金谷-第一章_表面活性剂概论

1、第一章第一章 表面活性剂概论表面活性剂概论 参考书：参考书：赵国玺等著，表面活性剂作用原理，中国轻工业出版社，赵国玺等著，表面活性剂作用原理，中国轻工业出版社，2003年版；年版； 梁自齐等编，功能性表面活性剂，中国轻工业出版社，梁自齐等编，功能性表面活性剂，中国轻工业出版社，2002年版；年版； 蒋庆哲编著，蒋庆哲编著， 表面活性剂科学与应用，表面活性剂科学与应用， 中国石化出版中国石化出版社，社，2006年版；年版；1.1 表面和界面现象表面和界面现象1.2 表面活性和表面活性剂表面活性和表面活性剂1.3 表面张力与表面自由能表面张力与表面自由能1.4 表面活性的产生和特劳贝规则表面活性的

2、产生和特劳贝规则1.5 表面活性剂分子结构特点表面活性剂分子结构特点1.6 表面活性剂的基本性能表面活性剂的基本性能1.7 弯曲表面上的附加压力及弯曲表面上的附加压力及Laplace方程方程1.8 液体表面张力的测定液体表面张力的测定我们经常看到的一些表面活性物质分散剂分散剂润湿剂润湿剂乳化剂乳化剂化工生产中的一些表面活性物质絮凝剂絮凝剂发泡剂发泡剂消泡剂消泡剂增溶剂增溶剂施胶剂施胶剂渗透剂渗透剂脱墨剂脱墨剂脱模剂脱模剂柔软剂柔软剂杀菌剂杀菌剂去污剂去污剂消毒剂消毒剂表面化学与其他学科的联系表面化学与其他学科的联系表面化学表面化学生命科学 能源科学 材料科学信息科学界面化学的发展和现状界面化学

3、的发展和现状1805 T . Young 提出界面张力概念1806 P.S. Laplase 表面张力与曲率半径关系1878 Gibbs 表面吸附方程1916 Langmuir 固体吸附等温方程式1.1表面和界面现象界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区，若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。 严格讲表面应是液体或固体与其饱和蒸气之间的界面，但习惯上把液体或固体与空气的界面称为液体或固体的表面。一.表面和界面常见的界面有：(1)气-液界面空气空气4CuSO溶液气气- -液液界面界面(2)气-固界面气气- -固界面固界面(3)液-液界面2H OHg液-液界面玻璃板玻璃板Hg2H O液液- -

4、固界面固界面(4)液-固界面(5)固-固界面铁管铁管CrCr镀层镀层固固- -固界面固界面二.比表面 比表面通常用来表示物质分散的程度，有两种常用的表示方法：一种是单位质量的固体所具有的表面积；另一种是单位体积固体所具有的表面积。即：/ /mVAA mAA V或式中，m和V分别为固体的质量和体积，A为其表面积。 把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。把一定大小的物质分割得越小，则分散度越高，比表面也越大。边长l/m 立方体数 比表面Av /（m2/m3）110-2 1 6 102 110-3 103 6 103 110-5 109 6 105 110-7 1015 6 107 110-9 10

5、21 6 109 达到nm级的超细微粒具有巨大的比表面积，因而具有许多独特的表面效应，成为新材料和多相催化方面的研究热点。 由此可见，分割越细，比表面越大，表面效应也由此可见，分割越细，比表面越大，表面效应也愈明显。在制剂学上常利用增大药物的分散度来改善愈明显。在制剂学上常利用增大药物的分散度来改善药物的性质。药物的性质。具有巨大比表面的体系具有巨大的表面能，是热力学不稳定体系。任何体系都有降低表面能的趋势三.界面现象的本质 表面层分子与内部分子相比，它们所处的环境不同。 体相内部分子所受四周邻近相同分子的作用力是对称的，各个方向的力彼此抵销； 但是处在界面层的分子，一方面受到体相内相同物质分

