表面活性剂对溶液表面张力影响的实验研究.doc

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1、青岛科技大学本科毕业设计（论文）目 录1 绪论11.1选题依据及背景11.2 泡沫研究的进展41.3 泡沫的应用61.3.1 泡沫在日化食品中的应用61.3.2 泡沫灭火61.3.3 泡沫在油田中的应用71.3.4 泡沫分离82 表面张力理论基础122.1 表面张力的定义和产生机理122.2 表面张力的性质152.3表面张力的单位和方向152.4临界胶束浓度152.5表面张力的测定方法173 实验数据记录及分析283.1 表面张力的测定实验283. 实验数据记录及分析303.2.1 实验数据的记录303.2.2 数据分析394 论文总结与展望424.1 论文总结424.2 展望431 绪论1.

2、1选题依据及背景液态泡沫是大量气泡在微量表面活性剂溶液中密集堆积形成的、高度自组织得非平衡系统，平时我们用洗洁精刷洗盘子时，或从微小开口喷嘴向溶液中吹入气体，都能形成泡沫。泡沫表面杂乱无章，内部却具有规则的结构，同时它具有许多难以理解得奇特性质。几乎完全有气体组成，既可以像固体一样发生弹性形变，又能像液体一样流动，这都是泡沫物理学1研究的内容之一。由纯净清澈的表而活性剂液体形成的泡沫从远处看呈亮白色，在近处细致观察，我们会发现紧密堆积的气泡以及内部规则结构2，如图1-1所小示泡沫的结构通常用湿和干来表示，在这里湿或干指的是泡沫内液体含量，通常采用体积分率表示。泡沫的形成过程及液体分率的分布见图

3、1-1，接近于液面的气泡间相互之间空隙很大，疏松地分布在液体中，不属于泡沫物理的研究范围。再稍往上的泡沫由于受重力作用，液体流失到了下面，因此变得比较干燥， 1% 气泡之间相互连接并发生了变形，成为多面体，这种形态叫干泡沫。图1-1 泡沫的两种基本形态Fig.1-1 Two basic structure of foam泡沫物理是一门古老的学科，早在19世纪中下叶，气泡和泡沫结构静力学的描述已经完美，在这过程中比利时科学家柏拉图（Plateau）做出了突出的贡献，他首先确定了泡沫结构平衡法则。首先四个气泡形成一组相互作用的基本单元，相交于一个交汇点每3个气泡围成一个凹三角形柏拉图通，四个气泡共

4、形成4个柏拉图通道。其曲率半径由液体体积分数、表面张力以及界面力协调决定。每两个气泡间形成一个液膜，4个气泡共形成6个液膜。液膜厚度一般为10 -1m，是气泡间的最小分离距离。液膜间以及柏拉图通道间的夹角分别为arcos (-1 /2) =120和arcos(- 1 /3)109.47，图1-2右侧泡沫照片中的亮白色线就是柏拉图通道。图1-2液态泡沫及其基本结构Fig.1-2 Liquid foam and its basic structure泡沫中的液体分布在液膜、柏拉图通道和交汇点上，当液体体积分数大约为36% 时，气泡为球形气泡间的接触缩为一个点，此时液膜消失，仅剩柏拉图通道和交汇点，

5、泡沫的力学特性发生突变，这在泡沫物理学的研究中很重要，当体积分数大于36% 时泡沫系统演变为鼓泡流或者气液两相流，不再属于泡沫物理的研究范畴。到了1990年前后，随着科学技术得发展，以及受材料科学和工业生产的需求，泡沫物理研究再次活跃起来。比如航空航天材料需要轻质、高强度得泡沫材料，而泡沫材料内部结构均匀时最关键的，不管是化工过程中消除泡沫还是泡沫灭火剂中保留泡沫，对泡沫稳定性得控制是关键，这些都促进了泡沫动力学的研究。含水泡沫在消防上的应用3是早期研究管道泡沫流动的动机。然而，开展管道和多孔介质中泡沫流动研究的最大动力却来自于石油4天然气5工业技术。随着全球范围的能源危机，原油价格飞涨，石油

6、作为现代社会中最重要的能源物质，如何努力提高油井的产量成为各国研究的热门科研课题。由于泡沫具有很高的粘度，这对钻井和清洗等操作中输送颗粒物十分有利。在泡沫压裂技术6中，需要向油井地质岩层水力压裂缝中注入颗粒（最典型的是砂粒），以此来防止裂缝的闭合。实验研究发现当岩层的渗透率增加时，多孔介质7中泡沫得迁移率下降，这表明可以用泡沫来堵塞或者改变压裂剂的流向，从而在一定程度上控制油藏流体8的通路。此外，泡沫还可以作为管道运输煤粉的介质，它也是纸张涂层、织物整饰工艺中一种富有吸引力的媒质， 可以用来散播颜料和其他表面处理剂，液体泡沫常是加工合成多胞固体得中间阶段。由于泡沫结构会影响这些材料得性能，以此

