表面張力系數(shù)測(cè)定方法綜述

表面張力測(cè)定方法綜述摘要：本文主要闡述了幾種表面張力測(cè)定的方法關(guān)鍵詞：滴重法毛細(xì)管上升法環(huán)法吊片法最大氣泡壓力法滴外形法前言：表面張力，是液體表面層由于分子引力不均衡而產(chǎn)生的沿表面作用于任一界線(xiàn)上的張力。通常，由于環(huán)境不同，處于界面的分子與處于相本體內(nèi)的分子所受力是不同的。在水內(nèi)部的一個(gè)水分子受到周?chē)肿拥淖饔昧Φ暮狭?，但在表面的一個(gè)水分子卻不如此。因上層空間氣相分子對(duì)它的吸引力小于內(nèi)部液相分子對(duì)它的吸引力，所以該分子所受合力不等于零，其合力方向垂直指向液體內(nèi)部，結(jié)果導(dǎo)致液體表面具有自動(dòng)縮小的趨勢(shì)，這種收縮力稱(chēng)為表面張力。下面介紹幾種測(cè)定表面張力的方法滴重法當(dāng)液體在滴重計(jì)（滴重計(jì)市售商品名屈氏粘力管）口懸掛尚未下滴時(shí)：2兀rQ=mgr：若液體潤(rùn)濕毛細(xì)管時(shí)為外半徑，若不潤(rùn)濕時(shí)應(yīng)使用內(nèi)半徑。o：液體的表面張力。m：液滴質(zhì)量（一滴液體）。g;重力加速度，當(dāng)采用厘米克?秒制時(shí)為981cm/S2但從實(shí)際觀察可知，測(cè)量時(shí)液滴并未全部落下，有部分收縮回去，故需對(duì)上式進(jìn)行校正：2兀rof=m'gm'為滴下的每滴液體質(zhì)量（用分析天平稱(chēng)量）。f稱(chēng)為哈金斯校正因子，它是r/vi/3的函數(shù)；v是每滴液體的體積；可由每滴液體的質(zhì)量除液體密度得到。在上式中r和f是未知數(shù)，可采用已知表面張力的液體（如蒸餾水）做實(shí)驗(yàn)，采用迭代法得到：0a夾套液滴形成過(guò)程針筒稱(chēng)量盤(pán)滴重計(jì)＜25翱聯(lián)轂表面0a夾套液滴形成過(guò)程針筒稱(chēng)量盤(pán)滴重計(jì)＜25翱聯(lián)轂表面樣品設(shè)每滴水質(zhì)量為m'體積為v；先用游標(biāo)卡尺量出滴重計(jì)管端的外直徑D；可得半徑r；用r作初值；求得r/vi/3；查哈金斯校正因子表000（插值法）得f;用水的表面張力c和f代入112兀rof=m'g，1求的第一次迭代結(jié)果r；再由r/vi/3查表得f再代入：112；2冗rof=m'g2求得第二次迭代值r，同法再由r/vi/3代入查表求f,這樣反復(fù)迭2 2 3代直至相鄰兩次迭代值的相對(duì)誤差：|r-r）/r|Weps（epsi-ii i表示所需精度，如1%。）這時(shí)的r就是要求的結(jié)果，記錄貼在滴重管上的標(biāo)簽上，半徑就標(biāo)定好了。求得半徑r后，對(duì)待測(cè)液體只要測(cè)得每滴樣品重和密度，就可由r/vi/3查表得f；由：2兀rQf=m'g就可求得樣品的表面張力。哈金斯校正因子表r/V1/3fr/Vi/3fr/Vi/3f0.001.00000.750.60321.3250.6560.300.72560.390.60001.350.6520.3；0.70110.850.59931.300.6400.400.68280.900.59991.350.6230.450.66690.950.60341.400.6030.500.65151.000.60981.450.5930.550.63621.250.61791.500.5670.600.62501.100.62801.550.5510.650.61711.150.64971.600.5350.700.60931.300.6535純水的表面張力見(jiàn)最大泡壓法實(shí)驗(yàn)；水和酒精的密度數(shù)據(jù)見(jiàn)恒溫技術(shù)與粘度實(shí)驗(yàn)。儀器與藥品屈氏粘力管一根。