純水在微結構的接觸角測量

㈠ 如何測量水滴角，水滴角測量儀器操作步驟詳細說明

水滴角測量的儀器挺多的，質量精度參差不齊還要看你的具體應用。以表界面第一品牌KRUSS舉例：復雜的接觸角如在頭發絲針尖引線框上測皮升級的滴定，可以用DSA30M或DSA100M；雙滴定一鍵測表面能有手持式MSA；滴定液體包括傳統液體針頭和微恆壓滴定（壓力滴定可避免超疏水材料普通針頭滴不下來或針頭對測試結果有擠壓的影響）；水接觸角還包括力學法，如K100SF可以測頭發絲等纖維的動態接觸角（前進角：液體鋪展時的角度）；最常見的傳統水滴角測量，是通過針頭擠出2~5ul的水滴，讓後用固體去屆或者下降放置，然後通過相機分析接觸角的大小。具體操作看你用的什麼儀器。純手打。

㈡ 某中學課外實驗小組成員在探究純冰、淡鹽冰、濃鹽冰的熔化特點活動中，他們先用純水、淡鹽水、濃鹽水製得

（1）用描點法畫出圖象，如下圖：

（2）表格中②的數據中，當淡鹽冰熔化後，溫度不變，版保持-3℃不變，但是表中第權20分鍾時的溫度為3℃，故此數據錯誤．
（3）從表中數據可以看出冰的溫度達到0℃後，繼續吸熱，但是溫度不變，因此冰是晶體；在第25分鍾時，①仍處在熔化過程中，處於固液共存狀態．
（4）從表中數據可以看出，純冰在前5分鍾內升高5℃，淡鹽冰在前5分鍾內升高6℃，濃鹽冰在前5分鍾內升高10℃，因此含鹽濃度越高的冰，熔化前升溫越快．純冰的熔點為0℃，淡鹽冰的熔點為-3℃，濃鹽冰的熔點為-5℃，因此含鹽濃度越高的冰，熔點越低．
生活中的實例：下雪後，往結冰的路面上撒鹽．
故答案為：（1）見上圖；（2）3；（3）晶體；固液共存；（4）快；低；在路面上撒鹽．

㈢ 如何測量液體表面張力

吊片法測量液體的表面張力
(補充講義)
由於液相和氣相的密度差異，液體的表面層中的分子,受到了一個指向液相內部並垂直於界
面的引力，使得液體表面就如張緊的彈性薄膜，在這張薄膜上存在著收縮張力,使液體表面
有收縮到最小的趨勢，水滴, 汞滴一般呈球形就是這個原因. 單位長度上的收縮張力稱為
表面張力. 溶液的表面張力與溫度、濃度、電解質、有機醇含量等多種因素有關。
液體的許多現象與表面張力有關, 例如:毛細現象、潤濕現象、泡沫的形成等。
測量液體表面張力的方法很多，如毛細管上升下降法、吊環法（參見教材p111,實驗8），
最大泡壓法、滴重法、懸滴法等，本實驗介紹Wilhelmy吊片法。

目的與要求
1.學習吊片法測量液體表面張力的原理和方法。
2.學習表面活性劑臨界膠束濃度的測量方法。
原理
1表面張力的測量
Wilhelmy吊片法又稱吊板法，如圖1所示，採用蓋玻片、雲母片、濾紙或鉑箔豎平板插入液
體，使其底邊與液面接觸，測定吊片脫離液體所需與表面張力相抗衡的最大拉力F，也可將
液面緩慢地上升至剛好與吊片接觸，由此可知：
（1）
其中，F為砝碼的重量，G為吊片的重量l－吊片的寬度，t－吊
片的厚度，θ為接觸角。由於接觸角θ難於測准，一般預先將吊片加工成粗糙表面，並處
理得非常潔凈，使吊片被液體濕潤， 接觸角θ→0，cosθ→1，如圖2所示，同時t和l相比
非常小，可忽略不計,則上式變為：
(2)
(3)
由式（3）算得的表面張力值可准確至0.1％。
吊片法直觀可靠，不需要校正因子，這與其它脫離法有所不同，還可以測量液－液界面張
力。目前這種方法應用較廣泛，所用的天平上一般都帶有自動記錄裝置，還可以和計算機
相連後，測量動表面張力。