7、推动了人们去了解流动对元泡9形态的形成和对大分子及微观相的取向所起的作用。这些都极大地推动了人们对泡沫流变特性的研究。液态泡沫有独特流变特性，在常规重力或较小外力下，不足以使得液态泡沫流动，此时液态泡沫就像固体，具有一定的弹性，泡沫的剪切模量来自液膜表面张力，与气泡大小和液体体积分数有关，一般在l0 Pa的量级，相比之下钢的剪切模量为8 10Pa。当形变较大时，部分气泡间发生拓扑变化，当应力逐渐消去时，这种拓扑变化不会复原，泡沫发生塑性变形。如果应力继续增大并超过屈服应力值时，泡沫内发生大量拓扑变化，泡沫开始流动10。从实验上对泡沫进行系统的测量，是非常困难的，且非常难解决。这大多是由两种情况

8、造成的：一类是由于泡沫这种有自身独特结构得流体的物理本质导致的，另一类是由于流变方面得复杂程度造成的。泡沫有一个非常显著的物理特性，即通过减少自身的表面积使其自由能达到最小得固有趋势。这有利于泡沫尺寸随时间而增大。表面活性不足，以及有关得物理化学机理所引起得薄膜不稳定，都会导致泡膜的破裂，并最终造成气泡的合并。由于重力使液体通过泡沫排除，这可能引起泡沫结在时间与空间上的变化，这些变化在宏观尺度已经观测到了，由于液体薄膜得平均曲率为有限值，所以在他们两侧存在着压力差。这样就提供了一种驱动力使气体在元泡之间扩散。这在多分散的泡沫中尤其容易发生，这种扩散也会引起气泡尺寸11随时间而增大。图1-3 柏

9、拉图边界发生集合拓扑变化Fig.1-3 T1 change of Plateau boundary泡沫动力学12的研究主要涉及渗流(foam drainage)、粗化(bubb1e coarsening)、液膜破裂(film rupture)和流变性能等方而，每个方而都很艰难。液态泡沫是一个非平衡系统，表现为它的结构随着时间发生演化，一般涉及三个机制：（1）重力作用下气泡间的液体渗出，使得气泡与液体分离，称为泡沫渗流；( 2 ) 气泡间液膜的破裂造成相邻气泡合并，称为液膜破裂13；（3）分子通过液膜从内部高压强的小气泡中向相邻低压强的大气泡扩散所造成的气泡合并，称为气泡粗化。在以上三个非平衡机

10、制中，气体扩散过程比较缓慢，液膜破裂可以采用合适的表而活性剂予以消除，重力驱使的泡沫渗流则不可避免，直接影响泡沫稳定性，因而泡沫渗流的调控具有明确的应用价值和理论意义。这三个机制又相互关联：当渗流发生时，液膜内微量液体的流动会影响气泡间的气体扩散；同时液膜破裂和气体扩散过程导致气泡平均直径增加，又会加快微量液体渗流。这三种机制相互关联，使得液态泡沫呈现出随时间不断变化的非平衡特性。目前，人们对于这些影响泡沫稳定性的机制没有完全了解。1.2 泡沫研究的进展大多数学者采用毛细管粘度计、旋转粘度计、振动式粘度计或中等规模的模拟试验等手段研究泡沫的流变性能。由于泡沫中泡沫液和具有可压缩的气体的两相流体

11、的存在，因此，影响泡沫流变性能的因素有很多，温度、压力、剪切速率、泡沫稳定时间、泡沫质量、泡沫结构(尺寸大小及分布)、表面活性剂类型及浓度等诸多因素都对泡沫的流变性能有不同程度的影响。1934年，Sibree通过对含水泡沫粘度的研究发现，泡沫的表观粘度比其泡沫液或气体任一组分的表观粘度都高，而且随剪切速率的增加而增加，当剪切速率超过某一临界值后，表观粘度几乎维持不变。在剪切应力低于临界剪切应力时，泡沫表现为牛顿流体流动状态，高于临界值时，泡沫变成似塞流(Plug-like flow)。1985年，P. C.Harris通过对泡沫压裂液的实验研究，得出了以下结论：泡沫是一种与剪切过程有关的流体，

12、在一定的剪切速率下，气泡尺寸和分布将处十一种稳定状态，但这种稳定状态的维持取决于剪切作用时间；泡沫粘度主要由泡沫质量和泡沫液性能决定，泡沫结构对泡沫粘度的影响较小；剪切速率越高，产生的泡沫结构越细；表面活性剂浓度越高，产生的泡沫结构越细；压力越高，产生的泡沫结构越细。在低压下测得的泡沫粘度并不能真实地代表现场高压下的泡沫粘度；液相化学剂类型也要影响泡沫结构。1993年中国地质大学(武汉)的姚爱国、戍信14利用自己研制的泡沫流变仪对泡沫进行试验，提出泡沫属于非牛顿流体，其流变特性随发泡剂含量。气液比大小而变。实际发泡率也影响泡沫的流变特性。并总结出考虑泡沫的非牛顿特性后，泡沫圆管流动压力降得计算

