γ Γ Γ∞ 0 1 Γ∞ N Γ Γ∞ Γ Kc Kc + = Γ Γ ∞ 1 溶液的吸附作用和液体表面张力的测定 页码，1/4 file://E:\whsy\whsy12.htm 2008-4-22

溶液的吸附作用和液体表面张力的测定 页码，2/4 + 式中，日为吸附分数，c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。由下~℃作图 可得一直线，由直线斜率求「。，进而可求分子的截面积S。 接压力 图一Y一c曲线、厂一c曲线和下一c曲线 图二最大泡压法测液体表面张力仪器装置图 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、滴外形法等等。本实验采用最大泡压法，实验装置如图二所示。 图二中A为充满水的抽气瓶：B为直径为02~0.3mm的毛细管：C为样品管：D为U型压力计 内装水以测压差：E为放空管：F为恒温槽 将毛细管竖直放置，使滴口瓶面与液面相切，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力渐小于毛细管内液体上的压力（即室压），毛细管内外液面形 成一压差，此时毛细管内气体将液体压出，在管口形成气泡并逐渐胀大，当压力差在毛细管口所产 生的作用力稍大于手细管口液体的表面张力时，气泡破裂，压差的最大值由】型压力计上读出， 若毛细管的半径为，气泡从毛细管出来时受到向下的压力为： Pmx=P大气一P系铁=△hPg 式中，△h为U型压力计所示最大液柱高度差，g为重力加速度，p为压力计所贮液体的密度。气泡在 毛细管口所受到的由表面张力引起的作用力为2，气泡刚脱离管口时，上述二力相等： m2px=m2△hpg=2my y=Ahp8 fil ://E:\whsy\whsy12.htm 2008-4-22

式中，θ为吸附分数，c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 ～c作图 可得一直线，由直线斜率求 ，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、滴外形法等等。本实验采用最大泡压法，实验装置如图二所示。 图二中A为充满水的抽气瓶；B为直径为0.2～0.3mm的毛细管；C为样品管；D为U型压力计， 内装水以测压差；E为放空管；F为恒温槽。 将毛细管竖直放置，使滴口瓶面与液面相切，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力渐小于毛细管内液体上的压力（即室压），毛细管内外液面形 成一压差，此时毛细管内气体将液体压出，在管口形成气泡并逐渐胀大，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，压差的最大值可由U型压力计上读出。 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： 式中，△h为U型压力计所示最大液柱高度差，g为重力加速度，ρ为压力计所贮液体的密度。气泡在 毛细管口所受到的由表面张力引起的作用力为2πr•γ，气泡刚脱离管口时，上述二力相等： ∞ Γ∞ + Γ = Γ K c c 1 Γ c Γ∞ 图一 γ～c曲线、 ～Γ c曲线和 ～Γ c曲线 c 图二 最大泡压法测液体表面张力仪器装置图 pmax = p大气－p系统＝∆hρg πr p πr hρg 2πrγ 2 max 2 = ∆ = h g r γ = ∆ • ρ • 2 溶液的吸附作用和液体表面张力的测定 页码，2/4 file://E:\whsy\whsy12.htm 2008-4-22

蓉液的吸附作用和液体表面张力的识。定 页码，3/4 若将表面张力分别为力和Y2的两种液体用同一支毛细管和压力计用上法测出各自的h和 ,则有如下关系： 2M, 甲方-众的=M 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。本实验用纯水作 为基准物质，20.0℃时纯水的表面张力为7.275×10-2N/m(或J/m2). 三.仪器和试剂 表面张力测定装置（包括恒温信）1套：容量瓶100ml1个，50ml5个：1ml刻度移液管1支：吸耳 球1个：正丁醇（二级）：去离子水。 四。实验步骤 1.溶液配制 按表分2次配制9份溶液，第一次1一5号，第二次配制6一9号。 表一正丁醇表面张力测定溶液配制方法 样品号数1 23456789 容量瓶体 积cm3 100 50 50 50 50 50 50 50 50 "em3 0.10 0.10 0.250.500.751.001251.501.75 2.如图装配仪器，恒温温度调至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smin以上，测定液体的表面张力。 3.测定毛细管常数。样品管内加入一定量蒸馏水（以放入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，使气泡从毛细管均匀逸出，以3一5s逸出1个气泡为宜，记录 压力计两侧液面之最高和最低读数各三次，取△h的平均值计算毛细管常数K值。 4.同法测定各正丁醇溶液的△h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.数据处理 1.计算各浓度正丁醇溶液的表面张力，并作？c曲线： 样品号数12345 6789 溶液浓度c file://E:\whsy\whsy12.htm 2008-4-22

若将表面张力分别为 和 的两种液体用同一支毛细管和压力计用上法测出各自的 和 ，则有如下关系： 即 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。本实验用纯水作 为基准物质，20.0℃时纯水的表面张力为7.275×10－2N/m(或J/m2)。 三．仪器和试剂 表面张力测定装置（包括恒温槽）1套；容量瓶100ml1个，50ml5个；1ml刻度移液管1支；吸耳 球1个；正丁醇（二级）；去离子水。 四．实验步骤 1．溶液配制 按表分2次配制9份溶液，第一次1～5号，第二次配制6～9号。 表 － 正丁醇表面张力测定溶液配制方法 2．如图装配仪器，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5min以上，测定液体的表面张力。 3．测定毛细管常数。样品管内加入一定量蒸馏水（以放入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，使气泡从毛细管均匀逸出，以3～5s逸出1个气泡为宜，记录 压力计两侧液面之最高和最低读数各三次，取 的平均值计算毛细管常数K值。 4．同法测定各正丁醇溶液的 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．数据处理 1．计算各浓度正丁醇溶液的表面张力，并作γ-c曲线； 1 γ 2 γ 1 ∆h 2 1 2 1 h h ∆ ∆ = γ γ 1 1 2 2 1 h K h h ∆ = ∆ ∆ = γ γ 样品号数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 容量瓶体 积/cm3 100 50 50 50 50 50 50 50 50 /cm3 醇V 0.10 0.10 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2 ∆h 1 ∆h 样品号数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 溶液浓度c 2 ∆h 1 ∆h γ 溶液的吸附作用和液体表面张力的测定 页码，3/4 file://E:\whsy\whsy12.htm 2008-4-22

溶液的吸附作用和液体表面张力的测定 页码，4/4 2.用双统镜特法求六个以上切点（的约分布）的密)值。 3.计算下值，并求cT值： 4.作cT~c图，得一直线，由直线斜率求「值： 5.计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2.2×1019m子，并以此求 出相对误差。 六.思考题 1.毛细管尖端为何要刚好接触液面？ 2.为何毛细管的尖端要平整？选择毛细管直径大小时应注意什么？ 3.如果气泡出得过快，对结果有何影响？ file://E:\whsy\whsyl2.htm 2008-4-22

2．用双玻璃棒法求六个以上切点（均匀分布）的 ）值； 3．计算 值，并求c/ 值； 4．作c/ ～c图，得一直线，由直线斜率求 值； 5．计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.毛细管尖端为何要刚好接触液面？ 2.为何毛细管的尖端要平整？选择毛细管直径大小时应注意什么？ 3.如果气泡出得过快，对结果有何影响？ T c ( ) ∂ ∂γ Γ Γ Γ Γ∞ 溶液的吸附作用和液体表面张力的测定 页码，4/4 file://E:\whsy\whsy12.htm 2008-4-22