表面张力仪实验装置

Ⅰ 液体表面张力的试验举例

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，拉脱法是测量液体表面张力系数常用的方法之一．该方法的特点是，用秤量仪器直接测量液体的表面张力，测量方法直观，概念清楚．用拉脱法测量液体表面张力，对测量力的仪器要求较高，由于用拉脱法测量液体表面的张力约在1×10-3～1×10-2 N之间，因此需要有一种量程范围较小，灵敏度高，且稳定性好的测量力的仪器．新发展的硅压阻式力敏传感器张力测定仪正好能满足测量液体表面张力的需要，它比传统的焦利秤、扭秤等灵敏度高，稳定性好，且可数字信号显示，利于计算机实时测量，为了能对各类液体的表面张力系数的不同有深刻的理解，在对水进行测量以后，再对不同浓度的酒精溶液进行测量，这样可以明显观察到表面张力系数随液体浓度的变化而变化的现象，从而对这个概念加深理解。
[实验目的]
1．用拉脱法测量室温下液体的表面张力系数
2．学习力敏传感器的定标方法
[实验原理]
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，求得该液体表面张力系数的实验方法称为拉脱法．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=α·π(D1十D2 ) （1）
式中，F为脱离力，D1，D2分别为圆环的外径和内径，α为液体的表面张力系数．
硅压阻式力敏传感器由弹性梁和贴在梁上的传感器芯片组成，其中芯片由四个硅扩散电阻集成一个非平衡电桥，当外界压力作用于金属梁时，在压力作用下，电桥失去平衡，此时将有电压信号输出，输出电压大小与所加外力成正此，即
△U=KF （2）
式中，F为外力的大小，K为硅压阻式力敏传感器的灵敏度，△U为传感器输出电压的大小。
[实验装置]
图14-1为实验装置图,其中,液体表面张力测定仪包括硅扩散电阻非平衡电桥的电源和测量电桥失去平衡时输出电压大小的数字电压表．其他装置包括铁架台,微调升降台,装有力敏传感器的固定杆,盛液体的玻璃皿和圆环形吊片,实验证明,当环的直径在3cm附近而液体和金属环接触的接触角近似为零时.运用公式(1)测量各种液体的表面张力系数的结果较为正确。
图14-1 液体表面张力测定装置
[实验内容]
一、必做部分
1、 力敏传感器的定标
每个力敏传感器的灵敏度都有所不同，在实验前，应先将其定标，步骤如下：打开仪器地电源开关，将仪器预热。（2）在传感器梁端头小钩中，挂上砝码盘，调节电子组合仪上的补偿电压旋钮，使数字电压表显示为零。（3）在砝码盘上分别如0.5g、1.0g、1.5g、2.0g、2.5g、3.0g等质量的砝码，记录相应这些砝码力F作用下，数字电压表的读数值U.(4)用最小二乘法作直线拟合,求出传感器灵敏度K.
2、 环的测量与清洁
（1）用游标卡尺测量金属圆环的外径D1和内径D2 （关于游标卡尺的使用方法请阅实验1）
（2）环的表面状况与测量结果有很大的关系，实验前应将金属环状吊片在NaOH溶液中浸泡20－30秒，然后用净水洗净。
3、液体的表面张力系数
（1）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，如果不平行，将金属环状片取下后，调节吊片上的细丝，使吊片与待测液面平行。
（2）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。
△U=U1-U2
（3）将实验数据代人公式（2）和（1），求出液体的表面张力系数，并与标准值进行比较。
二、选做部分
测出其他待测液体，如酒精、乙醚、丙酮等在不同浓泄劲时的表面张力系数
三、实验数据和记录
1、传感器灵敏度的测量
表14-1 砝码/g 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 电压/mV 经最小二乘法拟合得K=_______mV/N,拟合的线性相关系数r=__________
2、水的表面张力系数的测量
金属环外径D1=_________cm,内径D2=_______ cm, 水的温度：θ=________τ.
表14-2 编号 U1/mV U2/mV △U/mV F/N α/N·mˉ1 ; 平均值：α =_______N/m
附：水的表面张力系数的标准值： 水温t/℃ 10 15 20 25 30 α/N.m-1 0.074 22 0.073 22 0.072 25 0.071 79 0.071 18