2.表面活性劑
能顯著降低水的表面張力的物質稱為表面活性劑，它的分子一般是由親油基和親水基兩部
分組成。表面活性劑的數量不下幾千種，如按離子類型可分為離子型（陰離子、陽離子、
兩性）、非離子型（聚氧乙烯型、多元醇型等）、特殊類型（全氟烷、聚硅氧烷等）。表
面活性劑除了在日常生活中作為洗滌劑以外，在日用化工、食品、醫葯、石油開采、機械
運轉、城建工程、紡織等等中，都有它的特殊用途。
從圖3可以看到，少量的表面活性劑加到水中，就能使表面張力急劇下降，隨著濃度的
增大，表面張力又幾乎保持恆定。由於表面活性劑分子中親油基是憎水基，當濃度很小時
，表面活性劑很快的聚集在水面，當液體表面聚集足夠量的表面活性劑，並密集的定向排
列成單分子膜時，界面的性質發生了明顯的變化，對應圖中的轉折部分。如再提高濃度，
水溶液中的表面活性劑分子幾十、幾百地聚集在一起，排列成膠束。表面活性劑形成膠束
的最低濃度，即圖中轉折點

的濃度，又稱為臨界膠束濃度（Critical Micelle Concentration, 簡稱cmc），是衡量表
面活性劑的活性的一個非常重要的參量. 離子型的表面活性劑的cmc一般在10-4-10-2 mol
/L之間。在cmc附近，表面活性劑的許多性質都會發生顯著的變化，如圖4所示。在使用表
面活性劑時，濃度一般要比cmc稍大，否則其性能不能充分發揮，濃度過高是不必要的。c
mc的測定方法主要有電導法、表面張力法、染料法等。
儀器
高精度的電子天平（最小讀數為1mg），剪刀，精密濾紙，毫米尺，400mL燒杯，滴管，
去離子水，十二烷基苯磺酸鈉（C12H25-C6H4-SO3Na, 分子量M= 348.48, 直鏈烷烴cmc≈
1.2×10-3mol/L，支鏈烷烴cmc≈4.5×10-4 mol/L）。
實驗內容與步驟
1.測量純水的表面張力
(a)將干凈濾紙剪成邊長約2.0 cm的長方形小條，測量底邊長l後，固定在與天平相連的掛
鉤上，調整紙片，使下底邊保持在水平狀態（為什麼）；
(b)一定量的去離子水加入潔凈的燒杯內並置於伸降台上，調節升降台，待紙片為液體潤濕
後，將紙片脫離液面，記錄下此時天平的讀數m0（吊片的質量）並將天平置「0」；
(c)調節升降台，使液面緩緩上升，直至吊片底邊剛好和液面接觸，記錄下天平的讀數m1，
則天平的讀數增量ΔW1=m1• g；
(d)升高液面，使部分吊片浸入液面以下，然後調節升降台，使液面緩緩下降，直到吊片即
將脫離液面，記錄下此時的讀數m2，ΔW2=m2• g；
(e)重復操作步驟（c）、（d），共測量6次；
2.測量不同濃度下的表面活性劑的表面張力，求出臨界膠束濃度cmc
(a) 稱出潔凈燒杯重量m杯，然後加入約50 ml的去離子水，用天平稱出水和燒杯總量為

m水+杯, 則m水= m0-m杯, 取下燒杯後置天平為「0」（該步驟可在測量水的表面張力時預
先完成）；
(b) 用滴液管滴加1滴表面活性劑濃溶液(質量濃度C0≈4.18%)，測量濃度為C1的表面
活性劑溶液的天平增量m1』；
（c）逐漸增加表面活性劑的加入量, 記錄下不同濃度下Ci下的天平增量mi』 ，直到表面

