溶液的吸附作用和液体表面张力的测定

　　一．实验目的

　　1．用最大泡压法测定不同浓度的表面活性物质（正丁醇）溶液在一定温度下的表面张力；

　　2．应用Gibbs和Langmuir吸附方程式进行精确作图和图解微分,计算不同浓度正丁醇溶液的表面吸附量和正丁醇分子截面积,以加深对溶液吸附理论的理解；

　　3．掌握作图法的要点,提高作图水平.

　　二．实验原理

　　当液体中加入某种溶质时,其表面张力要发生变化.例如在水中溶入醇、醛、酮等有机化合物,水的表面张力要减小；若加入某些无机物,则水的表面张力稍有增大.溶液系统可通过自动调节不同组分在表面层中的量来降低表面Gibbs能,使系统趋于稳定.因此,若加入的溶质能够降低溶液的表面张力,则该溶质力图浓集在表面上；反之,则该溶质在表面层中的浓度一定低于溶液的内部,这种表面层中某物质的含量与溶液本体中不同的现象,称之为表面吸附作用.当表面层中物质的量大于本体溶液中的量,叫做发生了正吸附,反之为发生负吸附,Gibbs用热力学方法导出了一定温度下,吸附量的定量公式——Gibbs吸附等温式：

　　＝－

　　式中,为表面吸附量（mol/m2）；γ为表面张力（N/m或J/m2）；T为热力学温度（K）；c为溶液本体的平衡浓度（mol/L）；R为气体常数[J/(mol•K)].

　　能使溶剂水的表面张力降低的溶质通常称为表面活性物质.工业上和生活中所用的去污剂、起泡剂、乳化剂及润滑剂等都是表面活性物质.表面活性物质的分子是由亲水的极性部分和憎水的非极性部分构成的,正丁醇分子为ROH型一元醇,其羟基为亲水基,烃基为憎水基,当它溶于水后,在溶液表面层形成羟基朝下,烃基朝上的正丁醇单分子层.当溶液浓度增加时,表面吸附量也增加；当浓度足够大时,吸附量达极大值,表面溶液的表面吸附达饱和状态.可近似看成表面上定向排满单分子层时单位表面积中正丁醇的物质量.

　　正丁醇溶液的γ-c曲线示于图一.从曲线可求得不同浓度下的dγ/dc值,将各值待入Gibbs公式可计算不同浓度时表面吸附量.如果作-c曲线,可求得饱和吸附量,并由下式计算出正丁醇的分子截面积：

　　S=

　　式中,N0为Avgodro常数（6.02×1023/mol）.

　　实际上将-c曲线外推求比较困难.设气固单分子层吸附的Langmuir吸附等温式适用于溶液的表面吸附,并以表面吸附量（表面超量）代替单位表面上所含正丁醇的物质量,则有：

　　θ＝

　　或

　　式中,θ为吸附分数,c为溶液本体的平衡浓度,K为与溶液表面吸附有关的经验常数.由～c作图可得一直线,由直线斜率求,进而可求分子的截面积S.

　　图一γ～c曲线、～c曲线和～c曲线

　　图二最大泡压法测液体表面张力仪器装置图

　　用最大泡压法测表面张力方法如下：测定液体表面张力的方法很多,如毛细管升高法、滴重法、环法、滴外形法等等.本实验采用最大泡压法,实验装置如图二所示.

　　图二中A为充满水的抽气瓶；B为直径为0.2～0.3mm的毛细管；C为样品管；D为U型压力计,内装水以测压差；E为放空管；F为恒温槽.

　　将毛细管竖直放置,使滴口瓶面与液面相切,液体即沿毛细管上升,打开抽气瓶的活栓,让水缓缓滴下,使样品管中液面上的压力渐小于毛细管内液体上的压力（即室压）,毛细管内外液面形成一压差,此时毛细管内气体将液体压出,在管口形成气泡并逐渐胀大,当压力差在毛细管口所产生的作用力稍大于毛细管口液体的表面张力时,气泡破裂,压差的最大值可由U型压力计上读出.

　　若毛细管的半径为r,气泡从毛细管出来时受到向下的压力为：

　　式中,△h为U型压力计所示最大液柱高度差,g为重力加速度,ρ为压力计所贮液体的密度.气泡在毛细管口所受到的由表面张力引起的作用力为2πr•γ,气泡刚脱离管口时,上述二力相等：

　　若将表面张力分别为和的两种液体用同一支毛细管和压力计用上法测出各自的和,则有如下关系：

　　即

　　对同一支毛细管来说,K值为一常数,其值可借一表面张力已知的液体标定.本实验用纯水作为基准物质,20.0℃时纯水的表面张力为7.275×10－2N/m(或J/m2).

　　三．仪器和试剂

　　表面张力测定装置（包括恒温槽）1套；容量瓶100ml1个,50ml5个；1ml刻度移液管1支；吸耳球1个；正丁醇（二级）；去离子水.

　　四．实验步骤

　　1．溶液配制

　　按表分2次配制9份溶液,第一次1～5号,第二次配制6～9号.

　　表－正丁醇表面张力测定溶液配制方法

　　样品号数

　　1

　　2

　　3

　　4

　　5

　　6

　　7

　　8

　　9

　　容量瓶体积/cm3

　　100

　　50

　　50

　　50

　　50

　　50

　　50

　　50

　　50

　　/cm3

　　0.10

　　0.10

　　0.25

　　0.50

　　0.75

　　1.00

　　1.25

　　1.50

　　1.75

　　2．如图装配仪器,恒温槽温度调至20.0℃,样品管内置待测液体,毛细管竖直放置,毛细管口与液面相切.恒温5min以上,测定液体的表面张力.

　　3．测定毛细管常数.样品管内加入一定量蒸馏水（以放入毛细管后管口刚好与液面相切为准）,旋动抽气瓶活栓让水缓缓滴下,使气泡从毛细管均匀逸出,以3～5s逸出1个气泡为宜,记录压力计两侧液面之最高和最低读数各三次,取的平均值计算毛细管常数K值.

　　4．同法测定各正丁醇溶液的值,测量顺序由稀到浓,每次测量前用样品冲洗样品管和毛细管数次.

　　五．数据处理

　　1．计算各浓度正丁醇溶液的表面张力,并作γ-c曲线；

　　样品号数

　　1

　　2

　　3

　　4

　　5

　　6

　　7

　　8

　　9

　　溶液浓度c

　　2．用双玻璃棒法求六个以上切点（均匀分布）的）值；

　　3．计算值,并求c/值；

　　4．作c