液体表面张力系数的测量

《液体表面张力系数的测量》由会员分享，可在线阅读，更多相关《液体表面张力系数的测量（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、实验 24 液体表面张力系数的测量（教师用书）一、实验的目的、意义和要求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，常用 的有拉脱法、毛细管法、平板法、最大泡压法和滴重法。本实验要求掌握一种或多种测量液体表面 张力的方法，了解各种方法的特点，并通过实验进一步了解液体的表面张力与其浓度、温度等的关 系。二、参考书籍与材料1. 贾玉润、王公治、凌佩玲主编，大学物理实验，上海：复旦大学出版社，1987 年2. 沈元华、陆申龙，基础物理实验，北京：高等教育出版社，2003 年3. A.W.亚当森著，顾惕人译，表面的物理化学（上册），北京：科学出版社，1984年4. 焦

2、丽凤、陆申龙，用力敏传感器测量液体表面张力系数，物理实验2002 年第 22 卷第 7 期第 40-42 页5. 顾惕人等，表面化学M，北京：科学出版社，1994年6. 赵凯华，定性与半定量物理学，北京：高等教育出版社， 1991 年7. （日）广田钢藏、加滕俊二、山下卓哉著，张宪臣译，李树林校，物理化学计算，黑龙江：黑 龙江科学技术出版社， 1984年8. 李殿阁编著，物理化学实验技能，北京：科学出版社， 1984年三、实验前应回答的问题（一）表面张力1. 什么是表面张力？什么是表面张力系数？ 答：表面张力是指作用于液体表面上任一假想直线的两侧，垂直于该直线且平行于液面，并使液面具有收缩倾向

3、的一种力。从微观上看，表面张力是由于液体表面层内分子作用的结果。可以用 表面张力系数来定量地描写液体表面张力的大小。设想在液面上一长度为l的直线，在l的两侧， 表面张力以拉力的形式相互作用着，拉力的方向垂直于该直线，拉力的大小正比于l ,即f = al， 式中a表示作用于直线的单位长度上的表面张力，称为表面张力系数，其单位为N/m。液体表面张力的大小与液体的成分有关。不同的液体由于它们有不同的摩尔体积、分子极性和 分子间力而具有不同的表面张力。实验表明温度对液体表面张力影响极大，表面张力随温度升 高而减小，二者通常相当准确地成直线关系。表面张力还和液体中含有的杂质有关，有的杂质 能使表面张力减

4、小，有的却使之增大。表面张力还和液面外的物质有关。2. 试定性分析液体的表面张力系数随温度的变化如何改变。答：当温度升高时，分子的热运动加剧，使液体分子更容易脱离表面层进入空气中，因此液体的表 面张力系数将随温度的升高而减小。（二）拉脱法1. 简述“拉脱法”的原理。答：拉脱法是通过测量一个已知周长的金属片从待测液体表面脱离时需要的力来求得该液体表面张 力系数的一种实验方法。该方法的特点是用测力装置直接测量液体的表面张力，方法直观，概念清楚。若金属片为环状吊片时，考虑一级近似，可以认为脱离力为表面张力系数乘上脱离表面的周长，即f 兀Q+ D2）。式中，f为脱离力，D、D2分别为圆环的外径和内径，

5、a 为液体的表面张力。2. 实验中使用的测力装置是力敏传感器，在使用前要对其定标。若已知定标结果为一直线，那么 在定标时至少应选取多少个数据点？数据点的数值范围应如何选取？答：用拉脱法测量液体表面张力，对测力仪器的要求较高，因此需要对测力仪器进行定标。对于一 直线，只需2 组数据即可定出直线的方程。为减小测量误差对结果的影响，一般应测5 组以上 的数据，而且测量的范围在定标范围之内为好。3. 为什么金属吊片的表面要用NaOH溶液进行清洗？若吊片是由其它材料制成的，如玻璃，是否 也需要对表面进行清洗？如果需要清洗，应如何清洗？答：因为长期暴露于空气的铝合金表面会形成氧化层，影响到液体于金属间的浸

