液体表面张力系数的测量-复旦大学物理教学试验中心fudanphysics.doc

实验2－4 液体表面张力系数的测量 （教师用书） 一、实验的目的、意义和要求 液体的表面张力是表征液体性质的一个重要参数。测量液体的表面张力系数有多种方法，常用的有拉脱法、毛细管法、平板法、最大泡压法和滴重法。本实验要求掌握一种或多种测量液体表面张力的方法，了解各种方法的特点，并通过实验进一步了解液体的表面张力与其浓度、温度等的关系。 二、参考书籍与材料 贾玉润、王公治、凌佩玲主编，大学物理实验，上海：复旦大学出版社，1987年 沈元华、陆申龙，基础物理实验，北京：高等教育出版社，2003年 A.W.亚当森著，顾惕人译，表面的物理化学（上册），北京：科学出版社，1984年 焦丽凤、陆申龙，用力敏传感器测量液体表面张力系数，物理实验2002年第22卷第7期第40-42页 顾惕人等，表面化学[M]，北京：科学出版社，1994年 赵凯华，定性与半定量物理学，北京：高等教育出版社，1991年 （日）广田钢藏、加滕俊二、山下卓哉著，张宪臣译，李树林校，物理化学计算，黑龙江：黑龙江科学技术出版社，1984年 李殿阁编著，物理化学实验技能，北京：科学出版社，1984年 三、实验前应回答的问题 （一）表面张力 什么是表面张力？什么是表面张力系数？ 答：表面张力是指作用于液体表面上任一假想直线的两侧，垂直于该直线且平行于液面，并使液面具有收缩倾向的一种力。从微观上看，表面张力是由于液体表面层内分子作用的结果。可以用表面张力系数来定量地描写液体表面张力的大小。设想在液面上一长度为l的直线，在l的两侧，表面张力以拉力的形式相互作用着，拉力的方向垂直于该直线，拉力的大小正比于l，即f = ??l，式中??表示作用于直线的单位长度上的表面张力，称为表面张力系数，其单位为N/m。 液体表面张力的大小与液体的成分有关。不同的液体由于它们有不同的摩尔体积、分子极性和分子间力而具有不同的表面张力。实验表明温度对液体表面张力影响极大，表面张力随温度升高而减小，二者通常相当准确地成直线关系。表面张力还和液体中含有的杂质有关，有的杂质能使表面张力减小，有的却使之增大。表面张力还和液面外的物质有关。 试定性分析液体的表面张力系数随温度的变化如何改变。 答：当温度升高时，分子的热运动加剧，使液体分子更容易脱离表面层进入空气中，因此液体的表面张力系数将随温度的升高而减小。 （二）拉脱法 简述“拉脱法”的原理。 答：拉脱法是通过测量一个已知周长的金属片从待测液体表面脱离时需要的力来求得该液体表面张力系数的一种实验方法。该方法的特点是用测力装置直接测量液体的表面张力，方法直观，概念清楚。若金属片为环状吊片时，考虑一级近似，可以认为脱离力为表面张力系数乘上脱离表面的周长，即。式中，f为脱离力，D1、D2分别为圆环的外径和内径，??为液体的表面张力。 实验中使用的测力装置是力敏传感器，在使用前要对其定标。若已知定标结果为一直线，那么在定标时至少应选取多少个数据点？数据点的数值范围应如何选取？ 答：用拉脱法测量液体表面张力，对测力仪器的要求较高，因此需要对测力仪器进行定标。对于一直线，只需2组数据即可定出直线的方程。为减小测量误差对结果的影响，一般应测5组以上的数据，而且测量的范围在定标范围之内为好。 为什么金属吊片的表面要用NaOH溶液进行清洗？若吊片是由其它材料制成的，如玻璃，是否也需要对表面进行清洗？如果需要清洗，应如何清洗？ 答：因为长期暴露于空气的铝合金表面会形成氧化层，影响到液体于金属间的浸润情况和接触角，而且破坏了吊环表面的光洁度，所以需要用NaOH溶液来去除氧化层。同时，吊环的表面不能刷洗，以免发毛，影响到光洁度。对其它材料制成的吊环也要清洗，并根据材质及表面情况的不同选择不同的清洗方法。如玻璃的表面一般会应实验者手的触摸而沾有油脂，从而粘附空气中的灰尘等，清洗时可用酒精或丙酮等有机溶剂去除表面的油脂。 测量圆环形吊片的内径和外径，应在清洗前进行还是在清洗后进行？为什么？ 答：应在清洗前进行。因为清洗后再进行测量，手上分泌的油脂将污染环形吊片，影响到测量。如果在清洗前未测量内径和外径，可待其它数据测完，最后进行测量。 （三）毛细管法 简述“毛细管法”的原理。 答：将一洁净的毛细管垂直插入无限深广的液体中，液体将在毛细管中上升或下降，使毛细管内的液面高出管外液面一定高度h，则，式中?为液体的表面张力，?为接触角（当接触角大于90°时，h为负，即毛细管内的液面低于外液面），d为毛细管的内径，?为液体的密度，g为重力加速度。一般情况下，取接触角?为0°或180 °。（关于如何测量接触角，请参阅参考书籍3。） 在用毛细管法测表面张力时，需要作什么修正？ 答：由于液体总是盛放在一定大小的容器中，而毛细管插在液体中，容器中液体的表面张力可等效地认为液柱下端面受到一个方向向下而