实验十二溶液中的吸附作用和表面张力的测定摘要：本实验采用最大气泡压力法测定了液体表面张力，通过对不同浓度下正丙醇溶液的表面张力研究其和浓度之间的关系。

初步探讨了表面张力的性质、表面能的意义以及表面张力和吸附作用的关系。

关键词：吸附作用、表面张力、最大气泡法The measurement of the adsorption effect andsurface tensionAbstract：In this experiment, according to Gibbs formula and Langmuir equal-temperature equation, we apply the biggest bladder pressure method to research the relationship between the amount of absorption and the consistency of a substance in the solution besides the surface tension. The phenomenon show that the consistency of a substance in the surface of the solution is different from that inside is called absorption.Keyword：Surface tension, The biggest bubble pressure method, Absorption effect1. 序言物体表面的分子和内部的分子所处的境况不同，因此能量也不同，表面张力就是内部分子对表面分子的作用力，它是液体的重要属性之一，与所处的温度、压力、液体的组成共存的另一面的组成等因素都有关。

对于溶液，由于溶质会影响表面张力，因此可以调节溶质在表面层的浓度来降低表面自由能。

根据能量最低原理，溶质能降低溶液的表面张力时，表面层中溶质的浓度应比溶液内部大，反之，溶质使溶液的表面张力升高时，它在表面层中的浓度比在内部的浓度低，这种表面浓度与溶液里面浓度不同的现象叫“吸附”。

在指定温度和压力下，吸附与溶液的表面张力及溶液的浓度有关。

溶液的表面张力是溶液的一个重要物理参数。

要计算溶液的表面自由能、最大吸附量等都必须精确测定其溶液的表面张力。

测定它的方法较多，如毛细管上升法、滴重法、吊环法和最大气泡法，但最简单、实用、普遍的方法是最大气泡法。

本实验正是采用该法测定液体不同浓度条件下的表面张力，探究表面张力、表面能与吸附作用的关系，并验证了表面化学的相关基础理论。

2. 实验部分2.1 实验仪器与试剂CS501型超级恒温水浴1台重庆试验设备厂DMP-2B型数字式微压差测量仪南京大学应用物理研究所恒温套管，250ml分液漏斗，毛细管（半径为0.15—0.2mm）；100ml容量瓶（7只），2ml移液管（1支）；正丁醇溶液（分析纯）2.2 实验步骤1）按实验装置图装好仪器，打开恒温水浴，使其温度稳定于35℃。

取一支浸泡在洗液中的毛细管依次用自来水、蒸馏水反复清洗若干次，同样把玻璃套管也清洗干净，加上蒸馏水，插上毛细管，用套管下端的开关调节液面恰好与毛细管端面相切，使样品在其中恒温10分钟。

在分液漏斗中加入适量的自来水，注意切勿使体系漏气。

然后调节分液漏斗下的活塞使水慢慢滴下，这时体系压力逐渐减小，直至气泡由毛细管口冒出，细心调节出泡速度，使之在5－10秒钟内出一个。

注意气泡爆破前数字式微压差测量仪的读数，并用电脑采集数据得到最大的压差值，取连续6个数据取平均值；2）用2mL移液管分别移取0.40ml、0.80ml、1.20ml、1.60ml、2.00ml、2.40ml、2.80ml正丁醇到100ml容量瓶中，然后稀释到刻度。

重复上述实验步骤，按照由稀至浓的顺序依次进行测量。

2.3 注意事项1）测定用的毛细管一定要先洗干净，否则气泡可能不能连续稳定地通过，而使压力计的读数不稳定；2）毛细管一定要垂直，管口要和液面刚好接触，，否则测得的数据将不只是液体表面的张力，还有插入部分液体的压力；3）表面张力和温度有关，因此要等溶液恒温后再测量。

4）控制好出泡速度，读取压力计的压力差时，应取气泡单个逸出时的最大压力差。

3. 结果与讨论3.1 实验结果毛细管常数-41.05210⨯=dcd σ-0.12879-0.75444*c+10.22178*c^2-23.02024*c^3 Г∞=4.222*10-6N/m正丁醇分子的横截面积 S 0=3.934×10-19 m 2查得文献中的直链醇类横截面积理论值为2.74×10-19～2.89×10-19m2 ，取二者平均值2.82×10-19 ，相对误差为：（3.934-2.82）/2.82=39.5% σ~c 图、Г~c 图、c/Г~c 图详见附件。

3.2 误差分析本次试验测得的正丁醇分子的横截面积比理论值要大，但处于同一个数量级；c -σ、Г-c 、c/Г-c 图中某些点与总体趋势不同，与理论曲线大体吻合。

作为一种低成本的方法，最大气泡法有吸附难以达到平衡的缺点，精度不高是可以理解的。

下面我对实验的误差因素进行全面的分析。

① 最大压差△P 值的测量误差1）在每次改变测量溶液浓度之后，应该用待测溶液反复清洗毛细管和恒温套管，在实际操作中残留是不可避免的，这样使测量溶液的表面张力与实际溶液的浓度不一致，导致实验误差；2）实验要求毛细管底部与液面正好相切，并且毛细管完全的垂直，实际上这很难到达，而且实验指导上也没有明确的方法使我们做到这两点；3）由于毛细管管径很小，当正丁醇浓度增大时，体系粘度变大，管壁上容易吸附正丁醇分子，使得气泡冒出很不规则，造成数据波动很大；4）毛细管的粗细均匀程度及磨损程度都会对结果造成影响；5）出泡速度会影响△P 值的读数，而出泡速度并不能精确控制使得每次的速度相同，若气泡产生速率偏快，会使测定最大压力差值偏大，过慢则会偏小； 6）装置气密性不好，有些许漏气会使测定最大压力差值偏小； 7）其它系统误差，如恒温槽温度的小幅变动。