13、方法为：若泡为宾汉流体，则有 (1-1) (1-2)若泡沫为幂率流体，则有 (1-3)式中：L为管长；R为管的半径；V为平均流速；K为幂率流体得粘稠系数；n幂率流体得流变指数；0为宾汉流体的屈服应力；P为沿程压降；p为宾汉流体得塑性粘度。1990年，华东化工学院流变室江体乾、褚家瑛等学者与北京石油勘探开发科学研究院钻井所联合研究了泡沫液体的流变性。他们以钻井所提供的发泡剂和CMC， PAM混合而成泡沫液，发泡后，采用毛细管装置、旋转粘度计，在常温常压下测定了泡沫的流变特性，实验研究得出了如下结论：相对粗糙螺纹管而言，泡沫在光滑管内存在明显的滑移现象，这种滑移取绝于管壁粗糙度，而且滑移速度随着管

14、壁处剪切应力的增加而增加；由于泡沫流动时，气泡界面变形，引起粘滞阻力的增加；同时，由于泡沫流动使表面活性剂在气泡的后端逐渐积累，表面张力的梯度也引起粘滞阻力的增加，所以泡沫的表观粘度比组成泡沫的气相粘度和液相粘度都要大得多。泡沫的表观粘度值大约为0.020.3Pas，而且表观粘度与剪切速率有关，具有剪切稀化的特性，表观粘度随剪切速率的增加而下降。泡沫表观粘度与泡沫持液量有关，表观粘度随着泡沫质量的增加而增加，但当泡沫质量超过0.95时，表观粘度骤然下降，这是由于泡沫质量在01.52时，泡沫中的气泡呈球形，互相不接触，表观粘度增加不明显。泡沫质量在0.520.74时，泡沫中的气泡呈多面体，气泡互

15、不干扰，泡沫粘度增加。泡沫质量在0.74以上时，气泡紧密排列。但当泡沫质量超过0.96后，泡沫变成雾，粘度下降至气体的粘度。在国内，泡沫物理的研究寥若晨星，只有少数文献报道了关于泡沫材料制备工艺控制和多孔介质渗流15等的工业应用研究，报道研究的角度多为在泡沫材料及多孔介质内流动的物质本身的物理化学性质以及环境宏观性质(如温度、压力等)对渗流的影响，对材料结构的基础理论研究报道并不多。泡沫流变特性和渗流的研究是目前和今后很长一段时间内的研究热点。利用多尺度方法，在整个泡沫对应的宏观尺度检测液体渗流，验证和改进现有的理论；在多气泡的介观尺度(因为泡沫中的拓扑变化主要发生在局部)观测泡沫中微流动引起

16、的气泡协调变形甚至拓扑变化；在单气泡微观尺度分析渗流时柏拉图通道和交汇点的位移，以及探索非常规重力环境下的泡沫体系的结构和力学特性演变等方而，加强泡沫渗流机理的理论和实验研究将是我们追赶国际水平的一个很好的切入点。1.3 泡沫的应用液态泡沫广泛应用在洗涤剂化妆品、食品(如面包)、灭火、石油开采以及物理和化学的分离技术中；在一些涉及液体混合和多组分液体的搅动过程中，泡沫的存在还会影响工业过程效率和速度。泡沫在实际中的应用主要有以下几种：1.3.1 泡沫在日化食品中的应用在我们的日常生活中，无论是洗发香波、牙膏、洗面奶、沐浴露等日化用品，还是啤酒、咖啡、冰激凌等食品饮料都有泡沫的身影，泡沫的存在提

17、高了产品的品质，增添了产品的口感、肤感和美感。1.3.2 泡沫灭火用水灭火，不仅吸热面积小，吸热时间短，而且大量的水会迅速流掉，特别是与喷水方向垂直面和斜面不易得到大量的水，而会使燃烧继续进行，影响灭火，同时流掉的大量水还会给处理火灾现场造成麻烦。泡沫的存在，可产生覆盖层效应，这种覆盖层可减少可燃气体的产生，有助于隔绝氧气，可冷却燃料表面。泡沫具有一定的析水时间，这可使更多的水长时间的附着在燃烧物表面有效发挥水的咸力，泡沫还能将可燃物与空气电离，抑制可燃蒸汽的挥发，还能消除风、热和火焰对燃烧物的影响。1.3.3 泡沫在油田中的应用泡沫流体应用于油田开发在国内外已有40多年的历史，泡沫在驱油、含

