实验一　滴体积法测定纯水的表面张力

一、实验目的

1.学习并掌握用滴体积法测定纯液体表面张力的原理和方法。

2.学习并掌握用滴体积法测定纯液体表面张力实验装置的搭置。

3.学习并掌握用滴体积法测定纯液体表面张力的实验数据处理方法。

二、实验原理

液体体相中各分子间相互吸引，每个分子均处于均匀立场，即受力平衡；而处于液体表面的分子则不同，液体内部侧对它的吸引力大于外部侧（通常指空气）对它的引力，故处于非均匀立场，所受作用的综合结果是表面分子受到向液体体相内部的吸引作用，使液体表面产生自动收缩的趋势。要扩大液体表面，即把一部分分子从体相内部移到表面上就必须对抗吸引而做功。在等温等压条件下，增加单位表面积所需的功称为比表面过剩表面自由能，单位通常用mN·m-1；该物理量也可以理解为，沿着液体表面，垂直作用于单位长度上，使液体表面收缩的力，故又称之为表面张力，用符号γ表示。

滴体积法是测定液体表面张力的一种既方便而又比较准确的方法。此法的基本依据是：当液体在毛细管端头缓慢形成的液滴达到最大并滴落时，液滴的大小（体积V或质量m）与毛细管管口半径（R）及液体表面张力γ有关；若液滴自管端完全脱落，则滴落液滴的质量m与表面张力γ有如下关系：

mg=2πRγ　　（1）

式中，m为液滴质量，g；g为重力加速度，980.7cm·s-2；R为毛细管口半径，cm；R当液体能润湿管口时用外径，反之用内径；γ为液体表面张力，mN·m-1；π为圆周率。

但是，液滴自毛细管管端滴落时总是有一些液体残留于管口。图1是液滴形成过程的高速摄影示意，由于液滴掉落时，液滴与毛细管口连接的细颈部位是不稳定的，故总是从此处断开，只有一部分液体落下，残留液体有时可多达整体液滴的40％。此外，由于形成细颈，表面张力作用的方向与重力作用方向不一致，而成一定角度，这也使表面张力所能支持的液滴质量变小。因此，对式（1）必须进行修正，引入校正项k，则式（1）变为：

mg=k·2πRγ　　（2）

通常，将式（3）中称为校正因子。研究表明，F是的函数（V为滴落液体的体积），而与滴管材料、液体密度、液体黏度等因素无关。根据测得的滴落液滴的体积和管口半径，查F-V/R3表（第4页附表）即可获得F值，再查出或测得液体的密度ρ，于是可代入式（4）计算表面张力：

滴体积（滴重）法对一般液体或溶液的表（界）面张力测定都很适用，但此法非完全平衡方法，故对表面张力有很长的时间效应的体系，不太适用。

三、实验仪器和试剂

滴体积法测表面张力需要的实验仪器最为简单。图2所示装置包括一支由量程为0.2mL玻璃刻度移液管加工得到的毛细管[1]，一只恒温水浴缸，一只100mL的玻璃量筒和一套液滴挤落控制装置（可用针筒）。实验试剂为纯水。

四、实验步骤

1.洗净特制的玻璃滴管，用读数显微镜测出滴头端面半径R值（精确到0.001cm）。

2.按图2安装好仪器，在100mL量筒中放入约20mL纯水，在（25±0.1）℃下恒温半小时。

3.将毛细管头部伸入水中，用注射器抽取液体至毛细管的最高刻度以上（注意防止产生气泡），提起毛细管，使其端面在液面以上1～2cm，慢慢推动针筒，挤出一滴液体，再微微抽动针筒使残留的液体缩回毛细管内，读出毛细管内液面所对应的刻度V0。

4.慢慢推动针筒，挤出液体，使成液滴落下；挤出数滴，至毛细管中的液面接近最低刻度时，微微抽动针筒使残留的液体缩回毛细管内，读出毛细管内液面所对应的刻度Vn，记下滴数n。

5.计算液滴体积V=（V0-Vn）/n，求出V/R3值，从F-V/R3表中查出校正因子F，代入式（4）求出表面张力。

6.重复测定5次以上，计算所得表面张力测量值的相对变异系数（RSD）。

五、数据记录与处理

按照Harkins公式γ=75.796-0.145t-0.00024t2，式中，t为温度，单位为℃，计算水在25℃时的表面张力，将计算值和实验测量值之间对比，计算相对标准偏差。

六、思考题

1.本实验的主要误差及其来源有哪些？

2.公式（4）中液体密度若是采用相同温度下纯水的密度代替将有怎样的影响？

3.如何有效避免毛细管内的气泡？

4.为使滴出液体的体积数据有较高的准确性，可以采取的措施有哪些？

七、参考文献

［1］肖进新，罗妙宣.滴体积法测量表面张力装置的改进.实验室研究与探索，2000，19（2）：48-49.