6、润情况和接触角，而且破坏了吊环表面的光洁度，所以需要用NaOH溶液来去除氧化层。同时，吊环的表面不能刷洗，以免发毛，影响到光洁度。对其它材料制成的吊环也要清洗，并根据材质及表面情况的 不同选择不同的清洗方法。如玻璃的表面一般会应实验者手的触摸而沾有油脂，从而粘附空气 中的灰尘等，清洗时可用酒精或丙酮等有机溶剂去除表面的油脂。4. 测量圆环形吊片的内径和外径，应在清洗前进行还是在清洗后进行？为什么？ 答：应在清洗前进行。因为清洗后再进行测量，手上分泌的油脂将污染环形吊片，影响到测量。如果在清洗前未测量内径和外径，可待其它数据测完，最后进行测量。（三）毛细管法1. 简述“毛细管法”的原理。 答：将

7、一洁净的毛细管垂直插入无限深广的液体中，液体将在毛细管中上升或下降，使毛细管内的,4a cos 9液面高出管外液面一定高度h，则h =，式中a为液体的表面张力，。为接触角（当接Pgd触角大于90时，h为负，即毛细管内的液面低于外液面）,d为毛细管的内径，p为液体的密度， g为重力加速度。一般情况下，取接触期为0或180 。（关于如何测量接触角，请参阅参考书 籍 3。）2. 在用毛细管法测表面张力时，需要作什么修正？答：由于液体总是盛放在一定大小的容器中，而毛细管插在液体中，容器中液体的表面张力可等效 地认为液柱下端面受到一个方向向下而数值较小的附加力，从而使实际测得的高度值h小于 理想的高度h

8、。如果容器的内径为D1 ,毛细管的外径为D2，且毛细管插在容器的中轴线处，则 （ d ）实测的高度h = h - 1一。I D1 - D2 丿3. 如何清洗毛细管？答：平时将玻璃毛细管浸泡在重铬酸洗液中，使用时将其取出，相继用自来水和蒸馏水将毛细管彻 底冲洗，再用待测的液体进行冲洗。用吸管清除毛细管中的气泡后，将毛细 管垂直插入液体中。如果液柱中仍残留有气泡，应将其逐出。上下移动毛细 管（保持其下端始终浸没在液体中），观察液柱的高度，如果毛细管已清洗干净，则液柱将保持相同的高度。（四）滴重法1. 简述“滴重法”的原理。答：实验原理如图 1 所示，液体从一细管下端自由下落，在液滴断裂瞬间，液滴的

9、重力与液滴“ 颈部”的表面张力正好平衡。设液滴“颈部”（即最窄处）的直径为D，液滴的质量为m，则有mg兀D2. 如何准确测量液滴掉落时“颈部”的直径？如何测量液滴的质量？答：用读数显微镜来测量“颈部”的直径时应注意：应从同一方向逐步逼近“颈部”的边缘，这样可以消除螺距误差。由于液滴是透明的，不易看清其边缘，可以在液滴背后加上一张深色的纸，使液滴边缘的象清晰。多次测量求平均。 由于液滴并非完整的球形，在测量液滴质量时不能直接测量其直径，来计算其质量，只能通过 测量若干液滴（如100 滴）的总质量（或总体积）来计算单个液滴的质量。3. 液滴形成的速度（单位时间内滴落的液滴数目）对实验结果是否有影响

10、？如何选择合适的速度？ 答：如果液滴形成较快的话，在液滴掉落瞬间仍会有少量液体进入液滴中，造成液滴的质量偏大， 从而使实验结果偏大。一般来说，液滴形成的速度越慢越好，但考虑到液体的挥发（或者在天 气较潮湿时液滴对周围空气中水汽的吸附），液滴形成的速度可取210秒钟形成1个液滴。（视 不同性质的液体而定。） 四、实验室可提供的主要器材1. 拉脱法的器材：液体表面张力测定装置（如图2 所示）、砝码盘和砝码、圆环型吊片（铝合金） 等。2. 毛细管法的器材：测高仪、毛细管（内径约1mm,最好有不同内径的毛细管供选择）、升降台、重铬酸洗液等。3. 滴重法的器材： 25ml 标准酸式滴定管、读数显微镜、电

11、子秒表等。4. 其它器材：电子天平、游标 卡尺、温度计、量筒、烧杯、 试剂瓶、各种不同内径的玻 璃皿、镊子等。5. 耗材：蒸馏水或纯净水、NaO H、食盐、葡萄糖、酒五、实验内容（一）拉脱法1. 用“拉脱法”测量水的表面 张力。提示：（1 ）对力敏传感器进行定标，用最小二乘法作直线拟合，求出传感器灵敏度K。（ 2）用游标卡尺测量金属圆环的内、外直径；并清洁圆环表面。（ 3）将金属环状吊片挂在传感器的小钩上。调节升降台，将液体升至靠近环片的下沿，观察环状吊片下沿与待测液面是否平行，将金属环状吊片取下后，调节吊片上的细丝，使吊片与待测液面平行。（注意:吊环中心、玻璃皿中心最好与转轴重合。）（4 ）

