华 南 师 范 大 学 实 验 报 告
学生姓名 学号
专业 化学（师范） 年级、班级 10化5
课程名称 应用物理化学实验 实验项目 最大泡压法测定溶液的表面张力
实验类型 □验证 □设计 □综合 实验时间 20## 年 4 月 9日
实验指导老师 实验评分
一．实验目的
1．明确表面张力、表面自由能和吉布斯吸附量的物理意义。
2．掌握最大泡压法测定溶液表面张力的原理和技术。
3．掌握计算表面吸附量和吸附质分子截面积的方法。
二．实验原理
1．表面张力和表面吸附
液体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，由于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1所示，这种吸引力使表面上的分子自发向内挤促成液体的最小面积，因此，液体表面缩小是一个自发过程。
在温度、压力、组成恒定时，每增加单位表面积，体系的吉布斯自由能的增值称为表面吉布斯自由能（J·m-2），用γ表示。也可以看作是垂直作用在单位长度相界面上的力，即表面张力（N·m-1）。
欲使液体产生新的表面ΔS，就需对其做表面功，其大小应与ΔS成正比，系数为即为表面张力γ：
W
=
(1)
在定温下纯液体的表面张力为定值，当加入溶质形成溶液时，分子间的作用力发生变化，表面张力也发生变化，其变化的大小决定于溶质的性质和加入量的多少。水溶液表面张力与其组成的关系大致有以下三种情况：
（1）随溶质浓度增加表面张力略有升高；
（2）随溶质浓度增加表面张力降低，并在开始时降得快些；
（3）溶质浓度低时表面张力就急剧下降，于某一浓度后表面张力几乎不再改变。
以上三种情况溶质在表面层的浓度与体相中的浓度都不相同，这种现象称为溶液表面吸附。根据能量最低原理，溶质能降低溶剂的表面张力时，表面层中溶质的浓度比溶液内部大；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低。在指定的温度和压力下，溶质的吸附量与溶液的表面张力及溶液的浓度之间的关系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程：
（2）
式中，Г为溶质在表层的吸附量，单位mol·m2，γ为表面张力，c溶质的浓度。
若
＜0，则Γ＞0，此时表面层溶质浓度大于本体溶液，称为正吸附。引起溶剂表面张力显著降低的物质叫表面活性剂。
若＞0，则Γ＜0，此时表面层溶质浓度小于本体溶液，称为负吸附。
通过实验测得表面张力与溶质浓度的关系，作出γ－c 曲线，并在此曲线上任取若干点作曲线的切线，这些切线的斜率就是与其相应浓度的，将此值代入（2）式便可求出在此浓度时的溶质吸附量Γ。吉布斯吸附等温式应用范围很广，但上述形式仅适用于稀溶液。
2．最大泡压法测表面张力原理
测定溶液的表面张力有多种方法，较为常用的有最大泡压法其测量方法基本原理可参见图2
图中B是管端为毛细管的玻璃管，与液面相切。毛细管中大气压为p0。试管A中气压为p，当打开活塞E时，C中的水流出，体系压力p逐渐减小，逐渐把毛细管液面压至管口，形成气泡。在形成气泡的过程中，液面半径经历：大→小→大，即中间有一极小值rmin＝r毛，此时气泡的曲率半径最小，根据拉普拉斯公式，气泡承受的压力差也最大：
（5）
此压力差可由压力计D读出，故待测液的表面张力为：
（6）
若用同一支毛细管测两种不同液体，其表面张力分别为γ1、γ2，压力计测得压力差分别为Δp1、Δp2则：
(7)
若其中一种液体的γ1已知，例如水，则另一种液体的表面张力可由上式求得。即：
(8)
式中：
（9）
称为仪器常数，可用某种已知表面张力的液体（常用蒸馏水）测得。
三．仪器与试剂
