“溶液表面张力的测定”教学方法的探讨

摘要 针对现在学生实验课普遍存在的预习、讨论及操作不够认真等问题，改革"最大泡压法测定溶液表面张力"实验的教学方法，从"从连接仪器情况考察学生预习实验的效果"、"老师演示实验培养学生观察及分析问题的能力"、"学生手脑并用进行实验"及"处理实验数据，应用吉布斯吸附公式计算吸附量"等方面安排试验，以期达到充分调动学生动手、动脑能力，唤起他们学习兴趣的目的。

关键词：最大泡压法；表面张力；教学方法；探讨

溶液表面张力的测定方法有很多，如最大泡压法、滴重法、吊环法、表面波法等，其中最大泡压法测定溶液的表面张力是大学物理化学实验中常见的基础实验。对于药学的学生来说，该实验尤为重要。如在制剂（如乳剂、脂质体、软胶囊、和某些固体制剂）研究中各相间的表面或界面张力是制剂能否研制成功的关键之一，特别是在乳剂、脂质体等多相液体制剂研究中，其基础问题就是表面张力问题；在难溶性药物制剂的研究中，表面活性剂可以通过改变制剂与吸收部位表面张力，通过降低表面能达到增加或改善药物吸收的目的；在包衣过程中，衣膜溶液与片剂表面接触时的各表面张力是决定衣膜能否附着在片剂表面的关键。通过表面张力可以测定临界胶束浓度（CMC），这一信息对指导难溶性药物的增溶有指导意义。

通常的教学过程是在使学生了解实验目的、原理、要求的前提下，利用图1装置测定。将适量的不同待测液加入表面张力仪B中后，控制排水管A的放水速率，待B中的气泡间隔产生时，读取气泡脱出前瞬间压力计M中两侧液面的高度，借助实验原理由高度差求出不同浓度溶液的表面张力，进而再由吉布斯吸附方程式求得某浓度下溶液的表面超量。

现在的学生普遍存在课前不预习，预习报告仅仅是照抄实验讲义应付老师，不认真讨论实验，操作不正规、不认真思考等现象，需要老师认真设计实验，想办法吸引学生的注意力。

一、从连接仪器情况考察学生预习实验的效果

物理化学实验中，多数的装置都是连接好的，自动化程度较高，学生的动手机会不是很多。而最大泡压法测定溶液表面张力的实验，不仅仪器相对简单，而且操作也不复杂。按照实验要求，快的学生可以在2个小时左右的时间完成所有内容，容易让学生不重视，觉得没意思，需要调整一贯的实验安排。

A- 排水管； B-表面张力仪； M-压力计

图1 表面张力测定装置

学生进入实验室之前，老师将图1中的装置尽量拆分成彼此独立的部分，待所有学生到达实验室后，让学生根据预习情况，同时开始安装装置。考察预习好不好的指标就是看哪组学生安装得合理且快速。

实践发现，学生的表现相差很大。极少数能够快速、较准确地连接好装置，其它有的在东张西望，有的无从做起，多数学生则打开讲义寻求帮助，表现得很迷茫。最后完成操作的时间介于5-20分钟之间。20分钟对于4学时的实验来说不算多，相比之下，他们收获的却不少。学生纷纷找差距，如预习实验走过场，实验原理理解得不充分，同学之间合作不够，…… ，学生能够从心理上、行动上意识到自己的不足，在这种情况下，再组织学生讨论实验，结果可想而知。

二、通过老师演示实验培养学生观察及分析问题的能力

在连接好装置的情况下，按照要求在B管中加入自来水，A管中加入待测液，如水或不同浓度的正丁醇水溶液，老师进行演示实验。要求学生注意观察现象，并得出结论，为了达到更好的效果，让学生边观察边思考，可以提出如下一些问题：1.开始实验前，压力计两端的液面是否相同，该现象是否影响实验结果，为什么？2.什么时候系统内、外的压力差（即压力计两侧的差值）最大？为什么？3.不断加快A管放水的速率，压力计两侧的最大差值是否改变？这是否与实验原理相悖？在一系列问题的驱使下，多数学生能集中精力进行观察与思考，并在老师的提示下，提出了如下观点。

