滴外形法测定表面张力 - 北京大学化学与分子工程学院- 网站

研究液体表面张力的实验方法液体表面张力是研究液体性质中的重要参数之一，它是指液体分子表面层与内部分子间相互作用的力所产生的现象。

它不仅在科研领域具有重要的应用，也在工业生产当中发挥着关键的作用。

因此，研究液体表面张力的实验方法就显得尤为重要。

一、静态方法静态方法是研究液体表面张力的经典实验方法之一，它主要通过测量液体表面张力引起的曲率现象来间接计算液体表面张力的数值。

最常用的静态方法实验装置可以采用杨-杜龙方程测量液体表面张力，即垂直悬置一根细丝，在液体表面拉伸产生的表面张力作用下，细丝发生变形。

通过测定表面张力引起的细丝偏转角度，可以计算出液体的表面张力数值。

二、动态方法动态方法是一种直接测量液体表面张力的实验方法，它通过测量液体表面张力对于压力差或者表面积变化的响应来确定液体表面张力。

其中，最常见的动态方法是剪切流变法，它利用粘度差异和剪切应力来测量液体之间的表面张力。

实验装置一般采用环形液化学计，将液体放置在环形区域，然后人为地在液体表面施加剪切力，通过测量该区域内剪切液体的粘度而间接计算得到液体表面张力。

三、压降法压降法是一种常用的测量液体表面张力的间接方法，它是通过测量液体在直观流动中产生的压降值来计算液体表面张力。

常见的压降法实验装置可以采用毛细管或者小孔等形式，液体由一个较宽的容器流向较小的通道，流体在通道中受到液体表面张力的阻力，产生压降。

通过测量流体压降的数值，可以计算出液体表面张力。

四、应力法应力法是研究液体表面张力的一种常见方法，它的基本原理是通过外部施加力来改变液体表面的形态，然后测量力的大小和表面形态的变化来计算液体表面张力。

常见的应力法有往复运动法和压缩运动法。

对于往复运动法，可以利用一个往复运动装置施加周期性的力来改变液体表面形态，通过测量力的大小和表面形态的变化来计算液体表面张力。

对于压缩运动法，可以通过利用一个压缩装置施加压力来压缩液体表面，从而测量液体表面张力。

动、静表面张力及其测定方法表面张力是表面的重要性质。

春液体的表面张力可以很快达到平衡，此时的表面质量为静表面张力;而表面活性剂溶液的表面张力随温度、主体相压力、表面活性剂的表面浓度、表面运动状态变化而变化，表现为动态表面张力。

测定静表面张力的方法：1、毛细管升高法当液体完全湿润管壁时, 液- 气界面与固体表面的夹角(接触角)为零, 则接界处的液体表面与管壁平行而且相切, 整个液面呈凹态形状。

如果毛细管的横截面为圆形,则半径越小,弯月面越近似于半球形。

若液体完全不湿润毛细管, 此时的液体呈凸液面而发生毛细下降, 通常情况下液体与圆柱形毛细管间的接触角H介于0b—180b ,即液体对毛细管的湿润程度处于完全湿润与完全不湿润之间。

式中C为表面张力, v Q是液相与气相的密度差, g是重力加速度, h为液面上升高度, r 为毛细管半径, H是固- 液接触角。

只要测得液柱上升(或下降)高度和固- 液接触角, 就可以确定液体的表面张力。

应用此法测定液体表面张力, 要求固- 液面接触角H最好为零。

当精确测量时,需要对毛细管内液面上升高度h进行校正。

当液面位置很难测准时,可通过测量两根毛细管的高度差计算表面张力,其计算公式为:h1、h2分别为两毛细管液面上升高度, r1、r2分别为两毛细管半径2、吊片法3.DuNouy吊环法和Wihelmy吊片法吊环法的基本原理是, 将浸在液面上的金属环(铂丝制成)脱离液面, 其所需的最大拉力, 等于吊环自身重量加上表面张力与被脱离液面周长的乘积。

