纯水在微结构的接触角测量

㈠ 如何测量水滴角，水滴角测量仪器操作步骤详细说明

水滴角测量的仪器挺多的，质量精度参差不齐还要看你的具体应用。以表界面第一品牌KRUSS举例：复杂的接触角如在头发丝针尖引线框上测皮升级的滴定，可以用DSA30M或DSA100M；双滴定一键测表面能有手持式MSA；滴定液体包括传统液体针头和微恒压滴定（压力滴定可避免超疏水材料普通针头滴不下来或针头对测试结果有挤压的影响）；水接触角还包括力学法，如K100SF可以测头发丝等纤维的动态接触角（前进角：液体铺展时的角度）；最常见的传统水滴角测量，是通过针头挤出2~5ul的水滴，让后用固体去届或者下降放置，然后通过相机分析接触角的大小。具体操作看你用的什么仪器。纯手打。

㈡ 某中学课外实验小组成员在探究纯冰、淡盐冰、浓盐冰的熔化特点活动中，他们先用纯水、淡盐水、浓盐水制得

（1）用描点法画出图象，如下图：

（2）表格中②的数据中，当淡盐冰熔化后，温度不变，版保持-3℃不变，但是表中第权20分钟时的温度为3℃，故此数据错误．
（3）从表中数据可以看出冰的温度达到0℃后，继续吸热，但是温度不变，因此冰是晶体；在第25分钟时，①仍处在熔化过程中，处于固液共存状态．
（4）从表中数据可以看出，纯冰在前5分钟内升高5℃，淡盐冰在前5分钟内升高6℃，浓盐冰在前5分钟内升高10℃，因此含盐浓度越高的冰，熔化前升温越快．纯冰的熔点为0℃，淡盐冰的熔点为-3℃，浓盐冰的熔点为-5℃，因此含盐浓度越高的冰，熔点越低．
生活中的实例：下雪后，往结冰的路面上撒盐．
故答案为：（1）见上图；（2）3；（3）晶体；固液共存；（4）快；低；在路面上撒盐．

㈢ 如何测量液体表面张力

吊片法测量液体的表面张力
(补充讲义)
由于液相和气相的密度差异，液体的表面层中的分子,受到了一个指向液相内部并垂直于界
面的引力，使得液体表面就如张紧的弹性薄膜，在这张薄膜上存在着收缩张力,使液体表面
有收缩到最小的趋势，水滴, 汞滴一般呈球形就是这个原因. 单位长度上的收缩张力称为
表面张力. 溶液的表面张力与温度、浓度、电解质、有机醇含量等多种因素有关。
液体的许多现象与表面张力有关, 例如:毛细现象、润湿现象、泡沫的形成等。
测量液体表面张力的方法很多，如毛细管上升下降法、吊环法（参见教材p111,实验8），
最大泡压法、滴重法、悬滴法等，本实验介绍Wilhelmy吊片法。

目的与要求
1.学习吊片法测量液体表面张力的原理和方法。
2.学习表面活性剂临界胶束浓度的测量方法。
原理
1表面张力的测量
Wilhelmy吊片法又称吊板法，如图1所示，采用盖玻片、云母片、滤纸或铂箔竖平板插入液
体，使其底边与液面接触，测定吊片脱离液体所需与表面张力相抗衡的最大拉力F，也可将
液面缓慢地上升至刚好与吊片接触，由此可知：
（1）
其中，F为砝码的重量，G为吊片的重量l－吊片的宽度，t－吊
片的厚度，θ为接触角。由于接触角θ难于测准，一般预先将吊片加工成粗糙表面，并处
理得非常洁净，使吊片被液体湿润， 接触角θ→0，cosθ→1，如图2所示，同时t和l相比
非常小，可忽略不计,则上式变为：
(2)
(3)
由式（3）算得的表面张力值可准确至0.1％。
吊片法直观可靠，不需要校正因子，这与其它脱离法有所不同，还可以测量液－液界面张
力。目前这种方法应用较广泛，所用的天平上一般都带有自动记录装置，还可以和计算机
相连后，测量动表面张力。

