溶液表面吸附的測定

1、溶液表面吸附的測定一、實驗?zāi)康?采用最大泡壓法測定不同濃度的乙醇水溶液的表面張力2、根據(jù)吉布斯吸附公式計算溶液表面的吸附量和乙醇分子的橫截面積二、實驗原理1、表面自由能從熱力學(xué)觀點看，液體表面縮小是一個自發(fā)過程，這是使體系總的自由能減小的過程。如欲使液體產(chǎn)生新的表面則需要對其作功。功的大小應(yīng)與成正比:-W =二:A式中；為液體的表面自由能，亦稱表面張力。它表示了液體表面自動縮小趨勢 的大小，其量值與液體的成分、溶質(zhì)的濃度、溫度及表面氣氛等因素有關(guān)。2、溶液的表面吸附純物質(zhì)表面層的組成與內(nèi)部的組成相同，因此純液體降低表面自由能的唯一途徑是盡可能縮小其表面積。對于溶液，由于溶質(zhì)能使溶劑表面張力發(fā)生

2、變化，因此可以調(diào)節(jié)溶質(zhì)在表面層的濃度來降低表面自由能。根據(jù)能量最低原則，溶質(zhì)能降低溶劑的表面張力時，表面層溶質(zhì)的濃度比溶液內(nèi)部大；反之，溶質(zhì)使溶劑的表面張力升高時， 表面層中的濃度比內(nèi)部的濃度低。這種表面濃度與溶液內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象叫做溶液的表面 吸附。顯然，在指定的溫度和壓力下，溶質(zhì)的吸附量與溶液的表面張力及溶液的濃度有關(guān),從熱力學(xué)方法可知它們之間的關(guān)系遵守吉布斯（Gibbs）吸附方程:式中：-為表面吸附量（單位：mol?mf2）； T為熱力學(xué)溫度（單位：K） ; c為稀溶液濃度（單位:3mol?dm ） ； R為氣體常數(shù)。稱為負(fù)吸附。以表面張力對濃度作圖,d(T! <0,則卩>

3、0，稱為正吸附; de tdC >0，貝<0，dC T即得到-C曲線，在-C曲線上任選一點作切線， 如圖12.1所示，即可得該點所對應(yīng)濃度Ci的斜率：護心T,圖12.1表面張力與濃度的關(guān)系其中：兩二-心d；/dCi T則：一 MN/RT ,根據(jù)此式可求得不同濃度下各個溶液的丨值。根據(jù)朗格繆爾（Langmuir）吸附等溫式，吸附量 丨與濃度c之間的關(guān)系可用下式表示：】|工吃Kc/1 Kc式中：】：為飽和吸附量，K為吸附常數(shù)，c為稀溶液的濃度。將上式取倒數(shù)得：c小=C/吃舄1/K吃以c / F對c作圖可得一直線，直線斜率的倒數(shù)即為:-o當(dāng)達(dá)到飽和吸附時，溶液表面上的分子占據(jù)了所有表面。

4、若以N代表1m2表面上溶質(zhì)的分子數(shù)，則有n y l式中；L為阿佛加德羅常數(shù)，因此每個溶質(zhì)分子在表面上所占據(jù)的橫截面積q可按下式計算：q =1 ： L表面張力的測定可按裝置圖12.2進行，將被測液體裝于測定管中，使毛細(xì)管的下端面與液體相切，液體沿著毛細(xì)管上升。打開抽氣瓶的活塞緩緩地放水抽氣，測定管中的壓力P逐漸減少，毛細(xì)管中壓力Po就會將管中液面壓至管口，并形成氣泡，當(dāng)氣泡的曲率半徑等于毛細(xì)管半徑r （即氣泡的曲率半徑為最小值），此時所承受的壓力差最大，根據(jù)拉普拉斯（Laplace） 公式：= Pmax=P-=Po-Pr=2/ V此時最大的壓力差值可由 U型壓力計中最大液柱差 Ah來表示:Pma

5、x =式中r為U型壓力計中液體介質(zhì)的密度。由上述兩式可得：K '為儀器常數(shù)，可用已知表面張力的液體標(biāo)定。因此，只要將不同液體裝于測定管中，測定U型壓力計中最大液柱差 Ah,就可計算該液體的表面張力二。三、儀器與藥品1、裝置及材料表面張力測定裝置見圖12.2。圖12.2表面張力測定裝置圖表面張力測定裝置1套；恒溫水浴1套； 洗耳球 1個；阿貝折光儀1臺；燒杯（50、100、200ml ）各1只；25ml具塞錐形瓶5只；10ml比重瓶5只；乙醇（分析 純），超級恒溫槽（公用）。四、實驗步驟1、配制溶液：用稱重法粗略配制5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40