張力基本上不再變化，記錄下總的滴加量n總；
(d) 為了計算表面活性劑的濃度，需要求出單滴溶液的質量m滴, 可以採用累積放大法。

稱出滴加量為n總時的總量m總，則 ，滴數為ni時的表面活性劑溶液濃度 。
數據處理與分析
1.求出純水的表面張力Υ,σΥ ,百分誤差E(室溫下純水的Υ=72.0 mN/m);
2.求出表面活性劑溶液的質量濃度C，表面張力Υ，作出Υ-C 特性曲線；
3.求出室溫下表面活性劑溶液的臨界膠束濃度cmc(mol/L)，設表面活性劑溶液密度為1.0×
103 kg/m3.
注意事項
1.天平是精密裝置，要輕拉輕放，切忌用力拉或吊掛重物；
2.實驗時應調節吊片底邊為水平狀態；
3.為了避免邊緣效應，吊片位置盡量取在容器的中央；
4.滴入表面活性劑濃溶液後，需要充分溶解後再測量張力。
預習思考題
1.吊片法是如何測量液體的表面張力的？需要測量哪些物理量？
2.吊片法測量表面張力有什麼特點？
3.表面活性劑水溶液的表面張力是如何隨濃度而變化的？
分析討論題
1.吊片用濾紙為材料，有什麼優點和不足？
2.分析純水的表面張力與室溫下公認值有誤差的可能原因。
參考資料
1.大學物理實驗，張兆奎等，--高等教育出版社，2004年1月
2.表面物理化學，程傳煊著，--科學技術文獻出版社，1995年9月
3.表面活性劑化學與應用/陳榮圻編，--紡織工業出版社，1990年6月

㈣ 純水在10度，20度的PH值，怎麼算

純水pH值的測量要想獲得一個比較滿意的結果，是一件比較困難的事情，特別是用常規的復合電極在實驗室敞放式的測量更是如此。表現情況往往是：響應緩慢，示值漂移，重復性差，准確度低等。
一、產生的原因：
1、由於純水中離子濃度非常低，而參比電極鹽橋溶液選中高濃度3mol/L的Kcl，相互之間的濃度差較大，與它在普通溶液中的情況差別很大。在純水會加大鹽橋溶液的滲透速度，促使鹽橋的損耗，從而加速了K+和CL-的濃度的降低。引起液接界電位的變化和不穩定，而Ag/AgCl參比電極本身的電位取決於CL-的濃度。CL-濃度發生了變化，其參比電極自身電位也會隨之變化。於是就使得示值漂移。特別是不能補充內參比液的復合電極更會如此。
2、為了保證復合電極的pH零電位，鹽橋必須採用高濃度的KCl，同時為了防止Ag/AgCl鍍層被高濃度的KCl溶解，在鹽橋中又必須添加粉末狀的AgCl，使鹽橋溶液被AgCl飽和。但是根據上述第1條所述，由於鹽橋溶液中KCl濃度的降低，又使原本溶解在其中的AgCl過飽和而沉澱，從而堵塞液接界。
3、純水很容易受到污染，在燒杯中敞開測量，很容易受到CO2吸收的影響，PH值會不停地往下降，有關國際標准規定測量必須在一個特殊的裝置中密閉中進行。但在一般實驗室中難於實行。
4、 PH值反映的是H+的活度，（H+）而不是H+的濃度[H+]，其關系為（H+）＝f×[H+]。F為H+的活度系數。它是由溶液中所有離子的總濃度決定而不只決定於被測離子的濃度。在理論純水中活度系數f等於1，但只要有其它離子存在，活度系數就要改變，PH值也就會改變。即PH值受溶液中總的離子濃度的影響，總離子濃度變化，PH值就要改變。
由於復合電極液接界很靠近PH敏感玻璃球泡，從液接界滲漏出的鹽橋溶液首先聚集在敏感球泡周圍，改變了其附近的總離子濃度，由上述原因可知，使用測量值只是敏感球泡附近的被改變了PH值，不能反映其真實的PH值。雖然採用攪拌或搖動燒杯的方法可以改變這種情況，但實踐證明，攪拌速度不同，測試的值也會不一樣，同時攪拌或搖動又會加速CO2的溶解，所以也不可取。
5、 由於玻璃電阻的內阻很高，內阻越高玻璃膜就越厚，其不對稱電位就會加大，電極的惰性也隨之加大，電動勢的產生就越於緩慢。同時，由於純水是一種無緩沖作用的液體，與標准緩沖溶液的性質完全不同，在標准緩沖溶液中表現良好的電極一下子移至無緩沖性的純水中，電極電位的建立時間無疑就會變得遲緩。
二、克服和改善方法：
綜上所述，純水PH值測試比較困難，主要是由於電極的結構性能和此次引起電極液接界電位的不穩定以及純水的無緩沖性能和空氣中CO2等因素的原因。為此，可採用以下方法來克服和改善。
1、 用一支適合作純水的PH電極應是首先考慮的。目前，國內一些廠家已開發出一些適於或專門作純水PH值測量的電極。
2、 使用分離電板，即單獨的PH玻璃電極和參比電極測量時，使參比電極盡可能遠離玻璃電極，以改善上面第4條中所分析的現象。
3、 加大被測純水的取樣量，並可能減小和空氣的接觸面，同時不要攪拌和搖動，以減少CO2的吸收。
4、 在被測水樣中加入中性鹽（如KCl）作為離子強度調節劑，改變溶液中的離子總強度，增加導電性，使測量快速穩定。此方法國家標准GB/T6P04.3—93中規定："測量水樣時為了減少液接電位的影響和快速達到穩定，每50ml水樣中加入一滴中性0.1moL/LKCL溶液。"雖然此方法改變了水樣中的離子強度，在一定程度上引起了其PH值得變化，但經實驗證明此變化在數值上只改變了0.01PH左右，是完全可以接受的。但採用這種方法時，一定要注意所加的KCl溶液不應含任何鹼性或酸性的雜質。因此，KCl試劑要採用高純度的，所配溶液的水質也要高純度的中性水質。

