溶液表面吸附量的測(cè)定

關(guān)于溶液表面吸附量的測(cè)定第1頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三1.掌握最大氣泡法測(cè)定表面張力的原理和技術(shù)。2.通過(guò)對(duì)不同濃度乙醇溶液表面張力的測(cè)定，加深對(duì)表面張力、表面自由能和表面吸附量關(guān)系的理解。3.了解彎曲液面的附加壓力與液面彎曲度、溶液表面張力之間的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡?頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三基本原理

圖1分子間作用力示意圖

在液體的內(nèi)部任何分子周圍的吸引力是平衡的?？墒窃谝后w表面層的分子卻不相同。因?yàn)楸砻鎸拥姆肿?，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(gè)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1所示）。第3頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三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(shuō)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-3。而把液體限制其表面及力圖使它收縮的單位直線長(zhǎng)度上所作用的力，稱為表面張力，其單位是N.m-1。第4頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三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(shí)，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(shí)，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。第5頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三

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，若溶液質(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，表面層溶液質(zhì)的濃度應(yīng)比內(nèi)部低。這種現(xiàn)象為溶液的表面吸附。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）。

表示在一定溫度下表面張力隨濃度的改變率。即：<0，Г>0，溶質(zhì)能增加溶劑的表面張力，溶液表面層的濃度大于內(nèi)部的濃度，稱為正吸附作用。

（1）第6頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三（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。通過(guò)測(cè)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(cè)定表面張力的裝置。待測(cè)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(shí)毛細(xì)管上升。打開(kāi)滴液漏斗緩慢抽氣。圖2

最大氣泡法表面張力測(cè)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(jì)第7頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三

P大氣

=P系統(tǒng)

+△P圖3

氣泡形成過(guò)程

附加壓力與表面張力成正比，與氣泡的曲率半徑R成反比。

第8頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三

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(shí)，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(shí)，曲率半徑R等于毛細(xì)管半徑r，此時(shí)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(shí)，附加壓力最大：

第9頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三儀器及試劑儀器：恒溫槽；表面張力管；毛細(xì)管；具嘴下口瓶；數(shù)字式微壓差計(jì)；燒杯；阿貝折光儀；表面張力測(cè)定儀。試劑：95%乙醇（AR）第10頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三操作步驟1.用95%的乙醇配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5、8、12、16、18、20、25、30、35、40、50左右的乙醇水溶液，置于試劑瓶中備用。2.將一根端面磨平的毛細(xì)管及表面張力管洗凈，再用溫?zé)岬南匆航?0min左右，重新洗凈，并浸入蒸餾水中備用。第11頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三3．按圖所示連接儀器，甩干毛細(xì)管中的液體，并將其垂直插入表面張力管中。將表面張力管固定于恒溫槽中。用滴管從表面張力管另一側(cè)的小支管中滴加入蒸餾水。當(dāng)水面接近毛細(xì)管端面時(shí)，應(yīng)逐滴沿管壁緩慢加入，并避免振動(dòng)，同時(shí)密切注視毛細(xì)管。當(dāng)水面剛與毛細(xì)管端面接觸時(shí)，毛細(xì)管中會(huì)突然升起一段液柱，立即停止加液。然后將表面張力管與下口瓶密封連接。恒溫10min以上。第12頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三圖表面張力測(cè)定儀1恒溫浴槽；2張力管；3毛細(xì)管；4下口瓶；5燒杯；6數(shù)字式微壓差計(jì)

第13頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三4.調(diào)節(jié)微壓差計(jì)，使之讀數(shù)為零。微微打開(kāi)下口瓶下方的旋塞，使下口瓶中的水慢慢流出，系統(tǒng)逐漸減壓，觀察毛細(xì)管，可以看到管中液柱逐漸下降，并產(chǎn)生氣泡，直到氣泡突然沖出管口而破裂。以后以會(huì)重復(fù)上述現(xiàn)象。調(diào)整下口瓶下方的旋塞，使毛細(xì)管尖端每隔一定時(shí)間（一般以10～20s為宜）沖出一個(gè)氣泡，記下氣泡突然破裂前微壓差計(jì)顯示的最大值，即為pmax(s)。第14頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三5.開(kāi)啟表面張力管，用滴管吸干表面張力管中的水，同法加入適量5%乙醇溶液，從毛細(xì)管中鼓氣以充分?jǐn)噭蛉芤?，并用該溶液洗滌毛?xì)管內(nèi)壁2～3次，用張力管中的待測(cè)溶液蕩洗幾遍滴管（不得將溶液吸走），再將表面張力管與下口瓶密封連接，恒溫10min以后按步驟4記錄pmax(x)。讀數(shù)完畢后，開(kāi)啟表面張力管，用蕩洗過(guò)的滴管吸取少量張力管中的溶液，在通以恒溫循環(huán)水的阿貝折光儀上準(zhǔn)確測(cè)量溶液在恒定溫下的折光率。為提高測(cè)量準(zhǔn)確度，需測(cè)量三次，取平均值作為測(cè)量結(jié)果。第15頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三6.測(cè)量完畢后，吸干張力管中的溶液并吹干毛細(xì)管中的溶液。7.按步驟5和6，同法測(cè)量8、12、16、18、20、25、30、35、40和50%各組分乙醇溶液pmax(x)和折光率。8.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將表面張力管、毛細(xì)管洗凈后，浸入蒸餾水中備用。9.用吊環(huán)法測(cè)量純水的表面張力，并與最大氣泡法的測(cè)量結(jié)果相比較。第16頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三結(jié)果與討論

測(cè)定正丁醇水溶液不同濃度下形成氣泡時(shí)的最大壓差，測(cè)定溶液的表面張力，并根據(jù)吉布斯吸附等溫式：進(jìn)一步討論吸附量與濃度的關(guān)系，由最大吸附量推算溶質(zhì)分子截面積數(shù)據(jù)是本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵第17頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三表面張力與濃度實(shí)驗(yàn)點(diǎn)第18頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三作圖獲得的方法示意1、將實(shí)驗(yàn)點(diǎn)連成平滑的曲線；2、過(guò)曲線上點(diǎn)作曲線的切線；3、由切線的斜率得到偏導(dǎo)數(shù)的值。第19頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三繪制Г~c圖求指定濃度處的第20頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三注意事項(xiàng)

1.張力管及毛細(xì)管的洗滌要徹底。如果毛細(xì)管洗滌不干凈，不僅影響表面張力值，而且會(huì)使氣泡不能有規(guī)律地單個(gè)連續(xù)逸出。要么就是一個(gè)氣泡也沒(méi)有，要么就是兩個(gè)甚至更多個(gè)同時(shí)逸出，嚴(yán)重影響測(cè)量的進(jìn)行。

2.毛細(xì)管插入溶液中的深度直接影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，這是因?yàn)槿芤旱撵o壓力會(huì)增加對(duì)氣泡壁的壓強(qiáng)，為了減少靜壓力的影響，應(yīng)盡可能減少毛細(xì)管的插入和深度，使插入深度。第21頁(yè)，講稿共23頁(yè)，2023年5月2日，星期三