表面張力測定實驗裝置圖

A. 如何測液體的表面張力

液體表面張力系數的測定

液體的表面張力是表徵液體性質的一個重要參數．測量液體的表面張力系數有多種方法，拉脫法是測量液體表面張力系數常用的方法之一．該方法的特點是，用秤量儀器直接測量液體的表面張力，測量方法直觀，概念清楚．用拉脫法測量液體表面張力，對測量力的儀器要求較高，由於用拉脫法測量液體表面的張力約在1×10-3～1×10-2 N之間，因此需要有一種量程范圍較小，靈敏度高，且穩定性好的測量力的儀器．近年來，新發展的硅壓阻式力敏感測器張力測定儀正好能滿足測量液體表面張力的需要，它比傳統的焦利秤、扭秤等靈敏度高，穩定性好，且可數字信號顯示，利於計算機實時測量，為了能對各類液體的表面張力系數的不同有深刻的理解，在對水進行測量以後，再對不同濃度的酒精溶液進行測量，這樣可以明顯觀察到表面張力系數隨液體濃度的變化而變化的現象，從而對這個概念加深理解。

[實驗目的]

1．用拉脫法測量室溫下液體的表面張力系數

2．學習力敏感測器的定標方法

[實驗原理]

測量一個已知周長的金屬片從待測液體表面脫離時需要的力，求得該液體表面張力系數的實驗方法稱為拉脫法．若金屬片為環狀吊片時，考慮一級近似，可以認為脫離力為表面張力系數乘上脫離表面的周長，即

F=α·π(D1十D2 ) （1）

式中，F為脫離力，D1，D2分別為圓環的外徑和內徑，α為液體的表面張力系數．

硅壓阻式力敏感測器由彈性梁和貼在樑上的感測器晶元組成，其中晶元由四個硅擴散電阻集成一個非平衡電橋，當外界壓力作用於金屬梁時，在壓力作用下，電橋失去平衡，此時將有電壓信號輸出，輸出電壓大小與所加外力成正此，即

△U=KF （2）

式中，F為外力的大小，K為硅壓阻式力敏感測器的靈敏度，△U為感測器輸出電壓的大小。

[實驗裝置]

圖14-1為實驗裝置圖,其中,液體表面張力測定儀包括硅擴散電阻非平衡電橋的電源和測量電橋失去平衡時輸出電壓大小的數字電壓表．其他裝置包括鐵架台,微調升降台,裝有力敏感測器的固定桿,盛液體的玻璃皿和圓環形吊片,實驗證明,當環的直徑在3cm附近而液體和金屬環接觸的接觸角近似為零時.運用公式(1)測量各種液體的表面張力系數的結果較為正確。

圖14-1 液體表面張力測定裝置

[實驗內容]

一、必做部分

1、 力敏感測器的定標

每個力敏感測器的靈敏度都有所不同，在實驗前，應先將其定標，步驟如下：打開儀器的電源開關，將儀器預熱。（2）在感測器梁端頭小鉤中，掛上砝碼盤，調節電子組合儀上的補償電壓旋鈕，使數字電壓表顯示為零。（3）在砝碼盤上分別如0.5g、1.0g、1.5g、2.0g、2.5g、3.0g等質量的砝碼，記錄相應這些砝碼力F作用下，數字電壓表的讀數值U.(4)用最小二乘法作直線擬合,求出感測器靈敏度K.

2、 環的測量與清潔

（1）用游標卡尺測量金屬圓環的外徑D1和內徑D2 （關於游標卡尺的使用方法請閱實驗1）

（2）環的表面狀況與測量結果有很大的關系，實驗前應將金屬環狀吊片在NaOH溶液中浸泡20－30秒，然後用凈水洗凈。

3、液體的表面張力系數

（1）將金屬環狀吊片掛在感測器的小鉤上，調節升降台，將液體升至靠近環片的下沿，觀察環狀吊片下沿與待測液面是否平行，如果不平行，將金屬環狀片取下後，調節吊片上的細絲，使吊片與待測液面平行。

（2）調節容器下的升降台，使其漸漸上升，將環片的下沿部分全部浸沒於待測液體，然後反向調節升降台，使液面逐漸下降，這時，金屬環片和液面間形成一環形液膜，繼續下降液面，測出環形液膜即將拉斷前一瞬間數字電壓表讀數值U1和液膜拉斷後一瞬間數字電壓表讀數值U2。

