表面张力的测定：最大气泡法一、实验目的(1)掌握最大泡法测定液体表面张力的原理和技术。

(2)通过对不同浓度乙醇溶液表面张力的测定，加深对表面张力、表面自由能和表面吸附量关系的理解。

(3)学习用Origin或Excel处理实验数据。

二、实验原理在液体的内部任何分子周围的吸引力是平衡的。

可是在液体表面层的分子却不相同。

因为表面层的分子，一方面受到液体内层的邻近分子的吸引，另一方面受到液面外部气体分子的吸引，而且前者的作用要比后者大。

因此在液体表面层中，每个分子都受到垂直于液面并指向液体内部的不平衡力（如图2-53所示）。

这种吸引力使表面上的分子向内挤促成液体的最小面积。

要使液体的表面积增大就必须要反抗分子的内向力而作功增加分子的位能。

所以分子在表面层比在液体内部有较大的位能，这位能就是表面自由能。

通常把增大1m2表面所需的最大功A或增大1m2所引起的表面自由能的变化值∆G称为单位⁄。

而把液体限制其表面及力图使它收缩表面的表面能,其单位为J m3⁄。

液的单位直线长度上所作用的力，称为表面张力，其单位为N m1体单位表面的表面能和它的表面张力在数值上是相等的。

欲使液体表面积加∆S时，所消耗的可逆功A为−A=∆G=σΔS液体的表面张力与温度有关，温度愈高，表面张力愈小。

到达临界温度时，液体与气体不分，表面张力趋近于零。

液体的表面张力也与液体的纯度有关。

在纯净的液体（溶剂）中如果掺进杂质（溶质），表面张力就要发生变化，其变化的大小决定于溶质的本性和加入量的多少。

当加入溶质后，溶剂的表面张力要发生变化。

溶质在表面层中与本体溶液中浓度不同的现象称为溶液的表面吸附。

使表面张力降低的物质称为表面活性物质。

用吉布斯公式（Gibbs ）表示：Γ=c RT (dσdc)T(2-87)式中，Γ为表面吸附量，mol/m 2；σ为表面张力，J m 2⁄；(dσdc )T 为在一定温度下表面张力随浓度的改变率，即(dσdc )T <0，Γ>0，溶质能降低溶剂的表面张力，溶液表面层的浓度大于内部的浓度，称为正吸附作用；(dσdc )T >0，Γ<0，溶质能增加溶剂的表面张力，溶液表面层的浓度大于内部的浓度，称为负吸附作用。

由此，测定溶液的浓度和表面张力，可以求得不同浓度下溶液的表面吸附量。

图2-54是最大气泡法测定表面张力的装置示意图。

待测液体置于支管试管中，使毛细管端面与液面相切，液面随毛细管上升。

打开滴液漏斗缓慢抽气。

此时，由于毛细管液面所承受的压力大于支管试管液面所受压力，毛细管液面有所下降，毛细管中将缓慢吸出气泡，如图2-55所示。

在气泡所形成的过程中，由于表面张力的作用，凹液面产生一个指向液面外的附加压力∆P,因此有以下关系：P大气=P系统+∆P附加压力与表面张力成正比，与气泡的曲率半径R成反比。

∆P=2σR图2-54 最大气泡法表面张力测定装置若毛细管管径较小，则形成的气泡可视为球形。

气泡刚形成时，由于表面几乎是平的，所以曲率半径R极大；当气泡形成半球形时，曲率半径R等于毛细管半径r，此时R值最小。

随着气泡的进一步增大，R又趋增大，直至逸出液面。

R=r时，附加压力最大：ΔP m=2σr(2-88)最大附加压力由数字微压差计或U型管压差计读出。

用数字压力计可以直接读出压差的值，Pa，体系的导气管接数字微差计的负压口，正压口与大气相通。

若用数字微差计，压差则以ΔP m表示。

σ=12rΔP m在实验中，使用同一支毛细管和压差计，12r为常数(仪器常数)，用K表示，即σ=KΔP m(2-89)用已知表面张力的液体作为标准，可以测得仪器常数K，也可以测定其他求知液体的表面张力。

