表面活性剂和溶液表面张力 及吸附量的研究 实验指导教师:吴新民 北京石油化工学院 化工学院物理化学课程群
一、实验目的 1. 用最大气泡压法测定正丁醇水溶液的表面张力。 2. 由σ-C曲线(表面张力与浓度的关系),求表面吸附量Γ及溶质分子的横截面积。
二、基本原理 在液体内部, 任何分子受周围分子的作用宏观上是平衡的, 而表面层的分子受内层分子的作用与受表面层外介质的作用并不相同, 将垂直作用于单位长度上的紧缩力，这种力称为表面张力（左图）。表面张力是可以用最大气泡法测定的（右图）。
拉普拉斯（ Laplace）能计算表面张力：在一定温度和大气压下，将半径为r的玻璃毛细管下端与待测溶液液面相切，毛细管上端通大气，设压力为p，当毛细管外压力p´降到一定值时，在毛细管下端内壁可形成气泡，气泡将由小到大最后离开管端，根据弯曲液面附加压力的方程有：
式中为溶液的表面张力，r为气泡的曲率半径。 气泡从形成至离开过程中，曲率半径由大变小，再变大，附加压力相应的由小变大，再变小。当气泡半径等于毛细管半径 时，曲率半径最小，附加压力最大，该压力可由连接在表面张力仪支口上的数字式微压差测量仪测出。 用已知表面张力的液体（本实验为水），可以算出毛细管半径。这样其它物质的张力也能测出。 做σ～c曲线图。
不同浓度的溶液表面张力也不一样，吉布斯总结了它们的规律： 由朗缪尔等温吸附方程式可得： 所以由c/Г对c作图可以求出饱和吸附量Г∞（为与物质种类和温度有关的参数）。 正丁醇的－OH为亲水基，CH3(CH2)2CH2－为憎水基，当表面吸附达到饱和后，正丁醇分子的亲水基向下钻入水中，憎水基向上翘出水面，定向紧密地排列成一层。因此，可按公式： 计算出正丁醇分子的横截面积（L为阿佛加得罗常数）。
实验仪器安装图
实验仪器安装简易图 1-滴液漏斗 2-表面张力仪 3-毛细管 4-恒温槽 5-数字式微压差测量仪
实验步骤 1. 开动恒温槽，温度已设定在25℃； 2. 将毛细管、试管及容量瓶洗净； 3. 溶液的配制：取0.3 mol·dm-1、
4. 测量表面张力 (1)将蒸馏水加入表面张力仪中，插入毛细管，注意毛细管口与液面相切（若液体较多，可用干净吸管吸出），并位于张力仪中心位置。 (2)将张力仪下端放入恒温槽中，小心摇动，使张力仪内液体温度达到恒温（约五分钟）。然后固定张力仪，将微压差测量仪与张力仪的支口连结，并使毛细管保持垂直。 (3)打开滴液漏斗下面的活塞，使毛细管下端每4～5秒有一个气泡逸出。 (4)在气泡生成过程中的最大压力时，记录数字式微压差测量仪的示数。
5. 将溶液由稀到浓逐步取代，重复步骤④，测量所有样品。每次取液前，先用待测溶液洗涤张力仪、毛细管及滴管至少两次。
特别提醒 1. 所有要使用的器皿洗干净，溶液配制要准确； 2. 表面张力仪及毛细管一定要洗干净(要用对应测试液洗后插到张力仪测试液中还要用洗耳球吹吸毛细管几次以保证毛细管中溶液与所测溶液浓度一致)； 3. 毛细管要与液面相切，毛细管位于张力仪中央； 4. 出泡不可太快，要在出泡速度均匀时读最大压差值； 5. 洗张力仪时不要将溶液流入测试气压的支口中，堵塞气管会使气压差表读数不准。