表面张力测定实验的改进

辛景凡 孙佩箫 熊宇玲 祁慧敏 李圆圆

摘 要：对于最大泡压法测定表面张力的实验，我们通过调整冒泡速度对其进行实验探索。实验测试了冒泡速度分别为3，5，7，9，11s/个时，乙醇与异丙醇两种溶液在浓度为10%，20%，30%，40%，50%时表面张力的大小。结果显示，不同浓度的乙醇与异丙醇溶液，当冒泡速度为11s/个时，这两种溶液的表面张力值最接近理论值。因此在测定表面张力的实验时冒泡速度控制在10s/个以上，所得数据更精确。通过初步探索为表面张力实验的教学改进提供了依据。

关键词：表面张力;冒泡速度;最大泡压法

中图分类号：O647.1  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2021）04-0021-04

1 前言

表面张力是液体普遍存在的一种现象，是表面层分子和内部层分子环境不同造成的[1，2]。液面之所以会缩小是因为外层分子拉着分子向内运动，并使表面层表现出独特的性质。一个分子从内部被拉到外层上，需要对抗这种反作用力而做功。在其他因素都不变的状态下，用表面增加dA与比例常数（？滓）相乘称为表面功，表示为

表面功的值，等同于其他因素条件不变的情况下（温度，压力等）每增加1面积时对整个体系做的功，换句话的意思是由能的增加值与增加每单位表面积时系统做的功。外界对整个体系做的功变成了多余的自由能。表面自由能用σ表示，单位是J/m2。在表面上每单位长度上的力可以称为σ，这时σ叫作表面张力[3，4]。

影响表面张力的因素主要有以下几种：

（1）分子间的相互作用力：纯液体或固体的表面张力取决于分子间的化学键能，一般的金属键>离子键>极性共价键>非极性化学键。

（2）温度对表面张力的影响，随着温度的升高表面张力下降。当达到临界温度Tc时，表面张力趋于零。

（3）压力的影响，当压力增加时，气相密度增加，表面分子受力不均匀的现象略有好转，另一因素，非液非固相的物质，压力如果增加是能够促进表面吸附的，如果气相的物质溶解程度增加，会使表面张力下降。

从文献调研上我们也发现，关于不同物质的表面张力以及温度对表面张力的影响已有不少的研究[5-8]。一般压力对表面张力的影响的实验研究不易进行，很少有人考虑压力对表面张力的影响。据文献调研，关于冒泡速度对表面张力的影响还未被考虑。

本文采用最大泡压法测定两种溶液的表面张力，希望通过调整冒泡速度来探索冒泡速度对表面张力的影响，为表面张力测定实验的改进提供一些基础型数据。

2 实验原理及装置

纯液体外层与内部的成分相同，那么液体想要使系统表面自由能降低，只能有一个办法就是缩小它的表面积。在液相体系中，溶质会影响表面张力，可以稀释或浓缩溶质来降低表面自由能。

根据能量最低原则，如果要降低溶剂的表面张力，表面层中溶质浓度要高于溶液内部。反之通过调节溶质的量使溶剂的表面张力升高，则溶质在外层中的浓度比在内部的浓度要低。这种外层浓度与内部浓度不同的现象叫吸附。如果温度恒定，吸附量与溶液的表面张力与溶液的浓度有关。吉布斯根据热力学的方法推导出它们之间的关系式：

常采用悬滴法、铂金环法、旋转滴法和最大泡压法来测液体的表面张力。本文采用最大泡压法来测溶液的表面张力。

当仪器中的待测液体液面与毛细管端面相切，液体就会沿管上升。分液漏斗开启，为了增加系统压力而使水缓慢下滴，这时压力差在管端面产生的力>管口液体的表面张力，就有气泡逸出，可由数显式压差仪上读出大壓力差。其关系式为