6、子的作用，另一方面受到性质不同的另一相中物质分子的作用，其作用力未必能相互抵销，因此，界面层会显示出一些独特的性质。气气相相液液相相液体的性质与其微观结构有关液体的性质与其微观结构有关 （1 1）液体分子间距小）液体分子间距小 液体分子间距较气体小了一个数量级液体分子间距较气体小了一个数量级 , ,为为1010-10-10 m，分子，分子排列较紧密，其热运动主要在平衡位置附近作微小振动。排列较紧密，其热运动主要在平衡位置附近作微小振动。（2）液体分子间作用力显著加强液体分子间作用力显著加强 液体分子间由于相互吸引，表现出气体分子所没有的液体分子间由于相互吸引，表现出气体分子所没有的内聚力，由于

7、这些引力，使液体具有边界明确的表面。内聚力，由于这些引力，使液体具有边界明确的表面。1.2 表面活性和表面活性剂表面活性和表面活性剂 1.1.吸附现象吸附现象 表面和溶液内部浓度不同的现象。表面和溶液内部浓度不同的现象。 正吸附和负吸附正吸附和负吸附 表面层浓度大于液体内部浓度的作用表面层浓度大于液体内部浓度的作用正吸正吸附。附。 表面层浓度小于液体内部浓度的作用表面层浓度小于液体内部浓度的作用负吸负吸附。附。 2.2.表面活性现象表面活性现象 也称界面活性，是表面活性物质通过改变界面也称界面活性，是表面活性物质通过改变界面张力发挥各种功能作用。张力发挥各种功能作用。 表面活性现象发生的原因表

8、面活性现象发生的原因 表面活性物质由亲水和亲油基组成；表面活性物质由亲水和亲油基组成； 亲水基与水亲和，亲油基憎水，综合结果造成亲水基与水亲和，亲油基憎水，综合结果造成亲油基逃到水面上，水面上主要由亲油基组成。亲油基逃到水面上，水面上主要由亲油基组成。 亲油基与水的表面张力相差较大，水面的表面亲油基与水的表面张力相差较大，水面的表面张力显著下降。张力显著下降。 3.3.表面活性剂与一般的表面活性物质表面活性剂与一般的表面活性物质 在低浓度下可以显著降低表面张力的物质为表在低浓度下可以显著降低表面张力的物质为表面活性剂。面活性剂。不是所有具有表面活性的物质都是表面不是所有具有表面活性的物质都是表

9、面活性剂。活性剂。 表面活性剂的定义表面活性剂的定义 能够吸附于表（界）面上，加入很少量就能使能够吸附于表（界）面上，加入很少量就能使表（界）面的物理化学性质显著改变的物质。在浓表（界）面的物理化学性质显著改变的物质。在浓度足够大时能够形成分子有序组合体，并且具有一度足够大时能够形成分子有序组合体，并且具有一系列表面功能的物质。系列表面功能的物质。 是物质表面的一种作用力，来源于物质分子或原子间的范德华力，物质的表面性质基本上都与其有关。 表面张力是分子间吸引力强弱的一种量度，引起分子间吸引力变化的因素都会引起表面张力的变化。 一一、表面张力表面张力1.3 表面张力和表面自由能表面张力和表面自

10、由能 表面张力的大小与溶液的浓度、温度和压力等因素有关。2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l 将一含有一个活动边框的金属线框架放在肥皂液中，然后取出悬挂，活动边在下面。 由于金属框上的肥皂膜的表面张力作用，可滑动的边会被向上拉，直至顶部。2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2W1W 如果在活动边框上挂一重物，使重物质量W2与边框质量W1所产生的重力F与总的表面张力大小相等方向相反，则金属丝不再滑动。 l 是滑动边的长度，因膜有两个面，所以边界总长

