最大气泡压力法测定液体的表面张力
实验七 最大气泡法测定液体的表面张力
实验七 最大气泡法测定液体的表面张力卓冶13 李金阳(一)、实验目的1．掌握最大气泡法测定液体的表面张力的原理和方法。
2．熟悉表面张力的意义和性质，测定不同浓度液体的表面张力。
3．熟悉表面吸附的性质及与表面张力的关系。
(二)、实验原理溶剂中加入溶质后，溶剂的表面张力要发生变化，加入表面活性物质（能显著降低溶剂表面张力的物质）则它们在表面层的浓度要大于在溶液内部的浓度，加入非表面活性物质则它们在表面层的浓度比溶液内部低。
这种表面浓度与溶液内部浓度不同的现象叫溶液的吸附。
显然，在指定的温度压力下，溶质的吸附量与溶液的表面张力及溶液的浓度有关。
从热力学可知，它们之间的关系遵守吉布斯吸附等温方程：Tdc d RTc ⎪⎭⎫ ⎝⎛-=Γσ （7—1） 式中：Γ—为溶质在单位面积表面层中的吸附量（mol ·m －2）； σ—为溶液的表面张力（N ·m －2）；c —为溶液浓度（mol ·m －3）；；R —气体常数，8.314J ·mol －1·K －1；T —为绝对温度（K ）。
当)/(dc d σ<0时，Γ > 0，即溶液的表面张力随着溶液浓度的增加而下降时，吸附量为正值，称为正吸附，反之，当)/(dc d σ> 0时，Γ< 0称为负吸附。
吉布斯吸附等温方程式应用范围很广，但上述形式只适用于稀溶液。
通过实验测得不同浓度溶液的表面张力1σ、2σ……即可求得吸附量Γ。
本实验采用最大气泡压力法测定正丁醇水溶液的表面张力值。
试验装置如图（7—1）所示。
图7—1 表面张力测定装置1—样品管 2—毛细管 3—压瓶4—精密数字压力计 5—大气平衡管 6—活塞 图7—2 气泡曲率半径的变化规律将欲测表面张力的溶液装入样品管中，使毛细管的端口与液面相切，液体即沿毛细管上升，打开减压瓶3的活塞6，使里面的水慢慢的滴出，则系统内的压力慢慢减小，毛细管2液面上受到一个比样品管中液面上大的压力，此时毛细管内液面就会下降，直到在毛细管端面形成一个稳定的气泡。
最大气泡法测定溶液的表面张力
再由(上ddC式)T可求得不同浓度下的Γ值。
3. 饱和吸附与溶质分子的横截面积
在一定的温度下，吸附量与溶液浓度之间的关系由Langmuir等温 式表示：
KC 1 KC
式中:Γ∞ 是饱和吸附量，K是常数，将上式取倒数可得:
CC 1
目的要求
▪ 1. 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。
▪ 2. 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。
▪ 3. 掌握用最大气泡法测定表面张力的原理和技术。
基本原理
1. 表面自由能
物体表面分子和内部分子所处的境遇不同，表面层分子受到向内
的拉力，所以液体表面都有自动缩小的趋势。如果把一个分子由
验温度时水的表面张力，利用公式 K / hmax
求出仪器常数K。
▪ 5.待测样品表面张力的测定：用待测溶液洗净试管和毛
细管，加入适量样品于试管中，按照仪器常数测定的方法，
测定不同待测样品的
h计max算其表面张力。
▪ 6.乙醇溶液的折光率测定：用每个样品测出 hmax 后，随 即用滴管吸取该溶液滴，置于棱镜上，用阿贝折光仪测其 折光率nD查工作曲线得各样品的准确浓度。
内部迁移到表面，就需要对抗拉力而做功。在温度、压力和组成
都恒定时，可逆地使表面增加ΔS所需对体系做的功，叫表面功，
可表示为：
-A=ΔG=σΔS
σ称为表面自由能，单位为J/m2。若把σ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。
2. 溶液的表面吸附
根据能量最低原则,溶质能降低溶剂的表面张力时,表面层溶质的 浓度比溶液内部大;反之,溶质使溶剂的表面张力升高时,表面层中 的浓度比内部的低。这种表面浓度与溶液内部浓度不同的现象 叫做溶液的表面吸附。
最大气泡压力法测定溶液表面张力
