1、最大泡壓法測定溶液的外表張力一、實驗目的1. 測定不同濃度正丁醇溶液的外表張力，計算吸附量。2. 了解氣液界面的吸附作用，計算外表層被吸附分子的截面積及吸附層的厚度。3掌握最大氣泡法(或扭力天平)測定溶液外表張力的原理和技術。二、預習要求1掌握最大氣泡法(或扭力天平)測定外表張力的原理，了解影響外表張力測定的因素。2. 了解如何由外表張力的實驗數據求分子的截面積。3掌握如何由實驗數據計算吸附量。三、實驗原理從熱力學觀點來看，液體外表縮小是一個自發過程，這是使體系總自由能減小的過程，欲使液體產生新的外表AA,就需對其做功，其大小應與AA成正比：一；匸二b丄七(1)如果AA為1m2，那么-W =c

2、是在恒溫恒壓下形成1m2新外表所需的可逆功，所以稱為比外表吉布斯自由能，其單位為Jm-2。也可將b看作為作用在界面上每單位長度邊緣上的力，稱為外表張力，其單位是Nm-1。在定溫下純液體的外表張力為定值，當參加溶質形成溶液時，外表張力發生變化，其變化的大小決定于溶質的性質和參加 量的多少。根據能量最低原理，溶質能降低溶劑的外表張力時，外表層中溶質的濃度 比溶液內部大；反之，溶質使溶劑的外表張力升高時，它在外表層中的濃度比在內部 的濃度低，這種外表濃度與內部濃度不同的現象叫做溶液的外表吸附。在指定的溫度 和壓力下，溶質的吸附量與溶液的外表張力及溶液的濃度之間的關系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程：

3、式中，r為溶質在表層的吸附量；b為外表張力；c為吸附到達平衡時溶質在介質中 的濃度。r >o稱為正吸附；當r <0稱為負吸附。吉布斯吸附等溫式應用范圍很廣，但上述形式僅適用于稀溶液。引起溶劑外表張力顯著降低的物質叫外表活性物質，被吸附的外表活性物質分子在界面層中的排列，決定于它在液層中的濃度，這可由圖川-23-1看出。圖川-23-1中和是不飽和層中分子的排列，3是飽和層分子的排列。當界面上被吸附分子的濃度增大時，它的排列方式在改變著，最后，當濃度足夠大時，被吸附分子蓋住了所有界面的位置，形成飽和吸附層，分子排列方式如圖川-23-13所示。這樣的吸附層是單分子層，隨著外表活性物質的分

4、子在界面上愈益緊密排列，那么此界面的外表張力也就逐漸減小。如果在恒溫下繪成曲線滬fC外表張力等溫線，當C增加時，b在開始時顯著下降，而后下降逐漸緩慢下來，以至b的變化很小，這時b的數值恒定為某一常數見圖川-23-2。利用圖解法進行計算十分方便，如圖川-23-2所示，經過切點 a作平行于橫坐標的直線，交縱坐標于b'點。以Z表示切線和平行線在縱坐標上截距間的距離，顯然圖川-23-1被吸附的分子在界面上的排列圖川-23-2外表張力和濃度關系圖以不同的濃度對其相應的r可作出曲線，r =fC稱為吸附等溫線。根據朗格謬爾Langmuir公式:rkCr為飽和吸附量，即外表被吸附物鋪滿一層分子時的1十

5、M以c/ r對C作圖，得一直線，該直線的斜率為1/ rop由所求得的r代入a=i/ roL可求被吸附分子的截面積L為阿佛加得羅常數 。假設溶質的密度p,分子量 m，就可計算出吸附層厚度s測定溶液的外表張力有多種方法，較為常用的有最大氣泡法和扭力天平法。最大泡壓法一、結構原理最大氣泡法的儀器裝置如右圖所示：A為外表張力儀，其中間玻璃管F下端一段直徑為的毛細管，B為充滿水的抽氣瓶，C為U型壓力計，內盛比重較小的水或酒精、甲苯等，作為工作介質，以測定 微壓差。將待測外表張力的液體裝于外表張力儀中，使F管的端面與液面相切，液面即沿毛細管上升，翻開抽氣瓶的活塞緩緩抽氣，毛細管內液面上受到一個比A瓶中液面