11、度为2l， 就是作用于单位边界上的表面张力。2 l12=()FWWg= 这时 2Fl 在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着一种张力，其方向是沿着相的表面与界面相切，并促使其表面积缩小的方向。 把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用 表示。表面张力的单位是：Nm-1。 在金属线框中间系一线圈，一起浸入肥皂液中，然后取出，上面形成一液膜。 若刺破线圈中央的液膜，线圈内侧张力消失，外侧表面张力立即将线圈绷成一个圆形，如图，清楚的显示出表面张力的存在。 由于以线圈为边界的两边表面张力大小相等方向相反，故线圈成任意形状可在液膜上移动。BBBddddUT Sp Vn多组分热力学的基本公式而对需要

12、考虑表面层的系统，由于多了一个表面相，还要增加表面功，则基本公式为 B, ,UU S V nsBBBdddddUT Sp VAnsB, ,UU S V A n二、表面自由能所以考虑了表面功的热力学基本公式为sBBBdddddUT Sp VAnsBBBdddddHT SV pAnsBBBdddddAS Tp VAn sBBBdddddGS TV pAn 从这些热力学基本公式可得BBBBss, , , , ,ssS V nS p nT V nT p nUHAGAAAA 广义的表面自由能定义：B, ,s()S V nUAB, ,s()S P nHAB, ,s()T V nAAB, ,s()T P n

13、GA 狭义的表面自由能定义：B, ,s()T P nGA又可称为表面Gibbs自由能 表面自由能的单位：2J m表面张力与表面自由能之间的关系：表面张力与表面自由能之间的关系： 表面自由能的单位为表面自由能的单位为J/m2。表面张力表面张力也可以称为恒温恒压下增加表面积时体系自由能的增量；单位表面上分子比体系内部同量分子所具有的自由能过剩值，即表面过剩自由能；表面自由能。表面张力与表面自由能之间的关系：表面张力与表面自由能之间的关系： 2.在数值上在数值上，表面张力等于表面自由能。，表面张力等于表面自由能。1.两者有相同的量纲两者有相同的量纲。1.与温度的关系。温度升高，界面张力下降，当达到临

14、界温度Tc时，界面张力趋向于零。这可用热力学公式说明：BBBBBBddddddddddssAS TP VAnGS TV PAn 因为运用全微分的性质，可得：sBB, ,s, ,A V nT V nSAT 因为表面积增加，熵总是增加的，所以等式左方为正值，所以等式左方为正值。所以得出 随T的增加表面张力下降。sBB, ,s, ,A p nT p nSAT 三、界面张力的影响因素非表面活性物质 水的表面张力因加入溶质形成溶液而改变。 使水的表面张力升高的溶质称为非表面活性物质。如无机盐和不挥发的酸、碱等。 这些物质的离子有较强的水合作用，趋向于被水分子拖入水中，非表面活性物质在表面的浓度低于在本体

15、的浓度。 如果要增加单位表面积，所作的功中还必须包括克服静电引力所消耗的功，所以表面张力升高。2. 与溶液浓度的关系表面活性物质 加入后能使水的表面张力降低的溶质称为表面活性物质。 这种物质通常含有亲水的极性基团和憎水的非极性碳链或碳环有机化合物。亲水基团进入水中，憎水基团企图离开水而指向空气，在界面定向排列。 表面活性物质的表面浓度大于本体浓度，增加单位面积所需的功较纯水小，因此使水的表面张力降低。曲线 cO极性有机物 曲线 非表面活性物质 曲线 表面活性剂 不同物质溶液的表面张力随浓度的变化 3.压力对表面张力的影响 表面张力一般随压力的增加而下降。因为压力增加，气相密度增加，表面分子受力