物理化学实验最大气泡压力法测定溶液表面张力C210 2010-04-12T=286.15K P=85.02kPa一、实验目的1.掌握最大气泡法测定溶液表面张力的原理和方法2.测水溶液的表面张力并计算定不同浓度正丁醇计算吸附量3.加深对表面张力、表面自由能、表面张力和吸附量关系的理解二、实验原理处于溶液表面的分子,受到不平衡的分子间力的作用而具有表面张力s.气泡最大压力法测定表面张力装置见实物；实验中通过滴水瓶滴水抽气使得体系压力下降，大气压与体系压力差△p逐渐把毛细管中的液面压至管口，形成气泡。
如果毛细管半径很小，则形成的气泡基本上是球形的；当气泡开始形成时，表面几乎是平的，这时曲率半径最大;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和毛细管半径r相等，曲率半径达最小值，根据拉普拉斯公式得:附加压力达最大值ΔP max =σ/r min。
气泡进一步长大，R变大，附加压力则变小，直到气泡逸出。
加入表面活性物质时溶液的表面张力会下降,溶质在表面的浓度大于其在本体的浓度,此现象称为表面吸附现象;单位溶液表面积上溶质的过剩量称为表面吸附量Γ, Γ=-(c/RT)*( dσ/dc).对可形成单分子层吸附的表面活性物质，溶液的表面吸附量Γ与溶液本体浓度c之间的关系符合朗格谬尔吸附等温式: Γ=Γ∞*kc/1+kc朗格谬尔吸附等温式的线性形式为: c/Γ=c/Γ∞+1/kΓ∞Γ∞为饱和吸附时,单位溶液表面积上吸附的溶质的物质的量，则每个溶质分子在溶液表面上的吸附截面积为:A m=1/(N A*Γ∞)三、仪器与试剂恒温槽装置；数字式微压差计；抽气瓶l个；表面张力测定仪烧杯（1000mL）；T形管1个；电导水；正丁醇（A.R.）及其不同浓度的标准溶液；四、实验步骤1．仪器常数的测定将表面张力测定仪清洗干净；在干净的表面张力测定仪中装入电导水，使毛细管上端塞子塞紧时，毛细管刚好与液面垂直相切；抽气瓶装满水，连接好后旋开下端活塞使水缓慢滴出；控制流速使气泡从毛细管平稳脱出（每个气泡4-6秒），记录气泡脱出瞬间数字微压差计的最大数值，取三次并求平均值。
最大泡压法测定溶液的表面张力
最大泡压法测定溶液的表面张力一、实验目的1、掌握最大泡压法测定表面张力的原理，了解影响表面张力测定的因素。
2、了解弯曲液面下产生附加压力的本质，熟悉拉普拉斯方程，吉布斯吸附等温式，了解兰格缪尔单分子层吸附公式的应用。
3、测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力，计算饱和吸附量, 由表面张力的实验数据求正丁醇分子的截面积及吸附层的厚度。
二、实验原理1、表面张力的产生液体表面层的分子一方面受到液体内层的邻近分子的吸引，另一方面受到液面外部气体分子的吸引，由于前者的作用要比后者大，因此在液体表面层中，每个分子都受到垂直于液面并指向液体内部的不平衡力，如图所示，这种吸引力使表面上的分子自发向内挤促成液体的最小面积。
在温度、压力、组成恒定时，每增加单位表面积，体系的表面自由能的增值称为单位表面的表面能（J·m-2）。
若看作是垂直作用在单位长度相界面上的力，即表面张力（N·m-1）。
事实上不仅在气液界面存在表面张力，在任何两相界面都存在表面张力。
表面张力的方向是与界面相切，垂直作用于某一边界，方向指向是表面积缩小的一侧。
液体的表面张力与液体的纯度有关。
在纯净的液体（溶剂）中如果掺进杂质（溶质），表面张力就要发生变化，其变化的大小决定于溶质的本性和加入量的多少。
由于表面张力的存在，产生很多特殊界面现象。
2、弯曲液面下的附加压力静止液体的表面在某些特殊情况下是一个弯曲表面。
由于表面张力的作用，弯曲表面下的液体或气体与在平面下情况不同，前者受到附加的压力。
弯曲液体表面平衡时表面张力将产生一合力P s，而使弯曲液面下的液体所受实际压力与外压力不同。
当液面为凹形时，合力指向液体外部，液面下的液体受到的实际压力为：P' = P o - P s；当液面为凸形时，合力指向液体内部，液面下的液体受到的实际压力为：P ' = P o + P s 。
这一合力P S ，即为弯曲表面受到的附加压力，附加压力的方向总是指向曲率中心。
(情绪管理)最大气泡压力法测定溶液的表面张力最全版
