1.实验目的

（1）掌握用最大气泡压力法测定表面张力的原理和技术。

（2）测定不同浓度的正丁醇溶液的表面张力。

（3）根据吉布斯吸附公式计算溶液表面的吸附量及正丁醇分子的横截面积。

2.实验原理

处于液体表面的分子，由于受到不平衡的力的作用而具有表面张力。表面张力是指作用在表面的单位长度边界线上，且垂直于边界线向着表面的中心并与表面相切的力，单位是N·m-1。

在一定温度和压力下，当加入溶质时，液体的表面张力会发生变化，有的会使溶液的表面张力增高，有的则会使溶液的表面张力降低，溶质在表面的浓度与溶液本体的浓度不同，此即为溶液的表面吸附现象。

溶液的表面吸附量（Γ）与溶液的表面张力（γ）和溶液本体浓度（c）之间的关系遵守吉希斯（Gibbs）吸附方程

式中，R为摩尔气体常数；T为绝对温度。

若则Γ＞0，称为正吸附；若则Γ＜0称为负吸附。本实验测定正吸附的情况。

有些物质溶入溶剂后，能使溶剂的表面张力显著降低，这类物质称为表面活性物质。表面活性物质由极性的亲水基团（○）和非极性的疏水基团（—）构成。在水溶液表面，极性部分指向液体内部，非极性部分指向空气。表面活性物质分子在溶液表面排列的情况，随溶液浓度不同而异，见图3-47。当浓度很小时，分子平躺在液面上，见图3-47（a）；当浓度增大时，分子排列见图3-47（b）；当浓度增加到一定程度时，被吸附分子占据了所有表面，形成饱和吸附层，见图3-47（c）。

图3-47　被吸附分子在溶液表面的排列

由实验测学表面活性物质不同浓度（c）对应的表面张力（γ）的值，然后作γ-c曲线，见图3-48。

图3-48　表面张力和浓度的关系

在该曲线上任取一点a，通过a点作曲线的切线以及平行于横坐标的直线，分别交纵坐标于b、b′，令，则

将式（3-78）代入吉布斯吸附方程式（3-79），则；在γ-c曲线上取不同点，就可以得到不同的Z值，从而可以求出不同浓度下的吸附量。实验表明，吸附量与浓度之间的关系，可以用朗格缪尔等温吸附方程来描述

式中，Γ∞为饱和吸附量；K为常数；c为吸附平衡时溶液的浓度。

上式可以改写成如下形式：

以对c作图为一直线，其直线斜率的倒数即为Γ∞。

如果N代表1m2表面上的分子数，则N=Γ∞NA，NA为阿伏伽德罗常数，于是每个分子在表面上所占的横截面积为

本实验用最大气泡压力法测定表面张力，仪器装置见图3-49。

图3-49　表面张力测定装置

1-毛细管；2-测定管；3-溶液；4-恒温水浴；5-数字式微压差测量仪；6-抽气瓶；7-烧杯(www.daowen.com)

图3-50　毛细管口气泡形成过程

当毛细管下端端面与被测液面相切时，液体沿毛细管上升，打开抽气瓶的活塞缓缓放水抽气，管中的压力p逐渐减少，毛细管中压力p。就会将液面压至管口，并形成气泡，其曲率半径由大到小，直到形成半球形，见图3-50，这时曲率半径R与毛细管半径r相等。

根据拉普拉斯（Laplace）公式，此时能承受的压力差为最大

随着放水抽气，大气压把该气泡压出管口，此时气泡的曲率半径再次增大，气泡表面膜所承受的压力差已减小，而测定管中的压力差却在增大，所以立即导致气泡的破裂。泡破后将气体带入测定管内，压力差下降。所以最大压力差值应是气泡半径为r时的压力差值。因r是毛细管的内半径，很难测定。可以用同一支毛细管和压力计，测两种不同表面张力的溶液的Δp1、Δp2。进行比较，得设γ1为被测溶液的表面张力，γ2为水的表面张力，手册上可查到γ2的值，Δp1、Δp2是实验测量值，因而可得溶液的表面张力γ1的值。

3.仪器与试剂

表面张力测定装置1套；500mL烧杯1个；恒温水槽1套；洗耳球1个；50mL容量瓶5个。

0.01mol·L-1、0.02mol·L-1、0.05mol·L-1、0.08mol·L-1、0.1mo1·L-1、0.2mol·L-1、0.3mol·L-1、0.4mol·L-1正丁醇水溶液。

4.实验步骤

（1）将恒温槽温度调至25℃。

（2）配制正丁醇水溶液：浓度分别为0.01mol·L-1、0.02mo1·L-1、0.05mo1·L-1、0.08mol·L-1、0.1mol·L-1、0.2mol·L-1、0.3mol·L-1、0.4mo1·L-1。

（3）洗净表面张力测定管及毛细管，装入蒸馏水，使毛细管与液面刚好相切，测定管要垂直放入槽中恒温5～8min，然后将测定管接入系统中，检验系统是否漏气，系统如不漏气，可进行测定。如用的是数字微压差计，接上电源，首先要打开抽气瓶的塞子使系统通大气，按归零键使仪表上的读数为零。接着将塞子塞紧，打开活塞缓缓滴水，使体系减压，当减压到一定程度，即有气泡逸出，使气泡形成时间不少于5～10s，注意压力计上的读数，记录压力差达到的最大值，连续测定三次，取平均值。

（4）用同样的方法由稀至浓依次测定不同浓度的正丁醇水溶液。每次更换溶液时，都要用所要测定的溶液洗涤测定管，特别是毛细管部分，确保毛细管内、外溶液的浓度与被测浓度一致。

5.数据处理

（1）列出实验数据表。

（2）从相关数据表中，查出实验温度下水的表面张力，求出各浓度正丁醇水溶液的γ。

（3）在坐标纸上作γ-c曲线，曲线要用曲线板光滑的画出。

（4）在光滑的曲线上取6或7个点，例如浓度为0.03mol·L-1、0.05mo1·L-1、0.07mol·L-1、0.1mol·L-1、0.15mol·L-1、0.2mol·L-1、0.3mol·L-1等处，作切线求出Z值，由，计算Γ值，再计算值。

（5）作图，由直线斜率求出Γ∞，并计算饱和吸附时单个分子在表面上所占的面积q。

6.思考题

（1）毛细管管口为何要刚好和液面相切？

（2）毛细管不干净，温度不恒定对测量数据有何影响？

（3）本实验为何要读取最大压力差值？