表面張力的測(cè)定

1、表面張力儀,表面張力的定義為將表面拉伸 1 cm 之所需力，其單位：dyne / cm、erg / cm2。此種力相當(dāng)於勝過液體單位面積向內(nèi)部之引力，相當(dāng)於：＊縮小單位面積的力＊擴(kuò)張單位面積所需要的功(W)γ = W / S 此功相當(dāng)於單位面積所含之自由能。,表面張力,表面張力,分子由於相互吸引作用而凝聚成液體，在液體中的分子四面八方都受到吸引力，但也因此每個(gè)方向受力皆相等，合力為 0。但在液體表面的分子所受分子

2、間的引力並不均勻，結(jié)果合成一往液體內(nèi)的合力。因此，當(dāng)分子從內(nèi)部移到表面時(shí)需要作功。也就是說，表面位能較高，而單位液面所高出來的表面位能，稱之為表面張力。,蓮花效應(yīng)主要是指蓮葉表面具有超疏水以及自潔的特性。由於蓮葉具有疏水、不吸水的表面，落在葉面上的雨水會(huì)因表面張力的作用形成水珠，換言之，水與葉面的接觸角(contact angle)會(huì)大於140度，只要葉面稍微傾斜，水珠就會(huì)滾離葉面。,蓮花效應(yīng),在電子顯微鏡下，蓮葉的表面具有大小約

3、5~15 微米細(xì)微突起的表皮細(xì)胞(epidermal cell)，表皮細(xì)胞上又覆蓋著一層直徑約1奈米的蠟質(zhì)結(jié)晶(wax crystal)。蠟質(zhì)結(jié)晶本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)具有疏水性，所以當(dāng)水與這類表面接觸時(shí)，會(huì)因表面張力而形成水珠，再加上葉表的細(xì)微結(jié)構(gòu)之助，使水與葉面的接觸面積更小而接觸角變大，因此加強(qiáng)了疏水性，同時(shí)也降低污染顆粒對(duì)葉面的附著力。,蓮花效應(yīng),蓮花效應(yīng),細(xì)微結(jié)構(gòu)與自潔作用關(guān)聯(lián)之示意圖。即使同樣具有疏水性的表面，在細(xì)微結(jié)構(gòu)上的水珠

4、會(huì)吸附著灰塵顆粒滾動(dòng)，而在光滑表面上，水珠能使顆粒移動(dòng)的程度有限。,蓮花效應(yīng),應(yīng)用範(fàn)圍,目前蓮花效應(yīng)的概念主要是應(yīng)用在防污防塵上，透過人工合成的方式，將特殊的化學(xué)成分加入塗料、建材、衣料內(nèi)等等，使其具有某些程度的自潔功能，以實(shí)現(xiàn)拒水防塵的目的。,界面活性劑,陰離子活性劑 陽(yáng)離子活性劑 非離子活性劑 兩性離子活性劑,陰離子活性劑,主要化學(xué)結(jié)構(gòu)為一個(gè)陰離子極性端做頭，另一側(cè)則是由碳?xì)湓咏M成的非極性長(zhǎng)鏈。極性與非極性液體共處時(shí)

5、，會(huì)形成一道明顯界面，不會(huì)互溶，這時(shí)若加入界面活性劑，則可以用其極性端頭與極性液體分子相近，而以其尾巴的非極性長(zhǎng)鏈與非極性液體相吸，來打破原來互斥的界面，所以稱作界面活性劑。,陰離子活性劑,另外，清潔劑除了清洗油污之外，有一種很強(qiáng)的清潔劑 Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) 也常被用來作為核酸研究之用的化學(xué)藥劑，因 SDS 可以介入極性與非極性基團(tuán)之間，是一種界面活性劑，就是俗稱的清潔劑。SDS 可以把非極性尾巴

