最大气泡法测表面张力.docx
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最大气泡法测表面张力
液体的表面张力的一些影响因素：
液体的表面张力与温度有关，温度愈高，表面张力愈小。
到达临界温度时，液体与气体不分，表面张力趋近于零。
液体的表面张力与液体的纯度有关。
在纯净的液体（溶剂）中如果掺进杂质（溶质），表面张力就要发生变化，其变化的大小决定于溶质的本性和加入量的多少。
附加压力与表面张力的关系用拉普拉斯方程表示：
（表面张力的公式）式中σ为表面张力，R为弯曲表面的曲率半径，该公式是拉普拉斯方程的特殊式，适用于当弯曲表面刚好为半球形的情况。
毛细现象：
●毛细现象则是弯曲液面下具有附加压力的直接结果。
假设溶液在毛细管表面完全润湿，且液面为半球形，则由拉普拉斯方程以及毛细管中升高（或降低）的液柱高度所产生的压力∆P=ρgh，通过测量液柱高度即可求出液体的表面张力。
●这就是毛细管上升法测定溶液表面张力的原理。
●此方法要求管壁能被液体完全润湿，且液面呈半球形。
实际上，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。
其装置图如图所示，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，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（Δp＝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：
在定温下纯液体的表面张力为定值，只能依靠缩小表面积来降低自身的能量。
而对于溶液，既可以改变其表面张力，也可以减小其面积来降低溶液表面的能量。
通常以降低溶液表面张力的方法来降低溶液表面的能量。
表面张力与浓度的关系：
以表面张力对浓度作图，可得到σ-C曲线。
开始时σ随浓度增加而迅速下降，以后的变化比较缓慢。
在σ-C曲线上任选一点a作切线，得到在该浓度点的斜率经，代入吉布斯吸附等温式，得到该浓度时的表面超量（吸附量），同理，可以得到其他浓度下对应的表面吸附量，以不同的浓度对其相应的Г可作出曲线，Г＝f（C）称为吸附等温线。
图17-6表面张力和浓度关系
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σ，则仪器常数
我们也可以这样，通过得到仪器常数，测量其他介质的表面张力。
由手册查出或由下式计算出纯水在实验温度下的σ，求出仪器常数k。
lnσt（N·m-1）=-2.5818-1.812×10-1t-7.037×10-6t2（t=0~40℃）
附录:
不同温度下水的表面张力
t/℃
103×σ/（N·m-1）
t/℃
103×σ/（N·m-1）
t/℃
103×σ/（N·m-1）
t/℃
103×σ/（N·m-1）
0
5
10
11
12
13
14
15
16
75.64
74.92
74.22
74.07
73.93
73.78
73.64
73.59
73.34
17
18
19
20
21
22
23
24
25
73.19
73.05
72.90
72.75
72.59
72.44
72.28
72.13
71.97
26
27
28
29
30
35
40
45
50
71.82
71.66
71.50
71.35
71.18
70.38
69.56
68.74
67.91
60
70
80
90
100
110
120
130
66.18
64.42
62.61
60.75
58.85
56.89
54.89
52.84
摘自：
JohnADean.Lange’sHandbookofChemistry.NewYork:
McGraw-HillBookCompanyInc,1973.10～265
【注意事项】
1.仪器系统不能漏气。
2.所用毛细管必须干净、干燥，应保持垂直，其管口刚好与液面相切。
3.读取压力计的压差时，应取气泡单个逸出时的最大压力差。
最大气泡法测表面张力的优缺点：
最大气泡法具有装置简单、操作容易、测定迅速等优点，但其最大缺点是测量精度不够理想，是一个动态的测定方法。
不过，最大气泡法已被成功应用于一些粘度较大的液体、熔盐等体系的表面张力的测定。
这是其它方法不能代替的。
实验评注与拓展:
本实验成功的关键：
仪器系统不能漏气；所用毛细管必须干净、干燥，应保持垂直，其管口刚好与液面相切；读取压差计的压差时，应取气泡单个逸出时的最大压力差；气泡逸出速度不能过快。
常见问题的讨论:
1．在测量中，如果抽气速率过快，对测量结果有何影响？
答：
若抽气速度太快，气泡的形成与逸出速度快而不稳定；亦使U型压力计中的酒精所处的位置相对不稳定，来回速度跳动，致使读数不稳定，不易观察出其最高点而起到较大的误差。
2．如果将毛细管末端插入到溶液内部进行测量行吗？
为什么？
答：
不行。
如果将毛细管末端插入到溶液内部，毛细管内会有一段水柱，产生压力Pˊ，则测定管中的压力Pr会变小，△pmax会变大，测量结果偏大。