16、不均匀性略有好转。另外，若是气相中有别的物质，则压力增加，促使表面吸附增加，气体溶解度增加，也使表面张力下降。4.物质的本性 表面张力取决于分子间的引力和分子结构，随着分子间的引力的增大而增大。（极性液体比非极性液体大，固体比液体大）5.相界面的性质 与液体相接触另一相物质的性质改变，表面张力会发生变化。 表面张力来源于范德华力，不同分子间的范德华力大小不同，对应的表面张力也不同。 对于气液平衡体系，体相内部分子所受四周邻近相同分子的作用力是对称的，各个方向的力彼此抵销； 但是处在界面层的分子，一方面受到体相内相同物质分子的作用，另一方面受到性质不同的另一相中物质分子的作用，其作用力未必能相互

17、抵销，因此，界面层会显示出一些独特的性质。1.4 表面活性的产生和特劳贝规则表面活性的产生和特劳贝规则气气相相液液相相 这种不平衡的作用力使得液体表面分子有向液体内部收缩的趋势。 反之，将液体从溶液内部移向表面就必须对其做功，这个功就是表面自由能，也叫做表面过剩自由能。 因此，增加液体表面必须做功。表面张力也是分子间吸引力的量度。 此外，表面活性是一种动力学现象，表面或界面的状态表示朝向表（界）面吸附的趋势和分子热运动趋向完全混合的倾向之间的平衡。 表面活性剂分子在界面上吸附使得界面张力下降，下降值为 =0 - 特劳贝认为，在稀水溶液中可用/c衡量溶质的表面活性。每增加一个-CH2-基团， /

18、c约为原来的三倍。1.5 表面活性剂分子结构特点表面活性剂分子结构特点十二烷基硫酸钠的结构图十二烷基硫酸钠的结构图表面活性剂的结构分析表面活性剂的结构分析：它是由两部分组成，其一它是由两部分组成，其一为亲油的长链烷基，含为亲油的长链烷基，含8个碳以上；其二为亲水的个碳以上；其二为亲水的无机盐或极性有机物。也无机盐或极性有机物。也称为亲水基和憎水基。称为亲水基和憎水基。这种结构称为两亲性结构，这种结构称为两亲性结构，表面活性剂也称为两亲性表面活性剂也称为两亲性化合物。化合物。表面活性剂分子结构决定其亲水基溶于水中，憎水基逃表面活性剂分子结构决定其亲水基溶于水中，憎水基逃离水溶液，最终吸附于界面上

19、，形成定向排列的单分子离水溶液，最终吸附于界面上，形成定向排列的单分子膜，使得表面活性剂具有特殊的表面活性功能。膜，使得表面活性剂具有特殊的表面活性功能。当表面活性剂浓度超过界当表面活性剂浓度超过界面吸附饱和浓度时，憎水面吸附饱和浓度时，憎水基会在溶液内部形成胶团基会在溶液内部形成胶团（胶束）。表面活性剂胶（胶束）。表面活性剂胶团溶液也称为缔合胶体，团溶液也称为缔合胶体，缔合作用是自发进行的而缔合作用是自发进行的而且具有可逆性。胶团是热且具有可逆性。胶团是热力学稳定体系。力学稳定体系。亲水亲油平衡值亲水亲油平衡值HLB表面活性剂除了具有亲水和亲油基团结构以外，还需要表面活性剂除了具有亲水和亲油

20、基团结构以外，还需要使两种具有相互适宜的大小和强度，即亲水亲油处于平使两种具有相互适宜的大小和强度，即亲水亲油处于平衡状态。衡状态。HLB是选择不同功能表面活性剂的重要参数。是选择不同功能表面活性剂的重要参数。1.6 表面活性剂的基本性能表面活性剂的基本性能表面活性剂最基本的两个功能表面活性剂最基本的两个功能：当表面活性剂浓度较低时，在界面处形成单分子层吸当表面活性剂浓度较低时，在界面处形成单分子层吸附膜；附膜；当浓度达到饱和吸附值以上，表面活性剂会在溶液中当浓度达到饱和吸附值以上，表面活性剂会在溶液中自聚形成分子有序组合体。最简单的是胶团，形成胶自聚形成分子有序组合体。最简单的是胶团，形成胶