2.表面活性剂
能显著降低水的表面张力的物质称为表面活性剂，它的分子一般是由亲油基和亲水基两部
分组成。表面活性剂的数量不下几千种，如按离子类型可分为离子型（阴离子、阳离子、
两性）、非离子型（聚氧乙烯型、多元醇型等）、特殊类型（全氟烷、聚硅氧烷等）。表
面活性剂除了在日常生活中作为洗涤剂以外，在日用化工、食品、医药、石油开采、机械
运转、城建工程、纺织等等中，都有它的特殊用途。
从图3可以看到，少量的表面活性剂加到水中，就能使表面张力急剧下降，随着浓度的
增大，表面张力又几乎保持恒定。由于表面活性剂分子中亲油基是憎水基，当浓度很小时
，表面活性剂很快的聚集在水面，当液体表面聚集足够量的表面活性剂，并密集的定向排
列成单分子膜时，界面的性质发生了明显的变化，对应图中的转折部分。如再提高浓度，
水溶液中的表面活性剂分子几十、几百地聚集在一起，排列成胶束。表面活性剂形成胶束
的最低浓度，即图中转折点

的浓度，又称为临界胶束浓度（Critical Micelle Concentration, 简称cmc），是衡量表
面活性剂的活性的一个非常重要的参量. 离子型的表面活性剂的cmc一般在10-4-10-2 mol
/L之间。在cmc附近，表面活性剂的许多性质都会发生显著的变化，如图4所示。在使用表
面活性剂时，浓度一般要比cmc稍大，否则其性能不能充分发挥，浓度过高是不必要的。c
mc的测定方法主要有电导法、表面张力法、染料法等。
仪器
高精度的电子天平（最小读数为1mg），剪刀，精密滤纸，毫米尺，400mL烧杯，滴管，
去离子水，十二烷基苯磺酸钠（C12H25-C6H4-SO3Na, 分子量M= 348.48, 直链烷烃cmc≈
1.2×10-3mol/L，支链烷烃cmc≈4.5×10-4 mol/L）。
实验内容与步骤
1.测量纯水的表面张力
(a)将干净滤纸剪成边长约2.0 cm的长方形小条，测量底边长l后，固定在与天平相连的挂
钩上，调整纸片，使下底边保持在水平状态（为什么）；
(b)一定量的去离子水加入洁净的烧杯内并置于伸降台上，调节升降台，待纸片为液体润湿
后，将纸片脱离液面，记录下此时天平的读数m0（吊片的质量）并将天平置“0”；
(c)调节升降台，使液面缓缓上升，直至吊片底边刚好和液面接触，记录下天平的读数m1，
则天平的读数增量ΔW1=m1• g；
(d)升高液面，使部分吊片浸入液面以下，然后调节升降台，使液面缓缓下降，直到吊片即
将脱离液面，记录下此时的读数m2，ΔW2=m2• g；
(e)重复操作步骤（c）、（d），共测量6次；
2.测量不同浓度下的表面活性剂的表面张力，求出临界胶束浓度cmc
(a) 称出洁净烧杯重量m杯，然后加入约50 ml的去离子水，用天平称出水和烧杯总量为

m水+杯, 则m水= m0-m杯, 取下烧杯后置天平为“0”（该步骤可在测量水的表面张力时预
先完成）；
(b) 用滴液管滴加1滴表面活性剂浓溶液(质量浓度C0≈4.18%)，测量浓度为C1的表面
活性剂溶液的天平增量m1’；
（c）逐渐增加表面活性剂的加入量, 记录下不同浓度下Ci下的天平增量mi’ ，直到表面

张力基本上不再变化，记录下总的滴加量n总；
(d) 为了计算表面活性剂的浓度，需要求出单滴溶液的质量m滴, 可以采用累积放大法。

称出滴加量为n总时的总量m总，则 ，滴数为ni时的表面活性剂溶液浓度 。
数据处理与分析
1.求出纯水的表面张力Υ,σΥ ,百分误差E(室温下纯水的Υ=72.0 mN/m);
2.求出表面活性剂溶液的质量浓度C，表面张力Υ，作出Υ-C 特性曲线；
3.求出室温下表面活性剂溶液的临界胶束浓度cmc(mol/L)，设表面活性剂溶液密度为1.0×
103 kg/m3.
注意事项
1.天平是精密装置，要轻拉轻放，切忌用力拉或吊挂重物；
2.实验时应调节吊片底边为水平状态；
3.为了避免边缘效应，吊片位置尽量取在容器的中央；
4.滴入表面活性剂浓溶液后，需要充分溶解后再测量张力。
预习思考题
1.吊片法是如何测量液体的表面张力的？需要测量哪些物理量？
2.吊片法测量表面张力有什么特点？
3.表面活性剂水溶液的表面张力是如何随浓度而变化的？
分析讨论题
1.吊片用滤纸为材料，有什么优点和不足？
2.分析纯水的表面张力与室温下公认值有误差的可能原因。
参考资料
1.大学物理实验，张兆奎等，--高等教育出版社，2004年1月
2.表面物理化学，程传煊著，--科学技术文献出版社，1995年9月
3.表面活性剂化学与应用/陈荣圻编，--纺织工业出版社，1990年6月