最大泡压法表面张力仪1套，精密数字压力计，吸耳球1个，移液管（50ml 1支，1ml 1支），容量瓶 (50mL)，正丁醇（分析纯），蒸馏水，烧杯（500ml 1个），温度计1支
四．实验步骤
（1) 仪器准备与检漏
将表面张力仪容器和毛细管洗净、烘干。在恒温条件下将一定量蒸馏水注入表面张力仪中，调节液面，使毛细管口恰好与液面相切。打开抽气瓶活塞，使体系内的压力降低，当U型管测压计两端液面出现一定高度差时，关闭抽气瓶活塞，若2～3min内，压差计的压差不变，则说明体系不漏气，可以进行实验。
（2）仪器常数的测量
打开抽气瓶活塞，调节抽气速度，使气泡由毛细管尖端成单泡逸出，且每个气泡形成的时间约为5 ～ 10 s。当气泡刚脱离管端的一瞬间，压差计显示最大压差时，记录最大压力差，连续读取三次，取其平均值。再由手册中，查出实验温度时，水的表面张力σ，则仪器常数
（3）表面张力随溶液浓度变化的测定
用移液管分别移取0.0500mL，0.150mL，0.300mL，0.600mL，0.900mL，1.50mL，2.50mL，3.50mL，4.50mL正丁醇，移入9个50mL的容量瓶，配制成一定浓度的正丁醇溶液。然后由稀到浓依次移取一定量的正丁醇溶液，按照步骤2所述，置于表面张力仪中测定某浓度下正丁醇溶液的表面张力。随着正丁醇浓度的增加，测得的表面张力几乎不再随浓度发生变化。
五．数据处理
（1）计算仪器常数K
20.0℃时纯水的表面张力为σ=0.07275N·m-1,而△h=0.076m,则仪器常数
K=σ/△h=0.07275N·m-1/0.076m=0.9572 N·m-2
（2）数据记录表
根据以上数据，可以绘制σ-c等温线（使用三项式进行拟合，相关系数较高）
图a σ-c等温线
上述曲线的函数方程是：y = -9E-11x3 + 2E-07x2 - 0.0001x + 0.0656①
进行求导可得：y = -27E-11x2 + 4E-07x- 0.0001 ②
向函数②中逐一代入c的数值，并根据吉布斯吸附方程，可以得到下表
备注：Г=-c/RT*(dσ/dc)T T=20.0+273.15=293.15K R=8.314J/K/mol
(3)绘制Г– C,（ C/Г）-C等温线,求部分物理量
图b （ C/Г）-C等温线图
从上图中，我们可以发现第1到第5个点的（ C/Г）是呈上升趋势的，到了第6个点后就是下降，因此在数据处理中只取前面的5个点。得出图c：
图c （ C/Г）-C等温线图
由C/Г-C等温线可得斜率269120,结合朗格谬尔定理可知：
Г∞=1/269120=3.72×10-6(mol/m2)
被吸附分子的截面积：So=1/(Г∞NA)=1/(3.72×10-6×6.02×1023)=4.47×10-19(m2)
吸附层厚度：d=Г∞M/ρ==3.72×10-6 mol/m2×74.12g/mol÷(0.81×106)g/m3=3.40×10-10m
六．讨论与分析
1.本实验要注意的两个问题
①所用毛细管，其管口应刚好与液面相切。我在做实验过程中，并没有严格的做到这一点，但毛细管浸没的深度基本一致，而且很浅。个人认为，使用一个胶头滴管作为备用，可以方便的精细调节溶液的体积。
②最大气泡法虽然具有装置简单、操作容易、测定迅速等优点，但其最大的缺点是测量精度不够理想，是一个动态的测定方法。
参考上图：在数据处理过程，我遇到的困难主要是最后的三个压力差数据的趋势不明显，这三个数非常接近分别是0.034、0.035、0.032。为了提高本装置的精确度，我提出以下的改进措施（假设装置的气密性是很好的,主要从压差计的角度分析）：
③读取压差计的压差时，应取气泡单个逸出时的最大压力差，气泡逸出速度不能过快，以5—10s一个为宜。为了准确快速的记录三次数据，组员间应该相互合作，一人发现气泡逸出适宜后，立即让组员读出压差计上的两个读数。
2.本实验应该注意的事项：
