表面张力及其测定.doc

基础知识 2 第三讲 表（界）面张力3.0 思考题（1）什么是表（界）面张力？降低表（界）面张力有什么意义？（2）简述：表面张力的测定方法（常用的有7种）及各自的适用范围。（3）解释：毛细上升法、脱环法、滴重法、吊片法、最大气泡法、停滴法、悬滴法。（4）写出Szyszkowski公式，指出其研究内容和用途。（5）解释：表面张力曲线的最低点现象。（6）什么是表面活性剂样品纯净与否的重要标志？（7）正、负离子表面活性剂混合会发生什么现象？为什么？（8）解释：表面活性剂降低水表面张力的能力、效率（9）什么是溶液的平衡表面张力、动表面张力？影响动表面张力的因素存在哪些定性规律？（10）什么是溶液表面张力时间效应？如何测定？影响因素？（11）简述：振荡射流法的基本原理。（12）液液界面由哪些途径形成，是否自发进行？（13）解释：界面张力、界面自由能、界面张力曲线转折点。（14）何谓“超低界面张力”？有何实际应用？简述旋滴法测定超低界面张力的基本原理。3.1 基本概念1. 界面、界面现象、界面张力（界面自由能）表面张力现象.AVI2. 毛细上升法、脱水法、滴重法、吊片法、最大气泡法、停滴法、悬滴法（7种测定界面张力的方法）3. 表面张力曲线的最低点现象4. 振荡射流法5. Szyszkowski公式6. 超低界面张力、旋滴法3.2 基本原理1. 测定界面张力方法的原理（常用的7种方法） 毛细上升法脱环法滴重法吊片法最大气泡法停滴法悬滴法2. 振荡射流法的工作原理。3. 应用“超低界面张力”技术解决注水油井后期石油开采的基本原理。3.3 思考题参考答案（1）什么是表（界）面张力？降低表（界）面张力有什么意义？答：表（界）面张力是指由于液相表面分子受到的内部分子作用力大于外界气相（或另一相）分子的作用力而形成向内收缩的合力。表面活性剂的许多应用都与降低液体的表（界）面张力的能力有关。如起泡作用、润湿作用、铺展作用等，它们又衍生出许许多多的物理化学性质。（2）简述：表面张力的测定方法及各自的适用范围。 答：液体表面张力的测定方法很多。常见的如下：毛细上升法。将毛细管插入液体中，观察液体在管内上升或下降的情况，测定其接触角（若液体润湿管壁，则900），根据公式（为界面两侧密度差）求出值。因为接触角的测量精度不够，所以该法只适用于=00时。脱环法。又称为duNuy法。将水平接触液面的圆环拉离液面过程中施加的最大拉力来推算液体表面张力，圆环被提拉时将带起一些液体形成液柱（重P=mg），P随提起高度增加而增加，但有一个极限，超过此值环与液面脱开。有P=2+2（+2）=4（+）校正后得 ，为校正系数，=+为环的平均半径。 该法操作简便，但理论复杂，校正系数、方法带有经验性，结果受多种不易控制因素影响，结果不一定是平衡值。滴重法（滴体积法）。液体自管口滴落时，液滴的大小与液体的密度和表面张力有关，液滴重量与管口半径及液体表面张力也有关。液滴长大时先发生变形，形成细颈，再在细颈处断开，一部分悬挂液体滴落，一部分残留管口。经校正，得 该法操作简便，对接触角无严格限制，结果准确，是测定液体表面张力最常用的方法之一。但此法的表面平衡难以完全，使用校正系数时带有经验性。吊片法。此法为Wilhelmy在1963年首先使用。是用片代替环测定从液面拉脱时最大拉力，以后改进为测定当片的底边平行液面并刚好接触液面时所受到的拉力。计算公式为， 为沿吊片一周作用的液体表面张力。 该法是最常用的方法之一。完全平衡为其突出优点，其次是操作简便，不需要密度数据，也无须麻烦的计算。现代化表面张力仪大多采用该法。缺点是：液体必须很好润湿吊片，常用材料为铂金、玻璃、云母等。最大气泡法。测定使惰性气体慢慢地通过插入液面的毛细管口出泡的最大压力，依此推算液体的表面张力。 该法只适用于管口很细而且插入液面不深时，否则必须用Bashforth-Adams方程求算曲率半径。停滴法。在重力场中，停于水平表面上的液滴（简称停滴）或垂直悬挂的液滴（简称悬滴）将形成轴对称液面，由Bashforth-Adams方程，得，是形状因子。 确定值的方法较多，如：外形比较法、赤道参数法、等腰三角形法等。各有优劣。近年来已经借助计算机技术以方便计算。悬滴法。也是一种液面外形法，是通过测定悬挂的液滴的外形参数，应用Bashforth-Adams方程推算出液体的表面张力。