液体表面张力测定办法 液体表面张力的测定方法

最大气泡压力法测定液体的表面张力的测定——最大气泡法

液体表面张力测定办法 液体表面张力的测定方法

一、 实验目的

二、 实验原理

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20－l所示）。这种吸引力使表面上的分子向内挤促成液体的最小面积。

要使液体的表面积增大就必须要反抗分子的内向力而作功增加分子的位能。所以说分子在表面层比在液体内部有较大的位能，这位能就是表面自由能。

通常把增大一平方米表面所需的最大功A或增大一平方米所引起的表面自由能的变化值ΔG称为单位表面的表面能其单位为J．m-3。而把液体限制其表面及力图使它收缩的单位直线长度上所作用的力，称为表面张力，其单位是Nm-1。液体单位表面的表面能和它的表面张力在数值上是相等的。

在纯净的液体（溶剂）中如果掺进杂质（溶质），表面张力就要发生变化，其变化的大小决定于溶质的本性和加入量的多少。

此时，由于毛细管液面所受压力大于支管试管液面所受压力，毛细管液面不断下降，将从毛细管缓慢析出气泡。在气泡形成的过程中，由于表面张力的作用，凹液面产生一个指向液面外的附加压力△P，因此有以下关系：

液体表面张力的测定

液体表面张力系数的测定如下：

无机液体的表面张力比有机液体的表面张力大的多；水的表面张力0.0728N/m（20℃）；有机液体的表面张力都小于水；含氮、氧等元素的有机液体的表面张力较大；含F、Si的液体表面张力最小；分子量大表面张力大；

水溶液：如果含有无机盐，表面张力比水大；含有有机物，表面张力比水小。

外因：温度升高表面张力减小；表面积和表面张力没有关系。

液体的表面张力是表征液体性质的一个重要参数。测量液体的表面张力系数有多种方法，拉脱法是测量液体表面张力系数常用的方法之一。

该方法的特点是，用秤量仪器直接测量液体的表面张力，测量方法直观，概念清楚。

用拉脱法测量液体表面张力，对测量力的仪器要求较高。

由于用拉脱法测量液体表面的张力约在1×10-3~1×10-2N之间，因此需要有一种量程范围较小，灵敏度高，且稳定性好的测量力的仪器。

利于计算机实时测量，为了能对各类液体的表面张力系数的不同有深刻的理解。

在对水进行测量以后，再对不同浓度的酒精溶液进行测量，这样可以明显观察到表面张力系数随液体浓度的变化而变化的现象，从而对这个概念加深理解。

简述用力敏传感器测量液体表面张力系数的方法

简述用力敏传感器测量液体表面张力系数的方法如下：

（1）打开仪器的电源开关，将整机预热15分钟以上，才可对力敏传感器定标。

（2）将砝码盘挂在硅压阻力敏传感器的钩上，在加砝码前应首先对仪器调零，调节液体表面张力系数测定仪调零旋钮，使数字电压表显示为零。

（3）在砝码盘上分别加0.5g 、1.0g 、1.5g 、2.0g 、2.5g 、3.0g、3.5g等质量的砝码，并记录这些砝码力F的作用下相应的数字电压表读数值U。

（4）利用最小二乘法作直线拟合，求出传感器灵敏度B。

液体表面张力系数：

液体表面张力系数是72mN/m，表面张力系数σ是在温度T和压力p不变的情况下吉布斯自由能G对面积S的偏导数：其中，吉布斯自由能的单位是能量单位，因此表面张力系数的单位是能量/面积。

促使液体表面收缩的力叫做表面张力。即液体表面相邻两部分之间，单位长度内互相牵引的力。如液面被长度为L的直线分成两部分，这两部分之间的相互拉力F是垂直于直线L，并与表面相切。

要做好测定溶液的表面张力实验的关键步骤有以下这些：

1、仪器常数的测定

仔细洗净支管试管与毛细管,连接装置；加入适量的重蒸馏水于支管试管中,毛细管端面与液面相切；打开滴液漏斗缓慢抽气,使气泡从毛细管缓慢逸出,调节逸出气泡每lmin20个左右。读出压差计最大高度差,读3次,取平均值。

2、待测样品表面张力的测定

配制从0.02~0.80mol dm(0.025、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.40、0.60、0.80)的正丁醇溶液(正丁醇p=0.8109kg/m)。可先配制0.80mol dm 的溶液，其他的浓度用稀释的办法配制。用待测溶液洗净支管试管和毛细管后，方法同1，装入待测样品，测定气泡缓慢逸出时的最大压差。