（1）首先要保证装置的气密性，所以在玻璃装置的某些接口处涂上凡士林。
（2）所用的毛细管必须干净，干燥，应保持垂直，其管口刚好与液面相切。
（3）读取压力计的压差时，应取气泡单个溢出时的最大压力差。
（4）毛细管的洗涤要彻底。如果毛细管洗涤不干净，不仅影响表面张力值，而且会使气泡不能有规律地单个连续逸出。要么就是一个气泡也没有，要么就是两个甚至更多个同时逸出，严重影响测量的进行。
（5）毛细管插入溶液中的深度直接影响测量结果的准确性，这是因为溶液的静压力会增加对气泡壁的压强，为了减少静压力的影响，应尽可能减少毛细管的插入和深度，使插入深度与液面刚好相切。
（6）在实验中，按浓度从小到大的顺序测定，降低不同浓度溶液之间的影响。
七、参考文献
[1]傅献彩,沈文霞.物理化学第五版[M],高等教育出版社,2006
[2]何广平,南俊民,孙艳辉，物理化学实验[M],化学工业出版社,2008
第二篇：14试题表面张力
实验十四溶液表面张力的测定
第一题、填空题
1. 溶液的表面张力是指溶液单位表面的________________________。
2. 使液体表面张力降低的物质称____________，反之称__________。
3. 若铂环上沾有_____________杂质，会使所测溶液表面张力值偏低，若沾有_____________杂质，会使所测溶液表面张力值偏高。
4. 温度升高，溶液的表面张力____________，折光率_____________。
5. 若将张力仪中的扭力丝______________________易将其拉断。
6. 张力仪是通过测定____________________得到溶液表面张力值的。
7. 张力仪在使用前，需做____________调整和_____________校正。
8. 在最大气泡压力法测正丙醇溶液的表面张力实验中, 表面张力s与U 形压力计读数Dh间的关系为 s= r /2·rｇ·Dh, 其中r 为__________半径, r为__________密度。
9. 在最大气泡压力法测正丙醇溶液的表面张力实验中, 先测出表面张力随浓度变化的关系曲线, 即s～c曲线, 再由该曲线求得各浓度下的________________, 由Gibbs公式______________可求 得各浓度下的吸附量, 再由Langmuir关系式 可求出___________, 最后可求出达到饱和吸附时__________________。
10. 最大气泡压力法测液体表面张力的关键有以下三点：①＿＿＿＿必须干净，②鼓泡速度必须＿＿＿＿（填“迅速”或“缓慢”）， ③在压差计上读取的是＿＿＿＿（填“最大”或“最小”）压差。
11. 最大气泡法测表面张力实验中，仪器常数K= 。
12. 乙醇水溶液表面张力测定实验的数据处理过程中，为了得到表面剩余吸附量，应该以 对 作图。
第二题、选择题
1. 某物质的水溶液中，再加入该物质后使水溶液的表面__ ______则称该物质为表面活性剂
(A)浓度增大； (B)张力增大；
(C)浓度减小； (D)张力减小。
2. 乙醇水溶液中的表面张力随其溶液浓度变化，其规律是：
(A)两者成直线关系；
(B)随浓度增大，表面张力减小，幅度开始大，后来小；
(C)两者成反比关系；
(D)随浓度增大，表面张力增大，幅度开始大，后来小。
3. 乙醇在水溶液中的浓度不断增加时，吸附图形是：
(A) (B) (C) (D)
4. 不必测仪器常数，或不必校正仪器零点的实验是：
(A)燃烧焓的测定； (B) 表面张力测定；
(C)迁移数的测定； (D) 差热分析
5. 若铂环不水平，会使所测溶液表面张力值：
(A)偏高； (B)偏小；
(C)不变； (D)不确定。
6. 用最大气泡压力法测定溶液表面张力的实验中, 对实验实际操作的如下规定中哪一条是不正确的?