18、水气井的排水采气、冲砂洗井、钻井、调剖、堵水、酸化、水泥固井及压裂等油气田开发中的诸多方面得了长足的发展，并取得了肯定的效果。大量实践农明，泡沫流体是保护油层、防止油层污染、提高油气产量的重要手段。泡沫驱油：由于泡沫在多孔介质中流动时首先进入流动阻力较小的高渗透率的大孔道，且泡沫在流动过程中具有较高的表观粘度，所以，随着泡沫注入量得增加，流动阻力越来越大，当流动阻力达到一定值时，泡沫便越来越多得的进入低渗透率的小孔隙。小孔隙中含油饱和度高，泡沫在此处的粘度低且稳定性较差，这也是泡沫进入小孔隙的一个因素。两种因素的共同作用导致泡沫在高、低渗透层内均匀推进，这就是所谓的封堵调刨。另外，泡沫剂本身也

19、是表面活性剂，因为它可以降低油水界面张力，改变岩石的润湿性，降低原油对岩石的吸附能力，因而泡沫驱油能力大幅度提高。含水气井泡沫排水采气：该工艺的原理是以天然气和地层水分别作气相和液相，从地面向井底加入起泡剂，使三者在井底充分混合形成泡沫。泡沫能减少液体的滑脱，提高气液携水能力，从而降低井底回压增加气产量。该工艺具有投资少、成本低、见效快、实施容易和不影响气井正常生产等优点。泡沫调剖堵水：该技术依靠稳定的泡沫流体在水层中产生的贾敏效应，选择性的封堵高渗透率通道，能降低高深透区的载流量而不破坏低渗区，封堵水流而不封堵油流，减缓主要水流方向的水线推进速度和吸水量，扩大注入水的波及面积，提高注入水的驱

20、油效率。泡沫酸酸化：泡沫酸酸化是用表面活性剂作为起泡剂，在酸液中充气泡，减少酸与岩石的接触面积，从而达到缓速酸化，增加酸化深度，提高酸化效果的目的。同时，泡沫酸视粘度高，携砂力强，可用于酸化压裂，酸压后容易返排。泡沫水泥固井：该技术主要用于低压、漏失层的固井，减少井底静液柱压力，有助于防止漏失及提升水泥到指定的高度，起到保护油层的作用。另外，泡沫水泥导热系数比普通水泥低，具有良好的隔热、保温功能，可用于稠油和高凝油开采的井筒隔热、保温。1.3.4 泡沫分离利用不同物质在泡沫表面不同的表面吸附能力进行物质的分离提纯称为泡沫分离。物质纯化：不同的物质具有不同的表面吸附能力，应用泡沫可以分离混合物。

21、例如泡沫分离法提纯十二烷基硫酸钠，由于十二醇具有在表面竞争吸附的特性，与十二烷基硫酸钠形成的混合膜将表面张力降低到更低的水平，在浓度达到临界胶束浓度后，表面上的十二醇进入胶束，体系的表面张力才恢复到正常水平，表面张力浓度曲线有最低点。而泡沫分离法可以成功的脱除在表面竞争吸附能力强的十二醇，使十二烷基硫酸钠得到纯化。泡沫浮选：不同固体的表面亲疏水性往往不一样，在水中，疏水性大的固体粒子表面易于吸附空气泡，在气泡浮力的作用下上浮，因而与其它亲水性固体粒子分离。这一原理应用于工业生产中被称为泡沫浮选。泡沫浮选最古老、最广泛的应用领域是矿物浮选。在浮选前，首先将矿石粉碎至一定大小，以利于随气泡漂浮，然

22、后加水制成矿浆，再加入浮选剂，搅拌或通入空气，形成泡沫进行浮选。大多数天然矿物的表面是亲水的，易为水所润湿。因而，必须加入表面活性剂作为捕收剂和起泡剂。有时还加入表面活性剂作为调节剂，对捕收剂起促进或抑制作用，以达到对混合矿物作选择性浮选的目的。泡沫浮选的另一个重要应用是用于敏感性物质的提取和分离，如蛋白质、细胞或其它生物及发酵产品的提取。泡沫浮选在海水脱盐、能源工程方面也有广阔的应用前景，如脱除海水中的乳化石油，海水淡化后表面活性剂的回收，还可用于从液化煤中脱除40%的残余固体，从焦砂中分油等。离子浮选：离子浮选与一般的泡沫浮选不同之处在于，前者没有固体表面润湿的问题，尽管两者皆为利用泡沫分

