【摘要】 分子的横截面积可以根据表面张力和吉布斯吸附来估计，这在研究水系统中的表面活性剂方面提供了特别有价值的信息。

表面张力是液体的一种重要的物理特性，由于它的有用应用，通常在化学入门课程中讨论。分子的横截面积可以根据表面张力和吉布斯吸附来估计，这在研究水系统中的表面活性剂方面提供了特别有价值的信息。气泡压力法用于表面张力的测量，因为它是一种快速的方法，需要一个简单的设备，是一个很好的实验，为大学生物理化学实验室。在实验室中测量表面张力的典型装置是Sugden的修饰装置，如图1所示。它主要由一个玻璃起泡器组成，主要包含两个毛细血管和一个样管，一个开管压力计和一个提供温和吸入的下降漏斗。然而，学生组装这个设备需要一些技巧，因为在任何一个实验中，毛细血管都必须在样品中延伸到完全相同的深度，并且必须垂直。另外，最大压力测量不准确。

 

最近，对这个经典的仪器进行了一些改装。为了方便最大压差的测量，采用了数字微压传感器。遗憾的是，由于差压传感器的零点漂移和毛细管浸泡造成的静液压力，仍然存在很大的测量误差，这两者都可能导致最大压差测量不准确。此外，气泡率也是影响最大压差的一个因素。Bai[1]等人介绍了一种改进的BMZL-01型表面张力测定仪。与传统仪器相比，该仪器提高了最大压差测量的精度，实现了静水压力校正。采用高度调节器来精确控制毛细管尖端与液体表面的接触，从而消除静水压力。通过加压和减压操作系统消除了零压漂移。采用气泡速率调节装置对气泡进行自动控制。为了验证BMZL-01型表面张力仪的准确性和重复性，分别测定了不同温度下蒸馏水和乙醇的表面张力。通过测定不同浓度乙醇溶液的表面张力和Gibbs吸附，估算了乙醇分子的截面积。

图1 Sugden对气泡压力法测定表面张力的修正。[1]

 

气泡压力法采用一根与液体表面相切的毛细管，其原理是，随着气体压力的增加，在毛细管尖端生长的气泡是稳定的，直到气泡变成半球形。此时气泡与毛细管直径相同，毛细管与大气压力的最大压差符合拉普拉斯方程ΔPmax = 2σ/R，其中ΔPmax为可测最大压差，σ为表面张力，R为毛细管半径。

图2. BMZL-01型表面张力测试仪照片及示意图。[1]

 

BMZL-01型表面张力仪在Sugden改造装置和自制装置的基础上进行改造，如图2所示。主要由玻璃起泡器、数字微压传感器、泡速调节装置和压力源组成。玻璃起泡器包括带分支的样管、毛细管、带垫圈的夹套金属管和高度调节器。该仪器可由本科生在实验室中轻松组装。毛细管通过带垫圈的夹套金属管固定在高度调节器上。金属管的末端作为加压口。当高度调节器旋转30°时，毛细管只能上升或下降0.1 mm。因此，该调节器可以精确地使毛细管尖端与液体表面接触，从而消除静水压力。样品管和金属管通过铁氟龙螺栓密封连接。分支管作为减压口。由加热棒加热的水浴由温度传感器控制，精度为±0.5°C。磁性搅拌器用于等温加热。数字微压传感器取代开管压力计，用于测量最大压差。

 

BMZL-01型表面张力仪是一种用于测量不同温度下液体表面张力和乙醇横截面积的改进仪器。所有测量值与文献数据一致。因此，改进后的装置具有良好的准确性和可靠性。

 

[1] Y. Bai, G. Li, L. Li, K. Wang, S. Li, H. Liu, Optimized and Refined Apparatus for Measuring Surface Tension with the Bubble-Pressure Method, Journal of Chemical Education, 98 (2021) 1052-1056.

 

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