较有实用价值的是1937年Andreas等提出的选面法。计算公式为。 该法优点是：免除了对接触角的要求，可以远距离操作，便于特殊条件（例如高温、高压、特殊化学环境等）下测定液体的表面张力，而且容许随意长的平衡时间，并可用于粘性液体。扩大了滴外形法的应用范围。缺点是：对防震要求很高，否则难以得到正确的悬滴外形曲线。（3）解释：毛细上升法、脱水法、滴重法、吊片法、最大气泡法、停滴法、悬滴法。 答：参阅题（2）。（4）写出Szyszkowski公式，指出其研究内容和用途。 答：Szyszkowski公式为 ，这是一个经验公式。式中，为溶剂的表面张力，和是两个经验参数。 该公式表明了表面活性剂水溶液表面张力随溶液浓度变化的情况，即“表面张力浓度关系”，通常采用曲线表示。（5）解释：表面张力曲线的最低点现象。 答：即表面张力随浓度变化关系时常在临界胶团浓度（CMC）附近出现最低值的现象。这是由于溶液中存在高表面活性杂质的结果。如果进行纯化，该现象可以消除。 一般来说，这些“杂质”是像十二醇一类的极性有机物。（6）什么是表面活性剂样品纯净的重要标志？ 答：两个标志 水溶液表面张力不存在最低值（实用标志） 表面张力的时间效应（建议标志）（7）正、负离子表面活性剂混合会发生什么现象？为什么？ 答：两种现象沉淀。电性相反，互相结合，失去表面活性。结合生成更强的表面活性物质。可以把液体的表面张力降得更低。（8）解释：表面活性剂降低水表面张力的能力、效率 答：表面活性剂降低水表面张力的特性包括两个方面：表面活性剂降低水表面张力的能力和效率。其中，降低表面张力的能力是指该表面活性剂能把溶剂（通常是水）的表面张力降到的最低值，即该表面活性剂水溶液的最低表面张力，它大体是 。表面活性剂降低表面张力的效率则是指它把水的表面张力降低到一定程度所需要的浓度。Rosen建议用使水的表面张力降低20mN/m所需浓度的负对数pC20作为描述此特性的参数。（9）什么是溶液的平衡表面张力、动表面张力？影响动表面张力的因素存在哪些定性规律？ 答：突然刮去某溶液的表面层，或使液面面积在极短时间内突然扩大，或者突然断裂一液柱，使新生成溶液/空气界面，立即观测溶液的表面张力随时间的变化情况，会发现在液面陈化过程中溶液的表面张力先随时间而降低（此时称动表面张力），一定时间后达到稳定值（此时称平衡表面张力）。在实际应用中，时间因素有时具有决定性作用，它使液膜不容易收缩和破裂，使泡沫稳定、涂布均匀。如果表面张力降低速度缓慢，赶不上液膜扩展和破裂的速度则不能发挥表面活性剂的效能。 一般规律：表面活性剂浓度越大，达到平衡表面张力的时间越短，虽然它的平衡表面张力较低。（10）什么是溶液表面张力时间效应？如何测定？影响因素？ 答：存在动表面张力的现象又叫做表面张力时间效应。 测定方法是将测定平衡表面张力的方法稍加改动即可，但各有其适用范围。一般，吊片法适用于时间效应缓慢的动表面张力；滴重法适用于中等时间效应的动表面张力；最大气泡法适用于0.01s的时间效应；毫秒级（0.001s）则多采用振荡射流法。 影响因素很多，常见的有无机盐、极性有机物杂质等。（11）简述：振荡射流法的基本原理。 答：基本原理是：液体受力自毛细管口射出，形成射流，这时，气液界面在管口处开始形成，随射流移向远处。显然，离喷口最近的射流表面的寿命最短，离喷口越远则寿命越长。由于表面张力时间效应，射流各部位的表面张力随与管口的距离而异。从而形成射流“振动”波。表面张力越大，形成射流的波长越短。得，其中， 。 使用该法需要先测定纯溶剂的表面张力随时间的变化结果。（12）液液界面由哪些途径形成，是否自发进行？答：液液界面可以由粘附、铺展和分散等途径形成。粘附是指良种液体进行接触，各失去自己的气液界面而形成液液界面的过程；铺展是指一种液体在第二种液体上展开，结果后者原有的气液界面被两者间的液液界面取代，同时形成相应的第一种液体的气液界面的过程；分散则是指一种大块的液体变成为小液滴的形式存在于另一种液体之中的过程，即乳化。 自动进行的条件是：粘附 铺展 分散 不可能自发进行。（因为）（13）解释：界面张力、界面自由能、界面张力曲线转折点。答：略。（14）何谓“超低界面张力”？有何实际应用？简述旋滴法测定超低界面张力的基本原理。 答：通常把数值在0.01-0.1mN/m的界面张力叫做低界面张力（最早在1926年由美国表面化学家Harkins和