当前课程知识点:精细化学品生产工艺学 > 第三章 表面活性剂 > 3.2-3 表面活性剂基础知识-表面张力 > 讲义 3.2-3
3.2-3 表面张力
1物质表面张力的规律
根据表面活性剂的概念,是在低浓度下,便可以改变溶液表面性质,也就是表面张力的一类物质,那么一般溶液具有多大表面张力?如何去测试表面张力大小呢?我们这节课来解决这两个问题。
表面张力是作用于单位边界线上的拉力,也就是使液体表面积缩小的力,对于任何一种液体,都有表面张力,只是大小不同,而且,表面张力的大小受温度影响比较大,所以我们在指出一个液体的表面张力时,通常会标注温度大小。我们来分析下,一些液体的表面张力。
我们都知道汞最容易形成液滴,也就是它收缩成液滴的能力比较强,那么,它的表面张力应该也是非常大的;汞,在20摄氏度时,表面张力是486.5mN/m;
金属在高温熔融成液态时,也非常容易形成液滴,所以,熔岩和液体的金属,是我们所知道的液态物质里面,表面张力最大的,比如铁在1550℃融化时,它的表面张力是1880mN/m;
水是我们常见液体当中表面张力最高的,在20℃时,水的表面张力是72.75mN/m;
水为极性比较大的物质,也就是极性物质的表面张力要大于非极性物质的表面张力;所以,一般有机液体的表面张力比水要小,在20到50mN/m;
芳环或共轭双键的物质的表面张力,一般要大于饱和碳氢化合物液体的表面张力;
而当结构类似时,分子量越大,表面张力越大。
2 表面张力测试方法
表面张力是衡量表面活性剂活性的一个重要指标,那么表面张力应该怎么样去测试呢?
2-1 重量法
测试表面张力,最简单的方法是滴体积法,又叫重量法,当我们把溶液加入滴管,液滴悬在滴管上而没有落下时,液滴处于平衡状态,他受到的重力mg等于表面张力引起的往上的拉力。这个拉力的大小也就是表面张力乘于液滴与滴管接触的长度,而液滴与滴管接触的长度等于滴管口的圆周长,如果滴管口半径为R,长度也就是2πR。有同学会说,水与滴管接触的部分应该包括滴管口的圆面不是周长,同学们想一下,在滴管口内部也是液体,等于是滴管内的液体跟液滴中的液体接触,所以液滴与滴管的接触只有滴管口的直径2πR,那么产生的拉力大小也就是表面张力r乘以2πR。
图2 滴定管口的液滴 图3 推倒过程
那么,在液滴处于平衡状态时,受到的重力,mg也就等于液滴的表面张力r乘以2πR。我们也就得到一个跟表面张力r相关的一个等式,换算一下这个等式,可以得到表面张力r等于=mg除于2πR,也就是说,我们可以通过称量这滴液滴的质量m和滴管口的半径R,便可以算出表面张力r。
那么,如果我们有一未知液体,是否可以通过这个方法算出来未知液体的表面张力呐?由于滴管口的半径R不好测定,而且数据特别小,容易引起误差,所以,这种直接计算的方法并不可行。
那怎样可以避开R来测定出表面张力r呢?对于同一根滴管来说,他的滴管口直径R是相同的,如果用来同时滴两种物质的液滴,会存在两个等式,m1g=2πR*r1,m2g=2πR*r2,将两个等式相除,我们会得到,m1/ m2= r1/ r2,在这个等式中,滴管口的直径便被消去了,那我们完全可以根据质量的关系,来推测两种不同液滴的表面张力。如图3所示。如果其中一种液体为水,那么它的表面张力r便是已知的,我们只要测定出一滴水的质量和一滴未知液体的质量,便可以根据等式推算出来r未知= m未知r水/ m水。
也就是我们通过同一根滴管,来滴未知液体和水,测定每滴水和未知液体的质量,根据水的已知表面张力,可以求算出来未知液体的表面张力。
那么,我们就可以通过一根滴管,采用这种方法测定出任何液体的表面张力,这种方法称为滴体积法或者重量法。但,这种方法比较粗略的,容易受到滴管倾斜等因素的影响,它导致液滴受力不均,不满足等式,计算便会有误差。
2-2 吊片法
图4 吊片法推导图
测定表面张力的第二种方法是吊片法,也是目前表面张力仪所采用的方法。如图4所示,测试过程是将已知长宽的金属片,缓慢放入液体中,金属片受到的推力p等于液体的表面张力r乘于液体与金属片的接触周长,可以直接算出液体的表面张力。根据测出的推力P,在仪器中导入换算好的比值,便可以直接显示表面张力的数值。
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-10.3 硫和卤素分析
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-10.4 精细化工产品的仪器分析法
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-第十章 精细化学品的分析检测 学习要点、结构导图及精华笔记
-第十章 精细化学品的分析笔记
-北林林化讨论课视频