6、上 大的壓力，當此壓力差 一附加壓力4=p大氣-p系統在毛細管端面上產生的作用力稍大于毛細管口液體的外表張力時，氣泡就從毛細管口脫出，此附加壓力與外表張力成正比,與氣泡的曲率半徑成反比，其關系式為：式中，Ap為附加壓力；b為外表張力；R為氣泡的曲率半徑。如果毛細管半徑很小，那么形成的氣泡根本上是球形的。當氣泡開始形成時，外表幾乎是平的，這時曲率半徑最大 ；隨著氣泡的形成，曲率半徑逐漸變小，直到形成半球 形，這時曲率半徑 R和毛細管半徑 r相等，曲率半徑達最小值，根據上式這時附加壓 力達最大值。氣泡進一步長大，R變大，附加壓力那么變小，直到氣泡逸出。根據上式，R=r時的最大附加壓力為：8實際測量

7、時，使毛細管端剛與液面接觸，那么可忽略氣泡鼓泡所需克服的靜壓力，這樣就可直接用上式進行計算。當用密度為 p的液體作壓力計介質時，測得與Ap最大相適應的最大壓力差為Ah最大那么：'：-9當將一 FL合并為常數 K時，那么上式變為：L-i- 10式中的儀器常數 K可用外表張力的標準物質測得。二、儀器藥品1. 儀器最大泡壓法外表張力儀1套；吸耳球1 個;移液管50mL和1mL各1只;燒杯500mL只。2. 藥品正丁醇化學純；蒸餾水。三、實驗步驟1. 儀器準備與檢漏將外表張力儀容器和毛細管先用洗液洗凈，再順次用自來水和蒸餾水漂洗，烘干 后按圖川-23-3按好。將水注入抽氣管中。 在A管中用移液

8、管注入50mL蒸餾水，用吸耳球由 G處抽氣,調節液面，使之恰好與細口管尖端相切。然后關緊G處活塞，再翻開活塞H，這時管B中水流出，使體系內的壓力降低，當壓力計中液面指示出假設干厘米的壓差時，關閉H，停止抽氣。假設2min3min內，壓力計液面高度差不變，那么說明體系不漏氣，可以進行實驗。2. 儀器常數的測量開H對體系抽氣，調節抽氣速度，使氣泡由毛細管尖端成單泡逸出，且每個氣泡形成的時間為 10s20s數顯微壓差測量儀為5s10s。假設形成時間太短，那么吸附平衡就來不及在氣泡外表建立起來，測得的外表張力也不能反映該濃度之真正的外表張力值。當氣泡剛脫離管端的一瞬間，壓力計中液面差到達最大值，記錄壓

9、力計兩邊最高和最低讀數，連續讀取三次，取其平均值。、再由手冊中，查出實驗溫度時，水的外表張力 6,那么儀器常數K 二-叫3. 外表張力隨溶液濃度變化的測定在上述體系中，用移液管移入正丁醇，用吸耳球打氣數次注意打氣時，務必使體系成為敞開體系。否那么，壓力計中的液體將會被吹出，使溶液濃度均勻，然后調節液面與毛細管端相切，用測定儀器常數的方法測定壓力計的壓力差。然后依次參加正丁醇，每加一次測定一次壓力差Ah最大。正丁醇的量一直加到飽和為止，這時壓力計的Ah最大值幾乎不再隨正丁醇的加入而變化。四、考前須知1. 儀器系統不能漏氣。2. 所用毛細管必須干凈、枯燥，應保持垂直，其管口剛好與液面相切。3. 讀取壓力計的壓差時，應取氣泡單個逸出時的最大壓力差。五、數據處理1. 計算儀器常數 K和溶液外表張力6繪制C等