1、國立高雄應用科技大學化學工程與材料工程系物理化學實驗預習報告實驗名稱：液體表面張力的測定姓名：趙韋智學號：1100101218組別：第二組指導老師：吳瑞泰實驗日期：2014/01/09目錄1. 實驗目的2. 實驗原理3. 相關知識4. 實驗步驟5. 藥品6. 儀器7. 參考資料一、 實驗目的1. 學習 Du Nouy 張力計的使用方法及原理。2. 利用 Du Nouy 張力計測定不同液體的表面張力。3. 瞭解水溶液之濃度與表面張力的關係。4. 比較間接法與直接法測定所得表面張力數值之差異。二、 實驗原理圓環法，將鉑銥圓環水平的浸在液面，將圓環上拉時，圓環吸附在液面而產生液膜柱，繼續上拉時會拉斷
2、液膜柱。液面拉斷時所需的力(F=mg，m：砝碼質量，g：重力加速度)，由儀器( 杜努薔張力計)上所顯示之刻度 可得。利用公式 =(F)/(4r)直接計算其表面張力；也可以測量已知物質的表面張力，由物質的刻度 與未之液體的刻度 相比，間接得到未知液體的表面張力( 值正比於表面張力 三、 相關知識表面張力是一種物理效應，它使得液體的表面總是試圖獲得最小的、光滑的面積，就好像它是一層彈性的薄膜一樣。其原因是液體的表面總是試圖達到能量最低的狀態。廣義地所有兩種不同物態的物質之間界面上的張力被稱為表面張力。表面張力的量綱是單位長度的力和單位面積的能。在材料科學裡，表面張力也成為表面應力和表面自由能。成因
3、圖解表面張力用分子力解釋：液體的內聚力是形成表面張力的原因。在液體內部，每個分子都在每個方向都受到鄰近分子的吸引力（也包括排斥力） ，因此，液體內部分子受到的分子力合力為零。然而，在液體與氣體的分界面上的液體分子在各個方向受到的引力是不均衡的（見圖解） ，造成表面層中的分子受到指向液體內部的吸引力，並且有一些分子被拉到液體內部。因此，液體會有縮小液面面積的趨勢，在宏觀上的表現即為表面張力現象。用分子勢能解釋：液體內部分子周圍有大量分子，因此，內部分子的分子勢能較低。然而，表面層中的分子周圍的分子明顯小於液體內部分子的，所以，表面層的分子有較高的分子勢能。為了達到低能量的穩定狀態，表面層中的分子
4、有向液體內部移動的趨勢，從而導致表面層中的分子數量減少，宏觀表現為液體表面積減小。效應一些昆蟲如水黽可以利用表面張力在水面上爬行，非常扁的物體如鋁質或鎳質的錢幣、剃鬚刀片或鋁膜也可以通過表面張力浮在水面上。在表面張力高的情況下水不易浸濕物體，還會從物體表面反彈。洗衣粉的作用之一就是降低水的表面張力。生活中其他表面張力的例子：水滴形成圓球狀，豉豆蟲和水黽可在水面上行走，針會浮在水面，荷葉上的水滴成圓球狀歷史1629 年表面張力這個概念第一次出現，托馬斯楊在 1805 年、皮埃爾-西蒙拉普拉斯在 1806 年、西莫恩 德尼泊松在 1830 年及約瑟夫普拉泰奧從 1842 年到 1868 年對表面張
5、力的理論做出巨大貢獻。液體表面/界面張力的測量表面張力是由物態內部的分子（或原子）間的相互吸引力導致的，拿液體為例，液體內部分子之間的吸引力一般比氣體中分子之間或氣體與液體之間的分子之間的吸引力要大。表面張力的起因實際上是界面所造成的不對稱，是一個位於表面內的力。嚴格地說表面是指液體與其本身的飽和蒸汽間形成的特殊相界面，而界面則是通指一液體與另一互不相如溶的液體（或流體）之間形成的相界面。這裡提到的內容既適用於表面，也適用於界面，所以二者不嚴格區分，除非特殊提及。要擴大一個一定體積的液體的表面，那麼需要向這個液體作功。表面張力被定義為在擴大一單位面積的液體表面時所要作的功，因此表面張力也可以被
6、看作是表面能的密度。表面張力是一種物理效應，它使得液體的表面總是試圖獲得最小的、光滑的面積，就好像它是一層彈性的薄膜一樣。其原因是液體的表面總是試圖達到能量最低的狀態。由於球面是同樣體積下面積最小的幾何形狀，因此在沒有外力的情況下（比如在失重狀態下） ，液體在平衡狀態下總是呈球狀。表面張力的存在使得一表面/界面兩邊的壓力不再相同，這一壓力差的大小取決於界面張力及屆面的曲率， 可用楊-拉普拉斯（Young-Laplace）公式來描述：液體的表面/界面張力可直接測量。測量的方法大多基於對錶面/界面施加一外力，從而引起其變化，通過測量施加的力和/或其變化的程度，就可計算出表面/界面張力的值。表面/界
7、面張力的測量方法可根據直接測量的物理量分為：1. 力測量法2. 壓力測量法3. 界面形狀分析法力測量法通常是運用一探針使其與待測的界面接觸，然後通過一天平來測量施加/作用在探針上的力。為了保證界面在探針表面上的潤濕性，探針通常由金屬（如 Platinum）製成。常見的方法有：1. 掛環法（Du Nouy Ring method）：這可能是測量表面/界面張力的最經典方法，文獻上報導的許多液體的表/界面張力值是用這一方法測得，它甚至可以在很難浸濕的情況下被使用。用一個初始浸在液體的環從液體中拉出一個液體膜（類似肥皂泡） ，同時測量提高環的高度時所需要施加的力。2. 威廉米平板法(Wilhelmy