②数据处理1) 我们在数据处理的过程中使用了浓度而不是活度。

只有在稀溶液情况下，浓度才近似等于活度，而实验溶液的正丁醇浓度并不是很稀的，导致计算的正丁醇分子截面积偏差较大。

这一点从Г-c 图上明显可以看出，在浓度变大后曲线有明显的下降，与理论曲线存在较大的出入；2）σ~c曲线拟合形式的不同会最终造成Γ~c图及c/Г~c图与理论情况的偏差。

3.3 讨论与思考（1）关于相关曲线的讨论1）由σ~c图可知，正丁醇溶液的表面张力σ随着其浓度的增加而逐渐降低，为正吸附，故正丁醇是一种表面活性物质。

当正丁醇的浓度增大到一定值时，溶液的表面张力σ的随浓度的变化较小，此时有可能已经形成了单分子层的饱和吸附层；2）由Г-c图可知，当浓度较小时，随着浓度的升高，吸附量逐渐增加。

（2）实验改进在实验中将带毛细管的木塞插入试管，若木塞没有塞正，可导致毛细管与液面不垂直；若加入试管中溶液的量控制得不准，可导致毛细管插入液面深浅不一，需要多次调节液面高度，操作起来烦琐，往往要反复几次才能完成。

我们可以对实验装置进行如下改进，简化实验操作。

1）样品管的改动：我们将样品管设计成套管，套管上端为磨口，与带毛细管的磨口塞配套。

用磨口塞固定毛细管的位置，这可以使毛细管保持与液面垂直，避免了用木塞固定毛细管的随意性。

外管两侧上下支管与恒温槽相连，构成整个实验体系的恒温循环装置。

内管装样品，内管侧面支管与压力计连接。

套管下端管口接活塞，通过旋转活塞可非常方便、灵活地调节液面高度使之与毛细管相切，操作起来非常简便。

2）增加1个三通双支真空活塞：在压力计和滴液漏斗之间增加1个三通双支真空活塞，在调节毛细管端面与液面相切时，先将三通双支真空活塞转向一支通大气以防止体系产生负压，再转向另一支与体系相通进行测量。

这样减少了传统装置操作时，在每次测量之前需反复提出毛细管以平衡体系与大气压差的麻烦，并可以在两次测量之间，快速使系统与大气之间的压力平衡，使读数误差减小。

（3）实验心得本次实验我学到了关于溶液表面张力的相关知识，并了解了最大气泡法的相关操作。

虽然实验操作步骤简单，但造成误差的因素较多，操作时要格外仔细。

另外，调节气泡使其均匀冒出且速度适中是本实验的难点，我在第一组测量中遇到了较大的麻烦，经过助教老师的帮助，我也渐渐掌握了调气泡的要领，即先把气泡调出来，然后关闭活塞使其稳定，中途大概估计出泡时的压力，再缓缓打开活塞，一直微调到压力数在一定区间稳定波动。

参考文献[1] 崔献英,柯燕雄,单绍纯.物理化学实验[M].中国科技大学出版社,2000: 29~32.[2] 付献彩,沈文霞,姚天扬,侯文华.《物理化学》（第五版）下册[M].南京大学化学化工学院，高等教育出版社,2005.[3] 曹红燕,李建平,董超,胡玮.最大气泡法测定溶液表面张力的实验探讨[J].实验技术与管理,23（8）,2006：39—41.[4] 任川宏,蒋珍菊,王玲,唐孝荣最大气泡法测定溶液表面张力非正常状况的分析与处理[J]. 高等教育研究,24（2）,2007：63—64.附件：实验数据处理1. 数据记录恒温槽温度：35.15 Table A1.原始数据记录2. 数据处理2.1 毛细管常数的测定25摄氏度时水的表面张力-1-3m N 1071.97⋅⨯=σ故毛细管常数2-3-1-471.9710N m K 1.05210684.4H OH Paσ⨯⋅===⨯∆2.2 不同浓度正丁醇溶液表面张力的测定及c -σ图的绘制 由公式： C=ρV/MV 0 σ= KΔPρ=0.810g/mL ，M=74.12将Table A1中的数据进行计算，结果如Table A2所示。

Table A2正丁醇用量/mL正丁醇浓度c/(mol/L)△H 最大压差/Paσ/N-1m0.4 0.0437 608.6 0.064026 0.8 0.0874 549.2 0.057772 1.2 0.1311 503.0 0.052914 1.6 0.1748 462.7 0.04868 2.0 0.2185 441.4 0.046435 2.4 0.2622 440.3 0.046321 2.80.3059404.20.042525最大压差△P /Pa 正丙醇用量/mL1 2 3 4 5 6平均 0 686.3 688.2 681.7 680.6 679.8 689.8 684.4 0.4 606.8 606.8 609.6 610.3 609.4 608.8 608.6 0.8 548.6 550.0 550.3 548.2 550.1 547.8 549.2 1.2 502.5 502.7 503.5 502.0 502.9 504.3 503.0 1.6 463.0 463.8 462.4 462.4 462.8 462.0 462.7 2.0 443.3 441.0 439.0 439.8 443.5 441.8 441.4 2.4 438.6 438.2 441.2 440.4 440.0 443.5 440.3 2.8 404.0404.6402.6 404.8 406.4403.0 404.2σ图根据Table A2中的数据进行4次拟合得到c-σ图Fig A1.c-注：由于正丁醇用量为2.4mL时与其他数据偏差较大，故将其舍去。