不同液質(zhì)表面張力系數(shù)的影響因素

郝良煥,康小平,何 仲,趙魯梅

(海南熱帶海洋學(xué)院 電子通信工程學(xué)院,海南 三亞 572022)

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不同液質(zhì)表面張力系數(shù)的影響因素

郝良煥,康小平,何 仲,趙魯梅

(海南熱帶海洋學(xué)院 電子通信工程學(xué)院,海南 三亞 572022)

本實(shí)驗(yàn)采用拉脫法測(cè)量常溫下(25℃)濃度為2%的食鹽水溶液、蒸餾水和濃度為0.05%的洗衣粉溶液(以汰漬牌洗衣粉為例)、湖水、海水、自來水的表面張力系數(shù).得出不同濃度、不同溫度下的不同液質(zhì)對(duì)表面張力系數(shù)的影響.

表面張力系數(shù);溫度;濃度;拉脫法

0 引 言

液體的表面張力是由于液體表面層分子受力不對(duì)稱所致,表層分子受到本相分子的作用,另一方面又受到性質(zhì)不同的另一相分子的作用,導(dǎo)致液體表層分子的球?qū)ΨQ性被破壞而受到指向液體內(nèi)部的合力作用,宏觀上表現(xiàn)為液體的表面像一層張緊的彈性膜有自行收縮的趨勢(shì)[1-2].通常我們把這種收縮力稱為液體的表面張力.液體表面張力系數(shù)是衡量溶液表面張力大小的參量,在醫(yī)學(xué)界、重工業(yè)、建筑領(lǐng)域等領(lǐng)域中液體表面張力有著非常廣泛的應(yīng)用.影響液體表面張力系數(shù)量的液質(zhì)一般分為三種.第一種是表面活性劑,例如洗衣粉的水溶液、肥皂水等.在液體中加入少量的表面活性劑就能顯著地降低液體的表面張力系數(shù),隨著濃度的增加,表面張力系數(shù)變化很小[3].第二種是無機(jī)鹽的水溶液,無機(jī)鹽水溶液的表面張力隨濃度的增大而上升[4].通過采用拉脫法測(cè)量其液體表面張力系數(shù),測(cè)量不同濃度梯度的食鹽水溶液的表面張力系數(shù),得出食鹽水溶液的表面張力系數(shù)隨濃度呈正相關(guān).第三種是為非電解質(zhì)的有機(jī)物,例如醛類、醇、脂肪酸的水溶液,通過測(cè)量不同非電解質(zhì)的有機(jī)物的水溶液的表面張力系數(shù),得出非電解質(zhì)的有機(jī)物的水溶液的表面張力系數(shù)隨濃度變化呈負(fù)相關(guān).

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1.1 力敏傳感器

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中,力敏傳感器因具有靈敏度高、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)易獲取、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用.金屬導(dǎo)體的電阻隨其所受機(jī)械形變(伸長(zhǎng)或縮短)的大小而發(fā)生變化,原因是導(dǎo)體的電阻與材料的電阻率以及它的幾何尺寸(長(zhǎng)度和截面)有關(guān).由于導(dǎo)體在承受機(jī)械形變過程中,其電阻率、長(zhǎng)度和截面都要發(fā)生變化,從而導(dǎo)致其電阻發(fā)生變化,因此電阻應(yīng)變片能將機(jī)械構(gòu)件上應(yīng)力的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化.在測(cè)試時(shí),將應(yīng)變片用粘合劑牢固地粘貼在被測(cè)試件的表面上,隨著試件的受力變形,應(yīng)變片的敏感柵也獲得同樣的形變,從而使其電阻隨之發(fā)生變化.通過測(cè)量電阻值的變化可反映出外力作用的大小[5].

1.1.2 計(jì)算靈敏度

①按順序增加砝碼的數(shù)量(每次增加500mg),測(cè)量傳感器的輸出電壓Ui,

②再逐一減砝碼,記下輸出電壓,

③用逐差法求出傳感器的靈敏度S.

(1)

1.1.3 液體表面張力系數(shù)的測(cè)量

將U形金屬片框(表面潔凈)豎直的侵入待測(cè)液體中,令其底部保持水平,然后緩慢的提起.由于表面張力的影響,金屬片框周圍將帶起一部分液膜,液面呈彎曲形狀,則金屬片框在豎直方向上的受力情況為:

①向上所受的拉力為F,

②金屬框所受的表面張力2fcosθ,θ是液體表面與金屬框的接觸角,由于θ很小即:

cosθ=1,2fcosθ=2α(1+d),

③金屬框所沾附液膜的質(zhì)量為ldhρ,l為金屬框的內(nèi)徑,d為金屬框的厚度,h為液膜拉脫前的高度,當(dāng)金屬框脫離液體其平衡條件為:

F=2α(d+l)+ldhρg,

(2)

(3)

其中α為表面張力系數(shù),單位是N/m.

