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溶液表面吸附的测量

实验日期：20 年月日

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一、实验目的

（1）掌握最大气泡压力法测定溶液表面张力的原理和方法。

（2）根据吉布斯（Gibbs ）吸附方程式，计算溶质（乙醇）在单位溶液表面的

吸附量Γ，并作Γ-c 图。

二、实验原理

在定温下，纯物质液体的表面层与本体（内部）组成相同，根据能量最低原理，为降低体系的表面吉布斯自由能，将尽可能地收缩液体表面。对溶液则不同，加入溶质后，溶剂表面张力发生变化，根据能量最低原理，若加入的溶质能降低溶剂表面张力时，则溶质在表面层的浓度比在溶液本体的浓度大，反之，若溶质使溶剂表面张力升高，溶质在表面层的浓度小于在溶液本体中的浓度。溶质在溶液表面层与在溶液本体中浓度不同的现象称为溶液的表面吸附，即溶液借助于表面吸附来降低表面吉布斯自由能。

溶液表面吸附溶质的量Γ与表面张力σ、浓度c 有关，其关系符合Gibbs 吸附方程

式中：Γ吸附量；c 溶液浓度；T 温度；R 气体常数；σ表面张力或表面吉布斯自由能。

表示在一定温度下，表面张力随浓度的变化率。如果溶液表面张力随浓度增加而减

小，即0，此时溶液中溶质在表面层中的浓度大于在溶液本体中的浓度，

称为正吸附。如果>0，则Γ

在一定温度下，测定不同浓度溶液的表面张力σ，以σ对c 作图，求不同浓度时的值。

由Gibbs 吸附方程求各浓度下的吸附量Γ。

将待测液体装入表面张力仪中，使玻璃毛细管下端与液面相切，若液体能润湿管壁，则液体沿毛细管上升形成凹液面，其液面所受压力

为大气压力P 0和附加压力ΔP 。根据拉

普拉斯（Laplace ）方程：

式中：r 为弯曲液面曲率半径；σ为液体与气体表面（界面）张力。因是凹液面，弯曲液面的曲率半径r

图C22.1 实验装置示意图

图C22.2 毛细管口示意图

当打开漏斗的活塞，让水缓慢滴入下面密封的加压瓶中时，毛细管内液面上受到比毛

细管外液面上更大的压力，毛细管内液面开始下降。当此压力差在毛细管上面产生的作用

稍大于毛细管口液体的表面张力所能产生的最大作用时，气泡就从毛细管口逸出，如图

C22.2所示。气泡逸出前能承受的最大压力差为ΔP max ，可以用微压差测量仪测出。根

据拉普拉斯方程，毛细管内凹液面的曲率半径等于毛细管的半径r 时，能承受的压力差最大。则有

测定毛细管的半径r 和ΔP max 即可求得液体表面张力σ。直接测定毛细管半径r

容易带入较大的误差，可用同一支毛细管，在相同条件下分别测出已知表面张力为σ1的

参考液体的ΔP max,1和待测液体的ΔP max ，由上式得

，可求出其它液体的表面张力σ。

三、实验步骤

1) 配制溶液：使用0.01g 或更高精度的电子天平称取无水乙醇，加入到容量瓶中，

加水至刻度。配制浓度0.5～6.0 mol·dm 的乙醇水溶液，浓度分布如表所示。

2) 按图1所示检查安装仪器。将恒温水通入表面张力仪内，调节恒温槽至设定温度，设定温度应比室温高约5℃，且能查到该温度下纯水的表面张力值。

3) 在洗净的表面张力仪中加入适量去离子水，通恒温水10min 以上。通过表面张力

仪下部的活塞调节液面高低，使得放入毛细管，旋紧橡皮塞时，玻璃毛细管下端刚好与液

面相切。

4) 将毛细管与乳胶管断开，将毛细管内外处理干净（用吹气法），将毛细管放入表

面张力仪，缓慢旋紧橡皮塞，使毛细管下端刚好与液面相切。使微压差测量仪通大气，按

一下“置零”按钮，然后轻轻将毛细管与乳胶管连接上。

5) 缓缓打开漏斗的活塞，使水慢慢滴下，毛细管上面压力逐步增大，当毛细管下端

气泡稳定形成（约5～10s

出一个气泡）后，从微压差测量仪上读取压力差最大值

。读三次，计算时取平均值。

6) 用上述方法，将表面张力仪中的去离子水换为不同浓度待测的乙醇水溶液，测得各溶液的

值。注意：每次更换溶液时，用待测溶液涮洗表面张力仪3次。将毛

-3

细管与乳胶管断开，将毛细管内外残留的上次液体去除干净。每次更换溶液后，在表面张力仪中应恒温10min 以上，为了节省时间，可先将盛待测溶液的磨口塞锥形瓶放入恒温槽内恒温，恒温后的溶液放入表面张力仪后再恒温3min 。

7) 实验完毕，洗净玻璃容器。

四、数据处理

恒温槽温度：28℃

如表所示，记录去离子水、各浓度的乙醇-水溶液的浓度、面张力，计算不同浓度乙醇水溶液的表面张力。用Origin 作

、恒温温度，查出水的表曲线。

s u r f a c e t e n s i o n (m N /m )

concentration (mol/dm3)

对拟合曲线求导，得到切线斜率吸附量Г的值，作Г-c 曲线。

。由，可以得到不同浓度溶液的

0.006

Γ(m o l /m 2)

0.003

0.000

c(mol/L)

曲线在各浓度点的吸附量Г：

五、思考题

（1）实验前为什么一定要确保表面张力仪和玻璃毛细管的洁净？

答:如果毛细管洗涤不干净，可能使实际测量溶液浓度偏差，对表面张力值产生影响，且气泡生成速率可能不稳定，影响压力的变化速率，压差计读数不稳定，影响测量。（2）为什么不直接测量毛细管的半径，而用标定的办法？

答：毛细管半径太小，且测量起来不方便；直接测定毛细管半径r 容易带来较大误差，可用同一支毛细管，在相同条件下分别测出已知表面张力为σ1的参考液体的ΔP max,1

和待测液体的ΔP max ，因为

由上式可求出其它液体的表面张力σ。可以减小误差。