最大气泡法测表面张力

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1、液体的表面张力的一些影响因素：液体的表面张力与温度有关，温度愈高，表面张力愈小。到达临 界温度时，液体与气体不分，表面张力趋近于零。液体的表面张力与液体的纯度有关。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。附加压力与表面张力的关系用拉普拉斯方程表示：（表面张力的公式）式中/为表面张力，R为弯曲表面的曲率半径，该公式是拉普拉斯方程的特殊式，适用于当弯曲表面刚好为半球形的情况。毛细现象：毛细现象则是弯曲液面下具有附加压力的直接结果。假设溶液在毛细管表面完全润湿，且液面为半球形，则由拉普拉斯方程以及毛细管中升高（或降低）的液柱高

2、度所产生的压力AP二p g h,通过测量液柱高度即可求出液体的表面张力。 这就是毛细管上升法测定溶液表面张力的原理。 此方法要求管壁能被液体完全润湿，且液面呈半球形。实际上，最大泡压法测定溶液的表面张力是毛细管上升法的一个逆过程。其装置图如图所示，将待测表面张力的液体装于表面张力仪中，使毛细管的端面与液面相切，由于毛细现象液面即沿毛细管上升，打开抽气瓶的活塞缓缓抽气，系统减压，毛细管内液面上受到一个比表面张力仪瓶中液面上（即系统）大的压力，当此压力差附加压力（Ap = p大气一p系统）在毛细管端面上产生的作用力稍大于毛细管口液体的表面张力时，气泡就从毛 细管口脱出，此附加压力与表面张力成正比，

3、与气泡的曲率半径 成反比，其关系式为拉普拉斯公式：在定温下纯液体的表面张力为定值，只能依靠缩小表面积来降低 自身的能量。而对于溶液，既可以改变其表面张力，也可以减小 其面积来降低溶液表面的能量。通常以降低溶液表面张力的方法 来降低溶液表面的能量。表面张力与浓度的关系：以表面张力对浓度作图，可得到o -C曲线。开始时o随浓度增加而 迅速下降，以后的变化比较缓慢。在o -C曲线上任选一点a作切线， 得到在该浓度点的斜率经，代入吉布斯吸附等温式，得到该浓度时的 表面超量（吸附量），同理，可以得到其他浓度下对应的表面吸附量 以不同的浓度对其相应的厂可作出曲线，厂=f（C）称为吸附等温线。图 17-6

4、表面张力和浓度关系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510 so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o ，则仪器常数K = 水 Ah最大我们也可以这样，通过得到仪器常数，测量其他介质的表面张力。由手册查出或由下式计算出纯水在实验温度下的6求出仪器常数kolno (N m-i) = -2.5818-1.812 X 10-it - 7.037X 10-612(tt=0 40C)，/C103Xo /(N m-1)t/C103Xo /(N m-1)

5、t/C103Xo /(N m-1)t/C103Xo /(N -1)075.641773.192671.826066.18574.921873.052771.667064.421074.221972.902871.508062.611174.072072.752971.359060.751273.932172.593071.1810058.851373.782272.443570.3811056.891473.642372.284069.5612054.891573.592472.134568.7413052.841673.342571.975067.91附录:不同温度下水的表面张力m摘自： J

6、 ohn A Dean. Langes Handbook of Chemis try. New York:McGraw-Hill Book Company Inc, 1973. 10265【注意事项】1.仪器系统不能漏气。2. 所用毛细管必须干净、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，应取气泡单个逸出时的最大压力差。 最大气泡法测表面张力的优缺点：最大气泡法具有装置简单、操作容易、测定迅速等优点，但其最大缺 点是测量精度不够理想，是一个动态的测定方法。不过，最大气泡法 已被成功应用于一些粘度较大的液体、熔盐等体系 的表面张力的测 定。这是其它方法不能代替的。实验评注与