1.2 儀器相關(guān)參數(shù)的處理

1.2.1 力敏傳感器定標(biāo)

按順序增加砝碼的質(zhì)量,測(cè)出傳感器的輸出電壓,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1.

表1 力敏傳感器定標(biāo)(g=9.8N/kg)

經(jīng)逐差法得到儀器的靈敏度S為:

=787.5 (mV/N).

1.2.2 蒸餾水的表面張力系數(shù)的測(cè)量

通過游標(biāo)卡尺測(cè)量金屬框內(nèi)徑長(zhǎng)度:l=54.80mm;通過螺旋測(cè)微器測(cè)量金屬框的厚度為:d=0.1 50mm,其中螺旋測(cè)微器的修正值為:0.045mm,則其真實(shí)值d真=0.1 05mm;通過溫度計(jì)測(cè)量待測(cè)蒸餾水的溫度為T=25.0℃.通過調(diào)節(jié)升降裝置的螺旋測(cè)微器,記錄蒸餾水液膜在剛好拉破時(shí)數(shù)字電壓表的示數(shù)U1,拉破后的數(shù)字電壓表的示數(shù)U2,結(jié)果見表2.

表2 蒸餾水的表面張力系數(shù)測(cè)量(液體溫度T=25.0℃)

則蒸餾水的表面張力系數(shù)的平均值為:

=71.88×10-3N/m.

查表可得,在T=25℃時(shí)蒸餾水的表面張力系數(shù)為71.96N/m,相對(duì)誤差為0.1 1%.表明該實(shí)驗(yàn)儀器的測(cè)量誤差較低,可用于相關(guān)實(shí)驗(yàn)的測(cè)量及采用該實(shí)驗(yàn)儀器所測(cè)結(jié)果的可靠性.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 溫度因素對(duì)液體表面張力系數(shù)的影響

圖1 蒸餾水、2%食鹽水、0.05%洗衣粉溶液、海水、湖水、自來水的表面張力系數(shù)與溫度的關(guān)系.

測(cè)量不同溫度下(25℃、35℃、45℃、55℃、65℃)的不同液體(蒸餾水、2%食鹽水、0.05%洗衣粉溶液、海水、湖水、自來水)的表面張力系數(shù).

根據(jù)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3及圖1所示,食鹽水、海水、湖水、自來水的表面張力系數(shù)大于蒸餾水的表面張力系數(shù),例如在25℃時(shí)2%食鹽水的表面張力系數(shù)為73.3 7×10-3N/m,而該溫度下蒸餾水的表面張力系數(shù)為71.881×10-3N/m.由于上述液體的溶質(zhì)主要成分屬于無機(jī)鹽,那么無機(jī)鹽的水溶液的表面張力系數(shù)與溫度成負(fù)相關(guān)(即隨溫度的增大表面張力系數(shù)減小).然而,仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn),溫度T≥55°時(shí),表面張力系數(shù)α值變化很小,趨于平緩.而洗衣粉溶液的表面張力系數(shù)小于蒸餾水的張力系數(shù).同時(shí)洗衣粉的表面張力系數(shù)對(duì)溫度變化不明顯(即在一定范圍內(nèi)隨溫度的變化不大),隨著溫度的升高,洗衣粉溶液分子的布朗運(yùn)動(dòng)加劇,分子的平衡距離發(fā)生改變,分子之間相互作用力減少,使洗衣粉溶液的表面張力系數(shù)變化緩慢,例如在25℃時(shí)0.05%洗衣粉溶液表面張力系數(shù)為42.5 7×10-3N/m,遠(yuǎn)小于該條件下蒸餾水的表面張力系數(shù)為71.881×10-3N/m.原因是洗衣粉的主要成分屬于表面活性劑,其在液體中加入少量的該物質(zhì)能明顯的使溶液的表面張力系數(shù)降低.

表3 表面張力系數(shù)與溫度的關(guān)系(×10-3N/m)

2.2 濃度因素對(duì)液體表面張力系數(shù)的影響

測(cè)量不同濃度食鹽水溶液(0%、2%、4%、6%、8%、10%)、洗衣粉溶液(0%、0.01%、0.03%、0.05%、0.07%、0.1 0%、0.1 5%、0.2 0%)在常溫條件下(T=25℃)的表面張力系數(shù),實(shí)驗(yàn)結(jié)果詳見表4、表5、圖2和圖3.