（情绪管理）最大气泡压力法测定溶液的表面张力最大气泡压力法测定溶液的表面张力壹、实验目的1．掌握最大气泡压力法测定表面张力的原理和技术。
2．通过对不同浓度乙醇溶液表面张力的测定，加深对表面张力、表面自由能、表面张力和吸附量关系的理解。
二、基本原理在壹个液体的内部，任何分子周围的吸引力是平衡的。
可是在液体表面表面层中，每个分子都受到垂直于且指向液体内部的不平衡力。
所以说分子在表面层比在液体内部有较大的位能，这位能就是表面自由能，通常把增大壹平方米表面所需的最大功A或增大壹平方米所引起的表面自由能的变化△G,称为单位表面的表面能，其单位为J·m－1；而把液体限制其表面及力图使它收缩的单位直线长度上所作用的力，称为表面张力，其单位是N·m－1。
如欲使液体表面面积增加ΔS时，所消耗的可逆功A应该是：壹A＝ΔG＝σΔS（1）液体的表面张力和温度有关，温度愈高，表面张力愈小。
根据能量最低原则，若溶质能降低溶剂的表面张力，则表面层中溶质的浓度应比溶液内部的浓度大，如果所加溶质能使溶剂的表面张力升高，那么溶质在表面层中的浓度应比溶液内部的浓度低。
这种表面浓度和溶液内部浓度不同的现象叫做溶液的表面吸附。
在壹定的温度和压力下，溶液表面吸附溶质的量和溶液的表面张力和加入的溶质量（即溶液的浓度）有关，它们之间的关系可用吉布斯(Gibbs)公式表示：Γ＝－()T（2）式中：Γ为吸附量(mol·m－1)；σ为表面张力(J·m-1)；T为绝对温度(K)；c为溶液浓度(mol．L －1)；R为气体常数(8．314J．K—I·mol－1)。
()T表示在壹定温度下表面张力随溶液浓度而改变的变化率。
如果σ随浓度的增加而减小，也即()T<0，则Γ>0，此时溶液表面层的浓度大于溶液内部的浓度，称为正吸附作用。
如果σ随浓度的增加而增加即()T>0，则Γ<0，此时溶液表面层的浓度小于溶液本身的浓度，称为负吸附作用。
物理化学实验报告：最大泡压法测定溶液的表面张力
欲使液体产生新的表面 ΔA，就需对其做功，其大小应与 ΔA 成正比：
－W′＝σ·ΔA
（1）
它表示液体表面自动缩小趋势的大小，σ 称为比表面自由能，其量纲为 J·m-2。因其量 纲又可以写成 N·m－1，所以 σ 还可称为表面张力。其量值与溶液的成分、溶质的浓度、温
度及表面气氛等因素有关。
2、溶液的表面吸附
至于恒温水浴内恒温 10min。毛细管需垂直并注意液面位置，然后按图接好测量系统。慢慢
打开抽气瓶活塞，注意气泡形成的速率应保持稳定，通常控制在每分钟 8-12 个气泡为宜，
即数字微压微压差测量仪的读数（瞬间最大压差）约在 700-800pa 之间。读数 3 次，取平均
值。
4、测量乙醇溶液的表面张力
按实验步骤三分别测量不同浓度的乙醇溶液。从稀到浓依次进行。每次测量前必须用少量
根据能量最低原理，溶质能降低溶剂的表面张力时，表面层中溶质的浓度比溶液内部
大；反之，溶质使溶剂的表面张力升高时，它在表面层中的浓度比在内部的浓度低，这种
表面浓度与内部浓度不同的现象叫做溶液的表面吸附。在指定的温度和压力下，溶质的吸
附量与溶液的表面张力及溶液的浓度之间的关系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程：
1.3435
25%乙醇
-0.478
1.3465
30%乙醇
-0.452
1.3491
35%乙醇
-0.450
1.3516
40%乙醇
-0.422
1.3539
2.数据处理：
（1）以纯水的测量结果按方程计算 K′值。
解得 K′=σ1∕△p1=71.97*10-3N*m-1/(-0.765kpa)=0.094 （2）根据所测折光率，由实验提供的浓度-折光率工作曲线查出各溶液的浓度。
实验三十一表面张力测定最大气泡压力法测定溶液的表面张力
m
在实验中，若使用同一支毛细管和压力计，则
gr
2
是一个常数，称为仪器常数，用K来表示。
K hm
所以
(7) 在本实验中，用已知表面张力的水作为标准， hm 由实验测得其 后，就可求出仪器常数的值。 hm 然后只要用这一仪器测得其它液体的 值，通 过（7）式计算，即可求得各种液体的表面张力。