㈣ 纯水在10度，20度的PH值，怎么算

纯水pH值的测量要想获得一个比较满意的结果，是一件比较困难的事情，特别是用常规的复合电极在实验室敞放式的测量更是如此。表现情况往往是：响应缓慢，示值漂移，重复性差，准确度低等。
一、产生的原因：
1、由于纯水中离子浓度非常低，而参比电极盐桥溶液选中高浓度3mol/L的Kcl，相互之间的浓度差较大，与它在普通溶液中的情况差别很大。在纯水会加大盐桥溶液的渗透速度，促使盐桥的损耗，从而加速了K+和CL-的浓度的降低。引起液接界电位的变化和不稳定，而Ag/AgCl参比电极本身的电位取决于CL-的浓度。CL-浓度发生了变化，其参比电极自身电位也会随之变化。于是就使得示值漂移。特别是不能补充内参比液的复合电极更会如此。
2、为了保证复合电极的pH零电位，盐桥必须采用高浓度的KCl，同时为了防止Ag/AgCl镀层被高浓度的KCl溶解，在盐桥中又必须添加粉末状的AgCl，使盐桥溶液被AgCl饱和。但是根据上述第1条所述，由于盐桥溶液中KCl浓度的降低，又使原本溶解在其中的AgCl过饱和而沉淀，从而堵塞液接界。
3、纯水很容易受到污染，在烧杯中敞开测量，很容易受到CO2吸收的影响，PH值会不停地往下降，有关国际标准规定测量必须在一个特殊的装置中密闭中进行。但在一般实验室中难于实行。
4、 PH值反映的是H+的活度，（H+）而不是H+的浓度[H+]，其关系为（H+）＝f×[H+]。F为H+的活度系数。它是由溶液中所有离子的总浓度决定而不只决定于被测离子的浓度。在理论纯水中活度系数f等于1，但只要有其它离子存在，活度系数就要改变，PH值也就会改变。即PH值受溶液中总的离子浓度的影响，总离子浓度变化，PH值就要改变。
由于复合电极液接界很靠近PH敏感玻璃球泡，从液接界渗漏出的盐桥溶液首先聚集在敏感球泡周围，改变了其附近的总离子浓度，由上述原因可知，使用测量值只是敏感球泡附近的被改变了PH值，不能反映其真实的PH值。虽然采用搅拌或摇动烧杯的方法可以改变这种情况，但实践证明，搅拌速度不同，测试的值也会不一样，同时搅拌或摇动又会加速CO2的溶解，所以也不可取。
5、 由于玻璃电阻的内阻很高，内阻越高玻璃膜就越厚，其不对称电位就会加大，电极的惰性也随之加大，电动势的产生就越于缓慢。同时，由于纯水是一种无缓冲作用的液体，与标准缓冲溶液的性质完全不同，在标准缓冲溶液中表现良好的电极一下子移至无缓冲性的纯水中，电极电位的建立时间无疑就会变得迟缓。
二、克服和改善方法：
综上所述，纯水PH值测试比较困难，主要是由于电极的结构性能和此次引起电极液接界电位的不稳定以及纯水的无缓冲性能和空气中CO2等因素的原因。为此，可采用以下方法来克服和改善。
1、 用一支适合作纯水的PH电极应是首先考虑的。目前，国内一些厂家已开发出一些适于或专门作纯水PH值测量的电极。
2、 使用分离电板，即单独的PH玻璃电极和参比电极测量时，使参比电极尽可能远离玻璃电极，以改善上面第4条中所分析的现象。
3、 加大被测纯水的取样量，并可能减小和空气的接触面，同时不要搅拌和摇动，以减少CO2的吸收。
4、 在被测水样中加入中性盐（如KCl）作为离子强度调节剂，改变溶液中的离子总强度，增加导电性，使测量快速稳定。此方法国家标准GB/T6P04.3—93中规定："测量水样时为了减少液接电位的影响和快速达到稳定，每50ml水样中加入一滴中性0.1moL/LKCL溶液。"虽然此方法改变了水样中的离子强度，在一定程度上引起了其PH值得变化，但经实验证明此变化在数值上只改变了0.01PH左右，是完全可以接受的。但采用这种方法时，一定要注意所加的KCl溶液不应含任何碱性或酸性的杂质。因此，KCl试剂要采用高纯度的，所配溶液的水质也要高纯度的中性水质。

