文档介绍：溶液中的吸附作用和表面张力的测定
──最大气泡压力法
摘要:本实验借助 Gibbs 吸附公式和 Langmuir 等温方程式,利用最大气泡法测量不同浓
度正丁醇溶液的表面张力,验证正丁醇是一种表面活性物质,并进一步计算正丁醇在水表面
的饱和吸附量和正丁醇分子的横截面积。
关键词:最大气泡压力法正丁醇表面张力吸附量横截面积
Measurement of Adsorption and Surface Tension in
solution ——The Maximum Bubble Pressure Method
Abstract: The dependence of surface tension on concentration was determined by use of the
maximum bubble pressure method. Surface absorption was related to and quantified by surface
tension measurements according to Gibbs absorption equation and Langmuir equation. Also,
through this experiment , we know the nature of the surface tension and the meaning of surface
energy together with the relationship between absorption and surface tension.
Keywords: the Maximum Bubble Pressure Method ; n-Butyl Alcohol ; Surface
Tension ; Adsorption Amount ; Cross-sectional Area
1. 前言
多相体系中各相之间存在界面****惯上将气-液和气-固界面称为表面。表面张力,是液
体表面由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。通常,处于液体表面
层的分子较为稀薄,其分子间距较大,液体分子之间的引力大于斥力,合力表现为平行于液
体界面的引力。表面张力是物质的特性,其大小与温度和界面两相物质的性质有关。
表面张力的测定通常有多种方法,如白金板法[3]、白金环法[4]、悬滴法[5]、滴体积法[6]
和最大气泡压法[7]等。教学实验中,通常采用器材易得的最大气泡压法。
本次实验我们采用最大气泡压力法测定了一系列不同浓度的正丁醇水溶液的表面张力,
并根据 Gibbs 吸附公式和 Langmuir 等温方程式得到了表面张力与溶液吸附作用的关系,利用
它来研究溶液中的吸附作用。通过拟合表面张力-溶液浓度 c 曲线,再根据吸附量与溶液的
表面张力及溶液浓度的关系,得到饱和吸附量,进一步计算出单个正丁醇分子的横截面积。
2. 实验部分
实验原理
物体表面的分子和内部分子所处的境况不同,因而能量也不同,如图 1,表面层的分子
受到向内的拉力,所以液体表面都有自动缩小的趋势。如要把一个分子由内部迁移到表面,
就需要对抗拉力而作功,故表面分子的能量比内部分子大。增加体系的表面,即增加了体系
的总能量。体系产生新的表面(A)所需耗费功(W)的量,其大小应与A 成正比,即 W=A。
如果A=1m2,则 W=,即在等温下形成 1m2 新的表面所需的可逆功。故称为单位表
-1
面的表面能,其单位为 N·m 。这样就把看作为作用在界面上每单位长度边缘上的力,通常
称为表面张力。它表示表面自动缩小的趋势的大小。表面张力是液体的重要特性之一,与所
处的温度、压力、液体的组成共存的另一相的组成等有关。纯液体的表面张力通常指该液体
与饱和了其自身蒸气的空气共存的情况而言。
图 1 表面分子和内部分子的不同情况
图 2 不同浓度时,溶质分子在溶液表面的排列情况
在纯液体情形下,表面层的组成与内部的组成相同,因此液体降低体系表面自由能的唯
一途径是尽可能缩小其表面积。对于溶液,由于溶质会影响表面张力,因此可以调节溶质在
表面层的浓度来降低表面自由能。
根据能量最低原理,溶质能降低溶液的表面张力时,表面层中溶质的浓度应比溶液内部
大,反之,溶质使溶液的表面张力升高时,它在表面层中的浓度比在内 a 部的浓度低。这种
表面浓度与溶液里面浓度不同的现象叫“吸附”。显然,在指定温度和压力下,吸附与溶液的
表面张力及溶液的浓度有关。Gibbs 推导出它们间的关系式:
c
=