1.演示实验前，压力计两侧的液面是不平的，这是由于毛细现象引起的。实验前要求B管中待测液的高度与毛细管口相切，由于玻璃与待测液之间是润湿的，液体会沿毛细管上升，上升的高度可由杨-拉普拉斯公式计算得到。该液体所产生的压力与大气压之和即为系统的压力。于是压力计M中右侧液面高于左测液面，其高度差所产生的压力与毛细管中液面高度产生的压力相当。因此，该高度不会影响实验结果。

2. 气泡破裂前瞬间，系统内、外的压力差最大。这是由于B管放水时，密闭在系统中的气体压力减小，外压大于系统压力，随着该差值的不断增大，空气进入毛细管，当气泡直径与毛细管内经相当时，气泡处于平衡状态，此时，若B管继续放水，气泡受到不平衡力作用，即由毛细管口脱出，并将其中的空气释放到系统。由于系统气体增多，压力变大，于是系统内、外的压力差变小。

3.加快B管放水速度，表面上看，压力计两侧高度的最大差值变小，这与如下实验原理是相悖的。

当用排水管B减压时，可在A中液面形成气泡，排水时系统压力p系 逐渐减少，毛细管上方大气压力p大 就逐渐把管中液面压至管口，形成曲率半径最小（等于毛细管半径r）的半球形气泡，这时平衡压力差（p大 - p系）也最大，即

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或

式中 - 附加压力- 溶液表面张力如用同一毛细管测量两种液体的表面张力分别为 与 ，则（1）

又因为 正比于表面张力测定器中压力计M两侧的最大的液差 ，所以

或式中K 称为毛细管常数，即为标准物质的表面张力与测定的对应△h2的比值。在实验温度下水的表面张力（ ）均可由手册查得。 可由实验测得。因此，只要测得一系列 △h1，同温下任何浓度的正丁醇水溶液的表面张力（ ）即可由式（1）求出。

可见，一定温度下，压力计两侧的高度度差只决定于液体的表面张力。若放水速度太快，气泡没来得及在毛细管口达到平衡时，就已脱出，故出现随着放水速度加快，压力计两侧高度的最大差值变小的现象。正因如此，实验过程中，需要控制B管的放水速度，使气泡达到平衡后，一个一个间隔脱出，减小实验误差。

三、 学生手脑并用进行实验

1.毛细管常数的测定将压力计与排水管相连，将蒸馏水注入预先洗净的表面张力仪A中，再将进气的毛细管垂直插入其中，调节蒸馏水的量，使液面与毛细管端部相切，排水管M中装入自来水，使毛细管端面保持水平，压力计保持垂直，按上图连接。打开活塞，水缓慢放出使系统内逐渐减压，控制水的流速使气泡一个跟一个逸出。气泡逸出毛细管尖端时，压力计液柱差就突然下降，记下突然下降前压力计两边液体最大高度差△h2，由已知 可以计算K . 2.正丁醇水溶液表面张力的测定将表面张力仪中的溶液分别换成浓度为0.02 mol.L-1、0.05 mol.L-1、0.10 mol.L-1、0.20 mol.L-1、0.25 mol.L-1、0.30 mol.L-1、0.35 mol.L-1和0.5 mol.L-1的正丁醇水溶液，按上述同样的方法，读取各溶液对应的 △h1，利用公式求出各个 值。

要求学生实验时考虑及验证以下问题：a.操作过程中如将毛细管尖端插入液面过深，对实验结果有何影响？

b.毛细管口倾斜，对实验结果如何影响？

四、处理实验数据，应用吉布斯吸附公式计算表面超量

1.用表格列出各溶液的压力差与对应的浓度值，并计算表面张力。

2.在坐标纸上作 - 图。

3.在 - 曲线上取浓度为0.02mol.L-1的点做出切线，求其斜率 .

4.根据吉布斯吸附方程式（2）

将m值及C = 0.02mol.L-1代入式（2），计算对应该浓度下的表面超量 .

小结

在物理化学实验中，表面张力测定的实验相对简单且容易，稍不注意引导，就容易让学生不重视。多年的教学实践也让老师感觉到了这一点。通过上面实验改进，针对一个简单的实验，不仅能全面培养学生观察、分析及解决问题的能力，而且让他们看到自己的差距与不足，唤起他们对学习的兴趣。

参考资料

1.复旦大学编。 《物理化学实验》。 北京： 人民教育出版社， 1979

2.北京大学物理化学教研室编。 《物理化学实验》。 北京： 北京大学出社，1997

3.孙尔康编。《物理化学实验》。 南京： 南京大学出版社， 1998