最大气泡法测定液体表面张力

1. 最大气泡法测定液体表面张力

2. 目的要求 • 了解表面张力的性质，表面自由能的意义以及表面张力和吸附的关系 • 掌握用最大泡压法测定表面张力的原理和技术 • 测定不同浓度乙醇水溶液的表面张力，计算表面吸附量和乙醇分子的横截面积

3. 实验原理 1．在指定的温度下，纯液体的表面张力是一定的，一旦在液体中加入溶质成溶液时情况就不同了，溶液的表面张力不仅与温度有关，而且也与溶质的种类，溶液浓度有关。这是由于溶液中部分溶质分子进入到溶液表面，是表面层分子组成发生了改变，分子间引力起了变化，因此表面张力也随着改变，根据实验结果，加入溶质以后在表面张力发生改变的同时还发生溶液表面层的浓度与内部浓度有所差别，有些溶液表面层浓度大于溶液内部浓度，有些恰恰相反，这种现象称为溶液的表面吸附作用。

4. 实验原理 按吉布斯吸附等温式： (1) 式中： Г-代表溶质在单位面积表面层中的吸附量(mol·m-2) C－代表平衡时溶液浓度(mol·L-1) R1－气体常数(8.314J·mol-1·K-1) T－吸附时的温度(K)。 从(1)式可看出，在一定温度时，溶液表面吸附，与平衡时溶液浓度C和表面张力随浓度变化率成正比关系。

5. 实验原理 当 ＜0时，Г＞0表示溶液表面张力随浓度增加而降低，则溶液表面发生正吸附，此时溶液表面层浓度大于溶液内部浓度。 当 ＞0时，Г＜0表示溶液表面张力随浓度增加而增加，则溶液表面发生负吸附，此时溶液表面层浓度小于溶液内部浓度。 我们把能产生显著正吸附的物质(即能显著降级溶液表面张力的物质)，称为表面活性物质。本实验用表面活性物质乙醇配制成一系列不同浓度的水溶液，分别测定这些溶液的表面张力σ，然后以σ对lnC作图得一曲线，求曲线上某一点的斜率可计算相当于该点浓度时溶液的表面吸附量。

6. 实验原理 2．本实验测定各溶液的表面张力采用气泡最大压力法，此法原理是当毛细管与液面接触时，往毛细管内加压(或在溶液体系减压)则可以在液面的毛细管出口处形成气泡。如果毛细管半径很小，则形成的气泡基本上呈球形。而气泡在形成过程中是在变化的。当开始形成气泡时，表面几乎是平的，即这时的曲率半径最大，随着气泡的形成，曲率半径逐渐变小，直到形成半球形，这时曲率半径R与毛细管半径r相等，曲率半径大最小值。此时附加压力为产生气泡的最大压力。此时： (2) 其中：△P——为最大压力； r——为毛细管半径(此时等于气泡的曲率半径R)； σ——为表面张力。

7. 实验步骤 1．仪器准备和检漏 将表面张力仪容器和毛细管洗净，安装好实验装置。 将水注入减压瓶中，在管中用移液管注入50mL蒸馏水。调节液面，使之恰好与毛细管口尖端相切。然后夹紧处橡皮管，再开启活塞，这时减压瓶中水面下降，使体系内压力降低（实际上等于对体系抽气）。当微压差测量仪指示出几百的压力差时，关闭活塞。若两三分钟内压力示数不变，则说明体系不漏气，可以进行实验。

8. 实验步骤 2．仪器常数的测定 打开活塞，对体系减压，调节水流速度，使气泡由毛细管尖端成单泡溢出，且每个气泡形成的时间不能少于10～20s，否则吸附平衡就来不及在气泡表面建立起来，因而测的表面张力也不能反映该浓度下真正的表面张力值。记录微压差测量仪的最大读数，连续读取三次，求其平均值。 再由实验常用数据表中查出实验温度下水的表面张力 ，则可算出仪器常数K。

9. 实验步骤 3．表面张力随溶液浓度变化的测定 在上述体系中，用移液管移入0.100mL正丁醇，用洗耳球打气数次（注意：打气时务必使体系成敞开体系，否则表面张力仪容器中的液体会被吹出），使溶液浓度均匀。然后调节液面，使之与毛细管端相切。用测定仪器常数的方法测定压力差。然后依次加入0.200mL、0.200mL、0.200mL、0.500mL、0.500mL、1.000mL、1.000mL正丁醇，每加入一次正丁醇，测得一个最大压力差，从而测得一系列压力差数据，正丁醇的量一直加到饱和为止，即测得的最大压力差不再随正丁醇的加入而变化了。

10. 难点与重点 • 表面张力、表面超量、表面吸附的意义 • 附加压强在气泡形成、膨胀至逸出过程中的变化趋势 • 表面张力随溶液浓度变化的规律

11. 小结 • 通过实验，同学们对表面张力、表面活性物质、表面超量及表面吸附等有了深入的了解，同学们基本上都顺利完成实验，并完成数据处理。但实验中调节毛细管与液面相切情况前后不够一致，溶液混合不够均匀。待达到表面吸附饱和同学们还继续多测几点，这种探索想法是可取的，但对此实验，多测数据并不反映溶液的表面张力，由于溶液分层，而是正丁醇的表面张力，数据处理时应舍去。

12. 注意事项 • 气泡逸出速度不能太快，否则影响最大高度差的读数。 • 使用折射仪时，测完一种溶液后应用擦镜纸吸干，不能用力擦。防止将毛玻璃擦光。 • 折射仪棱镜间应充满液体，否则目镜中看不到半明半暗的现象。 • 使用时不能将滴管或其它硬物碰到折射仪的镜面。 • 腐蚀性液体，如强酸，强碱或氟化物不得使用阿贝折射仪。 • 在每次滴加样品前，均应洗净镜面，使用完毕应用丙酮或乙醚洗净镜面。 • 系统不能漏气。

13. 思考题 • 气泡溢出速度较快或不成单泡，对实验结果有什么影响？毛细管尖端为什么要刚好接触液面？ • 实验结果好坏的关键决定于哪些因素？ • 最大气泡法测表面张力时为什么要读取最大压力差？