研究杂质浓度变化对液体表面张力系数影响的实验
研究杂质浓度变化对液体表面张力系数影响的实验
研究杂质浓度变化对液体表面张力系数影响的实验
【摘要】 液体表面张力系数是表征表面张力大小的重要物理量，用拉脱法测定表面张力系数，找出不同杂质的浓度变化是如何影响液体表面张力系数的。
【关键词】 表面张力系数; 杂质; 浓度; 实验
液体表面张力是一种特殊的力，它是液体(纯净液体、溶液)性质的一种表现。从微观上看，表面张力是因液体表面薄层内分子间的相互作用，它不同于液体内部分子间的相互作用，从而使液体表面层具有一种特殊性质。液态物质的表面层由于分子力的作用形成一层如同张紧的橡皮膜一样的液膜，且有自行收缩的趋势，如果在液面作一长为L的线段，则线段两边液面上有一张力F作用于L且力的方向与线段垂直，大小与线段长度L成正比，即：
F=α·L
其中的α称为液体表面张力系数，它等于单位长度直线两旁液面分子之间的相互作用力，由于组成不同的物质的分子不同，且在同一液体中不同温度分子的动能、势能不同，分子间的引力不同，所以张力系数也不同。液体表面张力系数是表征表面张力大小的物理量，是讨论液体表面现象、了解液体性质的重要物理参量。因此，这种张力系数就成了描述液体特性的一个重要参数。在医学工程、化学研究中有重要研究意义。测量液体的表面张力系数有多种方法，拉脱法是测量液体表面张力系数常用的方法之一。该方法的特点是用秤量仪器直接测量液体的表面张力，测量方法直观，概念清楚。通过液体表面张力系数的测定了解影响表面张力系数测定的因素，掌握拉脱法测定表面张力系数的原理和技术，观察不同浓度葡萄糖溶液、肥皂水溶液的表面张力，计算表面张力系数。掌握读数显微镜的使用方法，掌握实验数据的作图处理方法，学会做科学研究的一般方法，通过实验找出杂质浓度变化是如何影响液体表面张力系数的。
1 仪器及材料
小倔强系数弹簧，读数显微镜，门型金属丝，烧杯，温度计，铁架台，蒸馏水，肥皂水，量筒。
2 原理方法
测定液体表面张力采用拉脱法，使用焦利秤进行测量。将一长度为L的洁净门型金属丝浸入水中后，慢慢拉出水面门型丝将在液面上竖直拉出一液膜，如图1所示。
图1 表面张力试验原理
在门型丝从液面上被拉出之前，所受力的平衡条件为：
F-mg-f=0(1)
式中F 为所施的外力，mg为细丝与所沾附的液体的总质量，f 为表面张力。表面张力与长度L成正比即有：
f=2αL (2)
α为表面张力系数。用焦利秤测量表面张力时，由公式(胡克定律)
f=K(x-x0) (3)
由(2)，(3)式可得：
α=K(x-x0)2L=KΔx2L (4)职称论文
(4)式中K为弹簧的倔强系数，X0为细丝刚浸入液体时标尺的读数， X为细丝从液面拉脱时的读数。ΔX =X- X0为差值。
在实验中，利用水的表面张力系数α=(70-0.15t)×10-3N·m-1，t为摄氏度，求水的表面张力系数，然后再根据标差值由
α水αc=Δx水Δxc?αc=ΔxcΔx水α水(5)
(5)式算出室温20℃下不同浓度溶液的表面张力系数。
3 数据结果处理
纯净水、1‰、2‰、3‰、4‰、5‰ 的葡萄糖溶液和肥皂水在温度为室温20℃时的表面张力系数见表1。表1 测定液体表面张力系数数据表实验温度
4 讨论
在纯液体中加入杂质时，体系的表面张力会发生相应的变化。根据试验，稀溶液的表面张力和浓度的关系大致可分为：
① 在液体中加入某些杂质会显著改变液体的表面张力。
② 杂质为表面非活性物质葡萄糖时，当溶质的浓度增加时，溶液的表面张力系数随杂质浓度上升而上升。
③ 杂质为表面活性物质肥皂水时，当溶液很稀时，α 随浓度的增加而急剧下降，α随后大致不随浓度而变(有时也可能会出现最低值)。
④ 肥皂水的表面张力系数大大低于纯净水，增加肥皂水浓度，其表面张力系数减小，但减小幅度不大。
实验时应注意以下几点：
① 调节焦利氏秤时一定要保证指示镜在整个测量过程中自由悬于指示管中央。
② 拉膜时动作要轻，尽力避免弹簧的上、下振动。为使数据测量准确，拉膜过程中动作要协调。
③ 由于杂质和油污可使水的表面张力显著减小，所以务必使蒸馏水、烧杯、金属片保持洁净。实验前要对装蒸馏水的烧杯、金属片进行清洁处理。
④ 清洁后的用具，切勿用手触摸，应用摄子取出或存放。
图2 葡萄糖溶液表面张力系数随杂质浓度变化曲线
图3 肥皂水表面张力系数随杂质浓度变化曲线
【参考文献】
1 李殿阁.物理化学实验技能.北京:科学出版社,1984.
2 王云才,等.大学物理实验教程.北京:科学出版社,2004.
3 沈元华 陆申龙.基础物理实验.北京:高等教育出版社,2003.
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