中国科大物化实验9-溶液中的吸附作用和表面张力的测定报告

47实验9溶液中的吸附作用和表面张力的测定──最大气泡压力法PB14207067张镇【摘要】在溶液的表面层中的物质的浓度与溶液内部物质浓度不同的现象称为“吸附”。本实验以溶液表面的吸附现象及Gibbs吸附公式、Langmuir等温方程等为理论基础，通过最大气泡压力法测定不同浓度（C）正丁醇水溶液的表面张力（σ），由σ－C曲线求溶液界面上的吸附量和单个正丁醇分子的横截面积（S0）。【关键词】吸附作用表面张力最大气泡压力法正丁醇单分子横截面积【Abstract】Thephenomenonthattheconsistencyofasubstanceinthesurfaceofthesolutionisdifferentfromthatinsideiscalled‘absorption’.Inthisexperiment,surfaceadsorptionofsolutionandtheGibbsadsorptionequation,theLangmuirisothermequationasthetheoreticalfoundation,differentconcentrationsweredeterminedbythemaximumbubblepressuremethod(C)n-butanolsurfacetensionoftheaqueoussolution(sigma),cross-sectionalareaforadsorptionsolutioninterfaceandasinglebutanolmoleculesbysigmaCcurvethe(S0).【Keywords】AdsorptionSurfacetensionThemaximumbubblepressuremethodNormalbutanolmoleculescrosssectionalarea【前言】溶液表面张力是溶液一个十分重要的性质，特别在日用化工产品的生产研制及其应用过程中测定某物质溶液的表面张力，显得尤为重要。最大气泡法测定溶液表面张力是高校物理化学实验课的基本内容之一。在恒温条件下，测得不同浓度的正丁醇——水二元体系的表面张力，然后根据表面张力—浓度曲线利用作图法求出不同点对应的斜率，再根据吉布斯吸附公式计算各点所对应的溶液的表面吸附量。其公式为：T)C(RTCR—气体常数；T—热力学温度；C—溶质在溶液中的平衡浓度；—溶液的表面张力；—溶液在单位面积表面层中的吸附量48溶质可以分为两类，一类的T)c(＜０,加入后使液体σ增大，称为表面活性物质，另一类T)c(＞０，称为非表面活性物质。正丁醇是表面活性物质，其水溶液的浓度越大，表面张力越小。【实验部分】一、实验原理1、表面能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11－1，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。－W=A(12－1)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称为单位表面的表面能，其单位为N·m-1。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。2、表面张力在纯液体情形下，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用热力学的方法推导出它们间的关系式＝TcRTc(12－2)式中，——气一液界面上的吸附量（mol·m-2）；——溶液的表面张力（N·m-1）;T——绝对温度（K）；c－溶液浓度（mol·m-3）；R——气体常数（8.314J·mol-1·K-1）。当()cT0时，0，称为正吸附。反之，()cT0时，0，称为负吸附。前者表明加入溶质使液体表面张力下降，此类物质叫表面活性物质，后者表明加入溶质使液体表面张力升高，此类物质叫非表面活性物质。表面活性物质具有显著的不对称结构，它是由亲水的极性部分和憎水的非极性部分构成。对于有机化合物来说，表面活性物质的极性部分一般为－NH3+，图13-1表面分子和内部分子的不同情况49－OH，－SH，－COOH，－SO2OH。而非极性部分则为RCH2－。正丁醇就是这样的分子。在水溶液表面的表面活性物质分子，其极性部分朝向溶液内部，而非极性部分朝向空气。表面活性物质分子在溶液表面的排列情形随其在溶液中的浓度不同而有所差异。当浓度极小时，溶质分子平躺在溶液表面上，如图11－2（a），浓度逐渐增加，分子排列如图11－2（b），最后当浓度增加到一定程度时，被吸附了的表面活性物质分子占据了所有表面形成了单分子的饱和吸附层如图11－2（c）。正丁醇是一种表面活性物质，其水溶液的表面张力和浓度关系见图11－3中的－c曲线，在－c曲线上作不同浓度c时的切线，把切线的斜率B(()cT)代入Gibbs吸附公式，可以求出不同浓度时气－液界面上的吸附量。在一定温度下，吸附量与溶液浓度之间的关系由Langmuir等温方程式表示：KCKC1(12－3)为饱和吸附量，K为经验常数，与溶质的表面活性大小有关。将（3）式化成直线方程，则CCK1(12－4)若以C～C作图可得一直线，由直线斜率即可求出。假设在饱和吸附情况下，正丁醇分子在气－液界面上铺满一单分子层，则可应用下式求得正丁醇分子的横截面积S0。