測(cè)液體比重用比重瓶一個(gè)。游標(biāo)卡尺一根（公用）。50ml和i00ml燒杯各一個(gè)。酒精，表面活性劑溶液（每組一個(gè)，實(shí)驗(yàn)室編好號(hào)）。實(shí)驗(yàn)步驟用游標(biāo)卡尺測(cè)量滴重計(jì)的外半徑。測(cè)量酒精從上刻度到下刻度滴下液滴的總質(zhì)量w和滴數(shù)N。，算出每滴酒精的重量。剩余的酒精倒入回收瓶，烘干滴重計(jì)，冷卻后同法測(cè)量純水的從上刻度到下刻度的總質(zhì)量W和滴數(shù)N。迭代法求得滴重計(jì)的半徑。把多

余的蒸餾水倒掉，把滴重計(jì)用待測(cè)溶液（樣品）蕩洗數(shù)次后，用此溶液測(cè)量從上刻度到下刻度滴下液滴的總質(zhì)量W和滴數(shù)n。計(jì)算該待測(cè)表面活性劑溶液的表面張力。測(cè)量此待測(cè)溶液的比重（方法見(jiàn)實(shí)驗(yàn)后附錄中比重瓶法）毛細(xì)管上升法如圖，將一潔凈的半徑為r的均勻毛細(xì)管插入能潤(rùn)濕該毛細(xì)管的液體中，則由于表面張力所引起的附加壓力，將使液柱上升，達(dá)平衡時(shí)，附加壓力與液柱所形成的壓力大小相等，方向相反：（12-37）式中h為達(dá)平衡時(shí)液柱高度，g為重力加速度，Ap=p—p（p為密度）。由圖中可以看出，曲率半徑r液氣與毛細(xì)管半徑R以及接觸角0之間存在著如下關(guān)系，cos^(12-38)以之代入式（12-37）：(12-38)若接觸角0=0,Cos0=1,Ap=p液則產(chǎn)二盤(pán) （12-39）從式（12-39）可見(jiàn)，若R已知，由平衡液柱上升高度可測(cè)出液體表面張力。若接觸角不為零，則應(yīng)用公式（12-38）。但由于目前接觸角0的測(cè)量準(zhǔn)確度還難以滿(mǎn)足準(zhǔn)確測(cè)定表面張力的要求，因此，該法一般不用于測(cè)定接觸角不為零的液體表面張力。若考慮到對(duì)彎液面的修正，常用公式為：（12-40）―2cos^—毛細(xì)管上升法理論完整，方法簡(jiǎn)單，有足夠的測(cè)量精度。應(yīng)用此法時(shí)除了要有足夠的恒溫精度和有足夠精度的測(cè)高儀外，還須注意選擇內(nèi)徑均勻的毛細(xì)管。最大泡壓法最大氣泡法測(cè)定乙醇水溶液的表面張力，其實(shí)驗(yàn)裝置和原理如圖所示將被測(cè)液體裝于測(cè)定管中，使玻璃管下端毛細(xì)管端面與液面正好相切液面沿毛細(xì)管上升。打開(kāi)抽氣瓶的活塞緩緩放水抽氣，則測(cè)定管中的壓力戶(hù)逐漸減小，毛細(xì)管中壓力p0就會(huì)將管中液面壓至管口，并形成氣泡，其曲率半徑由大而小，直至恰好等于毛細(xì)管半徑r,根據(jù)拉普拉斯(Laplace)公式，這時(shí)能承受的壓力差也最大：△九=s=扎一化=孚隨后大氣壓力將把此氣泡壓出管口,曲率半徑再次增大,因此氣泡表面膜所能承受的壓力差必然減少,實(shí)際上測(cè)定管中的壓力差卻在進(jìn)一步加大,所以立即導(dǎo)致氣泡的破裂。最大壓力差可通過(guò)數(shù)字壓力計(jì)測(cè)得。用同一根毛細(xì)管分別測(cè)定具有不同表面張力的溶液時(shí),可得下列關(guān)系O1=r/2APl o2=r/2AP2 o1=K△P儀器與試劑儀器：表面張力測(cè)定裝置1套,恒溫水浴1套,阿貝折射儀1臺(tái),洗耳球1個(gè),200mL燒杯1只試劑：乙醇(分析純)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、配制溶液用稱(chēng)重法粗略配制5％,10％,15％,20％,25％,30％,35％,40％80％的乙醇水溶液待用。2、測(cè)定儀器常數(shù)調(diào)節(jié)恒溫槽溫度為25°C。