8、Plate method)：這是一種很普遍的測量方法，尤其適用於長時間測量表面張力的測量。測量的量是一塊垂直於液面的平板在浸濕過程中所受的力。其實也可以用其它幾何形狀的探針如圓棒，球等來代替平板，測量原理相同，被稱為改變威廉米平板法(Modified Wilhelmy Plate method)。壓力測量法是通過測量界面兩邊（兩相）的壓力差，然後運用上述的楊-拉普拉斯（Young-Laplace ）公式來計算表面張力。見的方法有：1. 毛細管升高法：當液體與毛細管管壁間的接觸角小於 90 度時（浸潤的） ，管內的液面成凹面，彎曲的液面對於下層的液體施加負壓力，導致液面在毛細管中上升，直到壓力平
9、衡為止。通過測量液面升高的高度，及已知毛細管內徑和液體與毛細管管壁間的接觸角（通常默認為是 0） ，就可計算出表面張力。這是一很經典及直觀的方法，所以經常被用來作為教學示範和學生實驗。2. 最大氣泡法：泡剛形成時，由於表面幾乎是平的，所以曲率半徑 R 極大；當氣泡形成半球形時，曲率半徑 R 等於毛細管半徑r，此時 R 值最小。隨著氣泡的進一步增大， R 又趨增大，直至逸出液面。測得了氣泡成長過程中的最高壓力差，在已知毛細管半徑的情況下就能計算出表面張力。本方法非常適用於測量表面張力隨時間的變化，所謂的動態表面張力。界面形狀分析法是基於對一處於力平衡狀態的界面的形狀的分析，是一種光學分析法。1.
10、 懸滴法/座滴法：適用於界面張力和表面張力的測量。也可以在非常高的壓力和溫度下進行測量。測量液滴的幾何形狀。2. 旋轉滴法：可用來測定表/界面張力，尤其適應於低範圍（0.1mN/m 以下）界面張力的測量。測量的值是一個處於比較密集的物態狀態下旋轉的液滴的直徑或總體幾何形狀。3. （液滴）體積/重量法：非常適用於動態地測量表/界面張力。測量的值是一定體積的液體分成的液滴數量（或平均每個液滴的體積或重量） 。液滴體積/重量法其實是懸滴法的一種極端情況：懸滴的體積/重量增大到無法再由表/ 界面張力來支撐時，導致表/界面撕裂而掉下。但掉下的並不是整個液滴的全部，有部分剩留在毛細管/針管管端口上，這使得
11、掉下的液滴的體積/重量無法精確計算，需要加入經驗校正因子。四、 實驗步驟A. 校正表面張力計1. 張力計的鋼絲扭力隨時間而改變所以要校正。2. 將表面張力計從盒子小心搬出，輕放桌上。3. 將水平儀放置樣品台，調整底座旋鈕，使平台達到水平。4. 取出鉑銥環掛於細桿鉤上，並歸零。5. 鬆開固定鈕。6. 調整小鈕拉緊鋼線鬆緊，調整大鈕可扭動鋼絲帶動細桿上下。7. 調整大扭可扭動鋼絲帶細桿上下，調整至鋼絲帶細桿輕碰小平台。8. 旋緊固定鈕。9. 微調指針，細桿立即為向上翹即校正完畢。10. 將指針歸零，便可開始實驗。B. 開始測定1. 首先測定 95%乙醇水溶液，將溶液倒進培養皿內約八分滿至於平台上，
12、調整旋鈕使樣品台上升，使鉑銥環輕觸液面(約浸入 1mm)。2. 靜置數分鐘，逆時方向轉控制指針的紐至液膜破裂，鉑銥環離開液面，紀錄指針之讀數。3. 做第二次，指針歸零，重複步驟 2，紀錄讀數，求平均。4. 旋底樣品台，移走培養皿。5. 取下鉑銥環，以丙酮清洗風乾。6. 將鉑銥環掛回鉤上。7. 測定其他樣品，重複步驟 1 到 6。8. 利用 95%乙醇水溶液調出濃度 10%20%30%40%50%乙醇水溶液，測定之，並記錄。9. 測量其他液體。C. 利用砝碼測作檢量線，獲得鋼絲扭力與 的關係圖1. 將樣品台調至最低，轉至一旁，移去培養皿，指針歸零。2. 撕一小張紙片，大小約比環大，秤取其質量並記
13、錄。3. 將紙片放在鉑銥環上。4. 將 100mg 的砝碼放置在紙片上，而後測量其角度。5. 逐次添加 100mg 的砝碼，直到刻度大於前面所測試樣的角度之最大值。6. 繪圖D. 計算表面張力1. 直接法2. 間接法五、 藥品1. 95%乙醇水溶液 2.丙銅 3. 蒸餾水六、 儀器1. Du Nouy 張力計 2.玻璃培養皿 3. 100g 砝碼 4. 250ml 燒杯5. 鑷子 6. 吸量管 10ml 7. 量筒 10ml 8. 量瓶 100ml9. 游標卡尺 10. 溫度計 11. 小紙片七、 參考資料http:/zh.wikipedia.org/zh-tw/%E8%A1%A8%E9%9D%A2%E5%BC%A0%E5%8A%9Bhttp:/