7、拓展:本实验成功的关键：仪器系统不能漏气；所用毛细管必须干净、干燥， 应保持垂直，其管口刚好与液面相切；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。常见问题的讨论:1在测量中，如果抽气速率过快，对测量结果有何影响？答：若抽气速度太快，气泡的形成与逸出速度快而不稳定；亦使J型压力计中的酒精所处的位置相对不稳定，来回速度跳动，致使读数不 稳定，不易观察出其最高点而起到较大的误差。2如果将毛细管末端插入到溶液内部进行测量行吗？为什么？答：不行。如果将毛细管末端插入到溶液内部，毛细管内会有一段水柱，产生压力P ，则测定管中的压力Pr会变小，Apmax会变大， 测量结果偏

8、大。3. 本实验中为什么要读取最大压力差？答：如果毛细管半径很小，则形成的气泡基本上是球形的。当气泡开 始形成时，表面几乎是平的，这时曲率半径最大；随着气泡的形成， 曲率半径逐渐变小，直到形成半球形，这时曲率半径R和毛细管半径 r相等，曲率半径达最小值，根据拉普拉斯(Laplace)公式，此时能 承受的压力差为最大： pmax = p0 - pr = 2o /丫。气泡进一步长 大， R 变大，附加压力则变小，直到气泡逸出。最大压力差可通过数 字式微压差测量仪得到。4. 表面张力仪的清洁与否和温度的不恒定对测量数据在何影响 答：若玻璃器皿不清洁和温度的不恒定，则气泡将会不能连续稳定地 流过，而使

9、压差计读数不稳定。温度对O、G和折射率都有较大的影 响。虽然质量百分浓度与温度无关，但由于折射率随温度的波动，若 温度不恒定，故难得出未知溶液的准确浓度。5. 温度和压力的变化对测定结果有何影响？ 答：温度愈高，表面张力愈小，到达临界温度时，液体与气体不分，表面张力趋近于零。最大泡压法测定时，系统与外界大气的压力差愈 大，表面张力就越大。但是我们在测量时，开始时已经是系统与大气 的压力相同了(调零)，所以此时大气的压力已经不再是影响表面张 力的因素了。测定表面张力有很多种方法，如前述毛细管上升法，最大气泡法，还 有滴重法、吊环法等。吊环法测表面张力：吊环法是将吊环浸入溶液中，然后缓缓将吊环拉出

10、 溶液，在快要离开溶液表面时，溶液在吊环的金属环上形成一层薄膜， 随着吊环被拉出液面，溶液的表面张力将阻止吊环被拉出，当液膜破裂 时，吊环的拉力将达到最大值。自动界面张力仪将记录这个最大值P。按照公式校正后，可以得出溶液的表面张力数值Y校正因子：F=O7250+ (OO1452P/CD+004534-1679r/R) 12 式中 P：界面张力仪显示读数值 mN m-iC：铂丝环周长cm R：铂丝环半径c D：溶液的密度gmL-i r：铂 丝的半径 cm常用表面张力系数测量方法：液膜拉脱法、毛细管液面升高法、平板法、最大泡压法、滴重法应用领域解释涉及液体表面的许多现象：如毛细现象、泡沫形成、喷液

11、成雾在许多工程技术上都需要对表面张力进行研究和测量：如结晶、焊接、铸造、浮选、土壤保 水滴重法1。铂金板法：通过当感测浸入到被测液体后，白金板周围就会受到 表面张力的作用，液体的表面张力会将白金板尽量往下拉。当液体表 面张力及其他相关的力与平衡力均衡时，感测白金板就会停止向液体 内部浸入。这时候仪器的平衡感应器就会测量浸入深度，并将它转化 为液体的表面张力。2。铂多环法：由于被广泛应用于 du Nouy 表面张力仪，这种方法又 被称为 du Nouy 法。并因之操作简便而被广泛使用，白金环法这个称 法是因测试部分与液体样品间会形成一个环形液柱而得的。（环法优 点是速度快，需要样品量少。尤其当研