T i mber g和Sondhauss 首先使用此法, 但DuNouy第一次应用扭力天平来测定此最大拉力。

Harkins和 Jordan引进了校正因子, 可以用来测定纯液体表面张力,测定时必须注意其表面张力有时间效应。

此外,将吊环拉离液面时要特别小心,以免液面发生扰动。

吊片法是测定当打毛的铂片、玻片或滤纸片的底边平行界面并刚好接触(未脱离 )界面时的拉力。

吊片法测量液体的表面张力(补充讲义)由于液相和气相的密度差异，液体的表面层中的分子,受到了一个指向液相内部并垂直于界面的引力，使得液体表面就如张紧的弹性薄膜，在这张薄膜上存在着收缩张力,使液体表面有收缩到最小的趋势，水滴, 汞滴一般呈球形就是这个原因. 单位长度上的收缩张力称为表面张力. 溶液的表面张力与温度、浓度、电解质、有机醇含量等多种因素有关。

液体的许多现象与表面张力有关, 例如:毛细现象、润湿现象、泡沫的形成等。

测量液体表面张力的方法很多，如毛细管上升下降法、吊环法（参见教材p111,实验8），最大泡压法、滴重法、悬滴法等，本实验介绍Wilhelmy 吊片法。

目的与要求1.学习吊片法测量液体表面张力的原理和方法。

2.学习表面活性剂临界胶束浓度的测量方法。

原理1表面张力的测量Wilhelmy 吊片法又称吊板法，如图1所示，采用盖玻片、云母片、滤纸或铂箔竖平板插入液体，使其底边与液面接触，测定吊片脱离液体所需与表面张力相抗衡的最大拉力F ，也可将液面缓慢地上升至刚好与吊片接触，由此可知：图1 吊片法 θθ θγcos )(2t l G F ++=（1） 其中，F 为砝码的重量，G 为吊片的重量, l －吊片的宽度，t －吊片的厚度，θ为接触角。

由于接触角θ难于测准，一般预先将吊片加工成粗糙表面，并处理得非常洁净，使吊片被液体湿润， 接触角θ→0，cos θ→1，如图2所示，同时t 和l 相比非常小，可忽略不计,则上式变为：γl G F 2+=(2) lG F l W 22−=Δ=γ (3) 由式（3）算得的表面张力值可准确至0.1％。