由相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及圖表可得,食鹽水的表面張力系數(shù)與其溶液濃度有關(guān),相同溫度條件下,食鹽水的濃度與其表面張力系數(shù)呈正線性相關(guān)(即在一定范圍內(nèi)濃度越高,其表面張力系數(shù)越大);例如,在25℃時(shí)濃度為2%食鹽水的表面張力系數(shù)為73.3 7×10-3N/m,而在溫度相同條件下的濃度為10%食鹽水的表面張力系數(shù)74.1 5×10-3N/m.而在相同溫度條件下洗衣粉溶液的表面張力系數(shù)隨濃度的增加呈負(fù)線性相關(guān)(即在一定濃度范圍,表面張力系數(shù)隨濃度的增加內(nèi)而減小).仔細(xì)對(duì)比發(fā)現(xiàn),當(dāng)洗衣粉溶液的濃度超過0.03%時(shí)其溶液的表面張力系數(shù)受濃度的影響很小,這種情況的產(chǎn)生是由于洗衣粉的主要成分為表面活性劑,加入極少量的洗衣粉就可顯著降低液體的表面張力系數(shù),因此洗衣粉濃度超過0.03%時(shí),隨著洗衣粉溶液濃度的增加其液體的表面張力系數(shù)的變化趨于平緩.

表4 不同濃度食鹽水溶液在常溫條件下(T=25℃)的表面張力系數(shù)(×10-3N/m).

表5 不同濃度洗衣粉溶液在常溫條件下(T=25℃)的表面張力系數(shù)(×10-3N/m).

圖2:食鹽水溶液的表面張力系數(shù)與濃度的關(guān)系. 圖3:洗衣粉溶液的表面張力系數(shù)與濃度的關(guān)系.

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)采用拉脫法測(cè)量常溫(T=25℃)下的蒸餾水、濃度為2%的食鹽水溶液和濃度為0.05%的洗衣粉溶液、湖水、海水、自來水的表面張力系數(shù),得出食鹽水、海水、湖水、自來水的表面張力系數(shù)大于蒸餾水的表面張力系數(shù),而洗衣粉溶液的表面張力系數(shù)最小.另外,通過測(cè)定溫度因素對(duì)液體表面張力系數(shù)的影響得出:幾種溶質(zhì)的水溶液的表面張力系數(shù)與溫度呈負(fù)線性相關(guān)(即在一定范圍內(nèi)隨溫度的增大而減小),隨著溫度的升高變化逐漸減小.通過不同濃度的食鹽水和洗衣粉溶液表面張力系數(shù)的比較,得出相同溫度條件下,食鹽水的濃度與其表面張力系數(shù)呈正線性相關(guān)(即在一定范圍內(nèi)濃度越高,其表面張力系數(shù)越大),而洗衣粉溶液的表面張力系數(shù)呈負(fù)線性相關(guān)(即隨濃度的增加表面張力系數(shù)逐漸減小),當(dāng)濃度超過一定量時(shí)洗衣粉溶液的表面張力系數(shù)變化不大.

[1]李艷琴,孫嶠,李學(xué)慧.表面張力演示現(xiàn)象的實(shí)踐與分析[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2009,28(11):103-105．

[2]滕維中.再論液體表面張力的微觀機(jī)理[J].廣西物理,2000,21(2):9-10．

[3]盧國(guó)滿,劉紅玉,曾光明,等.表面活性劑濃度與表面張力-稀釋倍數(shù)積分值的關(guān)系研究[J].分析科學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 23(2):133-136．

[4]歐陽躍軍.無機(jī)鹽溶液表面張力的影響研究[J].中國(guó)科技信息,2009(22):42-43．

[5]李躍成,馬利.壓力傳感器的特性研究的ANSYS輔導(dǎo)教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)室探究與探索,2010:04-34．

(編校：何軍民)

Influential Factors of Different Liquid Surface Tension Coefficients

HAO Liang-huan, KANG Xiao-ping, HE Zhong, ZHAO Lu-mei

(School of Electronic Communication Engineering, Hainan Tropical Ocean University, Sanya Hainan, 572022, China)

At room temperature, the pull-out method is used for measuring the surface tension coefficient of the salt water solution with a concentration of 2%, distilled water, detergent solution with a concentration of 0.05% (Tidewashing powder), lake water, sea water and tap water. Obtained are the effects on the surface tension coefficients of different liquids of different concentrations and at different temperatures.

surface tension coefficient; temperature; concentration; pull-off method

2016-01-05

海南省高等學(xué)校教育教學(xué)改革重大項(xiàng)目(Hnjgzd2014-09)

郝良煥(1983-),女,河南駐馬店人,海南熱帶海洋學(xué)院電子通信工程學(xué)院副教授,博士,研究方向?yàn)闊岢砻艿入x子體光譜模擬.

O4-33

A

1008-6722(2016) 02-0028-04

10.1 3307/j.issn.1 008-6722.2 016.02.06