溶液中的吸附作用和表面張力的測(cè)定

1、溶液中的吸附作用和表面張力的測(cè)定最大氣泡壓力法【摘要】本實(shí)驗(yàn)采用最大氣泡壓力法測(cè)定了一系列不同濃度的正丁醇溶液的表面張力，并根據(jù)Gibbs吸附公式和Langmuir等溫方程式的到了表面張力與溶液吸附作用的關(guān)系，用作圖法求出了正丁醇分子橫截面積，從實(shí)驗(yàn)上進(jìn)一步了解表面張力的性質(zhì)以及表面張力和吸附的關(guān)系，并得到了一個(gè)測(cè)量表面張力的簡(jiǎn)單有效而又精確的方法。【關(guān)鍵詞】 最大氣泡法 表面張力 吸附作用 一、前言正丁醇是一種表面活性物質(zhì)，可以使溶液表面張力下降。利用最大氣泡壓力法，可以測(cè)量出正丁醇溶液的表面張力。根據(jù)表面張力與氣泡壓力的關(guān)系，由-c曲線可以求出溶液界面上的吸附量和單個(gè)正丁醇分子的橫截面積（

2、S）。1、物體表面的分子和內(nèi)部分子能量也不同，表面層的分子受到向內(nèi)的拉力，有自動(dòng)縮小的趨勢(shì)，表面分子的能量比內(nèi)部分子大。體系產(chǎn)生新的表面（DA）所需耗費(fèi)功（W）的量，其大小應(yīng)與DA成正比。在等溫下形成1m2新的表面所需的可逆功為s，稱為單位表面的表面能，其單位為Nm-1，通常稱為表面張力。 2、純液體情形下，表面層的組成與內(nèi)部的組成相同，因此液體降低體系表面自由能的途徑是縮小其表面積。對(duì)于溶液，溶質(zhì)會(huì)影響表面張力，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)能量最低原理，溶質(zhì)能降低溶液的表面張力時(shí)，表面層中溶質(zhì)的濃度應(yīng)比溶液內(nèi)部大。反之同理 。這種表面濃度與溶液里面濃度不同的現(xiàn)象叫“吸附”。

3、 Gibbs用熱力學(xué)的方法推導(dǎo)出吸附與溶液的表面張力及溶液的濃度間的關(guān)系式G 當(dāng)時(shí)，G 0，稱為正吸附。反之，時(shí)，G 0，稱為負(fù)吸附。 正丁醇溶液濃度極小時(shí)，溶質(zhì)分子平躺在溶液表面上，當(dāng)濃度增加到一定程度時(shí)，被吸附了的表面活性物質(zhì)分子占據(jù)了所有表面形成了單分子的飽和吸附層。在一定溫度下，吸附量與溶液濃度之間的關(guān)系由Langmuir等溫方程式表示： 或 張力與濃度的關(guān)系圖 以C作圖可得一直線，由直線斜率即可求出。在飽和吸附情況下，正丁醇分子在氣液界面上鋪滿一單分子層，則可求得正丁醇分子的橫截面積 3、最大氣泡壓力法：當(dāng)表面張力儀中的毛細(xì)管截面與欲測(cè)液面相齊時(shí)，液面沿毛細(xì)管上升。當(dāng)此壓力差在毛細(xì)管

4、端面上產(chǎn)生的作用力稍大于毛細(xì)管口溶液的表面張力時(shí)，氣泡就從毛細(xì)管口逸出。氣泡由毛細(xì)管口逸出時(shí)受到向下的總作用力為pr2P最大，而P最大P系統(tǒng)P大氣壓Dhrg氣泡受到表面張力引起的作用力為2prs。氣泡自毛細(xì)管口逸出，上述兩種力相等， 若用同一只毛細(xì)管和壓力計(jì)，在同一溫度下，對(duì)兩種溶液而言，則得： 用已知表面張力s2的液體為標(biāo)準(zhǔn)，可求出其他液體的表面張力s1。二、實(shí)驗(yàn)部分：（一）實(shí)驗(yàn)儀器與藥品超級(jí)恒溫水浴 南京大學(xué)應(yīng)用物理研究所數(shù)字式微壓差測(cè)量儀 南京大學(xué)應(yīng)用物理研究所 蠕動(dòng)泵 常州普端流體技術(shù)有限公司恒溫套管 毛細(xì)管 100mL容量瓶 2mL移液管 正丁醇（分析純）（2） 實(shí)驗(yàn)過程1、毛細(xì)管常

