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实验 8 表面活性剂综合实验

(一) 表面吸附的物理化学性质

一、实验目的

。
。
Sigma 701 型自动表面张力测定仪的原理和使用方法。

二、实验原理

表面活性剂是一类具有多种灵活用途的有机化合物。除了大量地作为日用洗涤剂外,还广泛地应用于
石油、煤碳、机械、化学、冶金,材料、轻工业以及农业生产中。此外,表面活性剂科学与其它科学也有
着密切的联系,特别是在生物物理化学和化学动力学领域中,表面活性剂逐渐成为重要的研究对象。因此,
表面活性剂的开发与应用已成为一个非常重要的行业。通过本综合实验让学生掌握表面活性剂研究的最基
本的实验技术和知识。
在化学结构上,表面活性剂都是由非极性的、亲油(疏水)的长碳氢链和极性的、亲水(疏油)的
基团共同构成,这两个基团分处分子的两端,形成不对称的结构。因此,表面活性剂分子是一种两亲
分子,具有亲油又亲水的两亲性质。亲油基团的差别主要表现在碳氢链的结构变化上,差别较小。而
亲水部分的基团则种类繁多,各式各样。所以,表面活性剂的性质差异,除与碳氢链的大小、形状有
关外,主要还与亲水基团的不同有关。亲水基团的结构变化远大于亲油基团,因而表面活性剂的分类,
一般也以亲水基团的结构为依据。根据亲水基团的离子性或非离子性考虑,表面活性剂可分为阴离子、
阳离子、非离子以及两性表面活性剂等。
表面张力是衡量表面活性剂表面活性大小的最重要物理量。在表面活性剂溶液的浓度很稀时,溶液中
的表面活性剂分子呈分散状态,表面上分子的状态是亲水基团留在水中,亲油基团伸向空气。由于表面
活性剂分子在溶液表面上的吸附,溶液的表面张力随着表面活性剂浓度的增加而急剧下降。但当浓度超过
某一定值后,表面上的表面活性剂分子达到吸附饱和状态,溶液中的表面活性剂分子的亲油基团相互靠在
一起而形成胶团,以减少亲油基团与水的接触面积。由于胶团不具有活性,溶液的表面张力不再随着表
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面活性剂浓度的增加而下降。这一定值称为临界胶团浓度(cmc)。

在一定的温度下,表面活性剂浓度、表面张力与表面吸附量之间的定量关系可用 Gibbs 吸附方程表达,
即
c ⎛ dγ⎞
Γ= −⎜⎟()
RT ⎝ dc ⎠T
式中:Γ为气/液界面上的吸附量,单位为mol⋅m-2;γ为溶液的表面张力,单位为N⋅m-1;T 为热力学温度,
单位为K;c为表面活性剂浓度,单位为mol⋅L-1 ;R 为摩尔气体常数。式()适用于非离子性表面活性剂,
对于离子性表面活性剂,情况比较复杂。对于1-1型不水解的离子性表面活性剂,如Na+R-(R-为表面活性剂
离子),在水溶液中基本完全电离。此时Gibbs吸附定理应取以下形式
c ⎛ dγ⎞
Γ= −⎜⎟()
nRT ⎝ dc ⎠T
当溶液中有过量无机盐存在时,n = 1;当溶液中无盐时,n = 2 。
用曲线拟合的方法找出γ∼ c的关系式,然后求出(dγ/dc)T 的表达式,代入Gibbs吸附公式,即可求出
在不同浓度时气/液界面上的吸附量Γ。