实验46  溶液表面张力及表面吸附量的测定

Determination of Surface Tension and Adsorption Capacity of Solutions

液体表面的分子由于受力不平衡而产生表面自由能，当扩张液面时会感到有一种张力存在，所以表面自由能也称表面张力。表面张力的大小与物质的种类、温度、压力均有关系。溶液的表面张力还与溶质的性质及浓度有关。对水溶液而言，有的物质能使水的表面张力下降，甚至急剧降低，这种物质叫表面活性物质，这可以从表面张力等温线上看出。

   研究这些物质在水中的分散情况发现，溶质在液体中的分散并不均匀，即在液体表面和溶液内部浓度不同，这种现象称为表面吸附。

Gibbs推导出恒温下表面吸附公式：

_r

Γ:表面吸附量(mol/m²)

C:溶液的浓度(mol/m³)

_r:物质的表面活性

对表面活性物质若 r<0,∴Γ>0,即发生正吸附，表面浓度将大于本体相浓度，主要是极性比水小的有机物。而非表面活性物质 r>0,∴Γ<0,发生负吸附，表面浓度小于本体相浓度，如电解质及多羟基化合物。

肺泡壁分泌的表面活性物质以单分子层覆盖在肺泡表面，肺泡表面活性物质最重要的生理功能就是降低肺泡表面张力，使其降低到原来的1/7～1/15，这可使肺泡在胸腔的负压下进行换气，同时当肺泡体积变化时其表面吸附量也在改变，保证大小肺泡之间压力平衡，使肺泡不过分扩大或萎缩，也不会出现小肺泡合并形成大肺泡的情况，实现肺的正常呼吸。肺泡表面活性物质功能异常是急性呼吸窘迫症的重要因素之一。

实验目的（Purpose of the Experiment）

1、      掌握用最大气泡压力法测定溶液表面张力的原理和方法；

2、      理解曲面附加压及拉普拉斯方程；

3、      从溶液的表面张力等温线上根据吉布斯公式求得溶液的表面吸附等温线。

实验原理(principle of the Experiment)

计算溶液的表面吸附量必须首先绘制出表面张力等温线 σ-c  ，从σ-c 曲线上找到某一浓度的切线斜率 r ，然后代入到 Gibbs 公式中。因此表面张力的测量是本实验的主要内容。

表面张力的测定方法有多种，在实验室中常见的是最大气泡压力法，它利用在毛细管口形成气泡所需的最大压力Pmax与液体表面张力σ的关系来测定的。

当毛细管径r较小时，毛细管两端的最大压力差Pmax与溶液表面张力σ的关系满足拉普拉斯曲面附加压方程：

Pmax=

Pmax 

对于浓度不同的溶液，如果采用同一套实验仪器，

Pmax 1 ， Pmax 2

那么                         

若已知某温度下纯水的σ1 和Pmax1以及相同条件下某溶液的Pmax2，根据上式即可求得该液体的表面张力σ2。

仪器和试剂（Apparatuses and Reagents）

毛细管  超级恒温水浴  带水浴夹套管的筒形漏斗  吸耳球  醋酸     微压仪   抽气瓶    烧杯等

实验步骤（Procedures of the Experiment）

1、    精确配置系列浓度的醋酸水溶液0.1、0.25、0.5、1.5、2.0、3.0mol/L；

2、    用洗液和蒸馏水反复清洗毛细管及筒形漏斗；

3、    调节恒温器的温度为25℃±0.5℃；

4、      将压力计的两端通大气，按下微压仪“清空”钮，使窗口数据显示：“0000”；

5、      关闭筒形漏斗的活塞，加入适量的蒸馏水并垂直插入毛细管，塞进漏斗口；

6、      缓缓打开筒形漏斗的活塞，使漏斗内的液面与毛细管口刚刚相接触；

7、    在抽气瓶中加满自来水，用乳胶管将筒形漏斗、水压计及抽水瓶连接起来；

8、    温度恒定后从抽气瓶处缓慢放水，是毛细管口处出泡（约10s出一个气泡），同时注意观察微压仪数据的变动情况;

9、    每出一气泡读取数据变动过程中的最大值（绝对值）；

10、   连续读取3次，使最大气泡压力值的偏差在0.5min内，否则应继续抽气出泡并观察；

11、   放空筒形漏斗中的水，按照从稀到浓的次序测量醋酸溶液，每次测定前先用待测溶液反复洗涤毛细管和漏斗，然后重复步骤4至10。

数据处理（Data Recording and Processing）

1、      查出恒温下纯水的表面张力，按下表计算各浓度醋酸的表面张力。

表一  恒温温度         ：纯水的表面张力      

2、      做出σ-c图，并用软件拟合出曲率方程后求出其导数方程；

3、      在σ-c 图的低浓度区(c<1.5 mol/L) 取五、六个点做切线求r，同时将各浓度点带入到导数方程中进行计算；

4、      将作图所得到的和方程运算所得到的r代入Gibbs公式，计算各浓度的Γ值；

  表二

作Γ-c等温吸附曲线

思考题(Study Questions)

1、      为什么毛细管端口要刚好接触待测液面？

2、      若测量系统密闭不严有漏气现象，会出现什么情况？

3、      为控制出泡的速率平稳、缓慢，可对实验做什么改进？