△U＝U1-U2

（3）將實驗數據代人公式（2）和（1），求出液體的表面張力系數，並與標准值進行比較。

二、選做部分

測出其他待測液體，如酒精、乙醚、丙酮等在不同濃泄勁時的表面張力系數

三、實驗數據和記錄

1、感測器靈敏度的測量

表14-1

砝碼／g
0.500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000

電壓／mV

經最小二乘法擬合得K=_______mV/N,擬合的線性相關系數r=__________

2、水的表面張力系數的測量

金屬環外徑D1=_________cm,內徑D2=_______ cm, 水的溫度：θ=________τ.

表14-2

編號
U­­1/mV
U2/mV
△U/mV
F/N
A/N.m-1

1

2

3

4

5

平均值： =_______N/m

附：水的表面張力系數的標准值：

A/N.m--1
0.074 22
0.073 22
0.072 75
0.071 97
0.071 18

水的溫度t/C
10
15
20
25
30

B. 最大氣泡法測表面張力

1.毛細管的尖端要平整？選擇毛細管直徑大小時應該注意什麼？
答：實驗中默認鼓出的氣泡為半球形，其曲率半徑R和毛細管的半徑r相等時達到最小值，而附加壓力達到最大值，以此測出液體的表面長力。如果毛細管尖端不平整，就不能得到半球形氣泡。選擇毛細管時，其直徑不宜太大，因為毛細管半徑較小的時候才能保證其形成的氣泡基本上是球星的。

2.如果氣泡出的很快對結果有何影響？
答：氣泡出的很快會使氣泡不能一個一個鼓出而幾個氣泡聚集在一起，使得數據變大。
3.用最大氣泡法測表面張力時，為什麼要取一標准物質？本實驗中若不用水作標准物質行不行？最大氣泡法的使用范圍怎麼樣？
答：用最大起泡法測定表面張力時，毛細管的直徑很小，故要通過獲得其半徑來計算液體的表面張力難度較大，但儀器的半徑是不會改變的，故認為它是一個常數，因而需要取一標准物質，通過其已知的表面張力來推算出這個常數。本實驗中可以不用水作為標准物質。最大氣泡法因為與接觸角無關，裝置簡單，測定快速，故使用的范圍很廣，經過適當的設計可以用於熔融金屬和熔鹽的表面張力測量。

