表面张力系数测定方法综述

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1、表面张力测定方法综述摘要：本文主要阐述了几种表面张力测定的方法关键词：滴重法毛细管上升法环法吊片法 最大气泡压力法滴外形法前言：表面张力，是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面 作用于任一界线上的张力。通常，由于环境不同，处于界面的分子与 处于相本体内的分子所受力是不同的。在水内部的一个水分子受到周 围水分子的作用力的合力为0，但在表面的一个水分子却不如此。因 上层空间气相分子对它的吸引力小于内部液相分子对它的吸引力所 以该分子所受合力不等于零，其合力方向垂直指向液体内部，结果导 致液体表面具有自动缩小的趋势，这种收缩力称为表面张力。下面介 绍几种测定表面张力的方法滴重法当液体在滴重计（

2、滴重计市售商品名屈氏粘力管口悬挂尚未下滴时：2 兀 rb = mgr：若液体润湿毛细管时为外半径，若不润湿时应使用内半径。b：液体的表面张力。山：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/S2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 /vi/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：屈氐 粘力管图口13-1滴重法测表面 张力与恒温装置设每滴水质量为

3、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。；用r。作初值；求得r/vi/3；查哈金斯校正因子表 （插值法）得f用水的表面张力。和代入2 兀 2 f = m g ；求的第一次迭代结果七；再由r1/ vi/3查表得f2 ；再代入：2 兀 rb f = m g求得第二次迭代值七，同法再由r2/ vi/3代入查表求f3，这样反复迭 代直至相邻两次迭代值的相对误差：| ri-i-ri）/ri |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/vi/3查表得f ；由

4、：2 兀 P f = m g就可求得样品的表面张力。哈金斯校正因子表r / V i/3fr / V 1 /3fr / V 1/3f0.001.00000.750.60321.3250.6560.300.72560.390.60001.350.6520.3；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

5、.650. 61711. 150.64971.600.5350.700.60931.300.6535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。酒精，表面活性剂溶液（每组一个，实 验室编好号）。实验步骤1. 用游标卡尺测量滴重计的外半径。测量酒精从上刻度到下刻度滴下 液滴的总质量W和滴数n。，算出每滴酒精的重量。2. 剩余的酒精倒入回收瓶，烘干滴重计，冷却后同法测量纯水的从上刻度到下刻度的总质量W和滴数n。迭代法求得滴重计的半径。把多余的蒸馏水倒掉，3. 把滴重

6、计用待测溶液（样品）荡洗数次后，用此溶液测量从上刻度 到下刻度滴下液滴的总质量W和滴数n。计算该待测表面活性剂溶液 的表面张力。4. 测量此待测溶液的比重（方法见实验后附录中比重瓶法）毛细管上升法如图，将一洁净的半径为r的均匀毛细管插 入能润湿该毛细管的液体中，则由于表面张力 所引起的附加压力，将使液柱上升，达平衡 时，附加压力与液柱所形成的压力大小相等， 方向相反：（12-37） 式中h为达平衡时液柱高度，g为重力加速度，Ap =p液一p气（p为密度）。由图中可以看出，曲率半径r 与毛细管半径R以及接触角e之间存在着如下关系，cos(12-38)以之代入式（12-37）：若接触角 e =0，

7、Cose =1， a p =p/二；pgh、R（12-39）从式（12-39）可见，若R已知，由平衡液柱上升高度可测出液体表 面张力。若接触角不为零，则应用公式（12-38）。但由于目前接触 角6的测量准确度还难以满足准确测定表面张力的要求，因此，该 法一般不用于测定接触角不为零的液体表面张力。若考虑到对弯液面的修正，常用公式为：（小书就日（12-40）2cos毛细管上升法理论完整，方法简单，有足够的测量精度。应用此法时 除了要有足够的恒温精度和有足够精度的测高仪外，还须注意选择内 径均匀的毛细管。最大泡压法最大气泡法测定乙醇水溶液的表面张力，其实验装置和原理如图所示。将被测液体装于测定管中，

8、使玻璃管下端毛细管端面与液面正好相切， 液面沿毛细管上升。打开抽气瓶的活塞缓缓放水抽气，则测定管中的 压力户逐渐减小，毛细管中压力p0就会将管中液面压至管口，并形成 气泡，其曲率半径由大而小，直至恰好等于毛细管半仔，根据拉普 拉斯(Laplace)公式，这时能承受的压力差也最大：pg = K K =气随后大气压力将把此气泡压出管口，曲率半径再次增大，因此气泡表 面膜所能承受的压力差必然减少，实际上测定管中的压力差却在进一 步加大，所以立即导致气泡的破裂。最大压力差可通过数字压力计测 得。用同一根毛细管分别测定具有不同表面张力的溶液时，可得下列关系O 1 =r/2A P1O 2 =r/2A P2