6、%的乙醇水溶液待用。2、測定儀器常數(shù)：將儀器認(rèn)真洗滌干凈，在測定管中注入蒸餾水，使管內(nèi)液面剛好與毛細(xì)管口相接觸，置于恒溫水浴內(nèi)恒溫10 min。注意使毛細(xì)管保持垂直并注意液面位置，然后按圖12.2接好系統(tǒng)。慢慢打開抽氣瓶活塞進行抽氣。注意氣泡形成的速度 應(yīng)保持穩(wěn)定，通常以每分鐘約812個。記錄U型壓力計兩邊最高和最低讀數(shù)各3次，求出平均值。3、測定乙醇溶液的表面張力：以不同濃度的乙醇溶液進行測量，從稀到濃依次 進行。每次測量前必須用少量被測液洗滌測定管，尤其是毛細(xì)管部分，確保毛細(xì)管內(nèi)外溶液的濃度一致。4、乙醇溶液濃度的折光率測定：采用阿貝折光儀測定上述乙醇溶液的折光率，由測定的乙醇濃度-折光率

7、標(biāo)準(zhǔn)曲線確定各乙醇溶液的濃度。5、乙醇濃度-折光率工作曲線的測定:(1)(2)在瓶中滴入一定量的無水乙醇，加塞后準(zhǔn)確稱重，質(zhì)量W2;將預(yù)先干燥的25ml具塞錐形瓶在電子天平上準(zhǔn)確稱重，質(zhì)量W1；(3)用水稀釋乙醇至約 25ml，加塞搖勻，再次準(zhǔn)確稱重，質(zhì)量將預(yù)先干燥的10ml比重瓶在電子天平上準(zhǔn)確稱重，質(zhì)量(5)將乙醇溶液注滿比重瓶， 置于實驗溫度的恒溫槽中恒溫10分鐘，用濾紙仔細(xì)吸去從毛細(xì)管頂端溢出的溶液，取出比重瓶，仔細(xì)拭干瓶外壁的水滴,冷卻至室溫,在電子天平上準(zhǔn)確稱重，質(zhì)量W5。(6) 乙醇摩爾濃度按下式計算:c/mol dm'W2-W /gM 乙醇 /g mol JZ 0.01

8、 /dm3I M乙醇叫_w4w3 - w"00(7) 將該溶液在恒溫的阿貝折光儀上測定折光率。(8) 用上述方法，在所需濃度范圍內(nèi)配制10份準(zhǔn)確濃度的乙醇溶液，并測定其折光率,乙醇摩爾濃度-折光率作圖，得到工作曲線。五、數(shù)據(jù)記錄與處理1、以純水測量結(jié)果計算 K'值。2、 根據(jù)所測折光率，由乙醇摩爾濃度-折光率工作曲線查出各溶液的濃度。3、計算各溶液的、二值。4、作二-C圖，并在曲線上取10個點，分別作出切線，并求得對應(yīng)的斜率。c 一5、求算各濃度的吸附量，并作出-C圖，由直線斜率求其:-一，并計算乙醇分子的橫截面r旳積q值。不同溫度下水的表面張力：t/C10/Nt/ C10G

9、/N mt/C10%/N-877.01873.056066.18-576.42072.757064.4075.62571.978062.6574.93071.1810058.91074.224069.561573.495067.91六、思考題1、表面張力儀的清潔與否和恒溫水浴溫度是否穩(wěn)定對測量結(jié)果有何影響？2、本實驗中為什么要讀取最大壓力差？實驗時將毛細(xì)管部分末端插入溶液內(nèi)，對實驗結(jié)果有何影響？3、在測量過程中，抽氣的速度能否過快？參考文獻：1 北京大學(xué)化學(xué)系物理化學(xué)教研室編，物理化學(xué)實驗，第三版，北京：北京大學(xué)出版社，1995，181-186.2 天津大學(xué)物理化學(xué)教研室編，物理化學(xué)，第三版，下冊，北京：高等教育出版社，1993，159-161 ； 173-174.3 復(fù)旦大學(xué)等編，物理化學(xué)實驗，第二版，北京