C. 最大泡壓法為何要測定儀器常數

最大泡壓法是一種測定溶液表面張力的方法，溶液的表面張力 σ是強度因子，是物質的重要特性之一，在一定的溫度和壓力下有一定的數值。測定表面張力的方法有多種，在科研和教學上常採用的有：毛細管上升法 、最大泡壓法 、滴重或滴體積法 、拉脫法等。其中最大泡壓法測定溶液表面張力實驗裝置簡單、操作方便，且不需要測定接觸角 θ 和液體密度 ρ ，因而是大學物理化學實驗中的重要內容之一。
中文名
最大泡壓法
外文名
The maximum bubble pressure method
用途
測定溶液表面張力
學科
物理化學
基本原理儀器與試劑實驗步驟測試注意事項TA說
基本原理
最大泡壓法測定溶液的表面張力是毛細管上升法的一個逆過程。其裝置如概述圖所示，將待測表面張力的液體裝於表面張力儀中使毛細管的端面與液面相切（這樣做是為了數據處理方便，如果做不到相切，每次實驗毛細管浸沒的深度應保持一致，此時數據處理參見其它文獻），由於毛細現象液面即沿毛細管上升，打開抽氣瓶的活塞緩緩抽氣，系統減壓，毛細管內液面上受到一個比表面張力儀瓶中液面上（即系統）大的壓力，當此壓力差——附加壓力（∆p=p大氣-p系統）在毛細管端面上產生的作用力稍大於毛細管口液體的表面張力時，氣泡就從毛細管口脫出，此附加壓力與表面張力成正比，與氣泡的曲率半徑成反比，其關系式為拉普拉斯公式：
式中，∆p為附加壓力；σ為表面張力；R為氣泡的曲率半徑。
如果毛細管半徑很小，則形成的氣泡基本上是球形的。當氣泡開始形成時，表面幾乎是平的，這時曲率半徑最大；隨著氣泡的形成，曲率半徑逐漸變小，直到形成半球形，這時曲率半徑R和毛細管半徑r相等，曲率半徑達最小值，根據上式這時附加壓力達最大值。氣泡進一步長大，R變大，附加壓力則變小，直到氣泡逸出。根據上式，R=r時的最大附加壓力為：
或：
對於同一套表面張力儀，毛細管半徑r、測壓液體密度、重力加速度都為定值，因此為了數據處理方便，將上述因子放在一起，用儀器常數K來表示，上式可簡化為：
式中的儀器常數K可用已知表面張力的標准物質測得，通常用純水來標定[1]。
儀器與試劑
實驗儀器：
最大泡壓法表面張力儀、洗耳球、移液管（1mL、5mL）、燒杯（50mL）、溫度計。
實驗試劑：
待測溶液、蒸餾水。
實驗步驟
儀器准備與檢漏
將表面張力儀容器和毛細管洗凈、烘乾。在恆溫條件下將一定量蒸餾水注入表面張力儀中，調節液面，使毛細管口恰好與液面相切。打開抽氣瓶活塞，使體系內的壓力降低，當U形管測壓及兩端液面出現一定高度差時，關閉抽氣瓶活塞，若2~3min內，壓差計的壓差不變，則說明體系不漏氣，可以進行實驗。
儀器常數的測量
打開抽氣瓶活塞，調節抽氣速度，使氣泡由毛細管尖端成單泡逸出，且每個氣泡形成的時間約為5~10s。當氣泡剛脫離管端的一瞬間，壓差計顯示最大壓差時，記錄最大壓力差，連續讀取三次，取其平均值。再由手冊中查出實驗溫度時水的表面張力σwater，則儀器常數：
表面張力隨溶液濃度變化的測定
用移液管分別移取0.150mL、0.300mL、0.600mL、0.900mL、1.50mL、2.50mL、3.50mL待測液，移入7個50mL的容量瓶，配製成一定濃度的待測溶液。然後由稀到濃依次移取一定量的待測溶液，按照步驟（2）所述，置於表面張力儀中測定某濃度下待測溶液的表面張力。隨著待測液濃度的增加，測得的表面張力幾乎不再隨濃度發生變化。
將各實驗數據統計，整理填入預製表格中[2]。
測試注意事項
① 在測定表面張力時，毛細管的端面與液面相切，這樣是為了數據處理方便。如果做不到相切，每次實驗毛細管浸沒的深度應保持一致。
② 測定溶液的表面張力儀時，要從濃度低到濃度高的溶液依次進行。避免待測溶液污染，濃度發生明顯變化。
③ 每次安裝好儀器，進行測定前，注意要先打開抽氣瓶上的塞子，連通大氣，再塞緊塞子進行實驗測定

D. 最大泡壓法測表面張力 儀器常數K

溶液的吸附作用和液體表面張力的測定

一．實驗目的

1．用最大泡壓法測定不同濃度的表面活性物質（正丁醇）溶液在一定溫度下的表面張力；

2．應用Gibbs和Langmuir吸附方程式進行精確作圖和圖解微分，計算不同濃度正丁醇溶液的表面吸附量和正丁醇分子截面積，以加深對溶液吸附理論的理解；

3．掌握作圖法的要點，提高作圖水平。

二．實驗原理

當液體中加入某種溶質時，其表面張力要發生變化。例如在水中溶入醇、醛、酮等有機化合物，水的表面張力要減小；若加入某些無機物，則水的表面張力稍有增大。溶液系統可通過自動調節不同組分在表面層中的量來降低表面Gibbs能，使系統趨於穩定。因此，若加入的溶質能夠降低溶液的表面張力，則該溶質力圖濃集在表面上；反之，則該溶質在表面層中的濃度一定低於溶液的內部，這種表面層中某物質的含量與溶液本體中不同的現象，稱之為表面吸附作用。當表面層中物質的量大於本體溶液中的量，叫做發生了正吸附，反之為發生負吸附，Gibbs用熱力學方法導出了一定溫度下，吸附量的定量公式——Gibbs吸附等溫式：

＝－
式中， 為表面吸附量（mol/m2）；γ為表面張力（N/m或J/ m2）；T為熱力學溫度（K）；c為溶液本體的平衡濃度（mol/L）；R為氣體常數[J/(mol•K)]。