溶质在表面的浓度与溶液本体的浓度不同。这就是溶液的表面吸附现象。在一定温度和压力下，溶液的表面吸附量(T)与溶液的表面张力(y)和溶液本体浓度(C)之间的关系为：c dyT= RT dcT。

表面张力法表面张力测定法适合于离子表面活性剂和非离子表面活性剂临界胶束浓度的测定,无机离子的存在也不影响测定结果。在表面活性剂浓度较低时，随着浓度的租厅镇增加，溶液的表面张力急剧下降，当到达临界胶束浓度时，表面张力的下降则很缓慢或停止。以表面张力对表面活性剂浓度的对数作图，曲线转折点相对应的浓度即为CMC。

电导法本法仅适合于表面活性较强的离子表面活性剂CMC的测定，以表面活性剂溶液电导率或摩尔电导率对浓度或浓度的平方根作图，曲线的转折点即CMC。溶液中若含有无机离子时，方法的灵敏度大大下降。

液体表面张力的测定方法分静力学法和动力学法。静力学法有毛细管上升法、du Noüy 环法、Wilhelmy 盘法、旋滴法、悬滴法、滴体积法、最大气泡压力法;动力学法有震荡射流法、毛细管波法。其中毛细管上升法和最大气泡压力法不能用来测液- 液界面张力。Wilhelmy 盘法, 最大气泡压力法, 震荡射流法, 毛细管波法可以用来测定动态表面张力。由于动力学法本身较复杂, 测试精度不高, 而先前的数据采集与处理手段都不够先进, 致使此类测定方法成功应用的实例很少。因此, 迄今为止, 实际生产中多采用静力学测定方法。

1.毛细管上升法

测定原理：

将一支毛细管插入液体中, 液体将沿毛细管上升, 升到一定高度后, 毛细管内外液体将达到平衡状态, 液体就不再上升了。此时, 液面对液体所施加的向上的拉力与液体向下的力相等。则表面张力 ：γ=ρghr/(2cosθ)

式中γ为表面张力, r 为毛细管的半径, h 为毛细管中液面上升的高度, ρ为测量液体的密度, g 为当地的重力加速度, θ为液体与管壁的接触角。

2.Wilhelmy 盘法

用铂片、云母片或显微镜盖玻片挂在扭力天平或链式天平上, 测定当片的底边平行面刚好接触液面时的压力, 由此得表面张力, 公式为:

式中,W 总为薄片与液面拉脱时的最大拉力,W片为薄片的重力, l 为薄片的宽度, 薄片与液体的接触的周长近似为2l, φ为薄片与液体的接触角

3.悬滴法

悬滴法是根据在水平面上自然形成的液滴形状计算表面张力。在一定平面上, 液滴形状与液体表面张力和密度有直接关系。由Laplace公式, 描述在任意的一点P 曲面内外压差为

式中R1, R2 为液滴的主曲率半径; z 为以液滴顶点O 为原点, 液滴表面上P 的垂直坐标; P0 为顶点O 处的静压力。

定义：S= ds/de

式中de 为悬滴的最大直径, ds 为离顶点距离为de 处悬滴截面的直径

式中b 为液滴顶点O 处的曲率半径。此式最早是由Andreas, Hauser 和Tucker[15]提出, 若相对应与悬滴的S 值得到的1/H 为已知, 即可求出表( 界) 面张力。应用Bashforth-Adams 法, 即可算出作为S 的函数的1/H 值。因为可采用定期摄影或测量ds/de 数值随时间的变化, 悬滴法可方便地用于测定表( 界) 面张力。

4.滴体积法

当一滴液体从毛细管滴头滴下时, 液滴的重力与液滴的表面张力以及滴头的大小有关。Tate首先提出了表示液滴重力(mg) 的简单关系式:mg=2πrγ,实验结果表明, 实际体积比按式( 7) 式计算的体积小得多。因此Harkins 就引入了校正因子

, 则更精确的表面张力可以表示为:

其中m 为液滴的质量, V 为液滴体积, f 为校正因子, 可查表得到。只要测出数滴液体的体积, 利用( 13) 式就可计算出该液体的表面张力

5.最大气泡压力法

若在密度为ρ的液体中, 插入一个半径为r的毛细管, 深度为t, 经毛细管吹入一极小的气泡, 其半径恰好与毛细管半径相等。此刻, 气泡内压力最大。根据拉普拉斯公式, 气泡最大压力为：

6.差分最大气泡压力法

差分最大气泡压力法最早是由Sugden 于1921 年提出来的并提出计算公式, 后经过Cuny和Wolf 等的不断改进, 原理是:两个同质异径的毛细管插入被测液体中, 气

泡从毛细管中通过后到达液体中, 测量两个毛细管中气泡的最大压力p1 和p2, 表面张力是压差的函数, 计算公式为