(A) 毛细管壁必须严格清洗保证干净
(B) 毛细管口必须平整
(C) 毛细管应垂直放置并刚好与液面相切
(D) 毛细管垂直插入液体内部, 每次浸入深度尽量保持不变
7. 现有一个由水形成的液珠和一个气泡,附加压力的方向分别是:
（A） 液珠:向外,气泡:向内, （B） 液珠:向内,气泡:向外
（C） 液珠:向外,气泡:向外, （D） 液珠:向内,气泡:向内
8. 用最大气泡压力法测定溶液表面张力的实验中, 对实验实际操作的如下规定中哪一条是不正确的?
(A) 毛细管壁必须严格清洗保证干净
(B) 毛细管口必须平整
(C) 毛细管应垂直放置并刚好与液面相切
(D) 毛细管垂直插入液体内部, 每次浸入深度尽量保持不变
9. 用最大气泡压力法测定溶液表面张力的实验中,溶液表面上的饱和吸附量符合：
（A）BET吸附 （B） 朗格缪尔吸附
（C）物理吸附, （D）氢键吸附
10. 用最大气泡压力法测定溶液表面张力的实验中, 体系开始密封后，微压差测量仪显示负数，是因为
（A）体系压力低于大气压 （B）体系压力高于大气
（C）体系压力和大气压平衡, （D）产生了负吸附
第三题、判断题
1. 乙醇-水溶液浓度与折光率为直线关系。
2. 乙醇---水溶液表面吸附对于浓度的变化曲线没有极大值。
3. 乙醇是表面活性物质。
4. 将少量水加入乙醇中，将发生负吸附。
5. NaCl水溶液在表面层的浓度高于其溶液本体浓度。
6. 判断题。垂直插入水中一支干净的玻璃毛细管,当在管中水上升至平衡液面处时加热,水柱会上升。
7. 最大气泡法测表面张力实验中，写出本实验所用的Gibbs吸附方程为
。
8. 最大气泡法测定表面张力时，最大压力差是曲率半径最大时。
9. 最大气泡法测定表面张力时，气泡逸出时，是曲率半径R和毛细管半径相等时。
10. 最大气泡法测定表面张力时，毛细管插入溶液内部一段距离不影响表面张力的测定。
第四题、简答题
1. 温度升高，溶液的表面张力升高还是降低？
2. 最大气泡法测表面张力实验，吉布斯(Gibbs)吸附方程
，表面吸附量
的意义是什么？
3. 最大气泡法测定表面张力时，为什么要读最大压力差？
4. 最大气泡法测表面张力所用毛细管的要求是什么？
5. 最大气泡法测表面张力所用毛细管的半径太大或太小有什么不好？
6. 最大气泡法测表面张力中，毛细管尖端为何必须与液面相切？否则对实验有何影响？
7. 用最大气泡法测定溶液的表面张力的实验操作中, 为什么要求读出最大压力差?
什么是表面活性物质？请举几个例子。
8. 什么是非表面活性物质？请举几个例子。
9. 最大气泡法测表面张力实验中，什么是正吸附，什么是负吸附？
10. 最大气泡压力法测液体的表面张力实验时，某同学发现，当毛细管管端不是刚刚与液面相接触，而是插入液面一小段距离时，测得的 △h 偏高。因而该同学在讨论中说毛细管管端插入液体内部，将使测得的表面张力值偏高，你认为这一说法对吗？为什么？
11. 最大气泡法测表面张力实验中，写出本实验所用的Gibbs吸附方程。
12. 最大气泡法测表面张力实验中，毛细管不清洁对实验有什么样的影响？
13. 最大气泡法测表面张力实验中，毛细管插入液面太深以及没有与液面相切对实验结果有什么样的影响？
14. 最大气泡法测表面张力实验中，分析本实验误差产生的几个主要来源，
15. 最大气泡法测表面张力实验中，微压差测量仪在什么情况下校零，ΔP指的是什么？
16. 最大气泡法测表面张力实验中，实验过程中毛细管出双泡或者多泡对实验结果有什么样的影响？
17. 最大气泡法测表面张力实验中，实验过程中气泡出的太快对实验结果有什么样的影响？
18. 测定表面张力的其它方法还有什么？
19. 最大气泡法的优缺点？
20. 吸附接近平衡时，能用Gibbs公式计算正丁醇的吸附量吗？