21、团的表面活性剂浓度为临界胶团浓度，简称团的表面活性剂浓度为临界胶团浓度，简称cmc。（b b）浓度相对升高，很快地）浓度相对升高，很快地聚集到水表面上，即聚集到水表面上，即表面表面吸附量大为增加吸附量大为增加、空气和、空气和水的接触相对减少，水表水的接触相对减少，水表面张力下降。面张力下降。 （a a）是极稀溶液，界面上）是极稀溶液，界面上没聚集很多的表面活性剂，没聚集很多的表面活性剂，空气和水直接接触，水的表空气和水直接接触，水的表面张力下降不多，面张力下降不多，接近于纯接近于纯水的状态水的状态。（c）表面活性剂浓度逐渐升高，表面活性剂分子间没有空隙，密集于液面上，表面吸附达饱和，形成了单分

22、子吸附膜。空气与水处于完全隔离状态。水表面张力急剧下降。在溶液内部，以疏水基互相靠拢，形成球形胶束。表面活性剂的主要功能和有序组合体表面活性剂的主要功能和有序组合体：主要功能有乳化、起泡、增溶、润湿、破乳、抗静电、主要功能有乳化、起泡、增溶、润湿、破乳、抗静电、杀菌等；杀菌等；主要的有序组合体包括胶团、反胶团、囊泡、液晶、主要的有序组合体包括胶团、反胶团、囊泡、液晶、乳状液、微乳液等。乳状液、微乳液等。1.在平面上 设向下的大气压力为po，向上的反作用力也为po ，附加压力ps等于零。s000ppp0pABff0p一、弯曲表面上的附加压力1.7 弯曲表面上的附加压力及弯曲表面上的附加压力及La

23、place方程方程2. 在凸面上0sppp总0pABff0sppsp 所有的点产生的合力和为 ps ，称为附加压力凸面上受的总压力为：3. 在凹面上0sppp总0pABff0sppsp 所有的点产生的合力和为 ps ，称为附加压力凹面上受的总压力为： 由于表面张力的作用，在弯曲表面下的液体与平面不同，它受到一种附加的压力，附加压力的方向都指向曲面的圆心。 凹面上受的总压力小于平面上的压力凸面上受的总压力大于平面上的压力4 4、附加压力的大小与曲率半径有关、附加压力的大小与曲率半径有关 例如，在毛细管内充满液体，管端有半径为R 的球状液滴与之平衡。 外压为 p0 ，附加压力为 ps ，液滴所受总

24、压为：0sppp总0pspRssddp VAs2pR34 3VR2s4AR2 d4dVRRsd8dAR R 克服附加压力ps所作的功等于可逆增加表面积的Gibbs自由能使液滴体积增加dV相应地其表面积增加dA 凸面上因外压与附加压力的方向一致，液体所受的总压等于外压和附加压力之和，总压比平面上大。相当于曲率半径取了正值。曲率半径越小，附加压力越大 s2pR0sppp总 凹面上因外压与附加压力的方向相反，液体所受的总压等于外压和附加压力之差，总压比平面上小。相当于曲率半径取了负值。0sppp总 由于附加压力而引起的液面与管外液面有高度差的现象称为毛细管现象 把毛细管插入水中，管中的水柱表面会呈凹

25、形曲面，致使水柱上升到一定高度。当插入汞中时，管内汞面呈凸形，管内汞面下降。 MN0ppp2H OHg5、毛细管现象 毛细管内液柱上升（或下降）的高度可近似用如下的方法计算 2sppghR 1g12hRg（1）曲率半径 R 与毛细管半径R的关系：cosRR（2）2()slgpghR2ghR 2 cosspghR 拉普拉斯（拉普拉斯（Pierre Simon de Laplace，17491827年），法国年），法国数学家、天文学家。生前颇负盛名，被誉为数学家、天文学家。生前颇负盛名，被誉为法国的牛顿法国的牛顿。拉。拉普拉斯家境贫寒普拉斯家境贫寒,靠邻居的周济才得到读书的机会靠邻居的周济才得到读