吊片法直观可靠，不需要校正因子，这与其它脱离法有所不同，还可以测量液－液界面张力。

目前这种方法应用较广泛，所用的天平上一般都带有自动记录装置，还可以和计算机相连后，测量动表面张力。

图2 吊片受力示意图2.表面活性剂能显著降低水的表面张力的物质称为表面活性剂，它的分子一般是由亲油基和亲水基两部分组成。

物理化学中表面张力的测量方法与应用表面张力，简单来说就是某种物质的表面呈现出的微观力学特性，它是交界处分子之间相互作用力的产物。

在物理化学领域，表面张力是一个十分重要的研究对象，因为它与很多物质的性质密切相关。

例如，液体表面张力的大小可以影响它的稳定性、光泽度、流动性以及在涂料、油漆、化妆品等各种工业领域的应用。

本文将介绍物理化学中表面张力的测量方法和应用。

一、环法测量法环法测量法是分析液体表面张力的一种古老但常用的测量方式。

其基本思想是根据液体静止在异形环表面的原理来测量液体的表面张力。

环法测量法需要一定的实验技巧和精度，通常需要进行多次测量求平均值，然后计算液体的表面张力。

二、降相压法测量法降相压法是现代物理化学中应用比较广泛的测量表面张力的方法之一。

该方法通过实验中降低液体与大气的接触面积，从而使液体表面发生凸起现象，通过对凸起高度测量来确定液体的表面张力。

这种方法较为准确，且操作相对简单，可以应用于多种液体的表面张力测量。

三、应用由于表面张力能够反映液体中分子间相互作用的强弱，常常被应用于多种领域的研究。

例如，测量液体表面张力可以用于估算大气湿度、优化化工加工参数以及开发新型液体表面技术等领域。

在医学和生物学领域，测量表面张力也具有很大的作用。

例如，在研究细胞膜时，表面张力的改变往往能够影响细胞膜的形状、钙离子的通道以及细胞内多种代谢过程。

此外，许多家用品和日化用品中也运用了表面张力的原理。

例如，洗衣液、洗碗液等清洁用品中含有高表面活性剂含量的成分，以减小水面张力来更好地清洁杂质和污渍。

此外，在食品和饮料生产中，通过调整添加剂的种类和浓度等可以控制产品的表面张力以达到理想的性质。

总之，表面张力的测量方法和应用十分的广泛。

这种物理现象的研究和应用已经深入到了物理化学领域以及生活的各个方面，其研究仍在不断深入和扩展。

滴体积法测定液体表面张力摘要:表面张力是液体的基本物化性质之一。

采用自制的滴体积法实验装置，以蒸馏水的表面张力作为标准，通过计算得到相关参数，从而利用相关联的参数测定和计算乙醇和异丙醇的表面张力。

关键词：滴体积法；表面张力；蒸馏水标准；关联参数引言：表面张力是一种特殊的力，它是液体性质的一种表现。

测定表面张力的方法有很多种，如毛细光上升法，滴体积法，最大气泡法，吊片法等。

滴体积发最早是由Tate于1864年提出，经过Harkins和Brown严密的数学推理和精确的实验研究，得出了可将Tate定理应用与实际的校正系数。

随后Wilkson及吴树森等人又将校正因子的范围进一步拓宽，最终使滴体积法成为测液体表面张力的一种基本方法。

实验部分：实验原理：液体在毛细管口成滴下落前的瞬间，落滴所受的重力与管口半径及液体的表面张力有关。

用公式表示为：γ=F・V・ρ・g/R其中V测出的液体体积，ρ为液体密度(g/mL)，g为重力加速度( 98017cm1s-2)，R为滴头半径，F为校正系数，它是为了校正液滴滴落过程中的变形和部分残留的影响而引入的。

经过实验测定，校正系数是V/R3的函数，与待测液体表面张力，密度，粘度及滴管材料无关。

校正系数与V/R3的经验关系已用列表形式给出。

曲线形状见图：通过测定蒸馏水，得到V和ρ，然后通过书上查表得到相应的表面张力γ值，通过γ=F・V・ρ・g/R关系式，得到校正系数F和针头半径R的关系式。

然后又因为和V/R3 的关系，通过查表，得到相应的使两个关系式成立的R，然后带入测定乙醇和异丙醇的公式中（因为整个实验使用同一套装置），通过查表得相应V/R3对应的F ，于是通过公式计算得到乙醇和异丙醇的表面张力。

实验仪器：橡胶管一根；移液管（1mL）一根；注射器针头一个；小烧杯（50mL）；洗瓶一个；蒸馏水；无水乙醇；异丙醇。

实验过程：记录当时的实验温度，依次查出相应的蒸馏水的密度和表面张力。

实验D-13 滴重法测定液体的表面张力实验目的用滴重法测量液体的表面张力，学会用校正因子表，迭代计算毛细管的半径。

实验原理当液体在滴重计(滴重计市售商品名屈氏粘力管)口悬挂尚未下滴时： r ：若液体润湿毛细管时为外半径，若不润湿时应使用内半径。

σ: 液体的表面张力。

m ：液滴质量(一滴液体)。

g ；重力加速度，当采用厘米.克.秒制时为 981cm ／S 2但从实际观察可知，测量时液滴并未全部落下，有部分收缩回去，故需对上式进行校正： m ’为滴下的每滴液体质量(用分析天平称量)。

f 称为哈金斯校正因子，它是r ／v 1/3的函数；v 是每滴液体的体积；可由每滴液体的质量除液体密度得到。

在上式中r 和f 是未知数，可采用已知表面张力的液体（如蒸馏水）做实验，采用迭代法得到： 设每滴水质量为m ’，体积为v ；先用游标卡尺量出滴重计管端的外直径D ；可得半径r 0；用r 0作初值；求得r 0/ v 1/3；查哈金斯校正因子表（插值法）得f 1；用水的表面张力σ和f 1代入12'r f m g πσ=；求的第一次迭代结果r 1；再由r 1/ v 1/3查表得f 2 ；再代入：22'r f m g πσ=求得第二次迭代值r 2，同法再由r 2/ v 1/3代入查表求f 3 ，这样反复迭代直至相邻两次迭代值的相对误差：┃（r i-1-r i ）/ r i ┃≤eps （eps 表示所需精度，如1‰）这时的r 就是要求的结果，记录贴在滴重管上的标签上，半径就标定好了。