1. 最大气泡压力法测定表面张力的原理和技
术。 2.不同浓度正丁醇溶液表面张力的测定、吸 附量的计算。
三、实验原理
在本实验中，溶液浓度的测量是利用浓度与折光率的对 应关系，表面张力的测定是应用最大气泡压力法。 最大气泡压力法测定表面张力的装置示意如图1。将欲 测表面张力的液体装于支管试管2中，使毛细管3的端面 与液面相切，液面即沿毛细管上升，打开滴折光仪
1台 恒温槽装置 1套 滴液漏斗（250mL） 1个 支管试管（2.5×20cm） 1个 毛细管（0.2—0.3mm） 1支 酒精压力计 1个 T形管 1个 烧杯（250mL） 1个 放大镜 1个 重蒸馏水 正丁醇（A.R.） 丙酮（A.R.）
3.待测样品表面张力的测定
（1）用待测溶液洗净支管试管和毛细管后， 加入适量的样品于支管试管中。 （2）按仪器常数测定时的操作步骤，分别测 定各种未知浓度正丁醇溶液的值。
六、数据处理
1.将实验数据记录于下表，并求得其表面张力。
2.以浓度为横坐标，表面张力为纵坐标作表
面张力-浓度图（横坐标浓度从零开始）。 3.在表面张力-浓度图上选取6～8点作切线求 出Z值。 Z 4.由 RT 计算不同浓度溶液的吸附量值，并作 吸附量-浓度图。
七、思考题
1.为什么不能将毛细管插进液体里面？ 2.本实验为什么选用酒精压力计而不用水银
最大气泡法测定液体表面张力
最大气泡法测定液体表面张力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。
实验原理按吉布斯吸附等温式：c d 1 d 1 RT dc RT d ln c式中：Г-代表溶质在单位面积表面层中的吸附量molm-2C－代表平衡时溶液浓度molL-1R1－气体常数8.314Jmol-1K-1T－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。
实验原理当c T ＜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c ＞0时，Г＜0表示溶液表面张力随浓度增加而增T 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。
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。
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实验七 最大气泡压力法测定液体的表面张力
一、实验目的
1、用最大气泡法测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力，计算溶液表面吸附量、被吸附分子的截面积和吸附层厚度。
2、掌握最大气泡法测定溶液表面张力的原理和技术。
二、实验原理
一定温下纯液体的表面张力σ为定值，当加入溶质形成溶液时，表面张力发生变化，其变化的大小决定于溶质的性质和加入量的多少。
据能量最低原理，溶质能降低溶剂的表面张力时，表面层中溶质的浓度比溶液内部大；反之，溶质使溶剂的表面张力升高时，它在表面层中的浓度比在内部的浓度低，这种表面浓度与内部浓度不同的现象叫做溶液的表面吸附。
在指定的温度和压力下，溶质的吸附量与溶液的表面张力及溶液的浓度之间的关系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程:
T
C RT
C σ∂⎛⎞Γ=−
⎜⎟∂⎝⎠ 式中，Г为溶质在表层的吸附量; σ为表面张力; C 为吸附达到平衡时溶质在介质中的浓度。
当0T C σ∂⎛⎞<⎜⎟∂⎝⎠时，Г>0称为正吸附；当0T
C σ∂⎛⎞
>⎜⎟∂⎝⎠时，Г<0称为负吸附。
吉布斯吸附等温式应用范围很广，但上述形式仅适用于稀溶液。
引起溶剂表面张力显著降低的物质叫表面活性物质，被吸附的表面活性物质分子在界面层中的排列，决定于它在液层中的浓度. 当界面上被吸附分子的浓度增大时，它的排列方式在改变着，最后，当浓度足够大时，被吸附分子盖住了所有界面的位置，形成饱和吸附层。
这样的吸附层是单分子层，随着表面活性物质的分子在界面上愈益紧密排列，则此界面的表面张力也就逐渐减小。