6、鑲?cè)氲鞍踪|(zhì)三級(jí)構(gòu)造的內(nèi)部，而以其極性頭部與外界的水分子結(jié)合，因而使得蛋白質(zhì)變性。,陰離子活性劑,在 SDS - PAGE 系統(tǒng)中，除了整個(gè)電泳系統(tǒng)含有 0.1 % SDS 外，樣本也要加入 SDS (並以 mercaptoethanol 打斷雙硫鍵) 同時(shí)加熱處理。 則蛋白質(zhì)會(huì)解構(gòu)成為一條直鏈狀分子，其上並佈滿了 SDS 的負(fù)電荷；請(qǐng)注意，理論上 SDS 是很均勻的吸附到蛋白質(zhì)上，因此不管原來蛋白質(zhì)分子的大小，每種蛋白質(zhì)分子上所吸附的負(fù)

7、電荷密度是相同的。,陽(yáng)離子活性劑,典型的陽(yáng)離子性界面活性劑為有機(jī)胺鹽類和第四級(jí)銨鹽類等，前者構(gòu)造式如氯化銨，但其中最少有一個(gè) H 原子被長(zhǎng)鏈烷基所取代，長(zhǎng)鏈烷基為鹼性，但其磺酸鹽水溶液卻呈現(xiàn)弱酸性。後者除氮元素之第四級(jí)銨鹽外，尚包括磷、硫等元素與四個(gè)烷基鍵結(jié)後，以陰離子之Cl－、Br－、I－、CH2OSO3－、C2H5OSO3－等配位結(jié)合而成。,陽(yáng)離子活性劑,純粹之第四級(jí)銨鹽應(yīng)為近中性，具有極大之表面吸附、表面活性。與其他相同碳數(shù)基之陰

8、離性、非離子性界面活性劑比較時(shí)，其水溶液最大，亦即此界面活性劑本身之 HLB 值大（親水性 - 親油性之平衡值）。再者，第四級(jí)銨氫氧化物具強(qiáng)鹼性，可利用為觸媒。,陽(yáng)離子活性劑 應(yīng)用,是在具有殺菌、防徽、殺蟲性者甚多。其他尚有適合於均染緩染劑、直接染料堅(jiān)牢度增進(jìn)劑、織物柔軟劑、防水劑、對(duì)於紡績(jī)之靜電防止劑、軟式洗濯?jiǎng)?、塑膠凝固液之噴嘴梗塞防止及溶液之澄清劑、硫化礦等之浮選劑、鋼之酸蝕抑制劑、橡膠加硫促進(jìn)劑等。,非離子活性劑,前述之鹽類性除

9、陰陽(yáng)二型以外，尚有非鹽類性者，即非電離性界面活性劑。所謂非離子活性性劑，均為多價(jià)醇之誘導(dǎo)，其水溶液所具有之界面活性。代表性之非離子性界面活性劑如聚氧乙烯烷基醚〔RO-(CH2CH2O)n-H〕之水溶液為酸性（pH= 5~6）。,非離子活性劑,但一般製品仍以調(diào)製成中性者為多。其他多元醇之脂肪酸如山梨糖脂肪酸酯，因山梨糖醇中有 5 個(gè) – OH 基，其結(jié)合人之脂肪酸個(gè)數(shù)可自由調(diào)整，結(jié)合數(shù)愈少對(duì)水之親和性愈大，而結(jié)合之脂肪酸碳數(shù)，亦可由辛酸

10、至硬脂酸任意選擇，所生之多元醇脂肪酸酯之 HLB 值可由低值至高值間變化，也就是可合成自油溶性至水溶性。,非離子活性劑,而聚氧乙烷系、聚氧乙烯 - 聚氧丙烯系非離子性界面活性劑，會(huì)因聚合度之不同，水溶液開始完全透明溶解，但在一定溫度下會(huì)立刻變濁的現(xiàn)象，亦即所謂的濁點(diǎn)。此乃因活性劑分子中氧化乙烯基和水改變現(xiàn)象所致，在加熱至一定溫度時(shí)，產(chǎn)生脫水現(xiàn)象而使溶解性消失。,非離子活性劑 應(yīng)用,非離子活性劑之一般應(yīng)用在於合成高分子聚合合用乳化劑、可塑

