用氣泡壓力法、滴重法、毛細管升高法測定表面張力

界面張力界面張力界面張力表面張力的測定
——氣泡壓力法、滴重法、毛細管升高法
摘要：利用已知蒸餾水的表面張力，通過氣泡壓力法、滴重法、毛細管升高法測定正丁醇、無水乙醇、環(huán)己烷的表面張力。
關鍵詞：氣泡壓力法；滴重法；毛細管升高法
一、實驗原理：
1.氣泡壓力法測定表面張力：   
其中，B是管端為毛細管的玻璃管，與液面相切。毛細管中大氣壓為P0。試管A中氣壓為P，當打開活塞E時，C中的水流出，體系壓力P逐漸減小，逐漸把毛細管液面壓至管口，形成氣泡。當氣泡在毛細管口逐漸長大時，其曲率半徑逐漸變小，氣泡達時便會破裂。此時氣泡的曲率半徑小，即等于毛細管半徑r，氣泡承受的壓力差也△P=P0-P=2γ/r
此壓力差可由壓力計D讀出，故γ =r△P/2
若用同一支毛細管測兩種不同液體，其表面張力分別為γ1、γ2，壓力計測得壓力差分別為△P1、△P2則：     
γ1/γ2=△P1/△P2
若其中一種液體的γ已知，例如水，則另一種液體的表面張力可由上式求得。
2．毛細管身升高法（裝置如下圖所示）：
毛細管法測定表面張力儀器        毛細管表面張力示意圖
當一根潔凈的，無油脂的毛細管浸進液體，液體在毛細管內升高到h高度。在平衡時，毛細管中液柱重量與表面張力關系為：2πσrcosθ=πr2gdh
σ=gdhr/2cosθ                （1）
如果液體對玻璃潤濕，θ=0，cosθ=1（對于很多液體是這樣情況），則：
σ=gdhr/2                      （2）
式中σ為表面張力；g為重力加速度；d為液體密度；r為毛細管半徑。
     上式忽略了液體彎月面。如果彎月面很小，可以考慮為半球形，則體積應為：
πr3 -2/3 πr3 =1/3πr3
從（2）可得：σ=gdr/2（h+1/3r）      （3）
更些，可假定彎月面為一橢圓球。（3）式應變?yōu)椋?br /> σ=gdhr/2（1+1/3（r/h）-0.1288（r/h）2+0.1312（r/h）3）   （4）
3. 滴重法（裝置如右圖所示）：
從圖中可看出，當達到平衡時，從外半徑為r的毛細管滴下的液體重量應等于毛細管周邊乘以表面張力，即：mg=2πσr         （5）
式中m為液滴質量；r為毛細管外半徑；σ為表面張力；g為重力加速度。
事實上，滴下來的僅僅是液滴的一部分。因此（5）式中給出的液滴是理想液滴。經實驗證明，滴下來的液滴大小是v/r3的函數，即由f（v/r3）所決定（其中v是液滴體積）。（5）式變?yōu)閙g=2πσr f（v/r3）        （6）
σ＝mg/(2πσf（v/r3）)=Fmg/r     (7)
式(7)中的F是校正因子。如果測得滴下液滴體積及毛細管外徑，就可從表中查出校正因子F的數值。
二、儀器和試劑：
表面張力測定裝置一套；恒溫水槽一套；洗耳球一個；5ｍL、2ｍL移液管各一支；8個25ｍL容量瓶；無水乙醇，正丁醇，環(huán)己烷。約25厘米長、0.2毫米直徑的毛細管；讀數顯微鏡；小試管；250C恒溫槽。毛細管（末端磨平）；稱量瓶。
三、實驗步驟：
（一）氣泡壓力法
1、將恒溫水槽溫度調至（25±0.1）℃ 。
2、在已洗凈的表面張力測定管中裝入適量的蒸餾水，使毛細管口與液面恰好相切，注意使測定裝置垂直放置。放入恒溫水槽中約5-8min，然后將其接入系統，檢驗系統不漏氣，膠管內不得有水。將滴液漏斗內裝滿水，打開活塞，水慢慢滴出，使體系減壓。當減至一定程度，即有氣泡逸出，使氣泡形成的時間不少于5秒。當氣泡剛好脫離管口的瞬間，讀取數字壓力計顯示的值，連續(xù)測三次，取其平均值。
3、用同樣的方法測定無水乙醇，正丁醇，環(huán)己烷的表面張力。每次更換溶液時都要用待測液洗滌包細管內壁及試管2-3次。注意保護毛細管口，不要碰損。
（二）毛細管升高法：
將毛細管洗凈、干燥，于小試管中傾入被測液，按圖裝好，置于恒溫槽中恒溫。通過X管慢慢地將空氣吹入試管中，待毛細管中液體升高后，停止吹氣并使試管內外壓力相等。待液體回到平衡位置，用度數顯微鏡測量其高度h。測定完畢后從X管吸氣，降低毛細管內液面，停止吸氣并使管內外壓力相等，恢復到平衡位置測量高度。如果毛細管潔凈，則兩次測量的高度應相等，否則應清洗毛細管。
高度h測定后，可用下述兩個方法測定毛細管半徑：（a）用已知表面張力的液體測定毛細管升高h。然后利用（2）或（3）、(4)式計算出毛細管半徑r。（b）于毛細管中充滿干凈的汞，測定毛細管中不同長度下汞的重量。根據該長度下汞重量數據及汞的密度可以算出該段毛細管的平均半徑。
（三）滴重法：
按圖裝好儀器，把待測液體充滿毛細管，并調節(jié)液位使液滴按一定時間間隔滴下。在液滴不受震動的條件下用稱量瓶搜集25—30滴稱重（對揮發(fā)性液體把滴下的液體加以冷卻）。用顯微鏡測量毛細管的外徑。
從液滴重量及液體密度計算滴下液滴體積。然后求出v/r3數值，從表中查出校正因子F數值。根據（7）式求出表面張力。
四、注意事項：
1、打開滴液漏斗的活塞時要求使氣泡盡可能慢的鼓出。
2、毛細管要求出泡均勻，內徑不可太粗，否則誤差太大。毛細管頭部必須平整光滑，不沾油污，以免出泡不均勻。
3、測定表面活性劑溶液時，溶液要沿管壁慢慢加入，防止氣泡。測定時也應放掉一些氣泡后，才讀出壓力差，不能讓泡沫在液面上過多堆積影響溶液和形成的壓力差。
4、儀器系統不能漏氣。
5、毛細管必須干凈，保持垂直，其管口剛好與液面相切．每次測量前用待測液洗滌毛細管，保持毛細管與樣品管所測液濃度一致。
6、讀取壓力計的壓差時，應取氣泡單個逸出時的壓力差。
7、用吸耳球洗毛細管時，要打開活塞。
五、數據處理：
1、查出實驗溫度下水的表面張力，求出各溶液濃度的表面張力值并列出實驗數據(如下表):實驗溫度t＝25.0oC,其對應的蒸餾水的表面張力為: σ=71.97×10-3N/m
(1) 氣泡壓力法