求得半径r 后，对待测液体只要测得每滴样品重和密度，就可由r/ v 1/3查表得f ；由： 2'r f m g πσ= 就可求得样品的表面张力。

纯水的表面张力见最大泡压法实验；水和酒精的密度数据见恒温技术与粘度实验。

仪器与药品屈氏粘力管一根。

测液体比重用比重瓶一个。

游标卡尺一根（公用）。

50ml 和100ml 烧杯各一个。

实验D-13 滴重法测定液体的表面张力实验目的用滴重法测量液体的表面张力，学会用校正因子表，迭代计算毛细管的半径。

实验原理当液体在滴重计(滴重计市售商品名屈氏粘力管)口悬挂尚未下滴时：2r mg πσ=r ：若液体润湿毛细管时为外半径，若不润湿时应使用内半径。

: 液体的表面张力。

m ：液滴质量(一滴液体)。

g ；重力加速度，当采用厘米.克.秒制时为 981cm ／S 2但从实际观察可知，测量时液滴并未全部落下，有部分收缩回去，故需对上式进行校正： 2'r f m g πσ=m ’为滴下的每滴液体质量(用分析天平称量)。

f 称为哈金斯校正因子，它是r ／v 1/3的函数；v 是每滴液体的体积；可由每滴液体的质量除液体密度得到。

在上式中r 和f 是未知数，可采用已知表面张力的液体（如蒸馏水）做实验，采用迭代法得到：设每滴水质量为m ’，体积为v ；先用游标卡尺量出滴重计管端的外直径D ；可得半径r 0；用r 0作初值；求得r 0/ v 1/3；查哈金斯校正因子表（插值法）得f 1；用水的表面张力 和f 1代入12'r f m g πσ=；求的第一次迭代结果r 1；再由r 1/ v 1/3查表得f 2 ；再代入：22'r f m g πσ=求得第二次迭代值r 2，同法再由r 2/ v 1/3代入查表求f 3 ，这样反复迭代直至相邻两次迭代值的相对误差：┃（r i-1-r i ）/ r i ┃≤eps （eps 表示所需精度，如1‰）这时的r 就是要求的结果，记录贴在滴重管上的标签上，半径就标定好了。

求得半径r 后，对待测液体只要测得每滴样品重和密度，就可由r/ v 1/3查表得f ；由： 2'r f m g πσ= 就可求得样品的表面张力。

仪器与药品屈氏粘力管一根。

测液体比重用比重瓶一个。

游标卡尺一根（公用）。

50ml 和100ml 烧杯各一个。

酒精，表面活性剂溶液（每组一个，实验室编好号）。

表面张力的测定方法医药化工学院应用化学（化妆品方向）10（2）班阮怀金1015512260摘要：在没有外力的影响或影响不大时，液体总是趋向于成为球状，可见液体总是有自动收缩而减少表面积，从而降低表面自由能的趋势。

表面张力是表面活性剂的一项重要性质，也是表面活性剂水溶液的重要特性之一。

根据表面张力的大小，可确定表面活性剂的别的表面活性，也可以了解表面活性剂在界（表）面吸附过程中所起作用的机理，因此表面张力的测定很有必要【1】。

表面张力无法直接通过热力学微分关系式从状态方程导出，精确可靠的表面张力实验数据只能通过精密测量得到。

关键词：表面张力；滴重法；毛细管上升法；最大气泡压力法；差分最大气泡压力法；Wilhelmy 盘法；环法；滴外形法；振荡射流法；旋滴法；悬滴法一、测定方法液体表面张力的测定方法分静态法和动态法。

静态法【2-3】有毛细管上升法、DuNouy吊环法、Wilhelmy盘法、旋滴法、悬滴法、滴体积法、最大气泡压力法；动态法【4-5】有旋滴法、震荡射流法和悬滴法等。

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，振荡射流法可以用来测定动态表面张力。

静态法测定表面张力1、滴重法【6】1.1、基本原理滴重法也叫做滴体积法，这种反分法比较精确而且简便。

其基本原理是：自一毛细管滴头滴下液体时，液滴的大小与液体的表面张力有关，即表面张力越大，滴下的液滴也越大，二者存在关系式：W=2πRγf (1)γ=W/(2πRf} (2)式中，W为液滴的重量；R为毛细管的滴头半径，其值的大小由测量仪器决定；f为校正系数。

一般实验室中测定液滴体积更为方便，因此式（2）又可写为：γ=(Vρg/R)×(1/2πf) (3)式中，V为液滴体积；ρ为液体的密度；f为校正因子。

对于特定的测量仪器和被测液体，R和ρ是固定的，在测量过程中，只要测出数滴液体的体积, 就可计算出该液体的表面张力。

实验报告题目C9.表面张力的测定一：实验目的掌握两种表面张力测量方法：1、毛细管升高法。

2、滴重法。

（1） 毛细管升高法二：实验原理当一根洁净的、无油脂的毛细管浸入液体，液体在毛细管内升高到h 高度，在平衡时，满足πr 2ρgh=2πγrcos θ所以有 θρ=γcos 2ghr式中，r 为毛细管的外半径，γ为表面张力，g 为重力加速度，θ为接触角，ρ为水的密度。

