实验十一最大气泡法测定溶液的表面张力报告.docx
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实验十一最大气泡法测定溶液的表面张力报告
实验十一最大气泡法测定溶液的表面张力
11.1实验目的
11.1.1测定不同浓度正丁醇水溶液的表面张力，计算表面吸附量和正丁醇分子的横
截面积；
11.1.2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；
11.1.3掌握用最大泡压法测定表面张力的原理和技术。
11.2实验原理
11.2.1表面自由能
物体表面分子和内部分子所处的境遇不同，表面分子受到向内的拉力，所以
液体表面都有自动缩小趋势。
如果把一个分子由内部迁移到表面，就需要对抗拉
力而做功。
在温度、压力和组成恒定时，可逆地使表面增加dA所需做的功，叫表
面功，可表示为：
-δW′=σdA（11.1）
式中，σ为比例常数。
σ在数值上等于当T、p和组成恒定的条件下增加单位表面积时所必须对体系
做的可逆非膨胀功，也可以说是每增加单位表面积时体系自由能的增加值。
环境
对体系作的表面功转变为表面层分子比内部分子多余的自由能。
因此，σ称为表面
自由能，其单位是J·m
-2。
若把σ看作为作用于每单位长度边缘上的力，通常称为
表面张力。
从另外一方面考虑表面现象，特别是观察气液界面的一些现象，可以觉察到
表面上处处存在着一种张力，它力图缩小表面积，此力称为表面张力，其单位是
-1。
表面张力是液体的搬弄是重要特性之一。
与所处的温度、压力、浓度以及N·m
共存的另一相的组成有关。
纯液体的表面张力通常是指该液体与饱和了其本身蒸
气的空气共存的情况而言。
11.2.2溶液的表面吸附
纯液体表面层的组成与内部组成层相同，因此，液体降低体系表面自由能的
唯一途径是尽可能缩小其表面积。
对于溶液则由于溶质会影响表面张力，因此可
以调节溶质在表面的浓度来降低表面自由能。
1
根据能量最低原则，溶质能降低溶剂的表面张力时，表面层中溶质的浓度应
比溶液的内部来得大；反之溶质使溶剂的表面张力升高时，它在表面层中的浓度
比在内部的浓度来得低，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。
从热力学方法可知它们之间的关系遵守Gibbs吸附方程：
式中：
Γ
c
RT
c
T
（11.2）
Γ—表面吸附量（mol·m
-2）
σ—溶液表面张力（N·m
-1）
T—热力学温度（K）
c—溶液浓度（mol·m
-3）
R—气体常数（8.3145J.K-1.mol-1）。
以表面张力σ对溶液浓度c作图，可得到σ—c曲线，在σ—c曲线上任选一
点I作切线，即可得该点所对应浓度ci的斜率（dσ/dci）T,可求得不同浓度下的Γ值
和得出Γ—c的关系图。
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：
式中：
ΓΓ
1
Kc
Kc
（11.3）
-2）Γ∞—表面饱和吸附量（mol·m
K—经验常数（与溶质的表面活性大小有关）
将（11.3）式转化成直线方程为：
cc1
（11.4）
ΓΓ
KΓ
若以c/Γ~c作图可得一直线，由直线斜率可求出Γ
∞。
假若在饱和吸附的情况下，在气液界面上铺满一单分子层，则可应用下式求
得被测物质的分子横截面积S0：
1
S~
0
N
Γ
~
23mol-1）。
式中为阿佛加德罗常数（6.022×10
N
（11.5）
11.3最大泡压法
2
将被测液体装于测定管中，使玻璃管下端毛细管端面与液面相切，液面沿毛
细管上升。
打开分液漏斗的活塞，使水缓慢下滴而减少系统压力。
这样毛细管内
液面受到一比试管中液面上大的压力，当此压力差在毛细管端面上产生的作用力
大于毛细管口液体的表面张力时，气泡就从毛细管口逸出，这一最大压力差可由
数字式微压差测量仪读出。
其关系式为：
pmax=p
大气-p系统=p（11.6）
2pmax。
如果毛细管半径为r，气泡由毛细管口逸出时受到向下的总压力为πr
气泡在毛细管受到的表面张力引起的作用力为2πrσ。
刚发生气泡自毛细管逸
出时，上述两力相等，即：
2pmax=πr2p=2πrσ（11.7）
πr
σ=rp/2（11.8）
若用同一根毛细管，对两种具有表面张力为σ1和σ2的液体而言，则有下列关系：
σ1=σ2p1/p2=Kp1（11.9）
式中K为仪器常数。
11.4实验仪器和试剂
恒温装置1套
带有支管的试管（附木塞）1支
毛细管（半径为0.15~0.02mm）1根
容量瓶（50mL）8只
数字式微压差测量仪1台
3
烧杯（200mL）1只
洗耳球1个