將儀器認(rèn)真洗滌干凈，在測(cè)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lOmin。注意使毛細(xì)管保持垂直并注意液面位置，然后按圖C接好系統(tǒng)。慢慢打開(kāi)抽氣瓶活塞，進(jìn)行測(cè)定。注意氣泡形成的速度應(yīng)保持穩(wěn)定，通常以每分鐘約8?12個(gè)氣泡為宜。記錄U型壓力計(jì)兩邊最高和最低讀數(shù)各3次，求出平均值。3、 測(cè)定醇溶液的表面張力以不同濃度的乙醇或正丁醇溶液進(jìn)行測(cè)量。從稀到濃依次進(jìn)行。每次測(cè)量前必須用少量被測(cè)液洗滌測(cè)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、 乙醇系列溶液的折光率測(cè)定乙醇水溶液的準(zhǔn)確濃度，用阿貝折射儀來(lái)確定。阿貝折射儀的使用方法，詳見(jiàn)上篇。吊環(huán)法是廠礦企業(yè)常用測(cè)試方法。儀器有商品供應(yīng)，測(cè)量的平衡性能不太好，儀器本身缺乏恒溫裝置，測(cè)量結(jié)果和其它方法差別較大，其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單（因其結(jié)構(gòu)主要是一個(gè)扭力天平見(jiàn)圖D13-2和圖D13-3）還可以測(cè)液一液界面張力，實(shí)驗(yàn)時(shí)把一個(gè)半徑r的鉑絲制成的環(huán)與液面接觸后再慢慢上拉。（用樣品皿托架下螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)）而形成一個(gè)內(nèi)徑R'外徑為R'十2r的環(huán)形液柱，R'二R-r。設(shè)向上的力為W,當(dāng)平衡時(shí)，W=2兀R'o+2兀（R'+2r）o因?yàn)镽=R'十r故上式可改寫(xiě)為：o=W/（4兀R）

因?yàn)殂K絲環(huán)懸掛在扭力天平一臂上，所以W大小可以從扭力天平讀出,圖D1X吊環(huán)法受力不意圖吊板法圖D1X吊環(huán)法受力不意圖吊板法?D13-3帯環(huán)法表面張力儀吊板法又稱(chēng)吊片法，在文獻(xiàn)中也用其平衡性能也很好，常用的有ST一1型表面張力儀。原理見(jiàn)圖D13-4.它的基本結(jié)構(gòu)為在一自動(dòng)扭力天平上掛一巳知重量為W的矩形吊板（毛玻璃制成），設(shè)其平行于液面的截面矩形長(zhǎng)為x,寬為y,（y實(shí)際上是吊板的厚度），則該矩形周長(zhǎng)為2（x十y），當(dāng)平衡時(shí)，向上的力設(shè)為W'，則：W'-W=2（x十y）?oW'可從自動(dòng)扭力天平上讀出，x,y,w已知，從而可知道％,實(shí)際上從儀器上&讀數(shù)可直接知道大小，無(wú)需作上述計(jì)算。不同的吊板可通儀器上的校正旋扭校正。儀器本身附有超級(jí)恒溫槽，并可測(cè)量接觸角和液液界面張力,該方法操作方便，迅速,

滴外形法滴外形法,顧名思義就是根據(jù)液滴的外形來(lái)測(cè)定表（界）面張力和接觸角的方法,包括懸滴法（pen-dantdropmethod）和躺滴法（sessiledropmethod）,其原理是根據(jù)Laplace關(guān)于毛細(xì)現(xiàn)象的方程:△P=y（1/R1+1/R2）其中y為表（界）面張力,R1和R2表示曲面半徑,△P為界面上的壓力差。在此方程的基礎(chǔ)上后人將其逐步完善和發(fā)展,以表格的形式將實(shí)驗(yàn)信息和各種因子表示出,用于測(cè)定表（界）面張力和接觸角,如Bashforth-Adams的躺滴法,Forham的懸滴法表格等。在已有的數(shù)據(jù)處理方法中,一個(gè)重要的錯(cuò)誤來(lái)源可能與數(shù)據(jù)的獲取有很