26、书的机会. 1773年被选年被选为法国科学院副院士为法国科学院副院士;1783年任军事考试委员年任军事考试委员,并于并于1785年主持年主持对一个对一个16岁的惟一考生进行考试。岁的惟一考生进行考试。他的代表作有他的代表作有:宇宙体系论宇宙体系论、分析概率论分析概率论、天体天体力学力学.二、Laplace 公式公式ABCDABCDxy 在任意弯曲液面上取小矩形ABCD(红色面)，其面积为xy。 曲面边缘AB和BC弧的曲率半径分别为 和1R2R 作曲面的两个相互垂直的正截面，交线Oz为O点的法线。 令曲面沿法线方向移动dz，使曲面扩大到ABCD(蓝色面)，则x与y各增加dx和dy 。1R2Rzo

27、y+dydxx odzABCDABCDxy1R2Rzoy+dydxx odz 移动后曲面面积增量为：sd(d )(d )Axxyyxydd (d d0)x yy xy xfddWx yy x 增加这额外表面所需功为sdWp V 克服附加压力所作的功为ddVxy zsdWp xy z 这两种功应该相等ABCDABCDxy1R2Rzoy+dydxx odzsdddx yy xp xy z22ddRzxxxR由相似三角形的比较得 2ddx zxR11ddRzyyyR1ddy zyR代入上式得 s1211pRR若 s2pR12RRR这两个都称为 Laplace 公式 三、拉普拉斯公式的应用1.肥皂泡实

28、验结果肥皂泡实验结果 在三通活塞的两端涂上肥皂液，关闭左端通路，在右端吹在三通活塞的两端涂上肥皂液，关闭左端通路，在右端吹一个一个大泡，然后关闭右端，在左端吹一个小泡。最后让左右两大泡，然后关闭右端，在左端吹一个小泡。最后让左右两端相通，端相通，试问接通后两泡的大小有何变化？试问接通后两泡的大小有何变化？ 假若自由液滴或气泡首先呈图中所示的不规假若自由液滴或气泡首先呈图中所示的不规则的形态，在该形状的不同曲面处，其弯曲则的形态，在该形状的不同曲面处，其弯曲方向与曲率均不同，产生的附加压力的大小方向与曲率均不同，产生的附加压力的大小和方向也就不同，凸面处附加压力指向液滴和方向也就不同，凸面处附加

29、压力指向液滴内部，凹面处附加压力指向液滴外侧，这种不平衡的力必然迫使内部，凹面处附加压力指向液滴外侧，这种不平衡的力必然迫使其自动调整形状，在这种合力的作用下，使曲面每处的曲率、附其自动调整形状，在这种合力的作用下，使曲面每处的曲率、附加压力相同，直到稳定为止，所以必然呈球形。加压力相同，直到稳定为止，所以必然呈球形。2.2.自由液滴或气泡均呈球形的原因？自由液滴或气泡均呈球形的原因？ 1.8 液体表面张力的测定液体表面张力的测定一、一、毛细管法毛细管法 当毛细管浸在液体中，若液体能完全浸润管壁，则会发生毛细上升现象，当毛细管浸在液体中，若液体能完全浸润管壁，则会发生毛细上升现象，液面呈凹月形

30、。反之，若液体完全不浸润管壁，则液面下降呈凸液面。液面呈凹月形。反之，若液体完全不浸润管壁，则液面下降呈凸液面。 假定毛细管截面是圆周形，且管径不太大，并假定凹月面可近似看作半球假定毛细管截面是圆周形，且管径不太大，并假定凹月面可近似看作半球形，此时不仅两个曲率半径相等，而且都等于毛细管半径形，此时不仅两个曲率半径相等，而且都等于毛细管半径r r。 由由Laplace公式公式 P附附 = 2 /r 若定义若定义h为凹月面底部距平液面的高度，则为凹月面底部距平液面的高度，则P附附应等于毛细管内液柱应等于毛细管内液柱的静压强的静压强gh， 即即 gh =2 r 式中式中为液气两相密度差，为液气两相

