实验八　液体在固体粉末表面的接触角

一、实验目的

1.巩固Laplace方程，学习Washburn方程，学习一种粉末接触角测定方法。

2.测定几种液体在石墨、氧化铁粉上的接触角。

二、实验原理

基于Young方程，人们可以比较方便地获得液体在平滑固体表面形成的接触角θ；但是，在生产和科研的实践中，有时需要了解液体对固体粉末的润湿性质，为此，测定液体在固体粉末表面的接触角θ是必要的。人们常常把液体在固体粉末表面形成的接触角称作粉末接触角。

迄今尚无一公认的准确的测定粉末接触角的标准方法，这是由于接触角滞后现象的存在以及影响接触角测量的因素繁多，更为重要的是，测试结果难以完全重复以及粉末接触角测定的间接性。

已知液体在毛细管中液面上升的驱动力是液体润湿毛细管壁形成凹液面两侧存在的压强差ΔP。因此，只有液体在固体上的接触角θ小于90°才能发生毛细上升现象。根据Laplace公式：

ΔP=2γcosθ/r　　（1）

只要已知液体的表面张力γ、毛细管半径r和压强差ΔP，即可求出接触角θ。

可以将固体粉末均匀地装入圆柱形玻璃管中所形成的多孔堆积结构看作是平均半径为r的毛细体系；而多孔塞毛细孔平均半径可用完全润湿的液体（θ=0°）所测出的ΔP求出，此时cosθ=1。本实验是利用待测液体在由固体粉末所形成的多孔堆积结构中毛细上升的速度计算接触角θ。

若一液体由于毛细作用渗入半径为r的毛细管中，在t时间内液体流过的长度l可用Washburn方程描述：

式中，γ为液体的表面张力；θ为液体与毛细管壁的接触角；η为液体的黏度。将式（2）应用于粉末形成的多孔堆积结构，则有：

式中，为粉末多孔堆积结构中毛细孔道的平均半径；C为毛细因子；h为液面在t时间内上升的高度。当粉末堆积密度恒定时，可看作定值，为仪器 参数。

先选择一已知表面张力和黏度且能完全润湿粉末（θ=0°）的液体进行实验，测定不同时间t内液面上升的高度h，作h2-t图，根据式（3），h2-t之间应当呈直线关系，由该直线的斜率可求出（）。

在保持相同的粉末堆积密度的条件下，测定其他待测液体在此粉末多孔堆积结构中的h与t关系，按照式（3）处理即可求得接触角θ。当然，待测液的表面张力和黏度值应为已知值。

液体与固体粉末间的黏附功WSL可由式（4）计算：

WSL=γ（1+cosθ）　　（4）

三、实验仪器和试剂

长约15cm、直径约0.8cm的玻璃管，秒表，250mL烧杯；石墨粉，γ-Fe2O3粉末，重蒸水，苯，正己烷，正庚烷，十六烷，丙酮，乙醇，环己烷和氯仿。

四、实验步骤

1.将选好的玻璃管洗净，两端磨平。管上标记上刻度（可粘上小窄条坐标纸），管的一端用小块脱脂棉封住（或用滤纸）。有条件的实验室可以用带有砂芯截留的玻璃色谱柱改装成上述脱脂棉封堵的玻璃管。称取一定质量的固体粉末填充到上管中，相同质量的同一种固体粉末样品，每次都必须填充到相同高度以保证粉末堆积密度恒定。

2.将润湿液体放在烧杯中，按图1装好仪器，玻璃管必须垂直于液面，当填装有粉末的玻璃管刚一接触液面时开始计时，每间隔一定时间（如1min）记录液面上升的高度h。

3.已知苯可完全润湿石墨粉（即θ=0°），按上述步骤测定苯润湿石墨的h与t关系数据。

4.按照步骤1和步骤2，在相同的粉末装填堆积密度条件下，依次测定水、正己烷、正庚烷、十六烷、丙酮、乙醇、环己烷、氯仿对石墨润湿的h与t关系数据。

5.已知环己烷可完全润湿γ-Fe2O3粉末，先测定环己烷润湿γ-Fe2O3的h-t关系数据，再依次测定其他液体样品的数据。

6.由于室温条件下接触角的温度系数不大，故全部实验可在室温下进行。

五、数据记录与处理

1.根据测定出的苯润湿石墨粉的数据，作h2-t图，由直线的斜率和苯的γ、η值（见附表1）依式（3）求出仪器常数。已知苯在石墨上的接触角为0°。

2.根据其他各种液体润湿石墨的数据，作各自的h2-t图，由各直线的斜率、各液体的γ（见附表2）、η值和上述1求出的仪器常数，计算各种液体在石墨粉上的接触角。

3.根据环己烷润湿γ-Fe2O3的毛细升高h和时间t关系数据，作h2-t图，依式（3）求出此体系的仪器常数，再据上述2中的类似方法，求出其他各种液体在γ-Fe2O3粉上的接触角。

4.依式（4）计算各种液体对石墨粉和γ-Fe2O3的黏附功WSL。

六、思考题

1.本实验项目过程中的主要误差来源有哪些？

2.如何根据本实验所述之方法用于估算土壤中水的毛细上升高度？

3.若将实验用水改成阳离子表面活性剂水溶液，请估测所得结果与本实验所得结果的区别，可能的原因是什么？

七、参考文献

［1］马季铭，吴佩强，迟震寰，商乐维.γ-Fe2O3的表面润湿性与其悬浮液的稳定性.应用化学，1986，3（4）:17-21.

［2］北京大学化学系胶体化学教研室.胶体与界面化学实验.北京：北京大学出版社，1993.