最大泡压法测定溶液的表面张力
一、实验目的
1. 测定不同浓度乙醇溶液的表面张力，计算吸附量。
2. 了解气液界面的吸附作用，计算表面层被吸附分子的截面积。
3. 掌握最大泡压法测定溶液表面张力的原理和技术。
二、实验原理
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形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，使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。
按吉布斯吸附等温式：
c d d RT dc d RT c ln 1σσ⋅-=⋅-
=Γ (9-1)
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 ·m -3)
R ：气体常数(8.314J ·mol -1·K -1)
T ：吸附时的温度(K)。
从(9-1)式可看出，在一定温度时，溶液表面吸附量与平衡时溶液浓度c 和表面张力随浓度变化率成正比关系。 当T
d dc σ⎛⎫ ⎪⎝⎭＜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T d dc σ⎛⎫
⎪⎝⎭＞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。
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。
如果吸附层是单分子层，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。如果在恒温下绘成曲线σ = f (c ) (表面张力等温线)，当c 增加时，σ在开始时显著下降，而后下降逐渐缓慢下来，以至σ的变化很小，这时σ的数值恒定为某一常数(见图9-1)。利用图解法进行计算十分方便，在σ-c 曲线上任意取一点a 作切线，即可得到该点所对应浓度c 的斜率 d dc
σ（），代入式（9-1），可求得不同浓度时的吸附量。
图9-1 表面张力和浓度关系图
根据朗格谬尔(Langmuir)公式: 1kc kc ∞
Γ=Γ+ (9-2)
Г∞为饱和吸附量，即表面被吸附物铺满一层分子时的Г，
11c kc c k k ∞∞∞
+==+ΓΓΓΓ (9-3)
以c /Г对c 作图，得一直线，该直线的斜率为1/Г∞。
由所求得的Г∞代入式 S 0=1/Г∞L
(9-4)
可求被吸附分子的横截面积S 0 (L 为阿佛加得罗常数)。
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和扭力天平法。本实验采用最大泡压法测定溶液的表面张力。其实验装置如图9-2所示。1为减压瓶，2为测定管，中间有一玻璃管３，其下端接有一段直径为０.２－０.５ｍｍ的毛细管。4为U 形压力计，内盛比重较小的水、酒精等作介质，以测定微压差。
图9-2 测定表面张力装置示意图
1. 测定管
2. U 型压力计
3. 减压瓶
将被测液体装入测定管1中，使玻璃管下的毛细管端面与液面相切，液面沿毛细管上升，打开减压瓶活塞使水慢慢下滴，则测定管1中的液面的压力逐渐减小，毛细管中的压力逐渐增大，液面缓缓下降。当此压力差—附加压力(Δp =p 大气-p 系统)在毛细管端面上产生的作用力稍大于毛细管口液体的表面张力时，气泡就从毛细管口脱出，此附加压力与表面张力成正比，与气泡的曲率半径成反比，其关系式为:
2p R
σ∆=
（9-5）
式中，Δp 为附加压力；σ为表面张力；R 为气泡的曲率半径。
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，根据式（9-5），这时附加压力达最大值。气泡进一步长大，R 变大，附加压力则变小，直到气泡逸出。
根据式（9-5），R =r 时的最大附加压力为：
2r 2
p p R σσ∆=
=∆最大最大或 (9-6) 实际测量时，使毛细管端面刚与液面接触，则可忽略气泡鼓泡所需克服的静压力，这样就可直接用式（9-6）进行计算。
毛细管的半径为定值，因此上式可写为： (9-7) 最大P K ∆⋅=σ (9-
8)
式中的仪器常数K 可用已知表面张力的标准物质测得。
三、仪器与试剂
表面张力测定装置 洗耳球
滴管 乙醇
四、实验步骤
1. 仪器常数的测量
1) 清洗并干燥实验所需的毛细管和玻璃仪器。
2) 以水作为待测液测定仪器常数。往具支试管中注入适量蒸馏水，先装入蒸馏水略
微超过毛细管管口。把具支试管夹在试管夹上，保持毛细管处于竖直状态。
3) 将清洁干燥的毛细管垂直插入。缓慢调节毛细管下面的放液活塞。溶液滴出，液
面缓慢下降，当液面与毛细管底部端面刚好相切时，关闭活塞，如果放液过多，
液面低于毛细管口，需要加入待测液体重新调整液面高度，使液面与毛细管底部
端面刚好相切。
4) 打开仪器电源，预热十分钟。按下置零键，调节滴液漏斗，使气泡均匀逸出，要
求气泡一个一个间断逸出，逸出速度约5到10秒一个。（观察毛细管出泡是否为每次出一个泡，否则需要调整毛细管垂直，或调整液面高度。）等待约2,3分钟，记录压差数值，记录三个平行数据，取平均值（观看演示实验，注意读取数据的
规律）。用阿贝折光仪测出具支试管中液体的折光率。
5) 绘制乙醇溶液浓度-折光率标准曲线
测量软件中不同浓度乙醇溶液的折光率，并填入表中。
6) 实验结束，关闭仪器电源，将毛细管从表面张力管中取出，倒掉测试溶液，取下
毛细管和表面张力管，清洗，干燥毛细管。
2.乙醇溶液的表面张力的测定