㈤ 疏水性的超疏水性

超疏水性物质，如荷叶，具有极难被水沾湿的表面，其水在其表面的接触角超过150°，滑动角小于20°。 气体环绕的固体表面的液滴。接触角θC，是由液体在三相（液体、固体、气体）交点处的夹角。
1805年，托马斯·杨通过分析作用在由气体环绕的固体表面的液滴的力而确定了接触角θ。
气体环绕的固体表面的液滴，形成接触角θ。如果液体与固体表面微结构的凹凸面直接接触，则此液滴处于Wenzel状态；而如果液体只是与微结构的凸面接触，则此液滴处于Cassie-Baxter状态。
其中 = 固体和气体之间的表面张力 = 固体和液体之间的表面张力 = 液体和气体之间的表面张力 θ可以用接触角测量计来测量。
Wenzel确定了当液体直接接触微结构化的表面时，θ角会转变为θW *
cosθW * = rcosθ 其中，r为实际面积与投影面积的比率。Wenzel的方程显示了微结构化一个表面将会放大表面张力。疏水性表面（具有大于90°的接触角）在微结构化之后会变得更加疏水，其新的接触角将比原来增大。然而，一个亲水性表面（具有小于90°的接触角）在微结构化之后却会变得更加亲水，其新的接触角将比原来减小。
Cassie和Baxter发现如果液体悬浮在微结构表面，θ角将会变为θCB *
cosθCB * = φ(cos θ + 1) – 1 其中，φ为固体与液体接触面积的比例。在Cassie-Baxter状态下的液体比Wenzel状态下更具有运动性。
通过用以上两个方程计算出的新接触角，我们可以预测Wenzel状态或Cassie-Baxter状态是否应该存在。由于有自由能最小化的限制，预测出具有更小的新接触角的状态就会更可能存在。从数学上来说，要使Cassie-Baxter状态存在，以下的不等式必须成立。
cos θ < (φ-1)/(r - φ) 提出的一个判断Cassie-Baxter状态是否存在的替代标准是：1)接触线力克服液滴未被支撑部分的重力；2)微结构足够高从而阻止液滴接触微结构的基底（即凹面）。
接触角是静态测量疏水性的方法，接触角滞后和滑动角则对疏水性的动态测量法。接触角滞后是一种鉴定表面异质性的现象。当移液器将液体注到固体表面时，液体就会形成一定的接触角。随着注入液体的增加，液滴的体积会随之增加，接触角也会变大，但三相边界会保持固定直到液体突然溢出。在液体溢出前瞬间的接触角被称为前进接触角。回退接触角可以通过将液体从液滴中吸出来测量。随着液体被吸出，液滴的体积减小，接触角也减小，但三相边界同样保持固定直到被完全吸回。在液体被吸回瞬间的接触角被称为回退接触角。而前进接触角和回退接触角之间的差异就是接触角滞后，它被用来鉴定表面的异质性、粗糙性和运动性。非同质的表面会有能够阻碍接触线的区域。滑动角是另一种动态测量疏水性的方法：在固体表面放置一个液点，倾斜表面知道液滴开始滑动，此时的倾斜角即为滑动角。处于Cassie-Baxter状态的液滴通常会表现出比Wenzel状态更小的滑动角和接触角滞后。 纳米纤维表面的水珠
许多在自然界中找到的超疏水性物质都遵循Cassie定律，而它在次微米尺度下可以和空气组成双相物质。莲花效应便是基于此一原理而形成的。仿生学上，超疏水性物质的例子有利用纳米科技中的nanopin胶片（nanopin film）。