溶液表面吸附的測(cè)定

1、溶液表面吸附的測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、采用最大泡壓法測(cè)定不同濃度的乙醇水溶液的表面張力2、根據(jù)吉布斯吸附公式計(jì)算溶液表面的吸附量和乙醇分子的橫截面積二、實(shí)驗(yàn)原理1、表面自由能從熱力學(xué)觀點(diǎn)看，液體表面縮小是一個(gè)自發(fā)過程，這是使體系總的自由能減小的過程。如欲使液體產(chǎn)生新的表面A，則需要對(duì)其作功。功的大小應(yīng)與A 成正比：- WA 式中為液體的表面自由能，亦稱表面張力。它表示了液體表面自動(dòng)縮小趨勢(shì)的大小，其量值與液體的成分、溶質(zhì)的濃度、溫度及表面氣氛等因素有關(guān)。2、溶液的表面吸附純物質(zhì)表面層的組成與內(nèi)部的組成相同，因此純液體降低表面自由能的唯一途徑是盡可能縮小其表面積。對(duì)于溶液， 由于溶質(zhì)能使溶劑表面張力

2、發(fā)生變化，因此可以調(diào)節(jié)溶質(zhì)在表面層的濃度來降低表面自由能。根據(jù)能量最低原則，溶質(zhì)能降低溶劑的表面張力時(shí)，表面層溶質(zhì)的濃度比溶液內(nèi)部大；反之，溶質(zhì)使溶劑的表面張力升高時(shí)，表面層中的濃度比內(nèi)部的濃度低。這種表面濃度與溶液內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象叫做溶液的表面吸附。顯然，在指定的溫度和壓力下，溶質(zhì)的吸附量與溶液的表面張力及溶液的濃度有關(guān)，從熱力學(xué)方法可知它們之間的關(guān)系遵守吉布斯(Gibbs) 吸附方程：cd-dc TRT式中：為表面吸附量 (單位： mol?m-2) ；T 為熱力學(xué)溫度 (單位： K) ；c 為稀溶液濃度 (單位：mol?dm-3)； R 為氣體常數(shù)。ddc<0，則d>0，稱為

3、正吸附；Tdc>0，則<0，T稱為負(fù)吸附。以表面張力對(duì)濃度作圖，即得到- c 曲線，在- c 曲線上任選一點(diǎn)作切線，如圖 12.1所示，即可得該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)濃度ci 的斜率： d / dciT ，圖 12.1表面張力與濃度的關(guān)系其中：MNcid/ dci T則：MN /RT，根據(jù)此式可求得不同濃度下各個(gè)溶液的值。根據(jù)朗格繆爾（Langmuir ）吸附等溫式，吸附量與濃度c 之間的關(guān)系可用下式表示：Kc / 1K c式中：為飽和吸附量，K 為吸附常數(shù)，c 為稀溶液的濃度。將上式取倒數(shù)得：C /C /1/ K以 c / F 對(duì)c 作圖可得一直線，直線斜率的倒數(shù)即為。當(dāng)達(dá)到飽和吸附時(shí)，溶液表

4、面上的分子占據(jù)了所有表面。若以N 代表1m2 表面上溶質(zhì)的分子數(shù)，則有NL式中；L為阿佛加德羅常數(shù)， 因此每個(gè)溶質(zhì)分子在表面上所占據(jù)的橫截面積q 可按下式計(jì)算：q1/L表面張力的測(cè)定可按裝置圖12.2 進(jìn)行，將被測(cè)液體裝于測(cè)定管中，使毛細(xì)管的下端面與液體相切，液體沿著毛細(xì)管上升。打開抽氣瓶的活塞緩緩地放水抽氣，測(cè)定管中的壓力 P 逐漸減少，毛細(xì)管中壓力 P0 就會(huì)將管中液面壓至管口，并形成氣泡，當(dāng)氣泡的曲率半徑等于毛細(xì)管半徑r（即氣泡的曲率半徑為最小值），此時(shí)所承受的壓力差最大，根據(jù)拉普拉斯（ Laplace）公式：PmaxPrP0Pr2/ r此時(shí)最大的壓力差值可由U 型壓力計(jì)中最大液柱差h

5、來表示：Pmaxg h式中為 U 型壓力計(jì)中液體介質(zhì)的密度。由上述兩式可得：g hr / 2K 'hK為儀器常數(shù)， 可用已知表面張力的液體標(biāo)定。因此，只要將不同液體裝于測(cè)定管中，測(cè)定U 型壓力計(jì)中最大液柱差h，就可計(jì)算該液體的表面張力。三、儀器與藥品1、裝置及材料表面張力測(cè)定裝置見圖12.2。圖 12.2 表面張力測(cè)定裝置圖表面張力測(cè)定裝置1 套；恒溫水浴1 套；洗耳球1 個(gè)；阿貝折光儀1 臺(tái)；燒杯（ 50、100、 200ml ）各 1 只； 25ml 具塞錐形瓶 5 只； 10ml 比重瓶 5 只；乙醇（分析純），超級(jí)恒溫槽（公用） 。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、配制溶液：用稱重法粗略配制5，

