表面张力法测定固体在溶液中等温吸附.doc

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表面张力法测定固体在溶液中等温吸附
一、实验目的
(1)测定不同浓度下正丁醇的表面张力σ,计算活性炭吸附量Γ。
(2)了解测定固体在溶液中的等温吸附的原理、方法。
二、实验原理

从热力学观点看,液体表面缩小是一自发过程,这是体系总的自由能减小的过程,欲使产生新的表面△A,就需要对其做功,其大小应与△A成正比:
-W=σ·△A     ………………………………(1)
若△A=1m2,则σ为在等温下形成的1m2新的表面所需的可逆功,故称σ为单位表面的表面能,其单位为J/m2。也可将σ看做为作用在界面上每个单位长度边缘上的力,称为表面张力,其单位为N/m1。

表面张力σ(或比表面Gibbs函数)是表面化学热力学的重要性质之一。纯溶剂中溶入溶质形成溶液后,溶液的表面张力不同于纯溶剂。
在一定的温度和压力下,溶液表面吸附溶质的量与溶液的表面张力和加入的溶质量(即溶液的浓度)有关,它们之间的关系可用吉布斯(Gibbs)公式表示:
Γ=-()T       ………………………………(2)
式中:
Γ为吸附量(mol/m2);σ为表面张力(N/m);T为绝对温度(K);
c为溶液浓度(mol/L);R为气体常数(—I·mol-1)。
其中,()T 表示在一定温度下表面张力随溶液浓度而改变的变化率。
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如果表面张力σ随浓度的增加而增加,即()T >0,则Γ<0,此时溶液表面层的浓度小于溶液本身的浓度,称为负吸附作用。如图1中A曲线。
如果表面张力σ随浓度的增加而减小,即()T <0,则Γ>0,此时溶液表面层的浓度大于溶液内部的浓度,称为正吸附作用。如图1中B、C曲线。
只要测定溶液的浓度和表面张力,就可求得各种不同浓度下溶液的吸附量Γ。

正丁醇被吸附的物质的量x计算式:
x=(c-ce)·v…………………………………(3)
c—溶液初始浓度,单位:mol/m3;ce—溶液吸附平衡浓度,单位:mol/m3;
v—所加溶液体积,单位:dm3;
表面张力σ计算式:
σ=k·△Pmax…………………………………(4)
Pmax=(P1+P2+P3+P4)/4……………………………(5)
被活性炭吸附的正丁醇的物质的量x(mol),从而计算出活性炭的吸附量Γ:
Γ=x/m…………………………………(6)
根据Freundlich经验方程
lgΓ=lgk+1/nlgce………………………………(7)其中Γ=x/mΓ—吸附量,单位:mol/kg;
x—被吸附物质物质的量,单位:mol;m—固体吸附剂的质量,单位:kg;
ce—溶液吸附平衡浓度,单位:mol/m3;n,k—常数。
作lgΓ-lgc直线,由直线的截距和斜率可求常数k和n。
3

将待测表面张力的液体装于表面张力仪中,使毛细管的端面与液面相切,液面即沿毛细管上升,打开抽气瓶的活塞缓缓抽气,毛细管内的液面上受到一个比A瓶中液面上大的压力,当此压力差——附加压力(△p=p大气-p系统)在毛细管端面上产生的作用力稍大于毛细管液体的表面张力时,气泡就从毛细管口脱出,此附加压力与表面张力成正比,与气泡的曲率半径成反比,其关系式为:
Δp=2σ/R…………………………………(8)
式中:Δp为附加压力;σ为表面张力;R为气泡的曲率半径
如果毛细管半径很小,则形成的气泡基本上是球形的。如图3所示,当气泡开始形成时,表面几乎是平的,这时曲率半径最大;随着气泡的形成,曲率半径逐渐变小,直到形成半球形,这时的曲率半径R和毛细管的半径r相等,曲率半径最小值,根据上式这时附加压力达最大值。气泡进一步长大,R变大,附加压力则变小,直到气泡逸出。
当R=r时的最大附加压力为:
Δp最大=2σ/r…………………………………(9)实际测量时,使毛细管端刚与液面接触,则可忽略气泡鼓起所需克服的静压力,这样就可以直接用上式进行计算。当将其它参数合并为常数K时,则上式变为:
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σ=KΔp最大…………………………………(10)式中仪器常数K可用已知表面张力的标准物质蒸馏水测得。
三、仪器和药品
药品:正丁醇,活性炭。
仪器:表面张力仪,数字式微压差测量仪,烧杯,移液管,容量瓶。
四、实验内容

,加入0g、、、、、,反复多次测其表面张力,待最大压差不变时记录读数。
表1活性炭-最大压差△p关系记录表
吸附剂加入量
最大压力差
△p(pa)






△p1
△p2
△p3
△p4
△p5
△p平均

(1)配制不同浓度的正丁醇水溶液:0(纯水)、、、、、、,用鼓泡法测定各溶液的最大压力差,并计算其表面张力σ1,做出:σ1—c工作曲线。
表2正丁醇浓度-最大压差△p关系记录表(1)
正丁醇浓度
c(mol/L)
最大压力差△p(pa)
△p1
△p2
△p3
△p4
△p平均
0
5






(2),待吸附平衡后,测其表面张力σ2,根据σ2—c工作曲线读出相应正丁醇的浓度c1.
表3正丁醇浓度-最大压差△p关系记录表(2)
活性炭
加入量
(g)
正丁醇浓度
(mol/l)
最大压力差△p/(pa)
△p1
△p2
△p3
△p4
△p平均






(3)根据c与对应的c1的差值计算出被活性炭吸附的正丁醇的物质的量x(mol),从而计算出活性炭的吸附量Γ=x/m。