表面張力系數(shù)隨氯化鈉離子濃度的變化規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

李紹芃，陳曉童，呂　剛

(1.山東省泰安市第一中學(xué)，山東 泰安　271018；2.山東省泰安市第二中學(xué)，山東 泰安　271018；3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué),山東 泰安　271018)

?

*通訊聯(lián)系人

表面張力系數(shù)隨氯化鈉離子濃度的變化規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

李紹芃1，陳曉童2，呂剛3*

(1.山東省泰安市第一中學(xué)，山東 泰安271018；2.山東省泰安市第二中學(xué)，山東 泰安271018；3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué),山東 泰安271018)

摘 要：液體表面張力系數(shù)是表征表面張力大小的重要物理量，它的存在可以解釋物質(zhì)處于液態(tài)時(shí)所特有的許多現(xiàn)象。本文使用拉脫法測(cè)定不同濃度氯化鈉(NaCl)溶液的表面張力系數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明表面張力系數(shù)伴隨NaCl濃度的增加而變大。

關(guān)鍵詞：表面張力系數(shù)；NaCl；離子濃度；拉脫法

表面張力的存在形成了一系列日常生活中可以觀察到的特殊現(xiàn)象，例如在池塘的水面上小飛蟲(chóng)能輕易的漂浮其上并能自由行走，肥皂泡現(xiàn)象等。液體表面張力系數(shù)是表征表面張力大小的物理量[1-3]，是討論液體表面現(xiàn)象、了解液體性質(zhì)的重要物理參量。在醫(yī)學(xué)工程、化學(xué)研究中有重要研究意義。測(cè)量液體的表面張力系數(shù)有多種方法，拉脫法是常用方法之一[4,5]。該方法的特點(diǎn)是用秤量?jī)x器直接測(cè)量液體的表面張力，測(cè)量方法直觀，概念清楚。通過(guò)液體表面張力系數(shù)的測(cè)定，了解影響表面張力系數(shù)測(cè)定的因素，掌握拉脫法測(cè)定表面張力系數(shù)的原理和技術(shù)，觀察不同濃度NaCl水溶液的表面張力，計(jì)算表面張力系數(shù)。

1實(shí)驗(yàn)研究

1.1儀器材料

FD-NST-I型液體表面張力系數(shù)測(cè)定儀，鋁吊盤(pán)，鋁吊環(huán)，砝碼，鑷子，量筒，培養(yǎng)皿，燒杯，攪拌棒，電子稱(chēng)，溫度計(jì)，鐵架臺(tái)，蒸餾水，96%的NaCl分析純度。

1.2測(cè)量原理

將一表面潔凈的金屬環(huán)緩緩浸入水中，使環(huán)底邊保持水平，然后輕輕提起。當(dāng)緩慢向上提拉金屬環(huán)時(shí)，由于表面張力作用，金屬環(huán)上掛有兩層水膜，金屬環(huán)附近的液面將呈現(xiàn)由兩個(gè)水膜構(gòu)成的同軸柱面。此時(shí)，表面張力f垂直向下，其大小與金屬環(huán)的周長(zhǎng)l成正比，故有

f=απ(d1+d2)

(1)

式中，d1、d2分別是金屬環(huán)的內(nèi)徑和外徑。

(2)

2結(jié)果與討論

我們采用拉脫法對(duì)不同水樣進(jìn)行表面張力系數(shù)的測(cè)定。樣品為超純水以及離子濃度分別為1 mol/L，1.5 mol/L，2 mol/L，2.5 mol/L和3 mol/L的NaCl水溶液。在室溫為26 ℃時(shí)，經(jīng)過(guò)一系列測(cè)量，總結(jié)歸納了表面張力系數(shù)隨濃度變化的具體規(guī)律。

首先進(jìn)行了力敏傳感器靈敏度的測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　靈敏度測(cè)量數(shù)據(jù)分析表