23、离混合物，在离子浮选中，起泡剂为离子型表面活性剂。表面活性剂离子在气液界面上吸附，形成定向离子层，此离子层对反离子有电性引力，不同的反离子吸引力亦不同，利用这种性质可以把溶液中的某些物质(离子性的)随所形成的泡沫分离出来。泡沫因其独特的物理化学性质，在日化、食品、油田开采、矿物浮选等领域被广泛利用，已引起很多学者对其进行深入的了解，考察泡沫的性质和功能。但是目前泡沫性能的各种评价方法多为自主开发，很少有统一的标准，定量测定结果可比性差，因此有待开发操作更加简便、标准化程度更高的综合评价技术，建立起泡沫性质的评价体系，研究其他因素对泡沫性能的影响，分析其微观机制，探索泡沫表观性质、微观机制和实际

24、应用三者之间的内在联系，为实际应用提供理论支持。进入高耗能得工业化时代之后，人们对能源的需求越来越大。石油是不可再生的资源，进一步提高已开发油田的采收率非常重要。目前中国已取代日本成为全球第二大石油消耗国（仅次于美国），预估10年内中国的石油需求将从目前的每日600万桶膨胀近一倍至1150万桶。十年前中国进口石油占整体石油需求的比例才6%，现在已经提高到三分之一，到2020年预期将有60%的石油都必须来自进口。汽车工业将是汽柴油消费最主要的生意推动力。乙烯工业的发展将使化工用油进一步上升，中国需要进口更多的石脑油。今后20年，国内原油产量将继续呈上升趋势，预计2010年和2020年产量将分别达

25、到1.7亿吨和1.8亿吨左右。这主要是由于新技术的应用提高了石油产量。泡沫驱油作为一项重要的三次次采油技术，在降低气油比，增加原油产量，提高清扫效率等诸多力而具有很大的发展潜力。泡沫流体应用于油田开发在国内外已有40多年的历史，泡沫在驱油、含水气井的排水采气、冲砂洗井、钻井、调剖、堵水、酸化、水泥固井及压裂等油气田开发中的诸多力而获得了长足的发展，并取得了肯定的效果大量实践农明，泡沫流体是保护油层、防庄油层污染、提高油气产量的重要手段。目前，我国东部油田已经进入高含水期，三次采油（如聚合物驱油、三元复合驱、泡沫驱油）工艺已得到了较普遍的应用，该领域对泡沫、聚合物水溶液（如聚丙烯酰胺水溶液）的研

26、究也显得日益活跃。大庆油田我国目前最大的油田，于1960年投入开发建设，由萨尔图、杏树岗、喇嘛甸、朝阳沟等48个规模不等的油气田组成，面积约6000平方公里。勘探范围主要包括东北和西北两大探区，共计14个盆地，登记探矿权面积23万平方公里。油田自1960年投入开发建设，累计探明石油地质储量56.7亿吨，累计生产原油18.21亿吨，占同期全国陆上石油总产量的47%；探明天然气地质储量548.2亿立方米，上缴各种资金并承担原油价差1万多亿元，特别是实现年产原油5000万吨连续27年高产稳产，创造了世界油田开发史上的奇迹。从历史上看，一般油田的开采高峰只能维持三五年，以后产量就会递减。但凭什么大庆油

27、田的产量长期保持在5000万吨的水平线上，大庆油田自上个世纪70年代就开始研究和实践，目前聚合物驱油技术已经在大庆等油田开始成功应用，大庆的科技工作者还在世界首创出一种更大幅度提高原油采收率的方法泡沫复合驱油技术16。这项技术使得大庆油田地质储量由原来的26亿吨增加到48亿吨，相当于又找到了一个大庆油田。工程师曾在胜利孤岛油田17做过一个泡沫驱油试验，选取中二区中部聚合物驱单元28- 8井作为泡沫驱试验井(注入井)。该井注入3个小层，受效油井共12口，于2002年1月开始转入聚合物驱，距离28- 8井最近的油井产出液于2002年9月监测到聚合物，2002年9月、10月该油井产出液中监测到的聚合

28、物浓度分别为890mg/ L ,1100mg/ L。另外两口油井的产出液于2003年也监测到聚合物，产出中出现聚合物后油井产油量下降，综合含水率上升至94%，2003年4月24日开始注入聚合物和泡沫剂的前置段塞;同年5月4日开始注氮气，由于气液混注压力较高，而泵压较低，注不进水，改为气液交替注入。至2004年3月25日试验结束，累计注入氮气114. 2万立方米(标准状态)，聚合物干粉57. 4t,泡沫剂274. 3t。生产井综合含水率明显降低，日产油量由100t 增加到140 t。生产井在泡沫复合驱后3月开始见效，日产油量由试验前的75. It增加到151. 8t，综合含水率由试验前的93.