3.本实验中为什么要读取最大压力差？
答：
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，根据拉普拉斯（Laplace）公式，此时能承受的压力差为最大：
△pmax=p0-pr=2σ/γ。
气泡进一步长大，R变大，附加压力则变小，直到气泡逸出。
最大压力差可通过数字式微压差测量仪得到。
4.表面张力仪的清洁与否和温度的不恒定对测量数据在何影响
答：
若玻璃器皿不清洁和温度的不恒定，则气泡将会不能连续稳定地流过，而使压差计读数不稳定。
温度对σ、G和折射率都有较大的影响。
虽然质量百分浓度与温度无关，但由于折射率随温度的波动，若温度不恒定，故难得出未知溶液的准确浓度。
5.温度和压力的变化对测定结果有何影响？
答：
温度愈高，表面张力愈小，到达临界温度时，液体与气体不分，表面张力趋近于零。
最大泡压法测定时，系统与外界大气的压力差愈大，表面张力就越大。
但是我们在测量时，开始时已经是系统与大气的压力相同了（调零），所以此时大气的压力已经不再是影响表面张力的因素了。
测定表面张力有很多种方法，如前述毛细管上升法，最大气泡法，还有滴重法、吊环法等。
吊环法测表面张力：
吊环法是将吊环浸入溶液中，然后缓缓将吊环拉出溶液，在快要离开溶液表面时，溶液在吊环的金属环上形成一层薄膜，随着吊环被拉出液面，溶液的表面张力将阻止吊环被拉出，当液膜破裂时，吊环的拉力将达到最大值。
自动界面张力仪将记录这个最大值P。
按照公式校正后，可以得出溶液的表面张力数值γ。
校正因子：
F=0.7250+（0.01452P/C2D+0.04534-1.679r/R）1/2式中P：
界面张力仪显示读数值mN·m-1
C：
铂丝环周长cm R：
铂丝环半径c D：
溶液的密度g·mL-1 r：
铂丝的半径cm
常用表面张力系数测量方法：
液膜拉脱法、毛细管液面升高法、平板法、最大泡压法、滴重法
应用领域
解释涉及液体表面的许多现象：
如毛细现象、泡沫形成、喷液成雾
在许多工程技术上都需要对表面张力进行研究和测量：
如结晶、焊接、铸造、浮选、土壤保水
滴重法
1。
铂金板法：
通过当感测浸入到被测液体后，白金板周围就会受到表面张力的作用，液体的表面张力会将白金板尽量往下拉。
当液体表面张力及其他相关的力与平衡力均衡时，感测白金板就会停止向液体内部浸入。
这时候仪器的平衡感应器就会测量浸入深度，并将它转化为液体的表面张力。
2。
铂多环法：
由于被广泛应用于duNouy表面张力仪，这种方法又被称为duNouy法。
并因之操作简便而被广泛使用，白金环法这个称法是因测试部分与液体样品间会形成一个环形液柱而得的。
（环法优点是速度快，需要样品量少。
尤其当研究表面张力快速变化的溶液，只有环法能得到满意结果。
）
【实验原理】
1.表面张力
在液体内部，任一分子受四周分子的吸引力是平衡的，但液体表面层的分子却要受到向内的拉力，因此要使液体的表面积增大，就必须反抗分子向内的拉力而作功，说明了分子在表面层内比在液体内部有较大的势能，这势能就是表面自由能。
在恒温、恒压及组成不变的条件下，使表面积可逆地增加dA，体系自由能的增量dG应等于环境对体系所做的表面功-δw′即
dG＝-δw′＝σdA
（1）
式中σ为比例常数，其物理意义是在恒温恒压组成不变的条件下，增加单位表面积时引起体系自由能的增加值，因此σ称为比表面自由能，其量纲为J·m-2。
因其量纲又可以写成N．m－1,所以σ还可称为表面张力，其物理意义是沿着与表面相切的方向，垂直作用于表面单位长度上的力。
表面张力是液体的重要特性之一，它与所处的温度、压力、浓度以及共存的另一相的组成有关。
2.溶液的表面吸附
纯液体表面层的组成与内部组成相同，因此液体只能通过尽可能地缩小其表面以降低体系的表面自由能。
对于溶液，由于溶质能引起溶剂表面张力的变化，因此可通过调节溶质在表面层的浓度来降低表面能。
若溶质能降低溶剂的表面张力时，则表面层中溶质的浓度大于溶液内部溶质的浓度；反之，如果溶质能使溶剂的表面张力升高，，则表面层中溶质的浓度小于溶液内部溶质的浓度。
这种表面浓度与溶液内部浓度不同的现象叫做溶液的表面吸附。
在一定的温度和压力下，吉布斯用热力学的方法推导出了溶液表面吸附量与溶液的表面张力和溶液浓度之间的关系，即
（2）
式中Γ为表面超量（mol·m-2）,σ为溶液的表面张力（J·m-2），T为热力学温度（K），c为溶液的浓度（mol·dm-3），R为气体常数。
如果加入溶质使液体表面张力降低，即＜0，则Γ>0，此时溶液表面层的浓度大于溶液内部的浓度，称为正吸附，此类物质称为表面活性物质。
如果加入溶质使液体表面张力升高，即＞0，则Γ<0，此时溶液表面层的浓度小于溶液内部的浓度，称为负吸附，此类物质称为非表面活性物质。
由吉布斯吸附等温式可看出，只要测得某—温度下不同浓度溶液的表面张力，以σ~c作图，在σ~c的曲线上作不同浓度下的切线，可获得不同浓度所对应的斜率，将斜率代入
（2）式中，即可求出不同浓度时气一液界面上的吸附量Γ。
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