以σ对C 作图，可得到σ-C 曲线，从图可以看出，在开始时随浓度增加，σ迅速下降，以后变化趋缓。
被吸附的分子在界面上的排列图 表面张力和浓度关系图
在曲线上任选一点a 作切线，即可得到该点所对应浓度的斜率
T
Z C C σ∂⎛⎞=−⎜⎟∂⎝⎠ 再由
T
C Z RT
C RT σ∂⎛⎞Γ=−
=⎜⎟∂⎝⎠ 求出不同浓度下的吸附量Γ。
据朗格谬尔(Langmuir)吸附公式
:
Г∞为饱和吸附量，即表面被吸附物铺满一层分子时的Г，线性化得
以C/Г对C 作图，得一直线，该直线的斜率为1/∞Γ。
由所求得的代入
∞Γ1A L
∞=
Γ截 可求被吸附分子的截面积(L 为阿佛加得罗常数)。
若已知溶质的密度ρ，分子量M ，就可计算出吸附层厚度δ
σ的最大气泡法测定原理是：
毛细管插入测定管待测液体中，液柱上升一定高度。
当抽气瓶缓慢抽气时，体系压力下降，与大气压力产生压力差p Δ,液柱下降以液泡逸出时
2U p p p g h R
σ
ρ=Δ=−=
Δ大气体系型管 实验时，用已知表面张力的纯水标定后再测定不同浓度样品溶液
2222H O
H O H O p g h R
σρΔ=
=Δ
2p g h R
σρΔ==Δ样品样品
样品
2222H O H H O H O
p h p h σσΔΔ==ΔΔ样品样品样品
O σ
三、仪器药品
最大泡压法表面张力仪 1套 吸耳球 1个 移液管(50mL 和1mL) 各1只 烧杯(500mL) 1只 正丁醇(AR) 蒸馏水
四、实验步骤 1. 仪器准备与检漏
将表面张力仪容器和毛细管先用洗液洗净，再顺次用自来水和蒸馏水漂洗，烘干后按图连接好。
将水注入抽气管中。
在测量管中蒸馏水，用吸耳球由活塞处抽气，调节液面，使之恰好与细口管尖端相切。
然后关紧活塞，再打开抽气瓶活塞，这时瓶中水流出，使体系内的压力降低，当压力计中液面指示出若干厘米的压差时，关闭活塞，停止抽气。
若2min ～3min 内，压力计液面高度差不变，则说明体系不漏气，可以进行实验。
2.标定
打开活塞对体系抽气，调节抽气速度，使气泡由毛细管尖端成单泡逸出，且每个气泡形成的时间为10s～20s。
若形成时间太短，则吸附平衡就来不及在气泡表面建立起来，测得的表面张力也不能反映该浓度之真正的表面张力值。
当气泡刚脱离管端的一瞬间，压力计中液面差达到最大值，记录最高读数，连续读取三次，取其平均值。
再由手册中，查出实验温度时，水的表面张力σ。
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，用吸耳球打气数次(注意打气时，务必使体系成为敞开体系。
否则，压力计中的液体将会被吹出)，使溶液浓度均匀，然后调节液面与毛细管端相切，同“2”法测定压力计的压力差。
然后依次加入0.200mL、0.200mL、0.200mL、0.500mL、0.500mL、1.00mL、1.00mL 正丁醇，每加一次测定一次压力差。
正丁醇的量一直加到饱和为止，这时压力计的压力差最大值几乎不再随正丁醇的加入而变化。
五、注意事项
1、仪器系统不能漏气。
2、所用毛细管必须干净、干燥，应保持垂直，其管口刚好与液面相切。
3、读取压力计的压差时，应取气泡单个逸出时的最大压力差。
六、数据记录与处理
室温实验温度大气压纯水的σ
正丁醇溶液的表面张力
C乙
/mol.l-1
σ/N.m-1
1、计算溶液表面张力σ，绘制σ—C等温线。
2、作切线求Z，并求出Г，C/Г。
3、绘制Г—C，C/Г—C等温线，求Г∞并计算A和δ。
【思考问题】
1、毛细管尖端为何必须调节得恰与液面相切?否则对实验有何影响?
2、最大气泡法测定表面张力时为什么要读最大压力差?如果气泡逸出的很
快，或几个气泡一齐出，对实验结果有无影响?
参考文献
[1]庄志萍. 溶液表面张力测定实验的改进.大学化学，2003，18（3 ），54-55
[2]贡学东. 最大气泡法测溶液表面张力的改进.大学化学，2004，19（5），37-38
[3] 黄波.溶液表面吸附实验数据的计算机非线性拟合法处理.大学化学，
2002，17（3），51-52，62。