圖1　靈敏度的測(cè)量

樣品編號(hào)最大電壓測(cè)量值(mV)平均值(mV)表面張力系數(shù)α(×10-2Nom-1)1(1mol/L)36.536.836.336.536.536.526.502(1.5mol/L)36.039.238.938.437.037.906.743(2mol/L)42.442.742.041.441.341.967.474(2.5mol/L)37.437.738.038.539.337.906.745(3mol/L)40.640.640.540.640.540.567.22

表3　第二次最大電壓值的測(cè)量

圖2　第一次最大電壓測(cè)量值變化趨勢(shì)

圖3　第二次最大電壓測(cè)量值變化趨勢(shì)

圖2和圖3分別是對(duì)第一次和第二次數(shù)據(jù)采集過(guò)程的擬合圖，可以看出圖2中的最大電壓數(shù)值變化幅度較大，且由表2計(jì)算得到的NaCl溶液的表面張力系數(shù)可以看出，其數(shù)值隨溶液濃度的變化規(guī)律不明顯。于是我們逐個(gè)分析了可能影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的操作因素：(1)比如在拉起吊環(huán)時(shí)速度太快，導(dǎo)致儀器顯示數(shù)值不穩(wěn)定；(2)用手?jǐn)Q升降螺絲時(shí)一定要用力平穩(wěn)，不能使玻璃器皿晃動(dòng)。(3)盡量每次測(cè)量都使吊環(huán)的浸入深度一樣，從而使水膜高度相同。改進(jìn)了以上三點(diǎn)操作后，得到了表3的數(shù)據(jù)，并擬合出圖3的過(guò)程曲線。發(fā)現(xiàn)計(jì)算出的NaCl溶液的表面張力系數(shù)確實(shí)規(guī)律明顯，會(huì)伴隨溶液濃度的增加而變大。

圖4　兩組表面張力系數(shù)隨濃度的變化趨勢(shì)

圖4是兩次測(cè)量得到的表面張力系數(shù)隨溶液濃度增大的變化趨勢(shì)圖。當(dāng)在純?nèi)芤褐屑尤腚s質(zhì)是體系的表面張力會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。當(dāng)雜質(zhì)為

表面非活性物質(zhì)NaCl時(shí)，當(dāng)溶質(zhì)的濃度增加，表面張力系數(shù)呈非線性增大，但增加幅度越來(lái)越小。當(dāng)然，也有報(bào)道稱(chēng)[6]，肥皂水的表面張力系數(shù)大大低于純凈水，增加肥皂水濃度，其表面張力系數(shù)減小，但減小幅度不大。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈元華，陸申龍.基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：高等教育出版社，2003：116-119.

[2]賈玉潤(rùn)，王公冶，凌佩玲.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，1987：137-140.

[3]萬(wàn)春華.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].南京：南京大學(xué)出版社，1994：112-121.

[4]焦麗風(fēng)，陸申龍.用力敏傳感器測(cè)量液體表面張力系數(shù)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2002，22(7)：40-42.

[5]李福星，王昌軍.雜質(zhì)濃度變化對(duì)液體表面張力系數(shù)影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].醫(yī)用物理，2010(23)：98-99.

[6]朱瑜，盧飛政.不同吊環(huán)組合對(duì)液體表面張力系數(shù)測(cè)量的影響[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2014，27(6)：67-70.

[7]冷文勇，等.利用自制裝備測(cè)量液體表面張力系數(shù)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2014，27(3)：36-38.

Experimental Study on the Changing of Surface Tension Coefficient with NaCl Ion Concentration

LI Shao-peng1,CHEN Xiao-tong2,LV Gang3*

(1.Shandong Taian No.1 Senior High School,Shandong Taian 271018；2.Shandong Taian No.2 Middle School,Shandong Taian 271018；3.Shandong Agricultural University,Shandong Taian 271018)

Abstract：Liquid surface tension coefficient is an important physical quantity of surface tension,and the determination by abruption.Experimental results show the surface tension coefficient becomes greater with the increases of NaCl ion concentration.

Key words：surface tension coefficient；NaCl；ion concentration；pull-off method

中圖分類(lèi)號(hào)：O 241.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.001.002

文章編號(hào)：1007-2934(2016)01-0008-03

收稿日期：2015-10-01