2、毛細管升高法：彎月面很小，可以考慮為半球形，則體積應為：
πr3 -2/3 πr3 =1/3πr3
可得：σ=gdr/2（h+1/3r）     其中 g=9.8N/Kg
由水(密度d=1000Kg/m3)的表面張力計算r,可得r=0.08263cm

3. 滴重法: mg=2πσr
可得r=mg/(2πσ)   由水的表面張力可得r=0.08501cm

六、實驗結論（如上面的表格所示）   
七、討論要點——產生誤差的原因
<一>、氣泡壓力法：
實驗結果表明，運用單一毛細管插入液面以下一定深度進行溶液表面張力測定，它既能夠克
服氣泡逸出不穩(wěn)定，難以調節(jié)毛細管端面正好與液面相切的缺點，又能實驗結果的性．具有操作簡單、快速、度高等優(yōu)點．對于物質不同溫度下的表面張力數據的獲得，具有較好的推廣應用價值．此外，還可通過某溶液兩溫度時的表面張力，測定另一溫度時溶液的密度
1．結合本實驗的結果，討論產生誤差的原因．
本實驗產生誤差的原因主要有以下幾個方面
（1）垂直相切沒調好
（2）讀高度差時誤差較大
2．本實驗在測定折射率時，如不恒溫，對實驗結果有何影響?
因折射率與溫度有關，所以如果不恒溫將使得測量不。
3．本實驗裝置及實驗步驟還需如何改進，提出你的看法。
應有自動壓力計來讀取壓力，同時采用計算機程序處理數據。
<二>毛細管升高法：
毛細管插入深度對氣泡壓力的影響：從測試結果看,不同的h對應不同的靜壓力。結果表明：表面張力的大小與毛細管插入深度有關。溫度對表面張力的影響：溫度升高，表面張力一般會下降。
實驗結果表明，運用單一毛細管插入液面以下一定深度進行溶液表面張力測定，它既能夠克服氣泡逸出不穩(wěn)定，難以調節(jié)毛細管端面正好與液面相切的缺點，又能實驗結果的性．具有操作簡單、快速、度高等優(yōu)點．對于物質
不同溫度下的表面張力數據的獲得，具有較好的推廣應用價值．此外，還可通過某溶液兩溫度時的表面張力，測定另一溫度時溶液的密度
1．毛細管放置是否豎直及干凈程度對實驗會帶來誤差
2．讀數誤差大
<三>滴重法：
1．每次滴下的液滴不是一整滴，而是液滴的一部分，由此帶來很大的誤差
2．不同種類液體的液滴揮發(fā)程度不同，從而對質量的測定帶來誤差。