11、劑、金屬清淨(jìng)劑、纖維度保持劑、纖維加工劑、醫(yī)藥化粧品基劑、潤(rùn)滑劑，離型劑、電染色劑等。,兩性離子活性劑,常見的兩離子性界面活性劑的構(gòu)造類似胺基酸（RR´C(NH2）COOH），即分子中有胺基和酸基，在酸性溶液中，分子中的胺基與酸作用而溶解；在鹼性溶液中，酸基與鹼中和而有水溶液性，因此純物質(zhì)具有等電點(diǎn)。,界面活性劑 (Surfactant)：某物質(zhì)溶於水、油或其他溶劑後，易被吸附於溶液表面或界面，能降低溶液的表面張力或兩相間界

12、面張力的物質(zhì)。界面活性劑必須具有下列特性：臨界微胞濃度 (Critical Micelle Concentration)表面張力降低性溶化作用 (Solubilization)乳化作用 (Emulsitication),界面活性劑之定義及特性,界面活性劑是化學(xué)品中被消耗很大的一個(gè)項(xiàng)目，不論是在潤(rùn)滑油、食用藥劑、肥皂與清潔劑，它扮演相當(dāng)重要之角色。界面活性劑是兩性化合物，包括一個(gè)長(zhǎng)碳?xì)涞奈膊考耙粯O性的頭端，在高濃度下(10-

13、4 M 以上)它們會(huì)自我排列成一集合體，我們稱 micelle ( 微胞)。這時(shí)的濃度稱為 Critical Micelle Concentration 簡(jiǎn)稱(CMC)，正常在水中之 micelle 親油長(zhǎng)鏈朝向 micelle 球中心，親水性的頭端外朝水相。,界面活性劑之定義及特性,界面活性劑之定義及特性,界面活性劑之最重要的特性是可以減小表面張力，而產(chǎn)生濕潤(rùn)、滲透、乳化與分散等作用。因此可以廣泛運(yùn)用到各種工業(yè)，例如：紡織(染色助劑

14、)、金屬(表面處理)、塗料(油漆)、塑膠(N次貼)、食品、化妝品、製紙、皮革、清潔(清潔劑)等工業(yè)，更可以應(yīng)用於現(xiàn)今熱門的奈米粒子之製造。表面張力測(cè)量法是適用於離子性界面活性劑及非離子性界面活性劑。而CMC對(duì)清潔劑之清淨(jìng)力非常重要，另外CMC在對(duì)生物細(xì)胞膜作用研究上或是奈米技術(shù)都是扮演相當(dāng)重要的角色。,下圖為界面活性劑在水中，隨濃度改變之相圖，由此圖可知，當(dāng)界面活性劑溶於溶劑時(shí)，其吸附在表面之表面張力減少，所以溶液表面張力隨界面活性

15、劑之濃度增加而減少，但溶液濃度增加至CMC時(shí)，隨游離態(tài)界面活性劑濃度之增加，但其表面張力卻以不成比例之量而減少，表面張力曲線形成一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此點(diǎn)即為此界面活性劑之CMC值。,界面活性劑之定義及特性,,,,,,C>CMC,C<CMC,C=CMC,界面活性劑之定義及特性,界面活性劑之定義及特性,當(dāng)界面活性劑含有雜質(zhì)時(shí)，測(cè)出來之表面張力曲線在CMC附近將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)極小值的凹陷部份，此現(xiàn)象可以用做界面活性劑純度之檢查。,不含雜質(zhì),含

16、雜質(zhì),CMC之大小可以用界面活性劑之水溶液的物理化學(xué)性質(zhì)變化求得，如水的清淨(jìng)力、黏度、密度、導(dǎo)電度、表面張力、滲透壓、折射率、光散射等。吊環(huán)狀張力儀與面板型張力儀是決定CMC最簡(jiǎn)單的方式。因此本實(shí)驗(yàn)將利用面板型表面張力儀，於固定溫度下測(cè)定白金板離開同種類但不同濃度之界面活性劑溶液所需力量，以獲得該溶液之表面張力。,儀器原理,儀器設(shè)備簡(jiǎn)介,儀器設(shè)備簡(jiǎn)介,,,,,,,,白金板,,待測(cè)液,緩緩將白金板置入待 測(cè)液中將白金板提起