29、9%下降到88. 1% ,累计增产原油1. 1万吨。应当指山，泡沫是相当复杂的体系，日前国内外泡沫驱油的研究仍基本处在理论研究阶段，现场应用还正在进行摸索，距大规模的实际应用还有一定的距离。另外，随着温室气体导致的全球变暖问题愈来愈严重，有人提出将二氧化碳注入地下封存起来，以减少全球的二氧化碳含量，而泡沫作为一种性能优良的输运介质，已经走入了越来越多的科学家的视线。在开采的油气层和废弃的油气层是地下储藏二氧化碳的最有利场所。在储层压力不是过大且不存在井周泄露和储层裂缝的条件下，不会形成通向地表或邻近地层的通道，这些储层能容纳二氧化碳。另外，通过二氧化碳强化油气的开采，对储层的参数，如容量和地质

30、状况等比较了解，利用现有的油气技术，可减少这种储藏方式所需要的勘探费用。通过强化采油，可以多开采出5% 20%的油。国外的许多采油机构都采用强化采油，借此将大量的二氧化碳注入地下。从储藏角度看，强化采油技术代表了一种储藏二氧化碳的方法18。预计在强化采油中，全世界共有121011 t的氧化碳储藏能力。图1-4 二氧化碳强化采油过程示意图Fig.1-4 Process of enhanced oil recovery这样在减少了温室气体的含量的同时，获得了巨大的经济效益，具有巨大的应用潜力。而泡沫就是实现这一过程的优良媒介。由上述可见加强对泡沫的研究，拥有很高的价值。本课题旨在研究表面活性剂对溶

31、液表面张力的影响，加深对泡沫液流变特性的理解。 2 表面张力理论基础2.1表面张力的定义及产生机理 液体表面好像一张绷紧的橡皮膜一样，具有尽量缩小其表面的趋势，我们把这种沿着表面的，使液面收缩的力称为表面张力。它产生的原因是 液体跟气体接触的表面存在一个薄层,叫做表面层,表面层里的分子比液体内部稀疏,分子间的距离比液体内部大一些,分子间的相互作用表现为引力。就象你要把弹簧拉开些，弹簧反而表现具有收缩的趋势。正是因为这种张力的存在，有些小昆虫才能无拘无束地在水面上行走自如，曲别针虽然密度比水大却还能漂浮在水面上。利用它能说明液态物质所特有的许多现象，如泡沫的形成、毛细现象、浸润现象等22。在工业

32、技术上，浮选技术、液体输送技术等方面都要研究液体的表面张力。 图2-1 曲别针漂浮在水面上 Fig.2-1 Clip floating in the water2.2表面张力的性质表面张力是分子力的一种表现。它发生在液体和气体接触时的边界部分。是由于表面层的液体分子处于特殊情况决定的。液体内部的分子和分子间几乎是紧挨着的，分子间经常保持平衡距离，稍远一些就相吸，稍近一些就相斥，这就决定了液体分子不像气体分子那样可以无限扩散，而只能在平衡位置附近振动和旋转10。在液体表面附近的分子由于只显著受到液体内侧分子的作用，受力不均，使速度较大的分子很容易冲出液面，成为蒸汽，结果在液体表面层(跟气体接触的

33、液体薄层)的分子分布比内部分子分布来得稀疏。相对于液体内部分子的分布来说，它们处在特殊的情况中。表面层分子间的斥力随它们彼此间的距离增大而减小，在这个特殊层中分子间的引力作用占优势。因此，如果在液体表面上任意划一条分界线MN把液面分成a、b两部分，如图所示。F表示a部分表面层中的分子对b部分的吸引力，F6表示右部分表面层中的分子对a部分的吸引力11，这两部分的力一定大小相等、方向相反。这种表面层中任何两部分间的相互牵引力，促使了液体表面层具有收缩的趋势，由于表面张力的作用，液体表面总是趋向于尽可能缩小，因此空气中的小液滴往往呈圆球形状2.3表面张力的方向和单位表面张力的方向和液面相切，并和两部

34、分的分界线垂直，如果液面是平面，表面张力就在这个平面上。 如果液面是曲面，表面张力就在这个曲面的切面上。表面张力F的大小跟分界线MN的长度成正比。可写成F=L或=F/L。比值叫做表面张力系数，它的单位常用dyncm。在数值上表面张力系数就等于液体表面相邻两部分间单位长度的相互牵引力。液膜表面张力系数=液膜的表面能/液膜面积=F表面张力/(2*所取线段长）。表面张力系数与液体性质有关，与液面大小无关。2.4 临界胶束浓度表面活性剂对溶液表面张力的影响涉及到一个很重要的概念临界胶束浓度。表面活性剂在界面富集吸附一般的单分子层，当表面吸附达到饱和时，表面活性剂分子不能在表面继续富集，而憎水基的疏水作