31、密度差，g为重力加速度。为重力加速度。 上式也可以改写成：上式也可以改写成： a= 2 g = rh 式中式中a为毛细常数，它是液体的特性常数。为毛细常数，它是液体的特性常数。当液体完全不浸润管壁时，上式仍适用。若毛细下降，则当液体完全不浸润管壁时，上式仍适用。若毛细下降，则h h表示下表示下降深度。降深度。 更普遍的情况是液体与管壁之间的接触角更普遍的情况是液体与管壁之间的接触角 介于介于0 0 -180-180 之间，若弯之间，若弯月面仍为球面，则有：月面仍为球面，则有： gh = 2gh = 2 cos cos r r 由上式可以从毛细升高或下降的高度由上式可以从毛细升高或下降的高度h

32、h，即可求出液体的表面张力。，即可求出液体的表面张力。 毛细上升法是表面张力测试方法中最准确的绝对方法。毛细上升法是表面张力测试方法中最准确的绝对方法。实验条件比较简单，数据容易测准，要求毛细管最好能被所测液体完全浸实验条件比较简单，数据容易测准，要求毛细管最好能被所测液体完全浸润，使接触角为零。润，使接触角为零。最常用的是玻璃毛细管，不仅透明，还能为多数液体润湿，其横截面应是最常用的是玻璃毛细管，不仅透明，还能为多数液体润湿，其横截面应是圆形而且上下均匀一致。圆形而且上下均匀一致。 二、二、最大气泡压力法最大气泡压力法将一根毛细管插入待测液体中，缓缓通入惰性气体，使其在管端形成将一根毛细管插

33、入待测液体中，缓缓通入惰性气体，使其在管端形成气泡逸出。当毛细管很细时，可假设气泡在生成过程中始终是球体的气泡逸出。当毛细管很细时，可假设气泡在生成过程中始终是球体的一部分。一部分。 气泡在发展过程中半径由大变小，当气泡形状恰为半球时，气泡的半气泡在发展过程中半径由大变小，当气泡形状恰为半球时，气泡的半径最小，正好等于毛细管半径，径最小，正好等于毛细管半径，P P附附也相应达到最大值。也相应达到最大值。 在形成气泡的过程中，液面在形成气泡的过程中，液面半径经历：大半径经历：大小小大，即大，即中间有一极小值中间有一极小值rminr毛毛，此，此时气泡的曲率半径最小，实时气泡的曲率半径最小，实验过程

34、中用连接在毛细管上验过程中用连接在毛细管上的的U形压力计测出最大气泡压形压力计测出最大气泡压力，则力，则 P附附max = gh = 2 r 三、三、滴重法滴重法 在恒温的条件下，在恒温的条件下，当液体在当液体在滴重计滴重计(滴重计市售商品名屈氏滴重计市售商品名屈氏粘力管粘力管)口悬挂尚未下滴时：口悬挂尚未下滴时： W = mg = 2W = mg = 2 r r r：若液体润湿毛细管时为外：若液体润湿毛细管时为外半径，若不润湿时应使用内半半径，若不润湿时应使用内半径。径。 : 液体的表面张力。液体的表面张力。 m：液滴质量：液滴质量(一滴液体一滴液体)。 g；重力加速度。；重力加速度。 由于

