表面处理与张力测定实验

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：理想状态下，液体的表面张力是一个定值，与测量时所用金属环的材料无关。界面张力仪又称扭力天平，仪器上施加的力是由钢丝扭转产生的扭力，该扭力与铂金环施加的表面张力相平衡。

1.实验目的

（1）掌握测定液体表面张力的方法。

（2）了解对于表面状态不同的固体，液体对其附着力的差别，进一步理解对固体表面进行处理的意义。

2.实验原理

从力的角度来理解，表面张力是作用在单位长度表面上的收缩力，它与该物质的浓度、温度等相关，因此在测试报告中要注明实验时的状态。

一个金属环（如铂金丝环）浸入某种能浸润该金属环的液体中，将该环以环平面平行与液表面的状态从液体中提出时需施加一定的提拉力才能完成，该提拉力f是液体表面张力的作用结果。测量出这一提拉力f后可结合金属环的具体参数按式（3-1）计算该液体的表面张力。

式中，γL为液体的表面张力（N／cm）；f为将环提拉出液体所需的力（N）；R′为圆环的内径（cm）；r为圆环金属丝（环丝）的半径（cm）。

当提拉力f与悬挂在环上的液体自身的重力（Vρg）大小相等方向相反时，则液体环膜将被拉断。由于液体悬挂的体积V与圆环的几何尺寸相关，因而在计算表面张力时需要加以校正，其校正因子F可从表3-1中查出。校正后的表面张力计算公式如下：

表3-1　圆环法的校正因子F

（续表）

注：R=R′+r。

理想状态下，液体的表面张力是一个定值，与测量时所用金属环的材料无关。但是用圆环法测量表面张力时涉及固-液界面的吸附力。当被测液体对圆环的附着力f′小于式（3-1）中的提拉力f时，则测量时提拉圆环就不能将液体膜拉断，而是液体从圆环上滑脱。因此，用圆环提拉法测量表面张力的先决条件是f′≥f，这也是式（3-1）和式（3-2）能够成立的前提条件，也是为什么要在实验前彻底清洁铂金环的原因。

为慎重起见，用环形金属提拉法测定的表面张力值应与文献值比较一下，确保实验的可靠性。

3.实验仪器

界面张力仪（见图3-1）、游标卡尺、分析天平。

界面张力仪又称扭力天平，仪器上施加的力是由钢丝扭转产生的扭力，该扭力与铂金环施加的表面张力相平衡。当扭力增加，液面被拉破时，钢丝扭转的角度由游标指示出来，此值就是该液体的表面张力值，单位为N／m。长期使用该仪器，钢丝会产生扭转损伤，尤其是极度扭转时超过了钢丝弹性扭转的极限，这时就需要校正或更换钢丝。

4.实验步骤

1）前期准备

（1）仪器放置。将界面张力仪放在平稳的平台上，调节水平螺丝E使仪器处于水平状态。

（2）仪器初始化。将珀金环挂在吊杆臂的下端，取一小纸片（0.1 g左右）放在铂金环上，打开臂的制止器J和K，使钢丝自由作用在臂上，用放大镜R看指针L与反射镜上的红线是否重合，若重合则此时刻度盘上的游标正好指为零；如果不重合，则调整微调涡轮把手P，使之为零。

图3-1　界面张力仪

A—样品座；B—样品座螺丝；C—刻度盘；D—游标；E—水平螺丝；F—臂1；G—臂2；H—臂3；I—调节臂1长的螺母；J—臂的制止器（1）；K—臂的制止器（2）；L—指针；M—涡轮把手；N—钢丝；O—游码；P—微调涡轮把手；Q—固定螺丝手母；R—放大镜；S—样品固定器；T—水平观察泡。

（3）仪器校正。在珀金环上放一小纸片，纸片上放一定质量的砝码，此时就相当于对珀金环上施加了一个往下的作用力mg；轻旋涡轮把手，直到指针与反射镜上的红线重合，记下此时刻度盘上游标的读数P（精确到0.1分度）。此时如仪器正常，则刻度盘上的数据应与公式P=mg／2L计算的数据一致，式中m为砝码和小纸片的质量，g为当地重力加速度，L为铂金环周长。若该数值与刻度盘读数不一致，就应该调节钢丝的长度：刻度盘读数偏大，则应缩短钢丝长度；反之亦然。反复调几次直到刻度盘上读数与质量校正计算值一致。

（4）清洗实验用品。将盛试样的玻璃杯和珀金圆环用洗液浸洗，并用蒸馏水冲洗三遍后在100℃的干净烘箱中烘干待用。推荐洗液的配比：10 m L饱和重铬酸钾溶液和90 m L质量分数为85%的硫酸混合均匀。实践证明，洁净的铂金环与液体有较高的吸附力，不洁净的铂金环与液体的界面吸附力较低。

2）表面张力的测定

（1）将待测液体倒入玻璃杯中，液体高度约为25 mm，将玻璃杯放在样品座中间；旋转样品座升降螺母B，使铂金环浸入液体中，此时指针和反射镜红线重合；缓缓旋转把手M增加钢丝的扭力并使铂金环拉紧，缓缓提起，这时指针始终与红线重合；继续施加扭力直到珀金环与液体形成的膜破裂，此时读下刻度盘上的值P，P 为未校正的表面张力值，即P=r L=f／［2π（R′+r）］。将该步骤重复3次，取平均值。

（2）对比实验。为了让学生理解“能浸润该金属环”的物理意义。在此用同一种液体与不同金属圆环或不同表面状态的同一金属环做对比试验，加深学生对表面处理重要性的认识。

取一个不干净甚至用油污染了的珀金环测量上述同一液体的表面张力，记录刻度盘读数。

分别用干净的钢丝环、铜丝环测定上述液体的表面张力，并比较讨论。

（3）混合液体测试实验。取两种不相溶的液体（其中一种为水），将铂金环浸于下面液体中，然后慢慢提拉至两种液体交界处，此时有两种情况：①若水在下面则继续往上提铂金环；②若水在上面，则铂金环靠旋转B往下走直至指针L与红线重合，然后加大扭力使界面膜破裂，读取刻度盘上的值。将所测数据与在水中所测结果进行比较。

3）表面张力的校正

（1）测量铂金环的内径R′和环丝的半径r，从表3-1中查到相应的校正因子F，其中V=f／ρg，f=ρ×4π（R′+r），ρ为测定液体的密度，g为重力加速度。

（2）计算实际的表面张力：γL=ρF。

4）整理

实验完毕后应使扭力钢丝处于不受力的状态，扭力钢丝切忌扭转360°以上。

5.实验结果

（1）记录从仪器设备上直接读出的表面张力。

（2）对所测得的表面张力进行校正。

（3）记录实验过程中观察到的主要现象。

实验样品：________________________________

表面张力1：______________________________

表面张力2：______________________________