35、用仍竭力促使基分子逃离水环境，于是表面活性剂分子则在浓液内部自聚，即疏水基*在一起形成内核，亲水基朝外与水接触，形成最简单的胶团。而开始形成胶团时的表面活性剂的浓度称之为临界胶束浓度，简称cmc。 当溶液达到临界胶束浓度时，溶液的表面张力降至最低值 ，此时再提高表面活性剂浓度，溶液表面张力不再降低而是大量形成胶团，此时溶液的表面张力就是该表面活性剂能达到的最小表面张力，用cmc表示。表面活性剂的表面活性源于其分子的两亲结构，亲水基团使分子有进入水的趋向，而憎水基团则竭力阻止其在水中溶解而从水的内部向外迁移，有逃逸水相的倾向，而这两倾向平衡的结果使表面活性剂在水表的富集，亲水基伸向水中，憎水基伸

36、向空气，其结果是水表面好像被一层非极性的碳氢链所覆盖，从而导致水的表面张力下降。2.4表面张力的测定方法液体表面张力的测定方法分静力学法和动力学法。静力学法有拉脱法、毛细管上升法、du Noy 环法、Wilhelmy 盘法、旋滴法、悬滴法、滴体积法、最大气泡压力法; 动力学法有震荡射流法、毛细管波法。其中毛细管上升法和最大气泡压力法不能用来测液- 液界面张力。Wilhelmy 盘法, 最大气泡压力法, 震荡射流法, 毛细管波法可以用来测定动态表面张力。由于动力学法本身较复杂, 测试精度不高, 而先前的数据采集与处理手段都不够先进, 致使此类测定方法成功应用的实例很少。因此, 迄今为止, 实际生

37、产中多采用静力学测定方法。我们实验室采用拉脱法测定表面张力，主要实验装置为焦利氏秤13。如图2-2所示： 图2-2 焦利氏秤 Fig.2-2 Jolly Balance标尺 2-游标 3-立柱 4-外立柱旋钮 5-平台调节旋钮6-液体杯 7-张力环 8-弹簧 9-玻璃管 10-带镜挂钩3 表面张力的测定实验及数据处理和分析3.1表面张力的测定实验 液体表面好像一张绷紧的橡皮膜一样，具有尽量缩小其表面的趋势，我们把这种沿着表面的，使液面收缩的力称为表面张力。利用它能说明液态物质所特有的许多现象，如泡沫的形成、毛细现象、浸润现象等。在工业技术上，浮选技术、液体输送技术等方面都要研究液体的表面张力。

38、测定液体表面张力的常用方法有：拉脱法、毛细管法和液滴测重法等。测 定液体表面力的常用方法有：拉脱法、毛细管法和液滴测重法等。本实验所介绍的拉脱法是一种直接测定方法。实验仪器：焦利氏秤、砝码、烧杯。实验原理：是液体分子之间存在作用力，成为分子力。液体表面层（厚度等于分子的作用半径）内的分子所处环境和液体内部分子不同，液体内部每个分子四周都被同类的其它分子所包围，它所受到的周围分子的合力为零。但处于液体表面层的分子，由于液面上方为气相，分子数很少，因而表面层内每个分子受到向上的引力比向下的引力小，合力不会为零，即液体表面处于张力状态。表面分子有从液面挤入液体内部的倾向，使液面自然收缩，直到处于动态

39、平衡，即在同一时间内脱离液面挤入液体内部的分子和因热运动而到达液面的分子数相等为止。因而，在没有外力作用是液滴呈球形，即使其表面积缩到最小。表面张力类似于固体内部的拉伸应力，只不过这种应力存在于极薄的表面层内，而且不是由于弹性形变所引起的，是液体表面层内分子力作用的结果。设想在液面上作一长为L的线段，则张力的作用是线段两边液面以一定的拉力f相互作用，且力的方向恒垂直于线段，大小与线段的长度L成正比，即 f=L （3-1）其中，比例系数称为表面张力系数，定义为作用在单位长度上的表面张力，单位为Nm。实验证明，表面张力系数的大小与液体的种类、纯度、温度和它上方的气体成分有关，温度越高，液体中所含杂

40、质越多，则表面张力系数越小。 用拉脱法实验是将一弯成形的金属丝浸入液体中，然后将其慢慢地拉出水面，此时在金属丝附近的液面会产生一个沿着液面的切线方向的表面张力f，由于表面张力的作用，金属丝四周将带起一个水膜，水膜呈弯曲形状。液体表面的切线与金属丝表面的切线之间的夹角设为称为接触角。当将金属丝缓缓的拉出水面时，表面张力f的方向将随着液面方向的变化而变化，接触角逐渐减小而趋于零，因此f的方向垂直向下。在夜魔将要破裂前，诸力的平衡条件为 F=mg+f （3-2）其中，F为将金属丝拉出液面时所加的外力，mg为金属丝与它所沾附的液体的总重量。 金属丝与液面接触部分的周长为L=2（l+d）（3），其中，l

