最大泡压法测定溶液表面张力一．实验目的： 1．明确表面张力、表面自由能和吉布斯吸附量的物理意义； 2．掌握最大泡压法测定溶液表面张力的原理和技术； 3．掌握计算表面吸附量和吸附质分子截面积的方法。 二．实验原理： 1．表面张力和表面吸附 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1 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，因此，液体表面缩小是一个自 发过程。 在温度、压力、组成恒定时，每增加单位表面积， 体系的吉布斯自由能的增值称为表面吉布斯自由能 表示。也可以看作是垂直作用在单位长度相界面上的力，即表面张力（Nm -1 欲使液体产生新的表面ΔS，就需对其做表面功， 其大小应与Δ 液体表面与分子内部受力情况图在定温下纯液体的表面张力为定值，当加入溶质形成溶液时，分子间的作用力发生变化，表面张力也 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。水溶液表面张力与其组成的关系大致有以下 三种情况： （1）随溶质浓度增加表面张力略有升高； （2）随溶质浓度增加表面张力降低，并在开始时降得快些； （3）溶质浓度低时表面张力就急剧下降，于某一浓度后表面张力几乎不再改变。

以上三种情况溶质在表面层的浓度与体相中的浓度都不相同，这种现象称为溶液表面吸附。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。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： 为表面张力，c溶质的浓度。 ＞0，此时表面层溶质浓度大于本体溶液，称为正吸附。引起溶剂表面张力显著降低的物质叫表面活性剂。 ＜0，此时表面层溶质浓度小于本体溶液，称为负吸附。通过实验测得表面张力与溶质浓度的关系，作出γ 曲线，并在此曲线上任取若干点作曲线的切线，这些切线的斜率就是与其相应浓度的 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。2．最大泡压法测表面张力原理 测定溶液的表面张力有多种方法，较为常用的有最大泡压法其测量方法基本原理可参见图2。 最大抛压法测液体表面张力装置图中B 是管端为毛细管的玻璃管，与液面相切。毛细管中大气压为p0。试管A 中气压为p，当打开活 中的水流出，体系压力p逐渐减小，逐渐把毛细管液面压至管口，形成气泡。

在形成气泡的过 程中，液面半径经历：大小大，即中间有一极小值rmin＝r 毛，此时气泡的曲率半径最小，根据拉普拉 斯公式，气泡承受的压力差也最大，有公式： 此压力差可由压力计D读出，故待测液的表面张力为 2，压力计测得压力差分别为Δp1、Δ p2 称为仪器常数，可用某种已知表面张力的液体（常用蒸馏水）测得。三．仪器与试剂： 最大泡压法表面张力仪，精密数字压力计，吸耳球，移液管（各种量程），容量瓶 (50mL)，正丁醇（分 析纯），蒸馏水。 四．实验步骤： 1．仪器准备与检漏 将洁净的表面张力仪各部分连接好。将自来水注入抽气管C 中；在试管A 中注入约50mL 蒸馏水，使毛 细管下端较深地浸入到水中；打开活塞E，这时抽气管C 中水流出，使体系内的压力降低（注意：勿降低 到使毛细管口冒泡），当压力计指示出若干压力差时，关闭活塞E，停止抽气。若2min～3min 内，压力计 指示压力差不变，则说明体系不漏气，可以进行实验。 2．仪器常数K 的测量 调节毛细管或液面高度，使毛细管口与水面相切。打开活塞E 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为6s～10s。

若形成时间太短，则吸附平衡来不及在气泡表面 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。在形成气泡的过程中，液面半径经历: 大小大，同时压力差计指示值的绝对值则经历：小大小的过程，记录下绝对值最大的压力差，三 次，取其平均值。再由附录中，查出实验温度时水的表面张力γ 1，则可以计算仪器常数 3．系列浓度正丁醇水溶液表面张力的测定 配制50mL 浓度为0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 molL -1 的系列正丁醇溶液，与测仪器常数 相同的方法，按由稀到浓的顺序测定各溶液最大压力差，求出各溶液的表面张力γ 测定管每次应用待测液淌洗一次。五．数据处理： 数据记录参考格式如下表（计算时注意单位换算） 温度： 24.6 水的表面张力: 0.07191 仪器常数K：0.1177溶液浓度 /molL -1 压力差Δ p/kPa /molm-2 0.6110.610 0.611 0.611 0.07191 -0.19170 0.050.520 0.522 0.522 0.521 0.06132 -0.16243 3.2810 -6 0.10 0.479 0.479 0.478 0.479 0.05638 -0.13316 5.3810 -6 0.15 0.412 0.411 0.412 0.412 0.04849 -0.10389 6.3010 -6 0.20 0.382 0.384 0.382 0.383 0.04508 -0.07462 6.0310 -6 0.25 0.352 0.352 0.351 0.352 0.04143 -0.04535 4.5810 -6 0.30 0.343 0.342 0.342 0.342 0.04025 -0.01608 1.9510 -6 1．查出实验温度下水的表面张力，计算仪器常数K。

=0.0.07191/0.611=0.11772．计算系列正丁醇溶液的表面张力，根据上述计算结果，绘制γ 等温线。溶液表面张力与正丁醇浓度的关系图 0.010.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.050.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 正丁醇浓度/(mol/L) 系列1多项式 (系列1) 等温线作不同浓度的切线，求(dγ/dc)T，并求出 ，绘制 吸附等温线。溶质的吸附量与溶液表面张力的关系图 0.10.2 0.3 0.4 0.5 溶液浓度/(mol/L) 系列1六．注意事项: 1．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。 2．读取压力计的压差时，应取气泡单个逸出时的最大压力差。 七．思考题: 1．毛细管尖端为何必须调节得恰与液面相切? 如果毛细管端口插入液面有一定深度，对实验数据有 何影响？ 答：如果将毛细管末端插入到溶液内部，毛细管内会有一段水柱，产生压力Pˊ，则测定管中的压力 Pr 会变小，pmax 会变大，测量结果偏大。 2．最大泡压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？ 答：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 。气泡进一步长大，R变大，附加压力则变小，直到气泡逸出。最大压力差可通过数字式微压差 测量仪得到。 如气泡逸出速度速度太快，气泡的形成与逸出速度快而不稳定；致使压力计的读数不稳定，不易观察 出其最高点而起到较大的误差。 3．本实验为何要测定仪器常数？仪器常数与温度有关系吗？ 答：因为用同一支毛细管测两种不同液体，其表面张力为γ 2，压力计测得压力差分别为P1， P2，则 已知，则γ2=KP2 其中K=γ 1/P1，试验中测得 水的表面张力γ 1，就能求出系列正丁醇的表面张力。 温度越高，仪器常数就越小。