吸附量与浓度之间的关系可以用Langmuir等温方程表示：Γ=Γ∞kc1+kc(2-90)式中，Γ∞为饱和吸附量；k为经验常数。

将上式整理得c Γ=1Γ∞+1kΓ∞(2-91)以cΓ对c 作图可得到一条直线，其斜率的倒数为Γ∞。

如果以N代表1平方米表面层的分子数，则N=Γ∞N A (2-92)式中，N A为阿伏伽德罗常量，则每个分子的截面积为A∞=1Γ∞NA(2-93)三、实验仪器和药品1.仪器恒温槽装置；数字压力计（或U型管压差计）；滴液漏斗（250ml）l个；支管试管（φ25×20cm）；毛细管（0.2～0.3mm）1支；烧杯（250mL）；T形管1个；2.药品重蒸馏水；正丁醇（AR）；四、实验步骤(1)仪器常数的测定：①仔细洗净支管试管与毛细管，连接装置；②加入适量的重蒸馏水于支管试管中，毛细管端面与液面相切，恒温（20℃）20min；③打开滴液漏斗缓慢抽气，使气泡从毛细管缓慢逸出，调节逸出气泡每分钟20个左右。

读出压差计最大高度差，读3次，取平均值。

(2)待测样品表面张力的测定：配制0.02~0.80mol/L系列（0.025mol/L，0.05mol/L，0.10mol/L，0.15mol/L，0.20mol/L，0.25mol/L，0.30mol/L，0.40mol/L，0.60mol/L，0.80mol/L）的乙醇溶液。

可先配制0.80mol/L的溶液，其他浓度用稀释的办法配制。

(3)用待遇测定溶液洗净支管试管和毛细管后，方法同（1），装入待测样品，测定气泡缓慢逸出时的最大压差。

五、实验注意事项(1)测定时毛细管及支管试管应洗涤干净，否则气泡不能连续形成，而影响最大压差的测量。

(2)测定时毛细管端刚好和溶液液面相切。

(3)控制好滴液漏斗的放液速度，以利于读数的准确性。

(4)数字微差仪的测压接口在仪器后的面板上。

使用时，先将仪器按要求连接在实验系统上（注意实验系统不能漏气），再打开电源预热10min，即可进行测量。

仪器上显示的数字即为实验系统与大气压之间的压差值。

六、实验数据处理实验数据记录及计算仪器常数K和溶液表面张力σ。

表面张力-浓度曲线：有拟合曲线方程可知：σ =0.0193-0.0124ln(x-0.01488)表面张力----压强图线：BA折射率-浓度曲线：2003004005006007008000.020.030.040.050.060.070.08BA由以上实验数据和线性关系可得：C σГC/Г 0.03 0.0624 2.08 2.51857E-05 1191.154 0.05 0.056 1.12 2.26025E-05 2212.143 0.1 0.051 0.51 2.05844E-05 4858.039 0.15 0.045 0.3 1.81627E-05 8258.667 0.2 0.04 0.2 1.61447E-0512388 0.3 0.36 1.2 0. 2064.667 0.4 0.3 0.75 0.3303.467 0.60.2160.368.71811E-056882.222七、 思考题1.表面张力为什么必须在恒温槽中进行测定,温度变化对表面张力有何影响，为什么？答：因为测量原理是在恒温下变化浓度的，温度越高，表面张力越小，到达临界温度时,液体与气体不分,表面张力趋近于零，所以表面张力必须在恒温槽中进行测定。

2．实验如用U 型管压差计，工作液应选什么为宜？答:实验如果用U 形管压差计，工作液应选酒精或水，因为若用汞，其密度比较大,则汞柱改变范围较小,造成的误差较大，而酒精与水的密度小，表面粘力压差较小,，因此工作液应选酒精或水为宜。

0.00.10.20.30.40.50.60.70.020.030.040.050.060.070.08BABLinear Fit of Sheet1 BEquation y = a + b*x 3WeightNo Weighting Residual Sum of Squares 9.92579E-5Pearson's r -0.97132Adj. R-Square0.93216ValueStandard ErrorBIntercept 0.071650.00368Slope-0.081180.008893．用最大气泡法测定表面张力时为什么要读最大压力差？答：附加压力与表面张力呈正比，与气泡的曲率半径R呈反比，毛细管管径较小，则形成气泡可以视为球形，气泡刚形成时，由于表面吸附是平的,所以曲率半径R极大,当气泡形成半球形时,曲率半径R等于毛细管半径r,此时R值最小,随着气泡的进一步增大,R 又趋于增大直至逸出液面。

R=r时附加压力最大。

4．滴液漏斗的放液速度对本实验有何影响？答:滴液漏斗的放液速度如果过快，容易导致压力测量过程出现大幅度的波动，进而导致最大压差产生较大幅度的波动，影响最后的实验结果计算。