1、 最大泡壓法測定溶液表面張力報告人：鄧曉寧 同組人：小黑孩 實驗時間2010年05月29日一實驗目的： 1明確表面張力、表面自由能和吉布斯吸附量的物理意義；2掌握最大泡壓法測定溶液表面張力的原理和技術；3掌握計算表面吸附量和吸附質分子截面積的方法。二實驗原理： 1表面張力和表面吸附液體表面層的分子一方面受到液體內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，由于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部的不平衡力，如圖1所示，這種吸引力使表面上的分子自發向內擠促成液體的最小面積，因此，液體表面縮小是一個自發過程。在溫度、壓力、組成恒定時，每增加單

2、位表面積，體系的吉布斯自由能的增值稱為表面吉布斯自由能（J·m-2），用表示。也可以看作是垂直作用在單位長度相界面上的力，即表面張力（N·m-1）。欲使液體產生新的表面S，就需對其做表面功，其大小應與S成正比，系數為即為表面張力 ： W =×S (1) 圖1 液體表面與分子內部受力情況圖在定溫下純液體的表面張力為定值，當加入溶質形成溶液時，分子間的作用力發生變化，表面張力也發生變化，其變化的大小決定于溶質的性質和加入量的多少。水溶液表面張力與其組成的關系大致有以下三種情況：（1）隨溶質濃度增加表面張力略有升高；（2）隨溶質濃度增加表面張力降低，并在開始時降得快些；

3、（3）溶質濃度低時表面張力就急劇下降，于某一濃度后表面張力幾乎不再改變。以上三種情況溶質在表面層的濃度與體相中的濃度都不相同，這種現象稱為溶液表面吸附。根據能量最低原理，溶質能降低溶劑的表面張力時，表面層中溶質的濃度比溶液內部大；反之，溶質使溶劑的表面張力升高時，它在表面層中的濃度比在內部的濃度低。在指定的溫度和壓力下，溶質的吸附量與溶液的表面張力及溶液的濃度之間的關系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程： = （2）式中，為溶質在表層的吸附量，單位mol·m2，為表面張力，c溶質的濃度。 若0，則0，此時表面層溶質濃度大于本體溶液，稱為正吸附。引起溶劑表面張力顯著降低的物質叫表面活性劑

4、。若0，則0，此時表面層溶質濃度小于本體溶液，稱為負吸附。通過實驗測得表面張力與溶質濃度的關系，作出c 曲線，并在此曲線上任取若干點作曲線的切線，這些切線的斜率就是與其相應濃度的，將此值代入（2）式便可求出在此濃度時的溶質吸附量。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。 2最大泡壓法測表面張力原理測定溶液的表面張力有多種方法，較為常用的有最大泡壓法其測量方法基本原理可參見圖2。 圖2 最大拋壓法測液體表面張力裝置圖中B是管端為毛細管的玻璃管，與液面相切。毛細管中大氣壓為p0。試管A中氣壓為p，當打開活塞E時，C中的水流出，體系壓力p逐漸減小，逐漸把毛細管液面壓至管口，形成氣泡。

5、在形成氣泡的過程中，液面半徑經歷：大小大，即中間有一極小值rminr毛，此時氣泡的曲率半徑最小，根據拉普拉斯公式，氣泡承受的壓力差也最大，有公式： 此壓力差可由壓力計D讀出，故待測液的表面張力為 （4）若用同一支毛細管測兩種不同液體，其表面張力分別為1、2，壓力計測得壓力差分別為p1、p2則： (5) 若其中一種液體的1已知，例如水，則另一種液體的表面張力可由上式求得。即： (6) 式中稱為儀器常數，可用某種已知表面張力的液體（常用蒸餾水）測得。 三儀器與試劑：最大泡壓法表面張力儀，精密數字壓力計，吸耳球，移液管（各種量程），容量瓶 (50mL)，正丁醇（分析純），蒸餾水。四實驗步驟： 1儀器

6、準備與檢漏 將潔凈的表面張力儀各部分連接好。將自來水注入抽氣管C中；在試管A中注入約50mL蒸餾水，使毛細管下端較深地浸入到水中；打開活塞E，這時抽氣管C中水流出，使體系內的壓力降低（注意：勿降低到使毛細管口冒泡），當壓力計指示出若干壓力差時，關閉活塞E，停止抽氣。若2min3min內，壓力計指示壓力差不變，則說明體系不漏氣，可以進行實驗。 2儀器常數K的測量 調節毛細管或液面高度，使毛細管口與水面相切。打開活塞E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為6s10s。若形成時間太短，則吸附平衡來不及在氣泡表面建立起來，測得的表面張力也不能反映該濃度之真正的表面張

7、力值。在形成氣泡的過程中，液面半徑經歷：大小大，同時壓力差計指示值的絕對值則經歷：小大小的過程，記錄下絕對值最大的壓力差，共三次，取其平均值。再由附錄中，查出實驗溫度時水的表面張力1，則可以計算儀器常數 3系列濃度正丁醇水溶液表面張力的測定配制50mL濃度為0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 mol·L-1的系列正丁醇溶液，與測儀器常數相同的方法，按由稀到濃的順序測定各溶液最大壓力差，求出各溶液的表面張力。測定管每次應用待測液淌洗一次。五數據處理： 數據記錄參考格式（計算時注意單位換算）溫度： 24 水的表面張力：0.07218N/m 儀器常數K：0.1104

8、 溶液濃度/mol·L-1壓力差p/kPa/N·m-1(d/dc)T/mol·m-2123平均值00.6530.6540.6550.6540.07220-0.1769000.050.5840.5860.5860.5850.06462-0.163553.31E-060.100.5170.5190.5160.5170.05711-0.150206.08E-060.150.4560.4570.4540.4560.05030-0.136858.31E-060.200.3730.3760.3740.3740.04132-0.123501.00E-050.250.3250.3

9、250.3270.3260.03595-0.110151.11E-050.300.2960.2980.2950.2960.03271-0.096801.18E-051查出實驗溫度下水的表面張力，計算儀器常數K。2計算系列正丁醇溶液的表面張力，根據上述計算結果，繪制c等溫線。3由c等溫線作不同濃度的切線，求(d/dc)T，并求出，繪制c吸附等溫線。六注意事項: 1所用毛細管必須干凈、干燥，應保持垂直，其管口剛好與液面相切。 2讀取壓力計的壓差時，應取氣泡單個逸出時的最大壓力差。3手動做切線時，可用鏡面法。七思考題: 1毛細管尖端為何必須調節得恰與液面相切? 如果毛細管端口插入液面有一定深度，對實

10、驗數據有何影響？答：如果將毛細管末端插入到溶液內部，毛細管內會有一段水柱，產生壓力P，則測定管中的壓力Pr會變小，pmax會變大，測量結果偏大。 2最大泡壓法測定表面張力時為什么要讀最大壓力差？如果氣泡逸出的很快，或幾個氣泡一齊出，對實驗結果有無影響？答：如果毛細管半徑很小，則形成的氣泡基本上是球形的。當氣泡開始形成時，表面幾乎是平的，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，根據拉普拉斯(Laplace)公式，此時能承受的壓力差為最大：pmax = p0 - pr = 2/。氣泡進一步長大，R變大，附加壓力則變小，直到氣泡逸出。最大壓力差可通過數字式微壓差測量儀得到。如氣泡逸出速度速度太快，氣泡的形成與逸出速度快而不穩定；致使壓力計的讀數不穩定，不易觀察出其最高點而起到較大的誤