Ⅱ 最大泡压法测表面张力 仪器常数K

溶液的吸附作用和液体表面张力的测定

一．实验目的

1．用最大泡压法测定不同浓度的表面活性物质（正丁醇）溶液在一定温度下的表面张力；

2．应用Gibbs和Langmuir吸附方程式进行精确作图和图解微分，计算不同浓度正丁醇溶液的表面吸附量和正丁醇分子截面积，以加深对溶液吸附理论的理解；

3．掌握作图法的要点，提高作图水平。

二．实验原理

当液体中加入某种溶质时，其表面张力要发生变化。例如在水中溶入醇、醛、酮等有机化合物，水的表面张力要减小；若加入某些无机物，则水的表面张力稍有增大。溶液系统可通过自动调节不同组分在表面层中的量来降低表面Gibbs能，使系统趋于稳定。因此，若加入的溶质能够降低溶液的表面张力，则该溶质力图浓集在表面上；反之，则该溶质在表面层中的浓度一定低于溶液的内部，这种表面层中某物质的含量与溶液本体中不同的现象，称之为表面吸附作用。当表面层中物质的量大于本体溶液中的量，叫做发生了正吸附，反之为发生负吸附，Gibbs用热力学方法导出了一定温度下，吸附量的定量公式——Gibbs吸附等温式：

＝－
式中， 为表面吸附量（mol/m2）；γ为表面张力（N/m或J/ m2）；T为热力学温度（K）；c为溶液本体的平衡浓度（mol/L）；R为气体常数[J/(mol•K)]。

能使溶剂水的表面张力降低的溶质通常称为表面活性物质。工业上和生活中所用的去污剂、起泡剂、乳化剂及润滑剂等都是表面活性物质。表面活性物质的分子是由亲水的极性部分和憎水的非极性部分构成的，正丁醇分子为ROH型一元醇，其羟基为亲水基，烃基为憎水基，当它溶于水后，在溶液表面层形成羟基朝下，烃基朝上的正丁醇单分子层。当溶液浓度增加时，表面吸附量也增加；当浓度足够大时，吸附量达极大值 ，表面溶液的表面吸附达饱和状态。 可近似看成表面上定向排满单分子层时单位表面积中正丁醇的物质量。

正丁醇溶液的γ-c曲线示于图一。从曲线可求得不同浓度下的dγ/dc值，将各值待入Gibbs公式可计算不同浓度时表面吸附量 。如果作 -c曲线，可求得饱和吸附量 ，并由下式计算出正丁醇的分子截面积：

S=
式中，N0为Avgodro常数（6.02×1023/mol）。

实际上将 -c曲线外推求 比较困难。设气固单分子层吸附的Langmuir吸附等温式适用于溶液的表面吸附，并以表面吸附量 （表面超量）代替单位表面上所含正丁醇的物质量，则有：

θ＝
或

式中，θ为吸附分数，c为溶液本体的平衡浓度，K为与溶液表面吸附有关的经验常数。由 ～c作图可得一直线，由直线斜率求 ，进而可求分子的截面积S。

图一 γ～c曲线、 ～ c曲线和 ～c曲线
图二 最大泡压法测液体表面张力仪器装置图

用最大泡压法测表面张力方法如下：测定液体表面张力的方法很多，如毛细管升高法、滴重法、环法、滴外形法等等。本实验采用最大泡压法，实验装置如图二所示。

图二中A为充满水的抽气瓶；B为直径为0.2～0.3mm的毛细管；C为样品管；D为U型压力计，内装水以测压差；E为放空管；F为恒温槽。

将毛细管竖直放置，使滴口瓶面与液面相切，液体即沿毛细管上升，打开抽气瓶的活栓，让水缓缓滴下，使样品管中液面上的压力渐小于毛细管内液体上的压力（即室压），毛细管内外液面形成一压差，此时毛细管内气体将液体压出，在管口形成气泡并逐渐胀大，当压力差在毛细管口所产生的作用力稍大于毛细管口液体的表面张力时，气泡破裂，压差的最大值可由U型压力计上读出。

若毛细管的半径为r，气泡从毛细管出来时受到向下的压力为：

式中，△h为U型压力计所示最大液柱高度差，g为重力加速度，ρ为压力计所贮液体的密度。气泡在毛细管口所受到的由表面张力引起的作用力为2πr•γ，气泡刚脱离管口时，上述二力相等：

若将表面张力分别为 和 的两种液体用同一支毛细管和压力计用上法测出各自的 和 ，则有如下关系：

即
对同一支毛细管来说，K值为一常数，其值可借一表面张力已知的液体标定。本实验用纯水作为基准物质，20.0℃时纯水的表面张力为7.275×10－2N/m(或J/m2)。