SN01~(12－5)式中，~N－阿佛加德罗常数。3、最大气泡压力法最大气泡压力法测量表面张力的装置示意图如11－4。当表面张力仪中的毛细管截面与欲测液面相齐时，液面沿毛细管上升。打开滴液漏斗的活塞，使水缓慢下滴而使体系内的压力增加，这时毛细管内的液面上受到一个比恒温试管中液面上稍大的压力，因此毛细管内的液面缓缓下降。当此压力差在毛细管端面上产生的作用力稍大于毛细管口溶液的表面张力时，气泡就从毛细管口逸出。这个最大的压力差可由数字式微压差测量仪上读出。图11-2不同浓度时，溶质分子在溶液表面的排列情况图11-3正丁醇水溶液的表面张力与浓度的关系图501、恒温套管。2、毛细管（r在0.15～0.2mm）3、数字式微压差测量仪4、分液漏斗。5、塑料烧杯。6、连接橡皮管。如毛细管的半径为r，气泡由毛细管口逸出时受到向下的总作用力为r2P最大，而P最大＝P系统－P大气压＝hg式中，h－数字式微压差测量仪上的读数g－重力加速度－压力计内液体的密度气泡在毛细管上受到表面张力引起的作用力为2r。气泡自毛细管口逸出时，上述两种力看作相等，即：rPrhg22最大(12－6)rhg2若用同一只毛细管和压力计，在同一温度下，对两种溶液而言，则得：1212hh12211hhKh'(12－7)式中K'为毛细管常数。用已知表面张力2的液体为标准，从（7）式可求出其他液体的表面张力1。二、实验仪器与实验试剂1、实验仪器：名称及型号生产厂家数量DMP-2B型数字式微压差测量仪南京大学应用物理研究所1台HK-2A型超级恒温水浴南京南大万和科技有限公司1台ModelBT50b常州普瑞流体技术有限公司1台毛细管半径0.15~0.20mm1支5mL移液管1支2mL移液管1支0.5mL移液管1支洗耳球1只100mL容量瓶7支恒温套管1支图11－4最大气泡法测表面张力装置512、实验试剂：名称参数蒸馏水正丁醇分析纯三、实验步骤1、毛细管常数的测定按实验装置图装好仪器，打开恒温水浴，使其温度稳定于25℃。取一支浸泡在洗液中的毛细管依次次用自来水、蒸馏水反复清洗若干次，同样把玻璃套管也清洗干净，加上蒸馏水，插上毛细管，用套管下端的开关调节液面恰好与毛细管端面相切，使样品在其中恒温10分钟。在分液漏斗中加入适量的自来水，注意切勿使体系漏气。然后调节分液漏斗下的活塞使水慢慢滴下，这时体系压力逐渐减小，直至气泡由毛细管口冒出，细心调节出泡速度，使之在5－10秒钟内出一个。注意气泡爆破前数字式微压差测量仪的读数，并用电脑采集数据得到最大的压差值，求平均值而得hHO2。根据手册查出25℃时水的表面张力为＝71.97×10-3N·m-1，以/h=K求出所使用的毛细管常数，此值控制在8cm左右为宜，否则毛细管太粗误差较大，毛细管太细，易堵塞，气泡很难逸出。2、不同浓度的正丁醇溶液表面张力的测定用2mL移液管分别移取0.40ml、0.80ml、1.20ml、1.60ml、2.00ml、2.40ml、2.80ml正丁醇到100ml容量瓶中，然后稀释到刻度。重复上述实验步骤，按照由稀至浓的顺序依次进行测量。求得一系列浓度的正丁醇溶液的h。本实验的关键在于溶液浓度的准确性和所用毛细管、恒温套管的清洁程度。因此除事先用热的洗液清洗它们以外，每改变一次测量溶液必须用待测的溶液反复洗涤它们，以保证所测量的溶液表面张力与实际溶液的浓度相一致。并控制好出泡速度、平稳地重复出现压力差。而不允许气泡一连串地出。洗涤毛细管时切勿碰破其尖端，影响测量。温度对该实验的测量影响也比较大，实验中请注意观察恒温水浴的温度，溶液加入测量管后恒温10min后再进行读数测量。四、实验注意事项1、测定用的毛细管一定要先洗干净，否则气泡可能不能连续稳定地通过，而使压力计的读数不稳定。2、毛细管一定要垂直，管口要和液面刚好接触。3、表面张力和温度有关，因此要等溶液恒温后再测量。4、控制好出泡速度，读取压力计的压力差时，应取气泡单个逸出时的最大压力差。5、气密性的把握也非常重要，一定要用力塞紧，在实验中途要不断检查气密性。并且溶液不能进入橡胶管内，否则会堵塞导气管。6、溶液的配置要精确，每次更换液体时，应用待测液体润洗恒温管套。五、实验结果及误差分析1、实验结果52（1）毛细管常数的测定：)/(105334.14PamNK（2）正丁醇分子的截面积：2190210307.2mSA正丁醇的饱和吸附量为：261019931.7mmol3、实验误差分析：(1)系统误差：①Gibbs公式dadRTa，使用的是溶质的活度值a，而实验中用到的是溶液的浓度值，因此实验值与理论值会存在一定差距；②Gibbs吸附公式是稀溶液公式，只适用于溶液浓度小于或等于临界胶束浓度的范围。对于正丁醇这些表面活性剂物质，其表面张力随溶液浓度增大急剧下降，因此只能在正丁醇溶液浓度较小的范围，才能得到较为正确的Γ-c关系曲线。而实验中的最后两组，正丁醇浓度已经明显超出Gibbs吸附公式适用范围；③Langmuir等温式是一个理想的吸附公式，它代表了在均匀表面上，吸附分子间没有相互作用，而且吸附是单分子层情况下吸附达平衡时的规律性。而实际情况与理想假设总会有一定差距，因此应用此公式到实际实验中会有一定偏差。(2)仪器误差：①实验中使用的容量瓶和移液管的标准使用温度是20℃，但实际实验的室温高于这个温度，造成浓度误差；②恒温水浴锅设定25℃，实际温度是在25℃附近浮动，造成毛细管常数标准参考值的误差，进而造成表面张力值的误差和界面吸附量值的误差；③数字式微压差测量仪计算机实时记录数据的后两位一直是0，显然不