实验D9 液体的表面张力测定滴重法教学提纲.docx

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实验D9液体的表面张力测定滴重法教学提纲

实验D-9液体的表面张力测定（滴重法）

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。

:

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／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／v1/3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r0；用r0作初值；求得r0/v1/3；查哈金斯校正因子表（插值法）得f1；用水的表面张力和f1代入；求的第一次迭代结果r1；再由r1/v1/3查表得f2；再代入：

求得第二次迭代值r2，同法再由r2/v1/3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-1-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/v1/3查表得f；由：

就可求得样品的表面张力。

哈金斯校正因子表

r／V1／3

f

r／V1／3

f

r／V1／3

f

0.00

0.30

0.3；

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

1.0000

0.7256

0.7011

0.6828

0.6669

0.6515

0.6362

0.6250

0.6171

0.6093

0.75

0.39

0.85

0.90

0.95

1.00

1.25

1.10

1.15

1.30

0.6032

0.6000

0.5993

0.5999

0.6034

0.6098

0.6179

0.6280

0.6497

0.6535

1.325

1.35

1.30

1.35

1.40

1.45

1.50

1.55

1.60

0.656

0.652

0.640

0.623

0.603

0.593

0.567

0.551

0.535

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）

实验数据处理

酒精

待测样品（表面活性剂溶液）

每滴水重量

（克）

样品编号

每滴酒精重量

（克）

比重

（克/cm3）

滴重计校正半径

r=（cm）

每滴样品重量

（克）

酒精表面张力

=（dyne/cm）

样品表面张力

=（dyne/cm）

思考题

1．在本实验中，为什么先按排测量酒精，测量后不洗直接烘干，再测纯水。

而测表面活性剂水溶液时，只用溶液荡洗而不再烘干。

2．用滴重法测量表面张力时为什么要做校正，能否用游标卡尺测量r，直接代入公式计算。

3．本方法也能用于测量液液界面张力，请考虑应如何测量。

（提示：

要考虑浮力影响）

附录：

（1）常用表面张力测量方法

吊环法（RingMethod）：

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）而形成一个内径R’，外径为R’十2r的环形液柱，R’=R-r。

设向上的力为W，当平衡时，

W＝2R'2（R'r）

因为R＝R’十r故上式可改写为：

=W/（4R）

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。

滴重法（dropweightmethod）

滴重法是测表面张力的常用方法，图D13-1为商品生产的滴重计（Stalagmometer）。

其底部相当光滑平整，该方法如实验数据经过校正，获得表面张力较准确,方法的平衡性能和数据重复性较好。

其简化改进法有滴体积法。

吊板法（Wilhelmyplatemethod）

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），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。

，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。

具体参阅Adamson“PhysicalChemistryofSurface”）。

附录：

（2）液体和粉末固体的比重测定

测定液体密度的主要方法有比重瓶法（或比重管法）、比重天平（又称韦氏天平法）、比重计法。

现分别介绍如下：

比重瓶法（图D13-5）

将比重瓶和中间有毛细孔的比重瓶塞依次用洗液和蒸馏水洗干净，烘干在分析天平上（连瓶塞一起）称重，其重量为W’，然后加入纯水（蒸馏水），注意不要有气泡混入，盖上瓶塞，使水沿毛细管溢出，将比重瓶小心浸入恒温槽中（恒温槽预先调至t℃），约15分钟热平衡后，取出比重瓶。

用滤纸吸干毛细管溢出的液体，并将比重瓶外壁擦干。

在分析天平上称重为Wl，则水重为Wl—W’，将比重瓶中蒸馏水倒掉，烘干，同法加入待测液体，置于恒温槽中平衡后取出擦干外壁，称重为W，则待测液体重W—W’。

比重瓶容积为（Wl—W’）／d4t，d4t为水在t℃时相对于4℃水的密度。

待测液体在t℃时密度为[（W-W'）/（w1-W'）]·d4t

比重天平（又称韦氏天平）法。

它具有一个标准体积的测锤，浸于液体中获得浮力而使横梁失去平衡，从而迅速测出液体的密度。

它比比重瓶法准确度差，但测定简单快速，其读数也能达小数后4位，测定手续如下．

（a）把天平托架，横樑装好后，将等重砝码挂于横樑右端小钩上，调节水平螺丝，使横樑与支架指针尖在同一水平线，以示平衡，如调不平衡，先将平衡器小螺钉松开，然后略转动平衡调节器．直至平衡，然后旋紧定位螺钉。

（b）将等重法码取下，换上整套测锤，此时应保持平衡，但允许有0．0005的误差存在。

如果天平灵敏度过高，则将灵敏度调节器降低，反之旋高。

通常不必进行此项调节。

（c）将待测液体放入玻璃筒内，将测锤全部浸入待测液体中央，这时横樑失去平衡，在横樑V型槽内和小钩上加放各种骑码，使之平衡．从横樑骑码重可知液体密度，由于测锤排液重5mg，天平砝码共有5g，500mg，50mg和5mg四种．，因此将5g砝码挂在横樑第十位（小钩上）则读数为l，骑在第九位上则为0．9余类推．同样500mg砝码挂在小钩上为0.lg，50mg挂在小钩上为0.01等等，读数时，从骑在各V型槽上砝码读数，则测量结果相应后移一位。

比重计法

在工业上常用测定液体密度的方法为比重计法，比重计有多根一套，每一根比重计上附有刻度，根据比重大小不同，选择其中一根直接插入液体即可读数，它的误差比前述方法要大一些。

粉末固体密度测量要复杂一点，因颗粒状固体堆起来外观体积（V堆）为颗粒之间的孔隙（V隙）颗粒内部的孔所占体积（V孔）以及颗粒骨架所具有体积（V真）之和。

V堆＝V隙十V孔十V真

因此对质量为m的颗粒状固体，

也有三种密度定义：

堆密度o＝m／V堆；

假密度P＝m／（V孔+V真）；

真密度t＝m／V真：

真密度（假定固体颗粒没有与颗粒表面不通的孔隙）的测定：

所用仪器如图D13-5所示．

操作步骤如下：

（a）在分析天平上准确称量比重瓶（图D13-5）连接管及瓶塞的总重量（注意均应洗净烘干），重量为A。

（b）使比重瓶装满水（如果被测固体遇水会膨胀或溶解，可改用有机溶剂如甲苯）用吸管吸去或加入水（此步应在恒温后做）使液面维持在刻度处，然后取出用布擦干外壁，称得重量B。

（c）将液体倒出，烘干，装入已烘干的固体试样，塞好瓶塞，称得重量C。

（d）把比重瓶和双向旋塞（见图D13-5b）装好，旋转旋塞使与真空系统相通，抽20∽30分钟（必要时可加热），转动旋塞由漏斗加入液体（注意不能漏入空气）。

待试样全部被液体浸没后，取走旋塞，接上连接管，添加液体至刻度，置于恒温浴中恒温后，调整液面至刻度处，再称重得重量D．

则真密度t=（C—A）／（B十C—A—D）式中为所用液体在实验温度下密度，它可用前述液体密度测量法由实验测得，如果液体纯度高，也可从手册查得。

注：

比重和密度在物理上概念虽不相同，但两者在数值上却是相等的．