表面张力及测定

基础知识2

第三讲表（界）面张力

3.0 思考题

（1）什么是表（界）面张力？降低表（界）面张力有什么意义？（2）简述：表面张力的测定方法（常用的有7种）及各自的适用范围。

（3）解释：毛细上升法、脱环法、滴重法、吊片法、最大气泡法、停滴法、悬滴法。

（4）写出Szyszkowski公式，指出其研究内容和用途。（5）解释：表面张力曲线的最低点现象。

（6）什么是表面活性剂样品纯净与否的重要标志？

（7）正、负离子表面活性剂混合会发生什么现象？为什么？（8）解释：表面活性剂降低水表面张力的能力、效率

（9）什么是溶液的平衡表面张力、动表面张力？影响动表面张力的因素存在哪些定性规律？

（10）什么是溶液表面张力时间效应？如何测定？影响因素？（11）简述：振荡射流法的基本原理。

（12）液液界面由哪些途径形成，是否自发进行？

（13）解释：界面张力、界面自由能、界面张力曲线转折点。（14）何谓“超低界面张力”？有何实际应用？简述旋滴法测定超低界面张力的基本原理。

3.1 基本概念

1.界面、界面现象、界面张力（界面自由能）表面张力现象.A VI

2.毛细上升法、脱水法、滴重法、吊片法、最大气泡法、停滴法、

悬滴法（7种测定界面张力的方法）

3.表面张力曲线的最低点现象

4.振荡射流法

5.Szyszkowski公式

6.超低界面张力、旋滴法

3.2 基本原理

1.测定界面张力方法的原理（常用的7种方法）

①毛细上升法

②脱环法

③滴重法

④吊片法

⑤最大气泡法

⑥停滴法

⑦悬滴法

2.振荡射流法的工作原理。

3.应用“超低界面张力”技术解决注水油井后期石油开采的基本

原理。

3.3 思考题参考答案

（1）什么是表（界）面张力？降低表（界）面张力有什么意义？ 答：表（界）面张力是指由于液相表面分子受到的内部分子作用

力大于外界气相（或另一相）分子的作用力而形成向内收缩的合力。

表面活性剂的许多应用都与降低液体的表（界）面张力的能力有关。如起泡作用、润湿作用、铺展作用等，它们又衍生出许许多多的物理化学性质。

（2）简述：表面张力的测定方法及各自的适用范围。 答：液体表面张力的测定方法很多。常见的如下：

①毛细上升法。将毛细管插入液体中，观察液体在管内上升或下降的情况，测定其接触角θ（若液体润湿管壁，则θ<900；若液体不润湿管壁，则θ>900），根据公式gh r

ργ∆=2（ρ为界面两侧密度差）求出γ值。因为接触角θ的测量精度不够，所以该法只适用于θ=00时。

②脱环法。又称为duN όuy 法。将水平接触液面的圆环拉离液面过程中施加的最大拉力来推算液体表面张力γ，圆环被提拉时将带起一些液体形成液柱（重P=mg ），P 随提起高度增加而增加，但有一个极限，超过此值环与液面脱开。有

P=mg =2π'R γ+2π（'R +2r ）γ=4πγ（'R +r ）

校正后得 )

'(4r R FP +=

πγ ，F 为校正系数，R ='R +r 为环的平均半径。 该法操作简便，但理论复杂，校正系数、方法带有经验性，

结果受多种不易控制因素影响，结果不一定是平衡值。 ③滴重法（滴体积法）。液体自管口滴落时，液滴的大小与液体的密度和表面张力有关，液滴重量与管口半径及液体表面张力也有关。液滴长大时先发生变形，形成细颈，再在细颈处断开，一部分悬挂液体滴落，一部分残留管口。经校正，得

R

g FV R Fmg ργ∆== 该法操作简便，对接触角无严格限制，结果准确，是测定液体表面张力最常用的方法之一。但此法的表面平衡难以完全，使用校正系数时带有经验性。

④吊片法。此法为Wilhelmy 在1963年首先使用。是用片代替环测定从液面拉脱时最大拉力，以后改进为测定当片的底边平行液面并刚好接触液面时所受到的拉力。计算公式为

)

(2d l f +=γ，f 为沿吊片一周作用的液体表面张力。 该法是最常用的方法之一。完全平衡为其突出优点，其次是

操作简便，不需要密度数据，也无须麻烦的计算。现代化表面张力仪大多采用该法。缺点是：液体必须很好润湿吊片，常用材料为铂金、玻璃、云母等。

⑤最大气泡法。测定使惰性气体慢慢地通过插入液面的毛细管口出泡的最大压力，依此推算液体的表面张力2

pr ∆=γ。 该法只适用于管口很细而且插入液面不深时，否则必须用Bashforth-Adams 方程求算曲率半径。

⑥停滴法。在重力场中，停于水平表面上的液滴（简称停滴）或垂直悬挂的液滴（简称悬滴）将形成轴对称液面，由Bashforth-Adams 方程，得γρβ2

gb ∆=，β是形状因子。

确定β值的方法较多，如：外形比较法、赤道参数法、等腰三角形法等。各有优劣。近年来已经借助计算机技术以方便计算。

⑦悬滴法。也是一种液面外形法，是通过测定悬挂的液滴的外形参数，应用Bashforth-Adams 方程推算出液体的表面张力。较有实用价值的是1937年Andreas 等提出的选面法。计算公式为H

gd gb e 22

ρβργ∆=∆=。 该法优点是：免除了对接触角的要求，可以远距离操作，便于特殊条件（例如高温、高压、特殊化学环境等）下测定液体的表面张力，而且容许随意长的平衡时间，并可用于粘性液体。扩大了滴外形法的应用范围。缺点是：对防震要求很高，否则难以得到正确的悬滴外形曲线。

（3）解释：毛细上升法、脱水法、滴重法、吊片法、最大气泡法、

停滴法、悬滴法。

答：参阅题（2）。

（4）写出Szyszkowski 公式，指出其研究内容和用途。 答：Szyszkowski 公式为 )]1ln(1[0a

c +-=βγγ ，这是一个经验公式。

式中，0γ为溶剂的表面张力，α和β是两个经验参数。

该公式表明了表面活性剂水溶液表面张力随溶液浓度变化的

情况，即“表面张力—浓度关系”，通常采用c lg -γ曲线表示。

（5）解释：表面张力曲线的最低点现象。

答：即表面张力随浓度变化关系时常在临界胶团浓度（CMC ）附近

出现最低值的现象。这是由于溶液中存在高表面活性杂质的结果。如果进行纯化，该现象可以消除。

一般来说，这些“杂质”是像十二醇一类的极性有机物。

（6）什么是表面活性剂样品纯净的重要标志？

答：两个标志

① 水溶液表面张力不存在最低值（实用标志）

② 表面张力的时间效应（建议标志）

（7）正、负离子表面活性剂混合会发生什么现象？为什么？ 答：两种现象

①沉淀。电性相反，互相结合，失去表面活性。

②结合生成更强的表面活性物质。可以把液体的表面张力降得更低。