吊片法测溶液表面张力

吊片法测量液体的表面张力(补充讲义)由于液相和气相的密度差异，液体的表面层中的分子,受到了一个指向液相内部并垂直于界面的引力，使得液体表面就如张紧的弹性薄膜，在这张薄膜上存在着收缩张力,使液体表面有收缩到最小的趋势，水滴,汞滴一般呈球形就是这个原因.单位长度上的收缩张力称为表面张力.溶液的表面张力与温度、浓度、电解质、有机醇含量等多种因素有关。液体的许多现象与表面张力有关,例如:毛细现象、润湿现象、泡沫的形成等。测量液体表面张力的方法很多，如毛细管上升下降法、吊环法（参见教材p111,实验8），最大泡压法、滴重法、悬滴法等，本实验介绍Wilhelmy吊片法。目的与要求1.学习吊片法测量液体表面张力的原理和方法。2.学习表面活性剂临界胶束浓度的测量方法。原理1表面张力的测量Wilhelmy吊片法又称吊板法，如图1所示，采用盖玻片、云母片、滤纸或铂箔竖平板插入液体，使其底边与液面接触，测定吊片脱离液体所需与表面张力相抗衡的最大拉力F，也可将液面缓慢地上升至刚好与吊片接触，由此可知：图1吊片法θθθγcos)(2tlGF++=（1）其中，F为砝码的重量，G为吊片的重量,l－吊片的宽度，t－吊片的厚度，θ为接触角。由于接触角θ难于测准，一般预先将吊片加工成粗糙表面，并处理得非常洁净，使吊片被液体湿润，接触角θ→0，cosθ→1，如图2所示，同时t和l相比非常小，可忽略不计,则上式变为：GFW−=ΔγlGF2+=(2)lGFlW22−=Δ=γ(3)l2γ由式（3）算得的表面张力值可准确至0.1％。吊片法直观可靠，不需要校正因子，这与其它脱离法有所不同，还可以测量液－液界面张力。目前这种方法应用较广泛，所用的天平上一般都带有自动记录装置，还可以和计算机相连后，测量动表面张力。图2吊片受力示意图2.表面活性剂能显著降低水的表面张力的物质称为表面活性剂，它的分子一般是由亲油基和亲水基两部分组成。表面活性剂的数量不下几千种，如按离子类型可分为离子型（阴离子、阳离子、两性）、非离子型（聚氧乙烯型、多元醇型等）、特殊类型（全氟烷、聚硅氧烷等）。表面活性剂除了在日常生活中作为洗涤剂以外，在日用化工、食品、医药、石油开采、机械运转、城建工程、纺织等等中，都有它的特殊用途。从图3可以看到，少量的表面活性剂加到水中，就能使表面张力急剧下降，随着浓度的增大，表面张力又几乎保持恒定。由于表面活性剂分子中亲油基是憎水基，当浓度很小时，表面活性剂很快的聚集在水面，当液体表面聚集足够量的表面活性剂，并密集的定向排列成单分子膜时，界面的性质发生了明显的变化，对应图中的转折部分。如再提高浓度，水溶液中的表面活性剂分子几十、几百地聚集在一起，排列成胶束。表面活性剂形成胶束的最低浓度，即图中转折点的浓度，又称为临界胶束浓度（CriticalMicelleConcentration,简称cmc），是衡量表面活性剂的活性的一个非常重要的参量.离子型的表面活性剂的cmc一般在10-4-10-2mol/L之间。在cmc附近，表面活性剂的许多性质都会发生显著的变化，如图4所示。在使用表面活性剂时，浓度一般要比cmc稍大，否则其性能不能充分发挥，浓度过高是不必要的。cmc的测定方法主要有电导法、表面张力法、染料法等。图4表面活性剂性质随浓度变化图35.040.045.050.055.00.00000.05000.10000.1500C/%Υ/mN.m-1)图3表面活性剂表面张力随浓度的变化仪器高精度的电子天平（最小读数为1mg），剪刀，精密滤纸，毫米尺，400mL烧杯，滴管，去离子水，十二烷基苯磺酸钠（C12H25-C6H4-SO3Na,分子量M=348.48,直链烷烃cmc≈1.2×10-3mol/L，支链烷烃cmc≈4.5×10-4mol/L）。实验内容与步骤1.测量纯水的表面张力(a)将干净滤纸剪成边长约2.0cm的长方形小条，测量底边长l后，固定在与天平相连的挂钩上，调整纸片，使下底边保持在水平状态（为什么）；(b)称出洁净烧杯重量m杯，然后加入约30ml的去离子水，用天平称出水和烧杯总量为m水+杯,则m水=m0-m杯,取下烧杯后置天平为“0”；(c)调节升降台，待纸片为液体润湿后，将纸片脱离液面，将天平读数置“0”；(d)接触法：调节升降台，使液面缓缓上升，直至吊片底边刚好和液面接触，记录下天平的读数m，则拉力ΔW=m·g；(e)脱离法：升高液面，使部分吊片浸入液面以下，然后调节升降台，使液面缓缓下降，直到吊片即将脱离液面，记录下此时的读数m’，ΔW’=m’·g；(f)重复操作步骤（d）、（e），共测量6次；2.测量不同浓度下的表面活性剂的表面张力，求出临界胶束浓度cmc.(a)同测量水的表面张力操作1(b),称出水的重量m水；(b)用滴液管滴加1滴表面活性剂浓溶液(质量浓度C0≈4.18%),用脱离法测量并记录浓度为C1的表面活性剂溶液的天平读数m1，此时的拉力ΔW1=m1·g；(c）逐渐增加表面活性剂的加入量,记录下不同浓度下Ci下的天平增量mi，直到表面张力基本上不再变化；(d)为了计算表面活性剂的浓度，需要求出单滴溶液的质量m滴,可以采用累积放大法。滴数为ni时的表面活性剂溶液浓度0CmnmmnCiii•+≈滴水滴。数据处理与分析1.求出纯水的表面张力Υ,σΥ,百分误差E(室温下纯水的Υ=72.0mN/m);2.求出表面活性剂溶液的质量浓度C，表面张力Υ，作出Υ-C特性曲线；3.求出室温下表面活性剂溶液的临界胶束浓度cmc(mol/L或者wt%)，设表面活性剂溶液密度为1.0×103kg/m3.注意事项1.天平是精密装置，要轻拉轻放，切忌用力拉或吊挂重物；2.实验时应调节吊片底边为水平状态；3.为了避免边缘效应，吊片位置尽量取在容器的中央；4.滴入表面活性剂浓溶液后，需要充分溶解后再测量张力。预习思考题1.吊片法是如何测量液体的表面张力的？需要测量哪些物理量？2.吊片法测量表面张力有什么特点？3.表面活性剂水溶液的表面张力是如何随浓度而变化的？分析讨论题1.吊片用滤纸为材料，有什么优点和不足？2.分析纯水的表面张力与室温下公认值有误差的可能原因。参考资料1.大学物理实验，张兆奎等，--高等教育出版社，2004年1月2.表面物理化学，程传煊著，--科学技术文献出版社，1995年9月3.表面活性剂化学与应用/陈荣圻编，--纺织工业出版社，1990年6月