三．仪器和试剂

表面张力测定装置（包括恒温槽）1套；容量瓶100ml1个，50ml5个；1ml刻度移液管1支；吸耳球1个；正丁醇（二级）；去离子水。

四．实验步骤

1．溶液配制

按表分2次配制9份溶液，第一次1～5号，第二次配制6～9号。

表 － 正丁醇表面张力测定溶液配制方法

样品号数
1
2
3
4
5
6
7
8
9

容量瓶体积/cm3
100
50
50
50
50
50
50
50
50

/cm3
0.10
0.10
0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
1.50
1.75

2．如图装配仪器，恒温槽温度调至20.0℃，样品管内置待测液体，毛细管竖直放置，毛细管口与液面相切。恒温5min以上，测定液体的表面张力。

3．测定毛细管常数。样品管内加入一定量蒸馏水（以放入毛细管后管口刚好与液面相切为准），旋动抽气瓶活栓让水缓缓滴下，使气泡从毛细管均匀逸出，以3～5s逸出1个气泡为宜，记录压力计两侧液面之最高和最低读数各三次，取 的平均值计算毛细管常数K值。

4．同法测定各正丁醇溶液的 值，测量顺序由稀到浓，每次测量前用样品冲洗样品管和毛细管数次。

五．数据处理

1．计算各浓度正丁醇溶液的表面张力，并作γ-c曲线；

样品号数
1
2
3
4
5
6
7
8
9

溶液浓度c
2．用双玻璃棒法求六个以上切点（均匀分布）的 ）值；

3．计算 值，并求c/ 值；

4．作c/ ～c图，得一直线，由直线斜率求 值；

5．计算出正丁醇的分子截面积。文献记载直链醇类的分子截面积约为2.2×10-19m2，并以此求出相对误差。

Ⅲ 浠涔堝彨鐗╀綋琛ㄩ潰鐨勮〃闈㈣兘鍛锛

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Ⅳ 最大泡压法为何要测定仪器常数

最大泡压法是一种测定溶液表面张力的方法，溶液的表面张力 σ是强度因子，是物质的重要特性之一，在一定的温度和压力下有一定的数值。测定表面张力的方法有多种，在科研和教学上常采用的有：毛细管上升法 、最大泡压法 、滴重或滴体积法 、拉脱法等。其中最大泡压法测定溶液表面张力实验装置简单、操作方便，且不需要测定接触角 θ 和液体密度 ρ ，因而是大学物理化学实验中的重要内容之一。
中文名
最大泡压法
外文名
The maximum bubble pressure method
用途
测定溶液表面张力
学科
物理化学
基本原理仪器与试剂实验步骤测试注意事项TA说
基本原理
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。其装置如概述图所示，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（这样做是为了数据处理方便，如果做不到相切，每次实验毛细管浸没的深度应保持一致，此时数据处理参见其它文献），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（∆p=p大气-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，与气泡的曲率半径成反比，其关系式为拉普拉斯公式：
式中，∆p为附加压力；σ为表面张力；R为气泡的曲率半径。
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，根据上式这时附加压力达最大值。气泡进一步长大，R变大，附加压力则变小，直到气泡逸出。根据上式，R=r时的最大附加压力为：
或：
对于同一套表面张力仪，毛细管半径r、测压液体密度、重力加速度都为定值，因此为了数据处理方便，将上述因子放在一起，用仪器常数K来表示，上式可简化为：
式中的仪器常数K可用已知表面张力的标准物质测得，通常用纯水来标定[1]。
仪器与试剂
实验仪器：
最大泡压法表面张力仪、洗耳球、移液管（1mL、5mL）、烧杯（50mL）、温度计。
实验试剂：
待测溶液、蒸馏水。
实验步骤
仪器准备与检漏
将表面张力仪容器和毛细管洗净、烘干。在恒温条件下将一定量蒸馏水注入表面张力仪中，调节液面，使毛细管口恰好与液面相切。打开抽气瓶活塞，使体系内的压力降低，当U形管测压及两端液面出现一定高度差时，关闭抽气瓶活塞，若2~3min内，压差计的压差不变，则说明体系不漏气，可以进行实验。
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5~10s。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σwater，则仪器常数：
表面张力随溶液浓度变化的测定
用移液管分别移取0.150mL、0.300mL、0.600mL、0.900mL、1.50mL、2.50mL、3.50mL待测液，移入7个50mL的容量瓶，配制成一定浓度的待测溶液。然后由稀到浓依次移取一定量的待测溶液，按照步骤（2）所述，置于表面张力仪中测定某浓度下待测溶液的表面张力。随着待测液浓度的增加，测得的表面张力几乎不再随浓度发生变化。
将各实验数据统计，整理填入预制表格中[2]。
测试注意事项
① 在测定表面张力时，毛细管的端面与液面相切，这样是为了数据处理方便。如果做不到相切，每次实验毛细管浸没的深度应保持一致。
② 测定溶液的表面张力仪时，要从浓度低到浓度高的溶液依次进行。避免待测溶液污染，浓度发生明显变化。
③ 每次安装好仪器，进行测定前，注意要先打开抽气瓶上的塞子，连通大气，再塞紧塞子进行实验测定