5、數(shù)的測(cè)定： 按實(shí)驗(yàn)裝置圖裝好儀器，打開恒溫水浴，使其溫度穩(wěn)定于25。用洗液反復(fù)清洗毛細(xì)管，之后再用蒸餾水沖洗多次，同樣把玻璃套管也清洗干凈，加上蒸餾水，插上毛細(xì)管，用套管下端的開關(guān)調(diào)節(jié)液面恰好與毛細(xì)管端面相切，使樣品在其中恒溫10分鐘。注意切勿使體系漏氣。打開蠕動(dòng)泵，這時(shí)體系壓力逐漸減小，直至氣泡由毛細(xì)管口冒出，細(xì)心調(diào)節(jié)出泡速度，使之在510秒鐘內(nèi)出一個(gè)。注意氣泡爆破前數(shù)字式微壓差測(cè)量儀的讀數(shù)，并用電腦采集數(shù)據(jù)得到最大的壓差值，求平均值而得。根據(jù)手冊(cè)查出25時(shí)水的表面張力為s71.9710-3Nm-1，以s/Dh=K求出所使用的毛細(xì)管常數(shù)，此值控制在8cm左右為宜，否則毛細(xì)管太粗誤差較大，毛細(xì)

6、管太細(xì)，易堵塞，氣泡很難逸出。2、不同濃度的正丁醇溶液表面張力的測(cè)定：用2mL移液管分別移取0.40ml、0.80ml、1.20ml、1.60ml、2.00ml、2.40ml、2.80ml正丁醇到100ml容量瓶中，然后稀釋到刻度。重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，按照由稀至濃的順序依次進(jìn)行測(cè)量。求得一系列濃度的正丁醇溶液的Dh。3、 結(jié)果與討論（一）實(shí)驗(yàn)結(jié)果毛細(xì)管常數(shù) k = 1.2810-4 正丁醇飽和吸附量 =7.4825810-6 N/m 正丁醇分子的橫截面積 S0 = 2.21910-19 m2根據(jù)文獻(xiàn)，直鏈醇類橫截面積理論值為2.7410-192.8910-19m2 ，取2.8210-19 ，相對(duì)

7、誤差為：|2.219-2.82|/2.82 = 18.03%（2） 結(jié)果討論與小結(jié)1、 結(jié)果討論由C圖可知，表面張力隨著正丁醇溶液濃度的增加而降低，這也與正丁醇是一種表面活性物質(zhì)符合。隨著正丁醇的濃度增大，表面張力的降低速度減慢，此時(shí)有可能已形成了單分子層的飽和吸附層。由C圖可知，當(dāng)濃度較小時(shí)，吸附量隨著濃度增加而增加，但之后吸附量降低，可能由于濃度太高，被吸附在表面的正丁醇分子之間的范德華力表現(xiàn)為斥力。利用最大氣泡壓力法測(cè)量不同濃度的正丁醇水溶液的表面張力，作出c曲線求出溶液界面上的吸附量和單個(gè)正丁醇分子的橫截面積，得到S0=2.21910-19 m2，較文獻(xiàn)值偏小，但在數(shù)量級(jí)上基本符合而其

8、偏小的原因應(yīng)該是最大泡壓法測(cè)得的泡壓過大。2、 實(shí)驗(yàn)小結(jié)實(shí)驗(yàn)操作中應(yīng)注意的問題：本實(shí)驗(yàn)做的結(jié)果準(zhǔn)確與否關(guān)鍵在于：所用毛細(xì)管和玻璃套管的清潔程度、所用毛細(xì)管的K值、出泡的速度、配制溶液時(shí)濃度的準(zhǔn)確性、毛細(xì)管是否垂直，端部是否平整以及液面是否與毛細(xì)管的端面相切。所以所用毛細(xì)管和玻璃套管的清潔程度對(duì)結(jié)果的影響較大。實(shí)驗(yàn)前必須多次清洗儀器，在實(shí)驗(yàn)中也必須按照由稀到濃的順序依次進(jìn)行測(cè)量，否則誤差較大。而且若毛細(xì)管不干凈則在正丁醇濃度較大時(shí)，出泡會(huì)很困難，且均勻程度也會(huì)很差。毛細(xì)管的內(nèi)徑稍有不均勻，如果不影響出泡的速度和平穩(wěn)性，對(duì)結(jié)果應(yīng)該無明顯影響。但如果內(nèi)徑變化太大或者不均勻處接近端口，使得毛細(xì)管太粗或

