[摘 要] 物理化学实验中正丁醇溶液表面张力与表面吸附量的数据处理是学生反映比较困难的问题。针对以上情况,本人借助Traube规则对实验数据进行有效处理,能够以比较高的精度作出令人满意的表面吸附量Γ随浓度c的变化关系曲线图,客观反映表面现象。
[关键词] 表面张力 吸附量 Traube规则
引言
溶液表面张力的测定是物理化学实验课的基本内容之一。在恒温条件下,首先测定不同溶质浓度c时正丁醇溶液的表面张力γ,然后求取γ-c曲线上不同浓度对应的切线斜率,再根据吉布斯(Gibbs)吸附公式计算不同浓度下的表面吸附量Γ。由于不同浓度范围内的溶液其表面张力随浓度的变化程度不同,导致溶液表面吸附量-浓度关系图出现异常现象,从而使实验结果失败。针对这种情况,我们利用Traube规则对正丁醇溶液体系表面张力的变化规律进行了深入的探讨,促进了实验课教学质量的提高。
一、基本原理
1.1吉布斯(Gibbs)吸附公式使用的条件
物质在表面层上富集的现象成为表面吸附。溶液的表面吸附作用导致表面浓度与体相浓
度存在差异,称为表面过剩。Gibbs用热力学方法求得定温下溶液浓度c、表面张力γ和吸附量Γ之间的定量关系,即Gibbs吸附公式:
广义说来,凡是能使水的表面张力降低的溶质都属于表面活性物质。但从习惯上来讲只有能够显著降低水的表面张力、具有两亲性质的化合物如脂肪酸才被称为表面活性剂。低级醇、羧酸等有机化合物的表面张力及表面吸附量随浓度的变化情况与前者相比有所差异。
在目前的物理化学课本中,对Gibbs公式的应用条件往往强调不够,导致学生在求表面吸附量Γ时会得出错误的规律,如Γ先是随浓度的增加而增大,当浓度超过某一个数值时Γ反而减小。这是由于对Gibbs公式的使用条件没有弄清楚所致。事实上,Gibbs公式比较适用于反映表面活性剂溶液的表面张力变化行为,并且溶液浓度不高于临界胶束浓度(CMC)。对于类似正丁醇等的溶液,用Gibbs公式求Γ前首先要能够在低浓度范围内对溶液表面张力的变化规律进行一个比较准确的定量描述。
1.2Traube(特劳贝)规则的应用
Traube在研究溶质的表面活性时发现,同一种溶质使表面张力的降低效应和浓度成正比,并且在低浓度时增加浓度对表面张力γ的影响比高浓度时要显著。这个规则称为Traube规则,它适用于大多数非离子型的有机化合物如短链脂肪酸、醇、醛类的水溶液。
当浓度不太大时,这类物质的水溶液的γ-c曲线关系可以成功地用下列经验公式来表示:
式中γ0,γ分别为纯溶剂和溶液的表面张力;b和K为常数。当浓度较低时,对上式进行展开,并合理略去含c的高次项,得
即浓度不太大时表面张力的降低与浓度成正比,这和Traube规则是一致的。
二、数据和处理
在实验中我们调节恒温水槽的温度为30 °C,利用最大气泡法测定出纯水在该温度下的
表面张力γ。然后准确配置一系列不同浓度的正丁醇溶液代替纯水,按照同样步骤测定出上述温度下的γ值,见表1。
将测量所得数据输入Origin表格并绘制散点图,利用Origin提供的内部函数对数据点进行参数拟合,确定表面张力随溶液浓度的变化关系。然后利用Gibbs吸附公式求出对应不同c的Γ值。根据不同浓度的表面吸附量进行作图,可得到正丁醇溶液在中等浓度范围内的等温吸附曲线,如图1。
图1 表面吸附量与浓度的关系
由图1反映的变化规律可知,正丁醇溶液的Γ-c关系符合一般表面活性剂溶液的规律:从稀浓度起随着浓度c的上升溶质分子不断进入溶液表面层,Γ也随之增加,但当浓度增加到一定程度后,Γ的增长开始变缓,并且随c的继续增加有一个逐渐接近于某个极限值(即溶质分子已经占满表面层,吸附达到饱和)的趋势。这种变化行为与表面活性物质的物理化学特性相符,能够对实验结果给出合理的解释。
三、结束语
本工作结合物理化学实验课程的内容,从物理化学基本原理出发,运用Traube规则对正丁醇-水二元体系的表面张力测定及吸附量的确定进行了较深入的研究,所得结果补充了文献资料的某些不足,对实验教学研究中的一些问题作了积极的探索,在教学上实验上有一定的实用参考价值。通过以上研究,启发我们在物理化学教学过程中,特别是在讨论定律和理论时应该特别注意它们的使用条件,并能将有价值的理论与物理化学现象在一定的情况下相匹配,提高学生理论联系实际的能力。
参 考 文 献
[1] 童枯嵩。关于Gibbs吸附等温式的推导。化学通报,1984,8:36.
[2] 沈钟,赵振国,王果庭。胶体与表面化学。北京:化学工业出版社,2004.
[3] 程传煊。表面物理化学。北京:科学技术文献出版社,1995.■