12、调节容器下的升降台，使其渐渐上升，将环片的下沿部分全部浸没于待测液体。然后反 向调节升降台，使液面逐渐下降。这时，金属环片和液面间形成一环形液膜，继续下降液面， 测出环形液膜即将拉断前一瞬间数字电压表读数值U1和液膜拉断后一瞬间数字电压表读数值U2。（注意:液膜断裂应发生在转动的过程中，而不是开始转动或转动结束时（因为此时振动 较厉害）；应多次重复测量。）（ 5）将实验数据代入公式，求出液体的表面张力系数。2. *设计一个实验，考察吊环的直径、厚薄和容器内径、容器内液体的深度对实验结果的影响，得 出较为理想的实验条件。提示：用同一吊环（直径约3cm ）在不同直径的玻璃皿（直径在5 15cm ）

13、中重复实验，注意保持相同的液体深度。实验结果表明，玻璃皿的直径越大，结果越好；但随着玻璃皿的增大，在升降过程中其稳定性越来越差，液面很容易产生波动，导致液膜过早破裂，影响实验结果。图3液膜的收缩选用不同的吊环（直径相同但厚度不同，直径不同但厚度相同） 在同一玻璃皿中重复实验，注意保持相同的液体深度。实验结果 表明，吊环的厚度越小，拉起的液膜越薄，实验效果较好，但要 注意操作中的防震。吊环的直径越小，拉起的液膜越容易出现向 中心收缩（如图3所示），因此直径大的吊环更好。用同一吊环在同一玻璃皿中重复实验，每次改变玻璃皿中液体的深度（2 20mm ）实验结 果表明，在液体深度超过1cm后，实验结果几

14、乎相同，但随着液体深度的增加，液面的稳定 性问题也愈加显著。综上所述，较为理想的实验条件是：吊环直径在34cm，厚度越薄越好（厚度越薄对实验桌 的防震要求相对越高），容器内径约为吊环直径的3倍左右，所盛放的液体深度约 1cm。（二）毛细管法1. 用“毛细管法”测量水的表面张力。提示：详见参考资料1 第138139页。毛细管的清洗和测高仪的调节尤为重要。整个实验前期的调 节工作耗时较长，但调节的好坏直接影响到实验结果。2. *设计一个实验，研究毛细管内径对实验结果的影响。提示：选用不同内径的玻璃毛细管（0.5 1.5mm）重复上述实验。实验结果表明，对于水来说，使 用内径为 1.0mm 的毛细管

15、，实验结果较好。（可参阅：李键，用毛细管测量纯水表面张力系数的误差讨论，物理实验，2003 年第23 卷第 8 期第 4547 页。）3. *设计一个实验，研究毛细管的外径、容器的内径对实验结果的影响，推导出实验结果的修正公 式。提示：实验中实测的液柱高度h是指毛细管内的液面与管外容器中液面的高度差。考虑到修正因（d ）子应是无量纲的，可认为hf = h - 1 + a ，式中h应为理想情况下的高度值。当容ID1 - D2 丿器的内径减小到DcD2 = d时，毛细管内外液面的高度差应为0 ,则式中的系数a应为-1。d用同一根毛细管，选择不同内径的容器（D在210cm左右）重复上述实验。取D _ D作12为x ,取实测的液柱高度h作为y ,再以y = a + bx作最小二乘法拟合，即可得到合适的修 正公式。（三）滴重法1. 用“滴重法”测量水的表面张力。提示：对于25ml标准酸式滴定管来说，液滴的“颈部”略大于2mm，在用读数显微镜对其进行测 量时，其边缘位置较难判断，其测量不确定度较大。对于液滴的质量用最小分度为 0.01g 的 电子天平就可以了。但最终结果需要进行修正，详见参考资料3。2. 设计一个实验，研究液滴形成的速度对实验结果的影响。提示：在测量液滴掉落瞬间“ 颈部” 的直径时，液滴形成的速度