表面張力測定

表面張力測定2023/6/24第一頁，共十六頁，編輯于2023年，星期五1實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙?.掌握最大氣泡法測定表面張力的原理和技術(shù)。2.通過對不同濃度正丁醇溶液表面張力的測定，加深對表面張力、表面自由能和表面吸附量關(guān)系的理解。2023/6/24第二頁，共十六頁，編輯于2023年，星期五2實(shí)驗(yàn)原理圖1分子間作用力示意圖

在液體的內(nèi)部任何分子周圍的吸引力是平衡的?？墒窃谝后w表面層的分子卻不相同。因?yàn)楸砻鎸拥姆肿?，一方面受到液體內(nèi)層的鄰近分子的吸引，另一方面受到液面外部氣體分子的吸引，而且前者的作用要比后者大。因此在液體表面層中，每個分子都受到垂直于液面并指向液體內(nèi)部的不平衡力（如圖l所示）。2023/6/24第三頁，共十六頁，編輯于2023年，星期五2實(shí)驗(yàn)原理這種吸引力使表面上的分子向內(nèi)擠促成液體的最小面積。要使液體的表面積增大就必須要反抗分子的內(nèi)向力而作功增加分子的位能。所以說分子在表面層比在液體內(nèi)部有較大的位能，這位能就是表面自由能。通常把增大一平方米表面所需的最大功A或增大一平方米所引起的表面自由能的變化值ΔG稱為單位表面的表面能其單位為J．m-3。而把液體限制其表面及力圖使它收縮的單位直線長度上所作用的力，稱為表面張力，其單位是N.m-1。2023/6/24第四頁，共十六頁，編輯于2023年，星期五2實(shí)驗(yàn)原理液體單位表面的表面能和它的表面張力在數(shù)值上是相等的。欲使液體表面積增加△S時，所消耗的可逆功A為：

液體的表面張力與溫度有關(guān)，溫度愈高，表面張力愈小。到達(dá)臨界溫度時，液體與氣體不分，表面張力趨近于零。液體的表面張力也與液體的純度有關(guān)。在純凈的液體（溶劑）中如果摻進(jìn)雜質(zhì)（溶質(zhì)），表面張力就要發(fā)生變化，其變化的大小決定于溶質(zhì)的本性和加入量的多少。2023/6/24第五頁，共十六頁，編輯于2023年，星期五2實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)加入溶質(zhì)后，溶劑的表面張力要發(fā)生變化。根據(jù)能量最低原理，若溶液質(zhì)能降低溶劑的表面張力，則表面層溶質(zhì)的濃度應(yīng)比溶液內(nèi)部的濃度大；如果所加溶質(zhì)能使溶劑的表面張力增加，那么，表面層溶液質(zhì)的濃度應(yīng)比內(nèi)部低。這種現(xiàn)象為溶液的表面吸附。用吉布斯公式(Gibbs)表示：

（3-126）式中：為表面吸附量(mol.m-2)，σ為表面張力（J.m-2）。

表示在一定溫度下表面張力隨濃度的改變率。即：<0，Г>0，溶質(zhì)能增加溶劑的表面張力，溶液表面層的濃度大于內(nèi)部的濃度，稱為正吸附作用。

（1）2023/6/24第六頁，共十六頁，編輯于2023年，星期五2實(shí)驗(yàn)原理（2）>0，Г<0，溶質(zhì)能增加溶劑的表面張力，溶液表面層的濃度小于內(nèi)部的濃度，稱為負(fù)吸附作用。

根據(jù)式，通過測定溶液的濃度隨表面張力的變化關(guān)系可以求得不同濃度下溶液的表面吸附量。

2023/6/24第七頁，共十六頁，編輯于2023年，星期五2實(shí)驗(yàn)原理

如圖是最大氣泡法測定表面張力的裝置。待測液體置于表面張力管中，使毛細(xì)管端面與液面相切，液面隨時毛細(xì)管上升。打開滴液漏斗緩慢滴水。此時，由于毛細(xì)管液面所受壓力大于表面張力管液2023/6/24第八頁，共十六頁，編輯于2023年，星期五2實(shí)驗(yàn)原理吸附量與濃度之間的關(guān)系可以用Langmuir等溫吸附方程式表示：式中，?！逓轱柡臀搅?k為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。將上式整理得：

以c/Г∞對c作圖可得到一條直線，其斜率的倒數(shù)為Г∞。2023/6/24第九頁，共十六頁，編輯于2023年，星期五2實(shí)驗(yàn)原理如果以N代表1m2表面層的分子數(shù)，則:式中,L為Avogadro常數(shù)，則每個分子的截面積A為:A=1/Г∞L若已知溶質(zhì)的密度ρ，分子量M，就可計(jì)算出吸附層厚度δ

2023/6/24第十頁，共十六頁，編輯于2023年，星期五2實(shí)驗(yàn)原理

面所受壓力，毛細(xì)管液面不斷下降，將從毛細(xì)管緩慢析出氣泡。如圖所示。在氣泡形成的過程中，由于表面張力的作用，凹液面產(chǎn)生一個指向液面外的附加壓力△P，因此有以下關(guān)系：P大氣=P系統(tǒng)+△P圖3-78氣泡形成過程

附加壓力與表面張力成正比，與氣泡的曲率半徑R成反比。

2023/6/24第十一頁，共十六頁，編輯于2023年，星期五2實(shí)驗(yàn)原理

若毛細(xì)管管徑較小，則形成的氣泡可視為球形。氣泡剛形成時，由于表面幾乎是平的，所以曲率半徑R極大；當(dāng)氣泡形成半球形時，曲率半徑R等于毛細(xì)管半徑r，此時R值最小。隨著氣泡的進(jìn)一步增大，R又趨增大，直至逸出液面。R=r時，附加壓力最大：

（3-129）2023/6/24第十二頁，共十六頁，編輯于2023年，星期五2實(shí)驗(yàn)原理最大附加壓力由數(shù)字微壓差計(jì)讀出。用數(shù)字微壓差計(jì)可以直接度出壓差的值（Pa）.2023/6/24第十三頁，共十六頁，編輯于2023年，星期五2實(shí)驗(yàn)原理在實(shí)驗(yàn)中，使用同一支毛細(xì)管和壓差計(jì)，r/2為常數(shù)（儀器常數(shù)），用K表示，即：σ=K△P

用已知表面張力的液體(水）作為標(biāo)準(zhǔn)，可以測得儀器常數(shù)K，從而可以測定其它求知液體的表面張力。2023/6/24第十四頁，共十六頁，編輯于2023年，星期五3儀器與試劑恒溫槽裝置；數(shù)字微壓