实验二　吊环法测定纯水的表面张力

一、实验目的

1.学习并掌握用吊环法测定纯液体表面张力的原理和方法。

2.学习吊环法测定液体表面张力仪器——自动界面张力仪的操作方法。

二、实验原理

任何表面或界面均倾向于收缩，主要是因为存在表面张力，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，故称之为表面张力，用符号γ表示。测表面张力的方法有很多种，如毛细管上升法、滴体积法、最大气泡压力法、吊环法、吊片法和滴外形法等。

吊环法[1，2]是将金属细丝做成的吊环按照环平面与液面平行的方式浸入液体中，然后缓缓将吊环拉出液体，在快要离开液体表面时，液体在金属环上形成一层薄膜，随着吊环被拉出液面（图1），溶液的表面张力将阻止吊环被拉出，当液膜破裂时，吊环的拉力将达到最大值，自动界面张力仪将记录这个最大值。

当提起液体的重量mg与沿环液体交界处的表面张力相等时，液体质量最大。再提升则液环断开，环脱离液面。理想情况下，环拉起的液体呈圆筒形［图1（a）］，对环的附加拉力（即除去抵消环本身的重力部分）P为：

P=mg=2πRγ+2π（R+2r）γ=4π（R+r）γ　　（1）

式中，m为拉起来的液体质量；g为重力加速度；R为环的内径；r为环丝半径。实际上，式（1）是不完善的，因为实际情况并非如此，而是如图1（b）所示。因此对式（1）还需要加以校正。于是得：

从大量的实验分析与总结，说明校正因子F与R/r值及R3/V值有关（V为圆环带起来的液体体积，可自P=mg=Vρg关系求出，ρ为液体密度）。F的数值相当繁杂，可以通过实验一中附表查得。JYW-200D自动界面张力仪已经把式（2）的计算实现了自动化程序计算，可以在仪器数据显示屏直接获得液体的表面张力值。

三、实验仪器和试剂

JYW-200D自动界面张力仪，铂丝圆环，100mL量筒，500mL烧杯，镊子，洗瓶，循环恒温水浴，100mL夹套烧杯，温度计，普通圆形滤纸。

实验试剂为纯水。

四、实验步骤

1.检查JYW-200D自动界面张力仪上的水准泡，调节基座上调平旋钮，使仪器水平。

2.打开电源开关，稳定15min。

3.把铂丝圆环和夹套烧杯进行很好的冲洗。铂丝圆环的清洗方法：先在石油醚中清洗，接着用丙酮漂洗，然后在煤气灯或酒精灯的氧化焰中加热、烘干铂丝圆环。在清洗和后续试验中，用镊子取、挂铂丝圆环时要特别小心，以免铂丝圆环变形。

4.用镊子夹取铂丝圆环小心悬挂在杠杆挂钩上，在夹套烧杯中注入新鲜纯水40～50mL，开通25℃恒温循环水泵。

5.在JYW-200D自动界面张力仪“开机初始页”连续按“▲”键四次，液晶界面显示“试验显示　按确认键进入”菜单页，再按“确认”键进入试验显示主页。

6.按“清零”键，然后按“▲”键，玻璃杯平台上升，液晶界面右下边显示“<↑”提示符。

7.待铂丝圆环浸没液体时，平台自动停止上升、按“清零”键使P值变为000.00mN·m-1。按“▼”键、按“保持”键，玻璃杯平台下降，液晶界面右下边显示“+↓”提示符。随着玻璃杯平台下降，P值不断增大，液膜被拉破，玻璃杯平台自动停止。此时显示屏F值即是该液体表面张力的实验测量值，记录该数据。

8.按“清零”键取消保持状态。按“▲”键玻璃杯平台上升，液晶界面右下边显示“<↑”提示符。待铂金环浸没液体时，平台自动停止上升。

9.按“▼”键、按“保持”键，玻璃杯平台下降，液晶界面右下边显示“+↓”提示符。液膜拉破后，显示屏再次出现该液体的表面张力重复实验测量值。

10.要求重复测量五次，记录表面张力F值，求取五次F的平均值。

五、数据处理

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.与滴体积法测表面张力相比，吊环法有何优势和不足？

3.吊环法测得的表面张力是稳态表面张力还是动态的？

4.如何用吊环法测定液-液界面张力？

七、参考文献

［1］Harkins W D，Jordan H F.A method for the determination of surface and interfacial tension from the maximum pull on a ring.J Am Chem Soc，1930，52:1751-1772.

［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.