移液管1支
滴管1支
正丁醇（分析纯）
11.5实验步骤
11.1.4将仪器洗涤干净并按图Ⅱ-11-1装置。
对需干燥的仪器作干燥处理。
11.1.5调节恒温为30℃。
11.1.6正丁醇溶液配制：
分别准确配制0.02、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、
-3
11.2.3mol.dm
正丁醇溶液各100mL。
（注：
纯正丁醇的加入量分别为：
0.1482、0.3706、
0.7412、1.1118、1.4812、1.8530、2.2236、2.5942g，加水至近100mL，在30℃恒
温15min，用30℃恒温的蒸馏水加至100.00mL刻度）。
11.1.7仪器常数测定：
先以蒸馏水作为待测液测定其仪器常数。
方法是在测定管中
注入蒸馏水，将干燥的毛细管垂直地插到使毛细管的端点刚好与水面相切，置于
恒温水浴内恒温10min。
注意使毛细管保持垂直并注意液面位置，然后按图Ⅱ-11-1
接好系统。
打开滴液漏斗，控制滴液速度，使毛细管逸出的气泡速度约为5s~10s1
个。
在毛细管口气泡逸出的瞬间最大压差约在700Pa~800Pa左右（否则需调换毛细
管）。
通过手册查出实验温度时水的表面张力，利用公式（11.9），求出仪器常数K。
11.1.8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，测定已知浓度的待测样品的压力差p，代
入公式（11.9）计算其表面张力。
11.5实验注意事项
11.5.1测定用的毛细管一定要洗干净，否则气泡可能不能连续稳定地流过，而使压
差计读数不稳定，如发生此种现象，毛细管应重洗。
11.5.2毛细管一定要保持垂直，管口刚好与液面相切。
11.5.3气泡形成速度应稳定；在数字式微压差测量仪上，应读出气泡单个逸出时的
最大压力差。
11.6数据记录及处理
4
（一）实验数据
11.6正丁醇溶液的配制
表1.正丁醇溶液的配制
室温25.00℃；实验温度30.00℃；大气压96.18kPa
#2#3#4#5#6#7#8#100ml容量瓶1
V
正丁醇/ml0.20000.50001.0001.5002.0002.5003.0003.500
c
正丁醇=ρ正丁醇V
正丁醇/M
-3）/mold·m-3，M
正丁醇/（100×10
正丁醇=74.12g·mol
-1,ρ-3
正丁醇=0.8098g?
dm
c
-30.021850.054630.10930.16390.21850.27310.32780.3824
正丁醇/mol·dm
11.7仪器常数的测定
表2.仪器常数的测定
室温25.00℃；实验温度30.00℃；大气压96.18kPa
待测物质
pH
2O/Paσ
123平均值
-1
/N·m
仪器常数K
-1-1
/N·m·Pa
-29.4529×10-5H2O6936926926927.118×10
-1
-1）计算公式：
K=σH2O/pH
2O（N·m·Pa
11.8正丁醇溶液表面张力的测定
表3.正丁醇溶液表面张力的测定
室温25.00℃；实验温度30.00℃；大气压96.18kPa
正丁醇浓度
Δp/Paσ
-3
/mol·m
123平均值
-1
/N·m
11.1.96846826836830.06456
11.2.46496506496490.06135
0.74135725745735730.05416
11.75215215225210.04925
11.5.44814804824810.04547
273.14464464464460.04216
327.84194204204200.03970
382.44034024024020.03800
11.9作σ~c图，求出曲线上不同浓度c点处的（?
σ/?
c）T,p，并计算相应浓度的Γ。
5
11.10
11.1.10
1
-
m
·
N
/
σ
11.2.5
0.7414
11.8
11.5.5
2
σ=0.06769-0.1362c+0.15426c
050100150200250300350400
-3
c/mol·m
图1.σ~c关系曲线图
-4c+1.54201×10-7c2（N?
m曲线拟合方程：
σ=0.06769-1.362121×0
（?
σ/?
c）T,p=-1.36212×10
-4+2×1.54201×10-7c（N?
m2?
mol
-1）
-2）Γ=-c/8.3145/303.15dσ×/dc（mol·m
表3.正丁醇溶液表面张力的计算
室温25.00℃；实验温度30.00℃；大气压96.18kPa
正丁醇浓度
-3
/molm·
σ
-1
/N·m
-（?
