表面張力測定實驗的改進

辛景凡 孫佩簫 熊宇玲 祁慧敏 李圓圓

摘 要：對于最大泡壓法測定表面張力的實驗，我們通過調整冒泡速度對其進行實驗探索。實驗測試了冒泡速度分別為3，5，7，9，11s/個時，乙醇與異丙醇兩種溶液在濃度為10%，20%，30%，40%，50%時表面張力的大小。結果顯示，不同濃度的乙醇與異丙醇溶液，當冒泡速度為11s/個時，這兩種溶液的表面張力值最接近理論值。因此在測定表面張力的實驗時冒泡速度控制在10s/個以上，所得數據更精確。通過初步探索為表面張力實驗的教學改進提供了依據。

關鍵詞：表面張力;冒泡速度;最大泡壓法

中圖分類號：O647.1 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1673-260X（2021）04-0021-04

1 前言

表面張力是液體普遍存在的一種現象，是表面層分子和內部層分子環境不同造成的[1，2]。液面之所以會縮小是因為外層分子拉著分子向內運動，并使表面層表現出獨特的性質。一個分子從內部被拉到外層上，需要對抗這種反作用力而做功。在其他因素都不變的狀態下，用表面增加dA與比例常數（？滓）相乘稱為表面功，表示為

表面功的值，等同于其他因素條件不變的情況下（溫度，壓力等）每增加1面積時對整個體系做的功，換句話的意思是由能的增加值與增加每單位表面積時系統做的功。外界對整個體系做的功變成了多余的自由能。表面自由能用σ表示，單位是J/m2。在表面上每單位長度上的力可以稱為σ，這時σ叫作表面張力[3，4]。

影響表面張力的因素主要有以下幾種：

（1）分子間的相互作用力：純液體或固體的表面張力取決于分子間的化學鍵能，一般的金屬鍵>離子鍵>極性共價鍵>非極性化學鍵。

（2）溫度對表面張力的影響，隨著溫度的升高表面張力下降。當達到臨界溫度Tc時，表面張力趨于零。

（3）壓力的影響，當壓力增加時，氣相密度增加，表面分子受力不均勻的現象略有好轉，另一因素，非液非固相的物質，壓力如果增加是能夠促進表面吸附的，如果氣相的物質溶解程度增加，會使表面張力下降。

從文獻調研上我們也發現，關于不同物質的表面張力以及溫度對表面張力的影響已有不少的研究[5-8]。一般壓力對表面張力的影響的實驗研究不易進行，很少有人考慮壓力對表面張力的影響。據文獻調研，關于冒泡速度對表面張力的影響還未被考慮。

本文采用最大泡壓法測定兩種溶液的表面張力，希望通過調整冒泡速度來探索冒泡速度對表面張力的影響，為表面張力測定實驗的改進提供一些基礎型數據。

2 實驗原理及裝置

純液體外層與內部的成分相同，那么液體想要使系統表面自由能降低，只能有一個辦法就是縮小它的表面積。在液相體系中，溶質會影響表面張力，可以稀釋或濃縮溶質來降低表面自由能。

根據能量最低原則，如果要降低溶劑的表面張力，表面層中溶質濃度要高于溶液內部。反之通過調節溶質的量使溶劑的表面張力升高，則溶質在外層中的濃度比在內部的濃度要低。這種外層濃度與內部濃度不同的現象叫吸附。如果溫度恒定，吸附量與溶液的表面張力與溶液的濃度有關。吉布斯根據熱力學的方法推導出它們之間的關系式：

常采用懸滴法、鉑金環法、旋轉滴法和最大泡壓法來測液體的表面張力。本文采用最大泡壓法來測溶液的表面張力。

當儀器中的待測液體液面與毛細管端面相切，液體就會沿管上升。分液漏斗開啟，為了增加系統壓力而使水緩慢下滴，這時壓力差在管端面產生的力>管口液體的表面張力，就有氣泡逸出，可由數顯式壓差儀上讀出大壓力差。其關系式為

式中K代表儀器常數。

因此，以已知表面張力的液體為標準.從式（8）即可求出其他液體的表面張力σ1。

3 儀器和試劑

恒溫裝置一套;數顯式壓差測定儀1臺;表面張力裝置配套玻璃一套;洗50mL容量瓶5個;燒杯（25mL）1只;無水乙醇（AR）500mL，異丙醇（AR）500mL。

4 實驗步驟及數據處理

（1）儀器準備，有些儀器需要洗凈干燥對，按圖1組裝裝置。

（2）分別配置體積濃度為10%，20%，30%，40%，50%的乙醇和異丙醇溶液。

（3）調節恒溫為25.0℃。

（4）儀器常數的測定。以標準體（水）作為儀器常數。操作步驟是將干燥過的毛細管插入（垂直），使毛細管的端口與水面相切，開啟滴液漏斗，控制滴液速度，使氣泡逸出的速度約為5-10s/個，讀取最大的氣泡時壓差Pmax，H2O（以水測量時最大壓差約在700-800Pa左右，現象是氣泡逸出的瞬間，否則需重選毛細管）。

通過手冊查出實驗溫度時水的表面張力，利用公式K=H2O/Pmax，H2O

（5）實驗溶液表面張力的測定。玻璃儀器洗凈，用待測液潤洗，加入適量樣品于試管中，按照上述第（4）步測定方法，測定實驗的溶液壓力差/Pmax，代入公式（8）計算其表面張力。

5 實驗數據與討論

實驗溫度為t=25.0℃時，蒸餾水的表面張力為？滓=71.97×10-3N/m，毛細管常數K=0.054522。實驗數據平行測定兩次取平均值。體積濃度為10%，20%，30%，40%，50%的乙醇濃度為1.72mol/L，3.43mol/L，5.15mol/L，6.86mol/L，8.58mol/L。異丙醇濃度為1.31 mol/L，2.62mol/L，3.93mol/L，5.23mol/L，6.54mol/L。表1和表2分別列出，不同濃度不同冒泡速度下得到乙醇和異丙醇的壓力差值。

根據公式（8）？滓1/？滓2=？駐Pmax，1/？駐Pmax，2，計算出不同濃度的乙醇和異丙醇的表面張力？滓1。以？滓-c作圖，在圖中曲線上的切線斜率代入吉布斯吸附公式（1）。便可得到不同濃度時氣-液界面上的吸附量Г。表3與表4分別列出了乙醇與異丙醇不同溶度，不同冒泡速度下的？滓，dσ/dc，Г值。

表4為不同濃度下異丙醇在不同冒泡速度時的σ，dσ/dc，Г值。

從實驗獲得的數據與文獻的數據對比分析，我們發現當冒泡速度為11s/個時，所測數據更接近文獻值。換句話說，對于乙醇和異丙醇溶液，在測其表面張力時，冒泡速度盡量控制在10s/個以上，獲得的數據更精確。

6 小結

本文利用最大泡壓法，從冒泡速度角度對乙醇和異丙醇溶液的表面張力進行試驗。結果表明，冒泡速度在10s/個以上時更接近文獻參考數據。本實驗為最大泡壓法測定溶液的表面張力在教學上提供了依據，為該實驗的改革提供了實質性的改進。

參考文獻：

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