式中K代表仪器常数。

因此，以已知表面张力的液体为标准.从式（8）即可求出其他液体的表面张力σ1。

3 仪器和试剂

恒温装置一套;数显式压差测定仪1台;表面张力装置配套玻璃一套;洗50mL容量瓶5个;烧杯（25mL）1只;无水乙醇（AR）500mL，异丙醇（AR）500mL。

4 实验步骤及数据处理

（1）仪器准备，有些仪器需要洗净干燥对，按图1组装装置。

（2）分别配置体积浓度为10%，20%，30%，40%，50%的乙醇和异丙醇溶液。

（3）调节恒温为25.0℃。

（4）仪器常数的测定。以标准体（水）作为仪器常数。操作步骤是将干燥过的毛细管插入（垂直），使毛细管的端口与水面相切，开启滴液漏斗，控制滴液速度，使气泡逸出的速度约为5-10s/个，读取最大的气泡时压差Pmax，H2O（以水测量时最大压差约在700-800Pa左右，现象是气泡逸出的瞬间，否则需重选毛细管）。

通过手册查出实验温度时水的表面张力，利用公式K=H2O/Pmax，H2O

（5）实验溶液表面张力的测定。玻璃仪器洗净，用待测液润洗，加入适量样品于试管中，按照上述第（4）步测定方法，测定实验的溶液压力差/Pmax，代入公式（8）计算其表面张力。

5 实验数据与讨论

实验温度为t=25.0℃时，蒸馏水的表面张力为？滓=71.97×10-3N/m，毛细管常数K=0.054522。实验数据平行测定两次取平均值。体积浓度为10%，20%，30%，40%，50%的乙醇浓度为1.72mol/L，3.43mol/L，5.15mol/L，6.86mol/L，8.58mol/L。异丙醇浓度为1.31 mol/L，2.62mol/L，3.93mol/L，5.23mol/L，6.54mol/L。表1和表2分别列出，不同浓度不同冒泡速度下得到乙醇和异丙醇的压力差值。

根据公式（8）？滓1/？滓2=？驻Pmax，1/？驻Pmax，2，计算出不同浓度的乙醇和异丙醇的表面张力？滓1。以？滓-c作图，在图中曲线上的切线斜率代入吉布斯吸附公式（1）。便可得到不同浓度时气-液界面上的吸附量Г。表3与表4分别列出了乙醇与异丙醇不同溶度，不同冒泡速度下的？滓，dσ/dc，Г值。

表4为不同浓度下异丙醇在不同冒泡速度时的σ，dσ/dc，Г值。

从实验获得的数据与文献的数据对比分析，我们发现当冒泡速度为11s/个时，所测数据更接近文献值。换句话说，对于乙醇和异丙醇溶液，在测其表面张力时，冒泡速度尽量控制在10s/个以上，获得的数据更精确。

6 小结

本文利用最大泡压法，从冒泡速度角度对乙醇和异丙醇溶液的表面张力进行试验。结果表明，冒泡速度在10s/个以上时更接近文献参考数据。本实验为最大泡压法测定溶液的表面张力在教学上提供了依据，为该实验的改革提供了实质性的改进。

参考文献：

〔1〕张莉娟，郑忠.胶体与界面化学[M].华南理工大学出版社，2006.

〔2〕郭瑞.表面张力测定方法综述[J].计量与测定技术，2009，36（04）：62-64.

〔3〕刘宾.“最大泡压法测表面张力”实验改革[J].湖北中医学院学报，2008，10（01）：43-44.

〔4〕刘振.计算机在最大泡压法测定溶液表面张力处理数据中的应用[J].西安文理学院学报：自然科学版，2012，15（03）：97-100.

〔5〕许丽梅，莫春生，徐旭耀.最大泡压法测定水溶液表面张力实验探索[J].高校实验室工作研究，2009，105（04）：35-37.

〔6〕谈世栋.机械振动对液态金属表面张力的影响[D].重庆大学，2014.

〔7〕王乐平，李红梅.液体表面张力研究中，两个需要修改的问题[J].科技创新导报，2012，96（14）：233 -236.

〔8〕李田，杨玲，徐金荣，吴忠云，朱涛.溶液表面吸附实验拓展[J].实验技术与管理，2016，636（04）：43-45.

〔9〕武正簧，张楠祥，安新跃.乙醇水溶液表面张力的测定及数据处理方法[J].分析仪器，2014，264（01）：73-78.

〔10〕李羚，李德光.乙醇水溶液表面吸附量测定数据处理方法的改进[J].云南师范大学学报，2008， 28（04）：49-50.