實驗十四表面張力的測定

實驗十四表面張力的測定第1頁/共16頁實驗?zāi)康募耙?.掌握最大氣泡壓力法測定表面張力的原理和技術(shù)。2.通過對不同濃度乙醇溶液表面張力的測定,加深對表面張力、表面自由能和表面吸附量關(guān)系的理解。3.測定不同濃度乙醇溶液的表面張力，計算吸附量。

第2頁/共16頁實驗原理在液體的內(nèi)部任何分子周圍的吸引力是平衡的。可是在液體表面層的分子卻不相同。因為表面層的分子，一方面受到液體內(nèi)層的鄰近分子的吸引，另一方面受到液面外部氣體分子的吸引，而且前者的作用要比后者大。因此在液體表面層中，每個分子都受到垂直于液面并指向液體內(nèi)部的不平衡力（如圖l所示）。圖1分子間作用力示意圖

第3頁/共16頁這種吸引力使表面上的分子向內(nèi)擠,促成液體的最小面積。要使液體的表面積增大就必須要反抗分子的內(nèi)向力而作功增加分子的位能。所以說分子在表面層比在液體內(nèi)部有較大的位能，這位能就是表面自由能。通常把增大一平方米表面所需的最大功A，或增大一平方米所引起的表面自由能的變化值ΔG，稱為單位表面的表面能其單位為J.m-2；而把液體限制其表面及力圖使它收縮的單位直線長度上所作用的力，稱為表面張力，其單位是N.m-1。第4頁/共16頁液體單位表面的表面能和它的表面張力在數(shù)值上是相等的。欲使液體表面積增加△S時，所消耗的可逆功A為：

液體的表面張力與溫度有關(guān)，溫度愈高，表面張力愈小。到達(dá)臨界溫度時，液體與氣體不分，表面張力趨近于零。液體的表面張力也與液體的純度有關(guān)。在純凈的液體(溶劑)中如果摻進(jìn)雜質(zhì)(溶質(zhì))，表面張力就要發(fā)生變化，其變化的大小決定于溶質(zhì)的本性和加入量的多少。(1)第5頁/共16頁

當(dāng)加入溶質(zhì)后，溶劑的表面張力要發(fā)生變化。根據(jù)能量最低原理，若溶質(zhì)能降低溶劑的表面張力，則表面層溶質(zhì)的濃度應(yīng)比溶液內(nèi)部的濃度大；如果所加溶質(zhì)能使溶劑的表面張力增加，那么，表面層溶質(zhì)的濃度應(yīng)比內(nèi)部低。這種現(xiàn)象稱為溶液的表面吸附。用吉布斯公式(Gibbs)表示：式中：為表面吸附量(mol.m-2)，σ為表面張力（J.m-2）。

(2)第6頁/共16頁<0，Г>0，溶質(zhì)能降低溶劑的表面張力，溶液表面層的濃度大于內(nèi)部的濃度，稱為正吸附作用。

(1)(2)>0，Г<0，溶質(zhì)能增加溶劑的表面張力，溶液表面層的濃度小于內(nèi)部的濃度，稱為負(fù)吸附作用。第7頁/共16頁

根據(jù)式（2），通過測定溶液的濃度隨表面張力的變化關(guān)系可以求得不同濃度下溶液的表面吸附量。

如圖2是最大氣泡法測定表面張力的裝置。待測液體置于支管試管中，使毛細(xì)管端面與液面相切，液面隨時毛細(xì)管上升。打開滴液漏斗緩慢抽氣。此時，由于毛細(xì)管液面所受壓力大于支管試管液圖2最大氣泡法表面張力測定裝置1-滴液漏斗，2-支管試管，3-毛細(xì)管，4-恒溫槽，5-壓差計第8頁/共16頁面所受壓力，毛細(xì)管液面不斷下降，將從毛細(xì)管緩慢析出氣泡。如圖3所示。在氣泡形成的過程中，由于表面張力的作用，凹液面產(chǎn)生一個指向液面外的附加壓力△P，因此有以下關(guān)系：

附加壓力與表面張力成正比，與氣泡的曲率半徑R成反比。

(4)圖3氣泡形成過程P大氣=P系統(tǒng)+△P（3）第9頁/共16頁

若毛細(xì)管管徑較小，則形成的氣泡可視為球形。氣泡剛形成時，由于表面幾乎是平的，所以曲率半徑R極大；當(dāng)氣泡形成半球形時，曲率半徑R等于毛細(xì)管半徑r，此時R值最小。隨著氣泡的進(jìn)一步增大，R又趨增大，直至逸出液面。R=r時，附加壓力最大：（5）第10頁/共16頁氣泡由毛細(xì)管口溢出的總作用力為等于氣泡在管口受到的表面張力如將表面張力為σ1，σ2的兩種液體采用同一種毛細(xì)管測量，則有：由已知表面張力的水為標(biāo)準(zhǔn)，可求出其他液體的表面張力（7）(6)第11頁/共16頁實驗中測出不同濃度乙醇水溶液的表面張力，以表面張力對濃度作圖得到一條曲線，從曲線中可以求出不同濃度時的代入Gibbs吸附公式可計算出吸附量第12頁/共16頁吸附量與濃度之間的關(guān)系可以用Langmuir等溫吸附方程式表示：（8）式中，?！逓轱柡臀搅?k為經(jīng)驗常數(shù)。將上式整理得：（9）

以c/Г對c作圖可得到一條直線，其斜率的倒數(shù)為Г∞。第13頁/共16頁儀器與試劑

最大氣泡表面張力測定儀；數(shù)字微壓差計；蒸餾水；乙醇（AR）；第14頁/共16頁實驗步驟和數(shù)據(jù)處理

1.連接好測定裝置，用已知表面張力的水，測定出最大壓差，查出相應(yīng)溫度時的水的表面張力值，計算出儀器常數(shù)K的值。2.分別測定濃度為0.02/0.05/0.10/0.15/0.20mol/l的乙醇水溶液的最大壓差，根據(jù)儀器常數(shù)計