表面张力的测定方法

表面张力的测定方法

医药化工学院应用化学（化妆品方向）10（2）班阮怀金1015512260

摘要：在没有外力的影响或影响不大时，液体总是趋向于成为球状，可见液体总是有自动收缩而减少表面积，从而降低表面自由能的趋势。表面张力是表面活性剂的一项重要性质，也是表面活性剂水溶液的重要特性之一。根据表面张力的大小，可确定表面活性剂的别的表面活性，也可以了解表面活性剂在界（表）面吸附过程中所起作用的机理，因此表面张力的测定很有必要【1】。表面张力无法直接通过热力学微分关系式从状态方程导出，精确可靠的表面张力实验数据只能通过精密测量得到。

关键词：表面张力；滴重法；毛细管上升法；最大气泡压力法；差分最大气泡压力法；Wilhelmy 盘法；环法；滴外形法；振荡射流法；旋滴法；悬滴法

一、测定方法

液体表面张力的测定方法分静态法和动态法。静态法【2-3】有毛细管上升法、

DuNouy吊环法、Wilhelmy盘法、旋滴法、悬滴法、滴体积法、最大气泡压力法；动态法【4-5】有旋滴法、震荡射流法和悬滴法等。其中毛细管上升法和最大气泡压力法不能用来测液-液界面张力。Wilhelmy 盘法，最大气泡压力法，振荡射流法可以用来测定动态表面张力。

静态法测定表面张力

1、滴重法【6】

1.1、基本原理

滴重法也叫做滴体积法，这种反分法比较精确而且简便。其基本原理是：自一毛细管滴头滴下液体时，液滴的大小与液体的表面张力有关，即表面张力越大，滴下的液滴也越大，二者存在关系式：

W=2πRγf (1)

γ=W/(2πRf} (2)

式中，W为液滴的重量；R为毛细管的滴头半径，其值的大小由测量仪器决定；f为校正系数。一般实验室中测定液滴体积更为方便，因此式（2）又可写为：

γ=(Vρg/R)×(1/2πf) (3)

式中，V为液滴体积；ρ为液体的密度；f为校正因子。

对于特定的测量仪器和被测液体，R和ρ是固定的，在测量过程中，只要测出数滴液体的体积, 就可计算出该液体的表面张力。

1.2方法特点【7】

此法是一种相对精确而又可能是最方便的方法之一，它的样品制备简单，温度时间间隔长,只用简单的温度控制即可，可用来测定气-液和液-液界面，且样品的用

量少。

但存在的缺点是:

(1)至今只能算是一种经验方法;

(2)不能用来测定达到平衡较慢的表面张力,同时该法也不能达到完全的平衡;

(3)存在准确测定液体体积和很好地控制液滴滴落速度等问题。

2、毛细管上升法【8】

2.1测定原理

将一支毛细管插入液体中，液体将沿毛细管上升,升到一定高度后，毛细管内外液体将达到平衡状态，液体就不再上升了。此时,液面对液体所施加的向上的拉力与液体总向下的力相等。则

γ=1

2

(ρl−ρg)ghrcosθ(1)

式中γ为表面张力；r为毛细管的半径；h为毛细管中液面上升的高度；ρl为测量液体的密度;ρg为气体的密度(空气和蒸气；g为当地的重力加速度；θ为液体与管壁的接触角。若毛细管管径很小，而且θ=0时，则上式(1)可简化为

γ=1

2

ρghr(2)

2.2优点

本法是用来直接测定液体表面张力的最为准确的绝对方法之一，也是应用最多的方法之一。由于它不仅理论完整，而且实验条件可以严格控制，是一种重要的测定方法。随着技术的发展，毛细管上升技术也可以用来测定动态表面张力。此方法还曾被用于高温高压条件下表面张力的测定，但温度一般不超过100℃，压强不超过13.8MPa。

2.3缺点

(1)不易选得内径均匀的毛细管和准确测定内径值;

(2)液体与管壁的接触角不易测量;

(3)溶液的纯度会对表面张力的测量造成不同程度的影响。

(4)需要较多液体才能获得水平基准面(一般认为直径在10cm以上液面才能看作平面)，所以基准液面的确定可能产生误差。

3、最大气泡压力法【9】

3.1、测定原理

若在密度为ρ的液体中，插入一个半径为r的毛细管，深度为t，经毛细管吹入一极小的气泡，其半径恰好与毛细管半径相等。此刻气泡内压力最大。根据拉普拉斯公式，气泡最大压力为：

Pm=ρgt+2γr

即γ=1

2

r(Pm−ρgt)

3.2、优点

此种方法设备简单，操作方便，不需要完全湿润，它既是相对的方法，也是绝对

的方法。可以测量静态和动态的表面张力，测量的有效时间范围大，温度范围宽。

3.3、缺点

(1)气泡不断生成可能会扰动液面平衡，改变液体表面温度，因此不易控制气泡形成速度；

(2)要求在气泡逸出瞬间读取气泡的最大压力，因此此值很难测准；

(3)毛细管的半径不易准确测定；

(4)此法中，最大压差为大气压与系统压力的差值，因此，当室内气流流动时，会造成大气压的变化，使实验测得的数据产生一定误差；

(5)为了消除溶液静压对测定结果的影响，测定时要求测量的毛细管插入液体中的深度为0,但要调整毛细管尖端与被测液面相切有一定的难度。

4、差分最大气泡压力法【10】

4.1、测定原理

差分最大气泡压力法原理是:两个同质异径的毛细管插入被测液体中，气泡从毛细管中通过后到达液体中，测量两个毛细管中气泡的最大压力p1和p2,，表面张力是压差的函数，计算公式为：

γ=1

2Δp+(ρl−ρg)g(

r2−r1

3−

1

2Δt)+g²(r2³−r1³)(ρl−ρg)²

(1r1

⁄−1r2

⁄)24γ

式中Δp为两毛细管的压差；Δt为两管插入液面的高度差。

4.2优点

(1)通过调整毛细管的插入深度来降低测量和计算的复杂程度；

(2)现在的技术可用来测绝对表面张力也可用来测相对表面张力；

(3)通过选择合适的毛细管，大范围的气泡生成周期是可以达到的，从十分之一秒到几分钟，而且可用来测动态表面张力；

(4)此种方法比差分毛细管上升法有更好的重复性。

5、Wilhelmy盘法【11】

5.1、测定原理

用铂片、云母片或显微镜盖玻片挂在扭力天平或链式天平上，测定当片的底边平行面刚好接触液面时的压力，由此得表面张力，公式为：

W总-W片=2γlcos∅

式中，W

总为薄片与液面拉脱时的最大拉力;W

片

为薄片的重力;l为薄片的宽度;薄

片与液体的接触的周长近似为2l; ∅为薄片与液体的接触角。

5.2、方法特点

它具有完全平衡的特点。这是常用的实验方法之一，且简单，操作方便，不需要密度数据，直观可靠，不仅可用于测定气- 液表面张力，也可用于测定液-液界面张力。精确度可达到0.11 mN·m-1。

但存在的缺点是：

(1)要求是液体必须很好地湿润薄片，保持接触角为零；