35、形成的细长液柱在力学上不稳定，一由于形成的细长液柱在力学上不稳定，一部分半径缩小，另一部分半径扩大，最后部分半径缩小，另一部分半径扩大，最后形成液滴落下。因此真正落入容器的只是形成液滴落下。因此真正落入容器的只是一部分液体。一般认为，多至一部分液体。一般认为，多至40质量的质量的液滴仍与滴尖相连，当与下落部分分离后，液滴仍与滴尖相连，当与下落部分分离后，又缩了回去，成为下一个液滴的一部分，又缩了回去，成为下一个液滴的一部分，因此因此测量时液滴并未全部落下，有部分收测量时液滴并未全部落下，有部分收缩回去，故需对上式进行校正：缩回去，故需对上式进行校正： m为滴下的每滴液体质量。为滴下的每滴液体质

36、量。 f称为哈金斯校正因子称为哈金斯校正因子 。 2rfm g 四、四、吊环法吊环法根据表面张力的基本概念可知，欲将一个物体从液根据表面张力的基本概念可知，欲将一个物体从液面上分离，所需的最大拉力应等于该物体的质量加面上分离，所需的最大拉力应等于该物体的质量加上表面张力与被分离表面周长的乘积。上表面张力与被分离表面周长的乘积。 将环放在液面上，然后测定将环向上拉起时所需的将环放在液面上，然后测定将环向上拉起时所需的力力P P。设环的内径为。设环的内径为RR，环由半径为，环由半径为r r的铂丝制成。的铂丝制成。 则则 P = WP = W环环 + 2+ 2R + 2R + 2 (R+2r) (R

37、+2r) 式中式中W W环环为铂环质量，后面两项为二圆柱形液膜对环施加的表面作用力。为铂环质量，后面两项为二圆柱形液膜对环施加的表面作用力。 令令 F=PF=P W W环环，R=R+rR=R+r，则可得，则可得 F = 4F = 4 (R+r) (R+r) = 4 = 4 R R 由于拉起的液柱不是圆柱形，需要乘上校正因子由于拉起的液柱不是圆柱形，需要乘上校正因子f， F = 4 fR 五、五、吊板法吊板法吊板法是将一块平板，如显微镜盖玻片部分浸到液体中，平板另一端挂吊板法是将一块平板，如显微镜盖玻片部分浸到液体中，平板另一端挂在天平上，测定吊板脱离液面时所需的最大拉力在天平上，测定吊板脱离液

38、面时所需的最大拉力P P，则有，则有 P = WP = W总总 W W板板 = 2(L+d)= 2(L+d) 式中式中L L为吊板宽度，为吊板宽度，d d为厚度，为厚度，2(L+d)2(L+d)为平板周长，测为平板周长，测出出P P后，可由上式求出表面张力后，可由上式求出表面张力 。 若液体与吊板之间存在接触角若液体与吊板之间存在接触角 ，则相应的公式为：，则相应的公式为： P = 2(L+d)P = 2(L+d) coscos 测定前必须注意以下几点测定前必须注意以下几点:首先，必须在液面首先，必须在液面不振动不振动的的清净清净环境中操作。环境中操作。例如，水面因例如，水面因易与尘埃、油气接

39、触而污染瞬间约可变化易与尘埃、油气接触而污染瞬间约可变化10mN/m。其次，要精确控制其次，要精确控制温度温度，测定体系尽可能，测定体系尽可能密闭密闭。这样，可将这样，可将因因蒸发蒸发而引起的液面而引起的液面浓缩浓缩和和温度不稳温度不稳抑制到最小范围。抑制到最小范围。再者再者，应该注意，应该注意水的精制水的精制。除去活性剂所含的微量。除去活性剂所含的微量杂质杂质等，等，以达到表面研究所必要的以达到表面研究所必要的试剂纯度试剂纯度。此外，此外，活性剂溶液的表面张力达到活性剂溶液的表面张力达到平衡的时间平衡的时间可从数分钟到可从数分钟到数小时，因此必须根据实验的目的选择数小时，因此必须根据实验的目的选择合适的测定方法。合适的测定方法。第一章习题一、概念：1.界面2.表面3.吸附现象4.表面活性剂5.表面张力6.临界角束