对于清洁的玻璃和水，接触角θ近似为零，则γ=ρghr/2三：实验仪器及药品高锰酸钾溶液长约25㎝,0.2㎜直径的毛细管,读书显微镜,小试管四：实验步骤将毛细管洗净，干燥。

与小试管中倾入蒸馏水，从管口慢慢将空气吹入试管中，待毛细管中液体升高后，停止吹气。

待待液体回到平衡高度，用尺子测量其高度h 。

重复一次，再次测量高度h ，看是否一样，两次测量的高度应相等，否则应洗清毛细管重新测量。

接着将毛细管浸入有色的高锰酸钾溶液中，然后用读数显微镜观察其毛细管的直径d 。

五：数据记录与处理水温t=19.3 。

C毛细管中的液面高度h=3.45cm毛细管的直径d=0.915mm 半径 r=0.4575mm根据式子γ=ρghr/2得γ=77.34×10-3 N ·m -1（2）滴重法二：实验原理从上图中可以看出，当达到平衡时，从外半径为r的毛细管滴下的液体质量，应等于毛细管周边乘以表面张力（或界面张力），即（1）式子中：m为液滴质量，r为毛细管的外半径，γ为表面张力，g为重力加速度。

事实上，滴下来的仅是液滴的一部分。

（1）式给出的液滴是理想液滴。

经实验证明，滴下来的液滴大小是V/r3的函数，即由f（V/r3）所决定（其中V 是液滴体积）。

（1）式可变为mg=2πrγf（V/r3）（2）γ=mg/（2πr f（V/r3））=Fmg/r (3)式（3）中的F为校正因子。

可以查表得出。

三：实验仪器及药品毛细管（末端磨平），称量瓶，读数显微镜，铁架台四：实验步骤1、装好仪器，把待测液充满毛细管，并调节液位使液滴按一定时间间隔滴下。

溶液中的吸附作用和表面张力的测定一、实验目的1、 掌握最大气泡法和滴重法测定表面活性物质正丁醇的表面张力，并且利用Gibbs 吸附公式和Langmuir 吸附等温式测定正丁醇分子的横截面积。

2、 训练学生利用毛细管和数字式微压测量仪以及滴重管测定表面张力的方法，并通过曲线及直线拟合处理得到不同数据。

3、 培养学生在实验中严谨的实验作风和态度，并对学生的科研兴趣进行初步的指导。

二、实验原理1. 物体表面分子和内部分子所处的境遇不同，表面层分子受到向内的拉力，所以液体表面都有自动缩小的趋势。

如果把一个分子由内部迁移到表面，就需要对抗拉力而做功。

在温度、压力和组成恒定时，可逆地表面增加dA 所需对体系做的功，叫表面功，可以表示为：W dA δσ'-=式中σ为比例常数。

σ在数值上等于当T 、p 和组成恒定的条件下增加单位表面积所必须对体系做的可逆非膨胀功，也可以说是每增加单位表面积时体系自由能的增加值。

环境对体系作的表面功转变为表面层分子比内部分子多余的自由能。

因此，σ称为表面自由能，其单位是焦耳每平方米（J/m 2）。

若把σ看作为作用在界面上每单位长度边缘上的力，通常称为表面张力。

从另外一方面考虑表面现象，特别是观察气液界面的一些现象，可以觉察到表面上处处存在着一种张力，它力图缩小表面积，此力称为表面张力，其单位是牛顿每米（N/m ）。

表面张力是液体的重要特性之一，与所处的温度、压力、浓度以及共存的另一相的组成有关。

纯液体的表面张力通常是指该液体与饱和了其本身蒸气的空气共存的情况而言。

2、 纯液体表面层的组成与内部层相同，因此，液体降低体系表面自由能的唯一途径是尽可能缩小其表面积。

对于溶液则由于溶质会影响表面张力，因此可以调节溶质在表面层的浓度来降低表面自由能。

根据能量最低原则，溶质能降低溶剂的表面张力时，表面层中溶质的浓度应比溶液内部来得大。

反之溶质使溶剂的表面张力升高时，它在表面层中的浓度比在内部的浓度来得低，这种表面浓度与溶液内部浓度不同的现象叫“吸附”。