41、为金属丝的宽度，d为金属丝的直径，又因ld，故L2l。由（2）和（3）十可得表面张力系数=f2l。试验中由于表面张力很小，故使用焦利氏秤测量，金属丝宽度l可用游标卡尺测出。 装置介绍：焦利氏秤实际上是一个精细的弹簧秤，常用于测微小力，外形这样，一金属套管垂直竖立在三角底座上，调节底座上的螺丝，可使金属套管处于垂直状态。带米尺刻度的金属杆套在金属管内，旋转金属套管下部的升降钮，可使套管内的金属杆上升或者下降。金属管上附有游标和平台。一锥形弹簧挂于横梁上，下端挂一个两头带钩的小镜。小镜穿过固定在支杆上的玻璃管后挂一个秤盘。旋转旋钮，平台可上下移动，盛有水的烧杯，放置在平台上。玻璃管和小镜上都刻有一

42、水平线，测量时，秤盘中加上砝码后旋动，是杆上升，弹簧也随之上升，使镜中水平线与玻璃管上水平线及其在镜中的像对齐，用这种方法保证弹簧下端位置固定，而弹簧的伸长量L可由伸长前、后米尺与游标两次读数 之差确定。按照胡克定律，在弹性限度内，弹簧的伸长量 L与所加的外力F成正比，即F=KL，式中K为弹簧的弹性系数。对于一个特定的弹簧，K值是一定的，如果我们已知质量的砝码加在砝码盘中，测出相应的弹簧的伸长量，由上式即可计算出弹簧的K值。这一个步骤称为焦利氏秤的校准。焦利氏秤校准后，只要测出弹簧的伸长量，就可以算出作用于弹簧上的外力F。实验内容安装各个附件（先不要放烧杯及 形金属丝）。调节是金属套垂直。当小

43、镜沿着竖直方向上下振动时，不与玻璃管内壁发上摩擦。测定弹簧的弹性系数。用镊子依次夹取0.00012Kg砝码放入秤盘中，转动升降钮，使小镜与玻璃管水平线与像对齐，分别记下米尺与游标上读数L。，L1,L2,。在依次从秤盘上取走0.00012Kg的砝码，记下读数，将数据填入表格，分别计算出加重和减重时的读数平均值。用逐差法求出弹簧的弹性系数K值及误差。测定溶液的表面张力系数。步骤如下： 清洁形金属丝。用氢氧化钠溶液清洗形金属丝，然后在蒸馏水中洗净，并且用酒精仔细擦拭后放入干净的蒸发皿中待用。 观察液膜的形成与破裂过程。取下秤盘，用镊子将金属丝挂在小镜下端的钩子上，将盛水的烧杯放在平台上，调节升降钮，

44、将金属丝浸入水中，然后由液面下慢慢地拉起。直至脱出液面，仔细观察液膜的形成，液膜表面积的不断扩大及最后破裂等一系列过程。并注意掌握应如何操作才能使液膜被充分的拉伸而不过早破裂。取下形金属丝，用酒精擦洗，待干燥后挂于小钩上，旋转升降钮使三线对齐，记下此时读数，将数据填入表格。升起平台，直至形金属丝全部浸入水中。转动旋钮，是平台徐徐下降，由于形金属丝受表面张力的作用，小镜随之下沉，调节使三线对齐，再使平台逐渐下降，并同时调节升降钮以保持三线对齐，直至平台下降使小镜的水平线稳定在此位置上，只要平台再稍下降一点，形金属丝就脱出液面时为止。记下此时的读数，求出伸长量，将数据填入表格。重复步骤共测三次，求

45、出弹簧的平均伸长量，由式=f2l （3-3）求出溶液的表面张力系数值，并求出其标准误差，正确写出测量结果。换不同浓度的溶液，重复以上步骤，并记录实验数据。3.2 实验数据记录和分析3.2.1 实验数据记录如下表表2-1 弹簧弹性系数的第一次测定次数砝码质量(g)增重读数(cm)减重读数(cm)平均值(cm)逐差法测弹性系数N/m007.287.327.30.28186455610.248.348.258.29520.489.079.039.0530.729.889.899.88540.9610.7310.7310.7351.211.5511.5311.54 表2-2 弹性系数的第二次测定次数砝

46、码质量(g)增重读数(cm)减重读数(cm)平均值(cm)逐差法测弹性系数N/m0014.2814.8514.5650.32155857510.2414.9615.0615.0120.4815.815.9415.8730.7216.6416.5216.5840.9617.4817.2817.3851.218.2417.8718.05561.4418.8718.6718.7771.6819.5719.519.535 表2-3 表面张力的第一次测定金属丝宽5.496cm弹性系数0.28N/M弹性系数0.32N/M溶液种类溶液浓度g/L次数S。cmScmS-S。/cmS-S。的平均值/cm受到弹性力/0.01N表面张力系数/N/m受到弹性力/0.01N表面张力系数/N/mSDS3012.63.961.361.320.36960.03360.42240.0384322.563.871.3132.583.871.29SDS2010.832.281.45