σ/?
c）T,p
2
/N·m·mol
-1
Γ
-2
/mol·m
c/Γ
-1
/m
-52.40×10-62.09×107
327.90.0612612.1×10
-54.18×10-62.39×107
382.50.0556110.5×10
-55.35×10-62.80×107
150.10.050739.00×10
-55.91×10-63.38×107
200.10.046627.45×10
-55.86×10-64.26×107
250.10.043275.91×10
-55.20×10-65.77×107300.00.040704..371×0
图2.c/Γ~c关系直线图
6
5m2·mol-1，Γ-6m-2·mol-1直线斜率k=1/Γ∞=1.729×10∞=5.784×10
11.11求乙醇分子的横截面积S0。
S0=1/LΓ∞=1.729×10
5/（6.022×1023）=0.287×10-18m2=0.287nm2
（二）实验数据
11.1.11乙醇溶液的配制
表1.乙醇溶液的配制
室温25.00℃；实验温度30.00℃；大气压96.18kPa
#2#3#4#5#6#7#8#容量瓶编号1
m
乙醇/g4.28878.914811.18418.02624.39630.18534.96544.389
c
乙醇=m乙醇/M
-3-3
乙醇/（100×10，M
）/mold·m
乙醇=46.08g
.
·mol
-1
c
乙醇
-30.93091.93512.42763.91275.29546.55207.58959.6351
/mold·m
11.1.12仪器常数的测定
表2.仪器常数的测定
室温25.00℃；实验温度30.00℃；大气压96.18kPa
待测物质
pH
2O/Paσ
123平均值
-1
/N·m
仪器常数K
-1-1
/N·m·Pa
-2
H2O10381038103810387.118×10
-5
11.2.6×10
-1
-1）计算公式：
K=σH2O/pH
·Pa
2O（N·m
11.1.13乙醇溶液表面张力的测定
表3.乙醇溶液表面张力的测定
室温25.00℃；实验温度30.00℃；大气压96.18kPa
乙醇浓度
/103mol.·m-3
3mol.·m-3
Δp/Paσ
123平均值
-1
/N·m
0.74157927947937930.05438
11.96726726726720.04608
11.5.66356356356350.04354
273.25355355355350.03669
327.104744744744740.03250
382.64364364364360.02990
150.24174174174170.02860
200.23853853853850.02640
11.1.14作σ~c图，求出曲线上不同浓度c点处的（?
σ/?
c）T,p，并计算相应浓度的Γ。
7
11.12
11.1.15
1
-
m
.
N
/
σ
11.2.7
0.7416
11.10
11.5.7
2
σ=0.06769-0.1362c+0.15426c
327.110.050.100.150.200.250.300.350.40
-3
c/molm·
图1.σ~c关系曲线图
2
曲线拟合方程：
σ=0.06769-0.1362c+0.15426c
（?
σ/?
c）T,p=-0.1362+2×0.15426c
-2）Γ=-c/8.3145/303.15dσ×/dc（mol·m
表3.乙醇溶液表面张力的计算
室温25.00℃；实验温度30.00℃；大气压96.18kPa
乙醇浓度
-3
/molm·
σ
/N.m
-1
-（?
σ/?
c）T,p
2
/N·m·mol
-1
Γ
-2
/mol·m
c/Γ
-1
/m
3
382.7×10
-5
150.311.31×10
-6
200.3×10
8
250.2×10
30.049268.352×10-54.970×10-63.018×108
1.500×10
30.045606.540×10-55.189×10-63.854×108
2.1×10
30.042675.363×10-55.319×10-64.700×108
2.500×10
30.040234.546×10-55.411×10-65.544×108
3.1×10
30.038133.941×10-55.473×10-66.395×108
3.500×10
30.036303.467×10-55.501×10-67.271×108
4.1×10
30.034693.077×10-55.493×10-68.193×108
4.500×10
30.033252.745×10-55.446×10-69.181×108
5.1×10
3
5.500×10
-5
0.31962.458×10
-6
5.364×10
8
10.25×10
8
10
8
-6-2
Γ
∞=5.665×10mol·m
1
-
8·m
0
1
/
Γ
/
c
6
4
2
52-1
斜率=1/Γ
∞=1.765×10m·mol
123456
3-3
c/10mol·m
图2.c/Γ~c关系直线图
5m2·mol-1，Γ-6m-2·mol-1直线斜率k=1/Γ∞=1.765×10∞=5.665×10
11.13求乙醇分子的横截面积S0。
S0=1/LΓ∞=1.765×10
5/（6.022×1023）=0.293×10-18m2=0.293nm2
11.1.16问题讨论
11.2.8何谓表面张力、比表面能?
表面张力与温度有无关系？
11.2.9何谓正吸附与负吸附？
11.2.10本实验用吉布斯吸附方程求什么量？
要求出此量需什么数据？
本实验用什
么方法测取此数据？
11.2.11为什么要测定仪器常数？
11.2.12是否可以在测定仪器常数时，压力计内的液体用水，而测待测溶液时，压力
计内水被换成乙醇？
为什么？
11.2.13影响本实验结果的关键因素是什么？
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