㈤ 疏水性的超疏水性

超疏水性物質，如荷葉，具有極難被水沾濕的表面，其水在其表面的接觸角超過150°，滑動角小於20°。 氣體環繞的固體表面的液滴。接觸角θC，是由液體在三相（液體、固體、氣體）交點處的夾角。
1805年，托馬斯·楊通過分析作用在由氣體環繞的固體表面的液滴的力而確定了接觸角θ。
氣體環繞的固體表面的液滴，形成接觸角θ。如果液體與固體表面微結構的凹凸面直接接觸，則此液滴處於Wenzel狀態；而如果液體只是與微結構的凸面接觸，則此液滴處於Cassie-Baxter狀態。
其中 = 固體和氣體之間的表面張力 = 固體和液體之間的表面張力 = 液體和氣體之間的表面張力 θ可以用接觸角測量計來測量。
Wenzel確定了當液體直接接觸微結構化的表面時，θ角會轉變為θW *
cosθW * = rcosθ 其中，r為實際面積與投影面積的比率。Wenzel的方程顯示了微結構化一個表面將會放大表面張力。疏水性表面（具有大於90°的接觸角）在微結構化之後會變得更加疏水，其新的接觸角將比原來增大。然而，一個親水性表面（具有小於90°的接觸角）在微結構化之後卻會變得更加親水，其新的接觸角將比原來減小。
Cassie和Baxter發現如果液體懸浮在微結構表面，θ角將會變為θCB *
cosθCB * = φ(cos θ + 1) – 1 其中，φ為固體與液體接觸面積的比例。在Cassie-Baxter狀態下的液體比Wenzel狀態下更具有運動性。
通過用以上兩個方程計算出的新接觸角，我們可以預測Wenzel狀態或Cassie-Baxter狀態是否應該存在。由於有自由能最小化的限制，預測出具有更小的新接觸角的狀態就會更可能存在。從數學上來說，要使Cassie-Baxter狀態存在，以下的不等式必須成立。
cos θ < (φ-1)/(r - φ) 提出的一個判斷Cassie-Baxter狀態是否存在的替代標準是：1)接觸線力克服液滴未被支撐部分的重力；2)微結構足夠高從而阻止液滴接觸微結構的基底（即凹面）。
接觸角是靜態測量疏水性的方法，接觸角滯後和滑動角則對疏水性的動態測量法。接觸角滯後是一種鑒定表面異質性的現象。當移液器將液體注到固體表面時，液體就會形成一定的接觸角。隨著注入液體的增加，液滴的體積會隨之增加，接觸角也會變大，但三相邊界會保持固定直到液體突然溢出。在液體溢出前瞬間的接觸角被稱為前進接觸角。回退接觸角可以通過將液體從液滴中吸出來測量。隨著液體被吸出，液滴的體積減小，接觸角也減小，但三相邊界同樣保持固定直到被完全吸回。在液體被吸回瞬間的接觸角被稱為回退接觸角。而前進接觸角和回退接觸角之間的差異就是接觸角滯後，它被用來鑒定表面的異質性、粗糙性和運動性。非同質的表面會有能夠阻礙接觸線的區域。滑動角是另一種動態測量疏水性的方法：在固體表面放置一個液點，傾斜表面知道液滴開始滑動，此時的傾斜角即為滑動角。處於Cassie-Baxter狀態的液滴通常會表現出比Wenzel狀態更小的滑動角和接觸角滯後。 納米纖維表面的水珠
許多在自然界中找到的超疏水性物質都遵循Cassie定律，而它在次微米尺度下可以和空氣組成雙相物質。蓮花效應便是基於此一原理而形成的。仿生學上，超疏水性物質的例子有利用納米科技中的nanopin膠片（nanopin film）。