9、o 1 = K P仪器与试剂仪器：表面张力测定装置1套，恒温水浴1套，阿贝折射仪1台，洗 耳球1个，200mL烧杯1只试剂：乙醇(分析纯)实验内容1、配制溶液用称重法粗略配制5%，10%，15%，20%，25%，30%，35%，40% 80%的乙醇水溶液待用。2、测定仪器常数调节恒温槽温度为25C。将仪器认真洗涤干净，在测定管中注入蒸 馏水，使管内液面刚好与毛细管口相接触，置于恒温水浴内恒温10min。 注意使毛细管保持垂直并注意液面位置，然后按图C接好系统。慢慢 打开抽气瓶活塞，进行测定。注意气泡形成的速度应保持稳定，通常 以每分钟约812个气泡为宜。记录U型压力计两边最高和最低读数 各3次

10、，求出平均值。3、测定醇溶液的表面张力以不同浓度的乙醇或正丁醇溶液进行测量。从稀到浓依次进行。每次 测量前必须用少量被测液洗涤测定管，尤其是毛细管部分，确保毛细 管内外溶液的浓度一致。4、乙醇系列溶液的折光率测定乙醇水溶液的准确浓度，用阿贝折射仪来确定。阿贝折射仪的使用方 法，详见上篇。吊环法是厂矿企业常用测试方法。仪器有商品供应，测量的平衡性能不太好， 仪器本身缺乏恒温装置，测量结果和其它方法差别较大，其优点是操 作简单（因其结构主要是一个扭力天平见图D13-2和图D13-3）还可 以测液一液界面张力，实验时把一个半径r的铂丝制成的环与液面接 触后再慢慢上拉。（用样品皿托架下螺旋转动）而形成

11、一个内径R， 外径为R十2r的环形液柱，R二R-r。设向上的力为W，当平衡时，W=2兀Rb + 2兀（R + 2r ） b因为R=R十r故上式可改写为：b = W/ （4兀R）因为铂丝环悬挂在扭力天平一臂上，所以W大小可以从扭力天平读出， 在出厂时，扭力天平刻度盘上已直接标上表面张力量度大小，故可直 接读出表面张力大小。吊板法吊板法又称吊片法，在文献中也用其平衡性能也很好，常用的有ST 一 1型表面张力仪。原理见图D13-4.它的基本结构为在一自动扭力天平上挂一巳知重量为W的 矩形吊板（毛玻璃制成），设其平行于液面的截面矩形长为x，宽 为y，（y实际上是吊板的厚度，则该矩形周长为2（x十y），

12、当 平衡时，向上的力设为W，则：W-W=2（x十y）。 W可 从自动扭力天平上读出，x，y，w已知，从而可知道b。，实际上 从仪器上。读数可直接知道大小，无需作上述计算。不同的吊板 可通仪器上的校正旋扭校正。仪器本身附有超级恒温槽，并可测 量接触角和液液界面张力。该方法操作方便，迅速。滴外形法滴外形法，顾名思义就是根据液滴的外形来测定表（界）面张力和接触 角的方法，包括悬滴法（pen-dant drop method）和躺滴法（sessile drop method）,其原理是根据Laplace关于毛细现象的方 程: P=Y （1/R1+ 1/R2）其中Y为表（界）面张力,R1和R2表示曲面

13、半径,P为界面上的压力差。在此方程的基础上后人将其逐步完善 和发展，以表格的形式将实验信息和各种因子表示出用于测定表（界） 面张力和接触角，如Bashforth-Adams的躺滴法, Forham的悬滴法表 格等。在已有的数据处理方法中，一个重要的错误来源可能与数据的 获取有很大关系。由于滴的全部表面参数的描述简化为几个与表格兼 容的预取的关键点，所以要求测量的准确度很高。此外，若需求接触角 的值,则三相相交的接触角的位置须准确测定，而这些测量是不易达 到的。由于计算机技术和躺（悬）滴法的结合,才使滴外形法的应用出 现转机;运用迭代法和Newton-Raphson法合并的数字化程序，不需要 表面张力、曲率半径等任何数值以及任何表格就可求出所需的各个 参数值。