12、究表面张力快速变化的溶液， 只有环法能得到满意结果。）【实验原理】1. 表面张力在液体内部，任一分子受四周分子的吸引力是平衡的，但液体表 面层的分子却要受到向内的拉力，因此要使液体的表面积增大，就必 须反抗分子向内的拉力而作功，说明了分子在表面层内比在液体内部 有较大的势能，这势能就是表面自由能。在恒温、恒压及组成不变的 条件下，使表面积可逆地增加dA,体系自由能的增量dG应等于环境 对体系所做的表面功-6 w即dG = -6 w=o dA(1)式中o为比例常数，其物理意义是在恒温恒压组成不变的条件 下，增加单位表面积时引起体系自由能的增加值，因此T称为比表面 自由能，其量纲为Jm-2。因其量

13、纲又可以写成N. m-i,所以。还可 称为表面张力，其物理意义是沿着与表面相切的方向，垂直作用于表 面单位长度上的力。表面张力是液体的重要特性之一，它与所处的温 度、压力、浓度以及共存的另一相的组成有关。2. 溶液的表面吸附纯液体表面层的组成与内部组成相同，因此液体只能通过尽可能地缩小其表面以降低体系的表面自由能。对于溶液，由于溶质能引起 溶剂表面张力的变化，因此可通过调节溶质在表面层的浓度来降低表 面能。若溶质能降低溶剂的表面张力时，则表面层中溶质的浓度大于 溶液内部溶质的浓度；反之，如果溶质能使溶剂的表面张力升高， 则表面层中溶质的浓度小于溶液内部溶质的浓度。这种表面浓度与溶 液内部浓度不

14、同的现象叫做溶液的表面吸附。在一定的温度和压力 下，吉布斯用热力学的方法推导出了溶液表面吸附量与溶液的表面张 力和溶液浓度之间的关系，即式中为表面超量(mol m-2), a为溶液的表面张力(J m-2),T为热力学温度(K), c为溶液的浓度(mol dm-3), R为气体常数。如果加入溶质使液体表面张力降低，即V0,贝疔0,此时溶液 表面层的浓度大于溶液内部的浓度，称为正吸附，此类物质称为表面 活性物质。如果加入溶质使液体表面张力升高，即0,贝忻0,此 时溶液表面层的浓度小于溶液内部的浓度,称为负吸附,此类物质称 为非表面活性物质。由吉布斯吸附等温式可看出,只要测得某温度下不同浓度溶液 的

15、表面张力，以ac作图，在y c的曲线上作不同浓度下的切线， 可获得不同浓度所对应的斜率 ,将斜率代入(2)式中,即可求出不 同浓度时气一液界面上的吸附量。如图是最大气泡法测定表面张力的装置示意图。待测液体置于支管试管中 使毛细管端面与液面相切，液面随毛细管上升。打开滴液漏斗缓慢抽气。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 从毛细管缓慢析岀气泡；在气泡形成的过程中，由于表面张力的作用，凹液面产 空一个指向液面外的附加压力因此有以下关系：屮P汽岂二P疏+4附力口压力与表面张力成正比，与气泡的曲率半径尺成反比。4若毛细管管径较/卜 则形成的气泡可视为球形；气泡

16、刚形成时，由于表面 几乎是平的，所以曲率半径R极大；当气泡形成半球形时，曲率半径R零于毛细 管半径理此劈R值最小。随着气泡的进一歩增大，尺又趋增大爭直至逸岀液砾 局时、，附加压力最大：八最大附加压力由数字微压差计或U型管压差计读出。中用数字微压差可以直接读岀压差的值tH2O fij. 9体系的导气管 微压差计的负压口L）：建正压口与大气相通。下式中，P为工作介质密度, g为重力加速度上贝/亠APm二邸g屮 = jrAUPg在实验中使用同一支毛细管和压差计，-rP g为常数仪器常数）.2用K表示，即：#口二K加屮用已知表面张力的植体作为标推；可以测得彼器常数K,也可以测定其它 求知液体的表面张力。亠ILIJmSNET吸附量与浓度之间的关系可以用Langmir等温吸附方程式表示：*