6、 10， 15， 20， 25， 30， 35， 40的乙醇水溶液待用。2、測(cè)定儀器常數(shù)：將儀器認(rèn)真洗滌干凈，在測(cè)定管中注入蒸餾水，使管內(nèi)液面剛好與毛細(xì)管口相接觸，置于恒溫水浴內(nèi)恒溫10 min 。注意使毛細(xì)管保持垂直并注意液面位置，然后按圖12.2 接好系統(tǒng)。慢慢打開抽氣瓶活塞進(jìn)行抽氣。注意氣泡形成的速度應(yīng)保持穩(wěn)定，通常以每分鐘約8 12 個(gè)。記錄 U 型壓力計(jì)兩邊最高和最低讀數(shù)各3 次，求出平均值。 3、測(cè)定乙醇溶液的表面張力：以不同濃度的乙醇溶液進(jìn)行測(cè)量，從稀到濃依次進(jìn)行。 每次測(cè)量前必須用少量被測(cè)液洗滌測(cè)定管，尤其是毛細(xì)管部分， 確保毛細(xì)管內(nèi)外溶液的濃度一致。 4、乙醇溶液濃度的折光率

7、測(cè)定：采用阿貝折光儀測(cè)定上述乙醇溶液的折光率，由測(cè)定的乙醇濃度折光率標(biāo)準(zhǔn)曲線確定各乙醇溶液的濃度。5、乙醇濃度 折光率工作曲線的測(cè)定：（1）將預(yù)先干燥的25ml 具塞錐形瓶在電子天平上準(zhǔn)確稱重，質(zhì)量W1；（2）在瓶中滴入一定量的無水乙醇，加塞后準(zhǔn)確稱重，質(zhì)量W2；（3）用水稀釋乙醇至約 25ml，加塞搖勻，再次準(zhǔn)確稱重，質(zhì)量W3 ；（4）將預(yù)先干燥的10ml 比重瓶在電子天平上準(zhǔn)確稱重，質(zhì)量W4；（5）將乙醇溶液注滿比重瓶，置于實(shí)驗(yàn)溫度的恒溫槽中恒溫10 分鐘，用濾紙仔細(xì)吸去從毛細(xì)管頂端溢出的溶液，取出比重瓶，仔細(xì)拭干瓶外壁的水滴，冷卻至室溫， 在電子天平上準(zhǔn)確稱重，質(zhì)量W5。（6）乙醇摩爾濃

8、度按下式計(jì)算：W2 W1 / gc / mol dm3M 乙醇 / g mol 1W2 W1W5W4100W3W13M 乙醇W3W10.01 / dmW5W4（7）將該溶液在恒溫的阿貝折光儀上測(cè)定折光率。（8）用上述方法，在所需濃度范圍內(nèi)配制 10 份準(zhǔn)確濃度的乙醇溶液，并測(cè)定其折光率， 以乙醇摩爾濃度 折光率作圖，得到工作曲線。五、數(shù)據(jù)記錄與處理1、以純水測(cè)量結(jié)果計(jì)算K值。2、根據(jù)所測(cè)折光率，由乙醇摩爾濃度- 折光率工作曲線查出各溶液的濃度。3、計(jì)算各溶液的值。4、作- c 圖，并在曲線上取10 個(gè)點(diǎn)，分別作出切線，并求得對(duì)應(yīng)的斜率。5、求算各濃度的吸附量，并作出c，并計(jì)算乙醇分子的橫截面c

9、 圖，由直線斜率求其積 q 值。不同溫度下水的表面張力：t / C103 / N m 1t/ C103/ N m 1t / C103 / N m 1-877.01873.056066.18-576.42072.757064.4075.62571.978062.6574.93071.1810058.91074.224069.561573.495067.91六、思考題1、表面張力儀的清潔與否和恒溫水浴溫度是否穩(wěn)定對(duì)測(cè)量結(jié)果有何影響？2、本實(shí)驗(yàn)中為什么要讀取最大壓力差？實(shí)驗(yàn)時(shí)將毛細(xì)管部分末端插入溶液內(nèi)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有何影響？3、在測(cè)量過程中，抽氣的速度能否過快？參考文獻(xiàn)：1 北京大學(xué)化學(xué)系物理化學(xué)教研室編， 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn) ，第三版， 北京：北京大學(xué)出版社，1995， 181-186.2 天津大學(xué)物理化學(xué)教研室編， 物理化學(xué)，第三版，下冊(cè)，北京：高等教育出版社， 1993，159-161； 173-174.3 復(fù)旦大學(xué)等編，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn) ，第二版，北京；高等教育出版社，