9、出泡的穩(wěn)定性，就會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。出泡速度不能太快（壓力數(shù)偏低），也不能太慢（時(shí)間太長），要調(diào)節(jié)至510秒內(nèi)出一個(gè)泡，而且應(yīng)平穩(wěn)地重復(fù)出現(xiàn)壓力差。 毛細(xì)管的尖端只有與液面剛好接觸，才滿足公式 P最大P系統(tǒng)P大氣壓hg才能準(zhǔn)確測(cè)量壓差以計(jì)算表面張力。實(shí)驗(yàn)中用到的恒溫槽由于其本身控溫機(jī)制的限制，不可能做到絕對(duì)的恒溫，而吸附量與溫度有關(guān)，因此，溫度變化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)有一定影響。因此在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意：溶液濃度的準(zhǔn)確性和所用毛細(xì)管、恒溫套管的清潔程度。因此除事先用熱的洗液清洗它們以外，每改變一次測(cè)量溶液必須用待測(cè)的溶液反復(fù)洗滌它們，以保證所測(cè)量的溶液表面張力與實(shí)際溶液的濃度相一致。并控制好出泡速度、平穩(wěn)地重

10、復(fù)出現(xiàn)壓力差。而不允許氣泡一連串地出。洗滌毛細(xì)管時(shí)切勿碰破其尖端，影響測(cè)量。注意觀察恒溫水浴的溫度，溶液應(yīng)保持在恒溫水浴中保溫以保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)原理中的誤差： Gibbs 公式是，使用的是溶質(zhì)的活度值，而實(shí)驗(yàn)中用到的是溶液的濃度值，因此實(shí)驗(yàn)值與理論值會(huì)存在一定差距。（不過對(duì)于正丁醇差距不太大）。 Langmuir等溫式是一個(gè)理想的吸附公式，它代表了在均勻表面上，吸附分子間彼此沒有作用，而且吸附是單分子層情況下吸附達(dá)平衡時(shí)的規(guī)律性。而實(shí)際情況與理想假設(shè)總會(huì)有一定差距，因此會(huì)使得由此公式得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定偏差。【參考文獻(xiàn)】1 孫爾康 徐維清 邱金恒 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn) 南京大學(xué)出版社 1998

11、年4月第1版2 付獻(xiàn)彩 沈文霞 姚天揚(yáng) 侯文華 物理化學(xué)(第五版) 下冊(cè) 高等教育出版社 2006年1月第5版 Determination of the solution of the adsorption and surface tension The maximum bubble pressure methodAbstract By maximum bubble method can be of different concentrations of n-butanol surface tension, -c curve can seek the solution interface on

12、 the adsorption capacity and single butanol molecules cross-sectional area. In this way you can understand the relationship between tension and adsorption. Keywordsmaximum bubble pressure method, surface tension, absorption effect 【附錄】1、 原始數(shù)據(jù)圖像：圖一：蒸餾水 圖二：0.4mL正丁醇 圖三：0.8mL正丁醇 圖四：1.2mL正丁醇 圖五：1.6mL正丁醇

13、圖六：2.0mL正丁醇 圖七：2.4mL正丁醇 圖八：2.8mL正丁醇 正丁醇用量/mL正丁醇濃度c /(mol/L)最大壓差P /Pa0.40.04374920.80.08744391.20.13114081.60.1748371.42.00.21853582.40.2622342.52.80.3059321 二、數(shù)據(jù)處理：1.毛細(xì)管常數(shù)的測(cè)定25水的表面張力 = 71.9710-3 N/m故毛細(xì)管常數(shù) K=/PH2O = 71.97*10-3 /562.39= 1.2810-42.不同濃度正丁醇溶液表面張力的測(cè)定及圖的繪制由公式：C=V/MV0= KP=0.810g/mL，M=74.1正丁

14、醇用量/mL正丁醇濃度c /(mol/L)最大壓差P /Pa/N*m-10.40.04374920.0629760.80.08744390.0561921.20.13114080.0522241.60.1748371.40.0475392.00.21853580.0458242.40.2622342.50.043842.80.30593210.041088根據(jù)表一，可得表二如下：C曲線由二次多項(xiàng)式擬合可得， = 0.06892- 0.15759 c + 0.22454 c2故 = - 0.15759 + 0.44908c3. -c圖和c/-c圖的繪制由Gibbs公式：結(jié)合式，得 ( 0.15759c - 0.44908 c2) / RT根據(jù)表一，可得表三如下：c（mol/L）（molm-2）(m2/L)0.04372.4323E-0617966.5320945.2825108.0431335.8941672.3862184.7122465.90.08744.17278E-060.13115.22143E-060.17485.57827E-060.21855.24328E-060.26224.21647E-060.30592.49784E-06根據(jù)上表，可得圖十、圖十一如下：圖十： C曲線圖十一： C/C 線性擬合曲線（刪除了濃度較高