能使溶劑水的表面張力降低的溶質通常稱為表面活性物質。工業上和生活中所用的去污劑、起泡劑、乳化劑及潤滑劑等都是表面活性物質。表面活性物質的分子是由親水的極性部分和憎水的非極性部分構成的，正丁醇分子為ROH型一元醇，其羥基為親水基，烴基為憎水基，當它溶於水後，在溶液表面層形成羥基朝下，烴基朝上的正丁醇單分子層。當溶液濃度增加時，表面吸附量也增加；當濃度足夠大時，吸附量達極大值 ，表面溶液的表面吸附達飽和狀態。 可近似看成表面上定向排滿單分子層時單位表面積中正丁醇的物質量。

正丁醇溶液的γ-c曲線示於圖一。從曲線可求得不同濃度下的dγ/dc值，將各值待入Gibbs公式可計算不同濃度時表面吸附量 。如果作 -c曲線，可求得飽和吸附量 ，並由下式計算出正丁醇的分子截面積：

S=
式中，N0為Avgodro常數（6.02×1023/mol）。

實際上將 -c曲線外推求 比較困難。設氣固單分子層吸附的Langmuir吸附等溫式適用於溶液的表面吸附，並以表面吸附量 （表面超量）代替單位表面上所含正丁醇的物質量，則有：

θ＝
或

式中，θ為吸附分數，c為溶液本體的平衡濃度，K為與溶液表面吸附有關的經驗常數。由 ～c作圖可得一直線，由直線斜率求 ，進而可求分子的截面積S。

圖一 γ～c曲線、 ～ c曲線和 ～c曲線
圖二 最大泡壓法測液體表面張力儀器裝置圖

用最大泡壓法測表面張力方法如下：測定液體表面張力的方法很多，如毛細管升高法、滴重法、環法、滴外形法等等。本實驗採用最大泡壓法，實驗裝置如圖二所示。

圖二中A為充滿水的抽氣瓶；B為直徑為0.2～0.3mm的毛細管；C為樣品管；D為U型壓力計，內裝水以測壓差；E為放空管；F為恆溫槽。

將毛細管豎直放置，使滴口瓶面與液面相切，液體即沿毛細管上升，打開抽氣瓶的活栓，讓水緩緩滴下，使樣品管中液面上的壓力漸小於毛細管內液體上的壓力（即室壓），毛細管內外液面形成一壓差，此時毛細管內氣體將液體壓出，在管口形成氣泡並逐漸脹大，當壓力差在毛細管口所產生的作用力稍大於毛細管口液體的表面張力時，氣泡破裂，壓差的最大值可由U型壓力計上讀出。

若毛細管的半徑為r，氣泡從毛細管出來時受到向下的壓力為：

式中，△h為U型壓力計所示最大液柱高度差，g為重力加速度，ρ為壓力計所貯液體的密度。氣泡在毛細管口所受到的由表面張力引起的作用力為2πr•γ，氣泡剛脫離管口時，上述二力相等：

若將表面張力分別為 和 的兩種液體用同一支毛細管和壓力計用上法測出各自的 和 ，則有如下關系：

即
對同一支毛細管來說，K值為一常數，其值可借一表面張力已知的液體標定。本實驗用純水作為基準物質，20.0℃時純水的表面張力為7.275×10－2N/m(或J/m2)。

三．儀器和試劑

表面張力測定裝置（包括恆溫槽）1套；容量瓶100ml1個，50ml5個；1ml刻度移液管1支；吸耳球1個；正丁醇（二級）；去離子水。

四．實驗步驟

1．溶液配製

按表分2次配製9份溶液，第一次1～5號，第二次配製6～9號。

表 － 正丁醇表面張力測定溶液配製方法

樣品號數
1
2
3
4
5
6
7
8
9

容量瓶體積/cm3
100
50
50
50
50
50
50
50
50

/cm3
0.10
0.10
0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
1.50
1.75

2．如圖裝配儀器，恆溫槽溫度調至20.0℃，樣品管內置待測液體，毛細管豎直放置，毛細管口與液面相切。恆溫5min以上，測定液體的表面張力。

3．測定毛細管常數。樣品管內加入一定量蒸餾水（以放入毛細管後管口剛好與液面相切為准），旋動抽氣瓶活栓讓水緩緩滴下，使氣泡從毛細管均勻逸出，以3～5s逸出1個氣泡為宜，記錄壓力計兩側液面之最高和最低讀數各三次，取 的平均值計算毛細管常數K值。

