国立高雄应用科技大学化学工程与材料工程学系物理化学实验预习报告.doc

國立高雄應用科技大學 化學工程與材料工程學系 物理化學實驗預習報告 實驗:液體表面張力的測定 組別: 第四組 班級: 四化材三甲 學號: 1100101108 姓名: 陳宛筠 指導老師:吳瑞泰 目錄 一.目的P.3 二.原理、相關知識 P.3~P.7 三.儀器與藥品P.7 四.實驗步驟P.7~P.9 五.注意事項P.9 六.廢液處理P.9 七. 參考文獻P.10 實驗名稱: 液體表面張力的測定 目的: [1]、[6] 測定不同液體的表面張力，觀察溫度及溶液濃度變化對水表面張力的影響。 學會如何測量液體的表面張力 如何使用表面張力計與校正 原理、相關知識: 表面張力: [2] 表面張力（Surface tension）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。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。 表面張力係數: [3] 熱力學對表面張力係數的廣義定義為：表面張力係數σ是在溫度T和壓力p不變的情況下吉布士自由能G對面積A的偏導數： 吉布士自由能的單位是能量單位，因此表面張力係數的單位是能量/面積。 表面張力是由物態內部的吸引力導致的，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。 使用環、片、張力表或毛細現象可以測量表面張力。 人們也可以對懸著的液滴進行光學分析和測量來確定液體的表面張力係數。 下面列舉了一些測量方法： 毛細管上升法：簡單，將毛細管插入液體中即可測量，雖然精確度可能不高。 掛環法：這是測量表面張力的古典方法，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。 威廉米平板法：這是一種萬能的測量方法，尤其適用於長時間測量表面張力。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。 旋轉滴法：用來確定界面張力，尤其適應於張力低的或非常低的範圍內。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。 懸滴法：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。 最大氣泡法：非常適用於測量表面張力隨時間的變化。測量氣泡最高的壓力。 滴體積法：非常適用於動態地測量界面張力。測量的值是一定體積的液體分成的液滴數量。 表面活性劑降低表面張力。這個效應可以描寫為一個相對於表面張力相反的平行壓π。不過π並不是真的壓力，它的單位與表面張力相同。 液面附近的空氣中的液體蒸汽壓已達到飽和，假如有其它蒸汽滲入的話表面張力會改變很大。沒錯一般表面張力隨溫度升高而降低。在臨界點其值下降到0。描寫這個關係的是約特弗斯公式。蓮花效應（lotus effect）是指蓮葉表面具有超疏水性以及自潔（self-cleaning）的特性。在東方文化裡，蓮花是純淨的象徵。雖然，蓮花喜歡生長在泥濘的溼地，但其葉子和花仍保持乾淨，這就是自潔的效果。植物學家研究蓮葉表面發現它們有一個自然潔淨的機制。 蓮葉的微觀結構和表面化學意味著不會被水弄濕；水滴在葉片表面就如水銀一般，並且可以帶走污泥、小昆蟲及污染物。然而，水滴在芋頭葉子亦有相似的行為。 當液體潤濕固體表面時，原本氣─固的界面被液─固的界面所取代，而氣─固與液─固之界面張力的差， 稱之為「濕潤張力」。當氣─固的界面張力大於液─固的界面張力時，也就是固體和液體間的吸引力大於固體和氣體間的吸引力時，固體和氣體間的界面張力會將液─固界面拉伸。換句話說，被濕潤的固體表面有較低的界面張力，因此液體會在固體表面擴張。當液體滴在固體表面上時，固體表面和液滴切線的夾角，就是所謂的接觸角。而濕潤張力和接觸角的關係，可以用楊-拉普拉斯公式： 氣─固界面張力 － 液─固界面張力的 ＝氣─液界面張力×接觸角的餘弦函數。 由於水滴在蓮葉表面的接觸角很大，代表蓮葉與空氣間的界面張力很低，水滴不易濕潤其表面。 掛環法：液體中的分子受到四周所有分子所施加的力支配。作用於液體表面的邊界層中分子的合力指向液體內部。液體膜破裂之前。用扭力計在一個圓環上測量這個力。從圓環的直徑和撕破力來計算表面張力。[1] 如圖 2 所示，設環長為l ，