滴高法测定液体在固体表面上的铺展系数

滴高法测定液体在固体表面上的铺展系数 [实验目的] 掌握滴高法测定铺展系数的原理，测定水、甘油等液体在石蜡，聚乙烯膜、聚酯膜等表面上的铺展系数。 [基本原理] 液体在固体表面上的展开能力通常用铺展系数的大小来表式。 设液体的表面自由能即表面张力为γL，固体的表面能为γS， 固一液之间的界面自由能为γSL，根据定义，铺展系数S可表示为 (1) S为正值时，则液体能在固体表面上自动展开；若S为负值，则该液体不能在同体表面上自动展开。因此可用S值的大小衡量液体在固体表面上的展开能力，亦即表示该液体在固体表面的润湿能力。由于γS 、γSL皆难直接测定，但（γS -γSL）值可通过Young氏润湿方程得到（参见实验22） (2) 将式（1）（2）结合，得到 (3) 因此，通过测定液体的表面张力γL及液体在固体表面上的接触角θ，便可得铺展系数，由于接触角θ的准确测定较困难，为克服此缺点而采用测定液体在固体表面上形成液滴的极限高度来得到铺展系数。这一方法称为滴高法。 此方法的原理是：设将一液滴放到一水平的固体表面上，若液体不能在固体表面上自动展开，则形成液滴。若再增加此液滴的液体量，则液滴变大，液滴高度也随之增加。最后，液滴高度达到一最大值，此后继续增加液滴液量，液滴虽继续扩大，但液滴的高度不再改变。因此，液滴在固体表面上的极限高度是此固一 液体系的一个重要特征。 图24-1是固体表面上的液滴在达到高度最大值时的侧面图。若固体表面是光滑均匀的，则液滴与固体的交界应是圆形。设平衡时此圆的半径为r，液滴的极限高度为h。现假设此平衡液滴与固体表面交界的圆半径扩大了△r，相应液滴的高度则降低了△h。由于液体与固体接触面扩大了2πr△r，故体系的表面自由能增加了2πr△r（）。另外，由于滴高下降，液滴的位能降低了ρgV△h，其中ρ是液体密度，V是液滴体积，g为重力加速度。因为体系是处于平衡状态，故此两个能量的变化应相等，即 2πr△r（）=ρgV△h （4） 假设液滴在固体表面上的形状是圆柱体（即略去边效应），则 （2πr△r）h=△h 将此式代入（4）式，得到 ρgh2 （5） 将公式（1）与式（5）结合，得到 S=ρgh2 (6) 由公式（6）可知：若已知液体的密度ρ，则只要测定液滴在表面上的极限高度h,即可得到该液体在固体表面上的铺展系数。 仪器药品 测高仪，可调平台，水平仪，5ml注射器，镊子。 容量瓶，烧杯，钳埚，5玻璃板及聚乙烯、聚酯（涤纶）膜。 水，甘油，十二烷基硫酸钠，溴化十六烷基三甲铵。 实验步骤 水及甘油在石蜡及聚酯膜表面上铺展系数的测定 ①将约5的玻璃片洗净并烘干，将它浸入盛有熔融石蜡的钳埚中，使玻璃片均匀地涂上一层石蜡，然后将其放在可调平台上，用水平仪将玻璃片调至水平。用5ml的注射器小心地、垂直地将1ml多的水或甘油加到涂有石蜡的玻璃表面上，注入的量以液滴高度不再变化为准。然后用测高仪精确地测定水滴及甘油液滴的高度。 ②将表面干净、平滑的聚酯涤纶膜，剪成与玻璃板同样大小，将它紧密地平贴在玻璃板上。按上述方法将水及甘油滴到膜的表面上，用测高仪测定液滴的最大高度。每种液体测3-5次，取平均值。 表面活性剂水溶液在聚乙烯表面上铺展系数的测定 ①用容量瓶配制6种不同浓度的十二烷基硫酸钠或溴化十六烷基三甲铵水溶液各10ml，溶液的浓度范围约在。 ②将干净平滑的聚乙烯膜剪成约5的大小，紧密平贴到玻璃板上。然后将表面调到水平按1中①的方法将不同浓度的表面活性剂溶液滴加到聚乙烯膜的表面上，测定在不同浓度时液滴的最大高度。 实验注意事项 ①实验证明，通常在表面上液滴体积约1ml时液滴的高度即基本不变，因此液体的加量只要1ml多即可。 ②待测的固体表面要尽可能地干净、均匀、平滑，切忌用手直接触摸。 ③将液体滴加到固体表面上时一定要平稳、均匀。 ④对于粘度较大的液体（如照相乳剂、高分子溶液等）测定它们在表面上的铺展系数时，由于达到平衡较慢、应注意平衡时间。 结果处理 查出所用各种液体的密度（参见附录5），根据测出的液滴最大高度，按公式计算水和甘油在石蜡、聚酯膜表面上的铺展系数。 依同法计算不同浓度表面活性剂溶液在聚乙烯膜表面上的铺展系数，并讨论表面活性剂及其浓度对铺展系数的影响。表面活性剂溶液密度以纯水的数值计。 列表表示实验数据和处理结果。