4．同法測定各正丁醇溶液的 值，測量順序由稀到濃，每次測量前用樣品沖洗樣品管和毛細管數次。

五．數據處理

1．計算各濃度正丁醇溶液的表面張力，並作γ-c曲線；

樣品號數
1
2
3
4
5
6
7
8
9

溶液濃度c
2．用雙玻璃棒法求六個以上切點（均勻分布）的 ）值；

3．計算 值，並求c/ 值；

4．作c/ ～c圖，得一直線，由直線斜率求 值；

5．計算出正丁醇的分子截面積。文獻記載直鏈醇類的分子截面積約為2.2×10-19m2，並以此求出相對誤差。

E. 表面張力儀的具體操作過程

界面張力測定儀怎麼安裝？注意事項有哪些？

全自動界面張力測定儀，按照 GB/T6541-86(石油產品油對水界面張力測定法）（圓環法）標准要求，測量各種液體的表面張力（液-氣相界面）及礦物油與水的界面張力（液-液相界面）。儀器採用大屏幕彩色液晶顯示，全漢字菜單提示，自動化程度高，工作可靠，重復性好，操作極為簡單，只需開機後按菜單提示操作，便可完成全部試驗。

一、設備安裝

1、把主機放在無風流動的穩定平台上；

2、按圖 1 所示，擰下儀器後側兩個固定螺釘，取下上頂板；

3、按圖 2 所示的位置安裝好控制磁鐵、環架桿、鉑環(鉑環先與環架桿插裝完畢，置酒精燈外焰部灼燒潔凈後，方可安裝。注意：手不可觸及灼燒潔凈的鉑環)；

4、調整三個機腳使樣品盤上水準泡處於中心，最後將上頂板放回原處，並用螺釘固定好。

三、注意事項

 請將儀器放置於平穩、堅固、清潔、防滑、乾燥和防火的檯面或地面上。

 不得將設備放置在靠近熱源的地方。

 測定結束後，樣品杯要用石油醚等溶劑將杯清洗干凈，如清洗效果不好，可用酒精清洗。

 鉑金環易變形，在使用過程中，要輕拿輕放，如果環變形嚴重，要仔細整形到原來的形狀，方可進行下次實驗；使用鉑金環後，用有機溶劑反復涮洗，再用酒精燈反復烤紅後，迅速放入干凈的蒸餾水裡，及時清洗鉑金環上的殘留物質，避免這些物質造成結果偏差。

 如果您在使用過程中，發現儀器有異味或有異常噪音時，應立即切斷電源

 如果一段時間內不使用儀器，應將電源線插頭斷開電源。

F. 急求大學物理實驗「液體表面張力系數測定儀」的實驗報告！

「液體表面張力系數測定儀」實驗報告如下：

一、【實驗目的】

（1） 掌握力敏感測器的原理和方法。

（2）了解液體表面的性質，測定液體表面張力系數。

二、【實驗原理】

液體具有盡量縮小其表面的趨勢，好像液體表面是一張拉緊了的橡皮膜一樣。這種沿著表面的、收縮液面的力稱之為表面張力。

測量表面張力系數的常用方法：拉脫法、毛細管升高法和液滴測重法等，此試驗中採用了拉脫法。

假如在液體中浸入一塊薄鋼片，則鋼片表面附近的液面將高於其它處，如圖1所示。

(6)表面張力測定實驗裝置圖擴展閱讀：

實驗所需要的器材有：DH4607型液體表面張力系數測定儀；力敏感測器;0.0005kg砝碼(7個) ；鑷子；砝碼盤；圓形吊環；玻璃皿。

實驗採用的拉脫法是直接測定法，通常採用物體的彈性形變（伸長或扭轉）來量度力的大小。

液體表面層內的分子所處的環境跟液體內部的分子不同。液體內部的每一個分子四周都被同類的其他分子所包圍，他所受到的周圍分子合力為零。

由於液體上方的氣象層的分子很少，表層內每一個分子受到的向上的引力比向下的引力小，合力不為零。

這個力垂直於液面並指向液體內部。所以分子有從液面擠入液體內部的傾向，並使得液體表面自然收縮，直到處於動態平衡。