界面张力的测定

实验五十六界面张力的测定

一实验目的

1.掌握界面张力和表面张力的基本概念；

2.了解界面张力和表面张力产生原因和现象；

3.学会表面张力仪的使用方法。

二实验原理

处于界面的分子与处于相本体内的分子所受的力不同,在本体内的分子所受的力是对称平衡的，合力为零,但处在表面或界面的分子由于上、下层分子对它的吸引力不同，所受合力不等于零，其合力方向一般情况下垂直指向液体内部，如在无外力作用下的水滴、汞滴、杯子中的弧形水面等，这种力由液体分子间内聚力引起，被称为界面张力。通常情况下，界面张力（interfacial tension)是指不相容两相间的张力，而表面张力（surfacial tension)是界面张力的一种特殊形式，是指气-液或气-固界面的张力。

表面张力是液体的属性之一，仅与温度有关，一般情况下温度越高，表面张力就越小。另外杂质或添加剂会明显改变液体的表面张力，比如洁净的水表面张力很大，沾有肥皂液的水表面张力就比较小。具有不同表面张力的液体呈现不同的物理现象和化学性质，液体的溶解性、润湿性、发泡性、涂布性及渗透性等性质也同表面张力有关。人们经常对给定的液体进行表面张力的分析，进而研究该液体相对于其他液体或固体的物理现象，而这种研究正是产业化过程中进行质量控制的基本手段之一。

本实验学习使用2种表面张力测量方法，白金环法（又称du Nouy法）和白金板法（又称Wilhelmy法）。表面张力的测定最早使用的白金环法，但由于白金环法存在某些不足，因此又研究开发出白金板法。图1是实验中使用的全自动表面张力仪示意图。

1双头挂钩及白金环（或白金板）； 2样品

托盘；3张力仪主机；4样品台升降构件；

5水平调节脚；6液晶显示屏（显示测得的

数值部分）；7按键“开/关、去皮、校准、

模式”； 8测力值传感器； 9水平泡图1 全自动表面张力仪示意图

（1）白金环法

白金环法的测量首先将白金环轻轻浸入液体中大约5～6mm 左右，随后将白金环慢慢地往上提升，即液面相对而言下降，使得白金环下面形成一个液柱，并最终与白金环分离。白金环法就是去感测一个最高值，而这个最高值形成于白金环与液体样品将离而未离时，最后通过经验值计算将这个最高值转化为液体的表面张力。

上面等式中的F 是一个设定值，它的大小取决于环的直径与液体的性质。这个修正值很重要，因为向下的力并不一直是垂直的，而且随白金环拉起来的液体的状况也很复杂。一般而言，F 值通过Zuidema & Waters 等式计算得到：

a : 0.7250

b : 0.09075 m -1s 2

c : 0.04534 – 1.679 r ／R r : 白金金属丝的半径

R : 白金环的内径(两个金属丝中心间的距离) ρ : 液体的密度

（2）白金板法

白金板法的测量步骤是将白金板逐渐浸入液体，在这个过程中由感应器感测平衡值，并将平衡值转化为表面张力值显示出来。

当白金板浸入到被测液体后，白金板周围就会受到液体表面张力的作用，将白金板尽量地往下拉，当液体表面张力和重力与所受的的浮力达到均衡时，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值。

C R P R

b

a F +∙∙

=

-ρππ

414)(2

2

2

两种表面张力仪在应用上优缺点如下：

（1）测高粘度样品的表面张力值时，白金板法更准确，白金环法测量值会偏高，这是由于其测量原理决定的，粘力会被视为表面张力的一部分；

（2）白金环法测得的是环离开液体时那个时间点的表面张力值，因此不易测得随时间变化的表面张力值，动态表面张力只能用白金板法测量；

（3）有些测试样品会与白金板形成自憎现象，此时白金环法测量值更准确； （4）白金环容易变形，而变形后环不易校正，变形的环对测量结果准确性影响较大；

（5）白金环法所采用的校正系数F 为经验值，影响测量结果准确性。 三实验步骤

（1） 表面张力的测定

水，煤油，十二烷基苯磺酸钠（SDBS）水溶液, 明胶水溶液, 聚乙烯醇(PVA)水溶液

（2） 界面张力的测定

煤油/水，煤油/十二烷基苯磺酸钠（SDBS）水溶液,煤油/聚乙烯醇(PVA)水溶液

（3）十二烷基硫酸钠临界胶束浓度的测定

四 思考题

1 表面张力与界面张力有什么区别？

m g + L γ･co s θ = sh ρg

白金板的重力 + 表面张力总和 = 白金板受到的浮力

(向下) (向上)

m :白金板的重量 g : 重力（9.8N / K g ） L : 白金板的周长 γ: 液体的表面张力

θ: 液体与白金板间的接触角 s : 白金板横切面面积 h : 白金板浸入的深度 ρ: 液体的密度

2 界面张力对液液分散体系中液滴直径大小有什么影响？

3 液液分散体系中液滴直接大小除与界面张力有关外，还与那些因素有关？

五 扩展知识

（1） 表面活性剂的结构特点和分类

表面活性剂能够显著降低溶液的表面张力，改变体系界面状态等特性，这是由其分子结构所决定的。表面活性剂分子中总是由非极性部分、亲油（疏水）的碳氢链部分和极性的、亲水（疏油）的基团两部分构成，此两部分往往分处分子链两端，形成不对称结构。表面活性剂性质的差异，除了与烃基的大小和形状有关外，主要与亲水基的不同有关。表面活性剂的分类，一般以亲水基的结构类型而划分，主要分以下几类：

（Ⅰ）阴离子型：羧酸基、磺酸基、硫酸酯基

（Ⅱ）阳离子型：氨基、季铵盐

（Ⅲ）两性型：氨基+羧基等

（Ⅳ）非离子型：多元醇及其他

（Ⅴ）其他：含氟、硫等高分子表面活性剂

（2） 临界胶束浓度（CMC）

溶剂中加入表面活性剂，随着加入量的增加，原先以低分子状态存在的表面活性剂分子，立刻形成很大的集团而成为一个整体，因此，以临界胶束浓度为界限，在高于或低于此临界浓度时，其溶液的表面张力和界面张力，以及其他一些物理性质，如电阻率、渗透压、冰点下降、蒸汽压、黏度、密度、光散射等都有显著变化。因此，表面活性剂水溶液，其浓度只有在稍高于其临界胶束浓度时，才能充分发挥其作用。