吊片法测溶液表面张力
吊片法测量液体的表面张力
(补充讲义)
由于液相和气相的密度差异，液体的表面层中的分子,受到了一个指向液相内部并垂直于界面的引力，使得液体表面就如张紧的弹性薄膜，在这张薄膜上存在着收缩张力,使液体表面有收缩到最小的趋势，水滴, 汞滴一般呈球形就是这个原因. 单位长度上的收缩张力称为表面张力. 溶液的表面张力与温度、浓度、电解质、有机醇含量等多种因素有关。
液体的许多现象与表面张力有关, 例如:毛细现象、润湿现象、泡沫的形成等。
测量液体表面张力的方法很多，如毛细管上升下降法、吊环法（参见教材p111,实验8），最大泡压法、滴重法、悬滴法等，本实验介绍Wilhelmy吊片法。
目的与要求
1.学习吊片法测量液体表面张力的原理和方法。
2.学习表面活性剂临界胶束浓度的测量方法。
原理
1表面张力的测量
Wilhelmy吊片法又称吊板法，如图1所示，采用盖玻片、云
母片、滤纸或铂箔竖平板插入液体，使其底边与液面接触，测定吊
片脱离液体所需与表面张力相抗衡的最大拉力F，也可将液面缓慢
地上升至刚好与吊片接触，由此可知：
F=G+2(l+t)γcosθ
图1 吊片法
计,则上式变为：
（1） 其中，F为砝码的重量，G为吊片的重量, l－吊片的宽度，t－吊片的厚度，θ为接触角。由于接触角θ难于测准，一般预先将吊片加工成粗糙表面，并处理得非常洁净，使吊片被液体湿润， 接触角θ→0，cosθ→1，如图2所示，同时t和l相比非常小，可忽略不
F=G+2lγ
γ= (2) ΔWF−G (3) =2l2l
由式（3）算得的表面张力值可准确至0.1％。
吊片法直观可靠，不需要校正因子，这与其它脱离法
图2 吊片受力示意图 有所不同，还可以测量液－液界面张力。目前这种方法应
用较广泛，所用的天平上一般都带有自动记录装置，还可
以和计算机相连后，测量动表面张力。
2.表面活性剂
能显著降低水的表面张力的物质称为表面活性剂，它的分子一般是由亲油基和亲水基两部分组成。表面活性剂的数量不下几千种，如按离子类型可分为离子型（阴离子、阳离子、两性）、非离子型（聚氧乙烯型、多元醇型等）、特殊类型（全氟烷、聚硅氧烷等）。表面活性剂除了在日常生活中作为洗涤剂以外，在日用化工、食品、医药、石油开采、机械运转、城建工程、纺织等等中，都有它的特殊用途。
从图3可以看到，少量的表面活性剂加到水中，就能使表面张力急剧下降，随着浓度的增大，表面张力又几乎保持恒定。由于表面活性剂分子中亲油基是憎水基，当浓度很小时，表面活性剂很快的聚集在水面，当液体表面聚集足够量的表面活性剂，并密集的定向排列成单分子膜时，界面的性质发生了明显的变化，对应图中的转折部分。如再提高浓度，水溶液中的表面活性剂分子几十、几百地聚集在一起，排列成胶束。表面活性剂形成胶束的最低浓度，即图中转折点的浓度，又称为临界胶束浓度（Critical Micelle Concentration, 简称cmc），是衡量表面活性剂的活性的一个非常重要的参量. 离子型的表面活性剂的cmc一般在
在cmc附近，表面活性剂的许多性质都会发生显著的变化，如图4所示。10-4-10-2 mol/L之间。
在使用表面活性剂时，浓度一般要比cmc稍大，否则其性能不能充分发挥，浓度过高是不必要的。cmc的测定方法主要有电导法、表面张力法、染料法等。
图3 表面活性剂表面张力随浓度的变化 图4 表面活性剂性质随浓度变化图
仪器
高精度的电子天平（最小读数为1mg），剪刀，精密滤纸，毫米尺，400mL烧杯，滴管，去离子水，十二烷基苯磺酸钠（C12H25-C6H4-SO3Na, 分子量M= 348.48, 直链烷烃cmc≈1.2
。 ×10-3mol/L，支链烷烃cmc≈4.5×10-4 mol/L）
实验内容与步骤
1.测量纯水的表面张力
(a)将干净滤纸剪成边长约2.0 cm的长方形小条，测量底边长l后，固定在与天平相连的挂钩上，调整纸片，使下底边保持在水平状态（为什么）；
(b) 称出洁净烧杯重量m杯，然后加入约30 ml的去离子水，用天平称出水和烧杯总量为
； m水+杯, 则m水= m0-m杯, 取下烧杯后置天平为“0”
(c)调节升降台，待纸片为液体润湿后，将纸片脱离液面，将天平读数置“0”；
(d)接触法：调节升降台，使液面缓缓上升，直至吊片底边刚好和液面接触，记录下天平的读数m，则拉力ΔW=m· g；
(e)脱离法：升高液面，使部分吊片浸入液面以下，然后调节升降台，使液面缓缓下降，直到吊片即将脱离液面，记录下此时的读数m’， ΔW’=m’· g；
(f)重复操作步骤（d）、（e），共测量6次；
2.测量不同浓度下的表面活性剂的表面张力，求出临界胶束浓度cmc.
(a) 同测量水的表面张力操作1(b),称出水的重量m水；
(b) 用滴液管滴加1滴表面活性剂浓溶液(质量浓度C0≈4.18%),用脱离法测量并记录浓度为C1的表面活性剂溶液的天平读数m1，此时的拉力ΔW 1=m1· g；
(c）逐渐增加表面活性剂的加入量, 记录下不同浓度下Ci下的天平增量mi ，直到表面
张力基本上不再变化；
(d) 为了计算表面活性剂的浓度，需要求出单滴溶液的质量m滴, 可以采用累积放大法。
nim滴•C0。 滴数为ni时的表面活性剂溶液浓度Ci≈m水+nim滴
数据处理与分析
1.求出纯水的表面张力Υ,σΥ ,百分误差E(室温下纯水的Υ=72.0 mN/m);
2.求出表面活性剂溶液的质量浓度C，表面张力Υ，作出Υ-C 特性曲线；
3.求出室温下表面活性剂溶液的临界胶束浓度cmc(mol/L或者wt%)，设表面活性剂溶液密
33度为1.0×10 kg/m.
注意事项
1.天平是精密装置，要轻拉轻放，切忌用力拉或吊挂重物；
2.实验时应调节吊片底边为水平状态；
3.为了避免边缘效应，吊片位置尽量取在容器的中央；
4.滴入表面活性剂浓溶液后，需要充分溶解后再测量张力。
预习思考题
1.吊片法是如何测量液体的表面张力的？需要测量哪些物理量？
2.吊片法测量表面张力有什么特点？
3.表面活性剂水溶液的表面张力是如何随浓度而变化的？
分析讨论题
1.吊片用滤纸为材料，有什么优点和不足？
2.分析纯水的表面张力与室温下公认值有误差的可能原因。
参考资料
1.大学物理实验，张兆奎等，--高等教育出版社，2004年1月
2.表面物理化学，程传煊著，--科学技术文献出版社，1995年9月
3.表面活性剂化学与应用/陈荣圻编，--纺织工业出版社，1990年6月