2.5　液体表面张力系数的测定

2025年09月26日

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2.5　液体表面张力系数的测定

表面现象广泛见于钢铁生产、焊接、印刷和染料、复合材料的制备等过程中。液体表面张力系数是表征液体性质的一个重要参数,研究表面现象、测量表面液体张力系数具有极其重要的意义。测量液体表面张力系数有多种方法,如最大泡压法、毛细管法、拉脱法等。本实验利用拉脱法测量液体的表面张力系数。该方法的特点是,用称量仪器直接测量液体的表面张力,测量方法直观,概念清楚。用拉脱法测量液体表面张力系数,对测量力的仪器要求较高,由于液体表面张力的大小为1×10-3 ～1×10-2N,因此需要一种灵敏度高且稳定性好的测量力的仪器。近年来,新发展的硅压阻式力敏传感器张力测定仪正好能满足此种需要,它比传统的焦利秤、扭秤等灵敏度高,稳定性好,且可用数字输出显示,操作比较方便。为了理解各类液体的表面张力系数,在对水进行测量以后,还可对不同浓度的酒精溶液进行测量,去观察表面张力系数随液体浓度的变化而变化的现象。

【实验目的】

①会用拉脱法测量室温下液体的表面张力系数。

②学会力敏传感器的定标方法。

【预习思考题】

①什么叫表面张力? 表面张力的大小和方向分别是什么样的?

②影响表面张力系数的因素有哪些?

③力敏传感器如何定标?

【实验原理】

许多现象表明液体表面具有收缩到尽可能小的趋势,这是液体分子间存在相互作用力的宏观表现。跟气体接触的一薄层液体(其厚度等于分子的作用半径,约10-3cm)称为表面层。液体分子之间存在相互作用的分子力。液体内部每个分子都受到周围分子的作用,合力为零。而处于表面层内的分子比液体内部的分子少了一部分能与之吸引的分子,因此出现了一个指向液体内部的吸引力,使得液面具有收缩的趋势。这种液体表面的张力作用,称为表面张力。

假想在液体表面画一条分界线,表面张力就是两边的分子间作用力的合力,力的大小与分界线的长度L 成正比,方向沿液体表面且与分界线垂直,即

式中α 称为液体的表面张力系数,单位为N/m,在数值上等于单位长度上的表面张力。实验证明,表面张力系数的大小与液体的温度、纯度、种类和它上方的气体成分有关。对同种液体,温度越高,其α 越小;某些杂质能使α 增大,而表面活性物质则能使α 减小。

将内径为D1、外径为D2 的金属环悬挂在测力器上,然后把它浸入盛有待测液体的玻璃器皿中。当缓慢地向上提拉金属环时,金属环就会拉起一个与液体相连的水柱。测量金属环从待测液体表面脱离时需要的力,求得该液体表面张力系数的实验方法即为拉脱法。由于表面张力的作用,测力计的拉力逐渐达到最大值F(超过此值,水柱即破裂),则F 应当是金属环重力G 与水柱拉引金属环的表面张力f 之和,即

由于水柱有两个液面,且两液面的直径与金属环的内外径相同,则有

则液体的表面张力系数

表面张力的值一般很小,测量必须用特殊的仪器。本实验用的测力计是硅压阻式力敏传感器,以数字式电压表输出显示。硅压阻式力敏传感器由弹性梁和贴在梁上的传感器芯片组成,其中芯片由四个硅扩散电阻集成一个非平衡电桥,当外界压力作用于金属梁时,在压力作用下,电桥失去平衡,此时将有电压信号输出,输出电压大小与所加外力成正比,则

式中,F 为外力的大小,K 为硅压阻式力敏传感器的灵敏度,U 为传感器输出电压的大小。

吊环拉断液柱前的一瞬间,吊环受到的拉力为F1 =G+f。拉断瞬间,吊环受到的拉力为F2=G。

若吊环拉断液柱前的一瞬间数字电压表的读数值为U1,拉断瞬间数字电压表的读数值为U2,则有

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故表面张力系数为

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【实验仪器】

表面张力系数测定仪如图2.15 所示,包括硅扩散电阻非平衡电桥的电源和测量电桥失去平衡时输出电压大小的数字电压表、铁架台、微调升降台、装有力敏传感器的固定杆、盛液体的玻璃器皿1 套、铝合金圆形吊环1 个、0.500 g 砝码7 只(定标用)。其他仪器包括游标卡尺和镊子各1 把、烧杯、温度计等。此外,还有待测液体水和乙醇。

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图2.15　表面张力系数测定仪

【实验内容及步骤】

1.实验准备

①连接后接通仪器的电源,开机预热15 min。

②调节铁架台上的3 个水平调节螺丝,使铁架台水平。

③用游标卡尺测量吊环的内直径D1 和外直径D2,各测3 次,记下室温t。

④清洗玻璃器皿和铝合金圆形吊环。吊环的表面状况与测量结果有很大的关系,实验前应将金属环状吊片在NaOH 溶液中浸泡20 ～30 s,然后用净水洗净。

2.力敏传感器的定标

①将砝码盘挂在力敏传感器的钩上。

②将数字电压表调零。

③在砝码盘里依次加入0.500 g 的砝码,待稳定后记下电压表读数。注意放砝码时应尽量轻。每次增加0.500 g 砝码,待稳定后记下电压表读数Ui(i=1,2,…,6),填入表2.13 中。

3.水的表面张力系数的测量

①将砝码盘取下来换上吊环,使吊环平面成水平状态。

②将升降台降到最低位置,在玻璃器皿内放入水并安放在升降台上。

③调节容器下的升降台,使液面渐渐上升,当吊环下沿部分全部浸没于待测液体中时,金属环片和液面间形成一环形液膜,然后改为反向调节升降台,使液面逐渐下降,观察环浸入液体中及从液体中拉起时的物理过程和现象。特别应注意吊环即将拉断液膜前一瞬间数字电压表读数值为U1,液膜拉断后一瞬间数字电压表读数为U2。记下这两个数值(表2.14),这时ΔU = U1 - U2。

④重复测量6 次。

4.选做

测出其他待测液体(如酒精、蓖麻油等)在不同浓度下的表面张力系数。

5.注意事项

①吊环须严格处理干净。可用NaOH 溶液洗净油污或杂质后,再用清洁水冲洗干净,并用热吹风烘干。

②吊环水平须调节好,注意偏差1°,测量结果引入误差为0. 5%;偏差2°,则误差为1.6%。

③仪器开机需预热15 min。

④在旋转升降台时,尽量使液体的波动要小。

⑤实验室内不可有风,以免吊环摆动致使零点波动,所测系数不正确。

⑥若液体为纯净水。在使用过程中防止灰尘和油污及其他杂质污染,特别注意手指不要接触被测液体。

⑦力敏传感器使用时用力不宜大于0.098 N。过大的拉力传感器容易损坏。

⑧实验结束须将吊环用清洁纸擦干,再用清洁纸包好,放入干燥缸内。