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研究雜質濃度變化對液體表面張力系數影響的實驗
【摘要】 液體表面張力系數是表征表面張力大小的重要物理量，用拉脫法測定表面張力系數，找出不同雜質的濃度變化是如何影響液體表面張力系數的。
【關鍵詞】 表面張力系數; 雜質; 濃度; 實驗
液體表面張力是一種特殊的力，它是液體(純凈液體、溶液)性質的一種表現。從微觀上看，表面張力是因液體表面薄層內分子間的相互作用，它不同于液體內部分子間的相互作用，從而使液體表面層具有一種特殊性質。液態物質的表面層由于分子力的作用形成一層如同張緊的橡皮膜一樣的液膜，且有自行收縮的趨勢，如果在液面作一長為L的線段，則線段兩邊液面上有一張力F作用于L且力的方向與線段垂直，大小與線段長度L成正比，即：
F=α·L
其中的α稱為液體表面張力系數，它等于單位長度直線兩旁液面分子之間的相互作用力，由于組成不同的物質的分子不同，且在同一液體中不同溫度分子的動能、勢能不同，分子間的引力不同，所以張力系數也不同。液體表面張力系數是表征表面張力大小的物理量，是討論液體表面現象、了解液體性質的重要物理參量。因此，這種張力系數就成了描述液體特性的一個重要參數。在醫學工程、化學研究中有重要研究意義。測量液體的表面張力系數有多種方法，拉脫法是測量液體表面張力系數常用的方法之一。該方法的特點是用秤量儀器直接測量液體的表面張力，測量方法直觀，概念清楚。通過液體表面張力系數的測定了解影響表面張力系數測定的因素，掌握拉脫法測定表面張力系數的原理和技術，觀察不同濃度葡萄糖溶液、肥皂水溶液的表面張力，計算表面張力系數。掌握讀數顯微鏡的使用方法，掌握實驗數據的作圖處理方法，學會做科學研究的一般方法，通過實驗找出雜質濃度變化是如何影響液體表面張力系數的。
1 儀器及材料
小倔強系數彈簧，讀數顯微鏡，門型金屬絲，燒杯，溫度計，鐵架臺，蒸餾水，肥皂水，量筒。
2 原理方法
測定液體表面張力采用拉脫法，使用焦利秤進行測量。將一長度為L的潔凈門型金屬絲浸入水中后，慢慢拉出水面門型絲將在液面上豎直拉出一液膜，如圖1所示。
圖1 表面張力試驗原理
在門型絲從液面上被拉出之前，所受力的平衡條件為：
F-mg-f=0(1)
式中F 為所施的外力，mg為細絲與所沾附的液體的總質量，f 為表面張力。表面張力與長度L成正比即有：
f=2αL (2)
α為表面張力系數。用焦利秤測量表面張力時，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)職稱論文
(4)式中K為彈簧的倔強系數，X0為細絲剛浸入液體時標尺的讀數， X為細絲從液面拉脫時的讀數。ΔX =X- X0為差值。
在實驗中，利用水的表面張力系數α=(70-0.15t)×10-3N·m-1，t為攝氏度，求水的表面張力系數，然后再根據標差值由
α水αc=Δx水Δxc?αc=ΔxcΔx水α水(5)
(5)式算出室溫20℃下不同濃度溶液的表面張力系數。
3 數據結果處理
純凈水、1‰、2‰、3‰、4‰、5‰ 的葡萄糖溶液和肥皂水在溫度為室溫20℃時的表面張力系數見表1。表1 測定液體表面張力系數數據表實驗溫度
4 討論
在純液體中加入雜質時，體系的表面張力會發生相應的變化。根據試驗，稀溶液的表面張力和濃度的關系大致可分為：
① 在液體中加入某些雜質會顯著改變液體的表面張力。
② 雜質為表面非活性物質葡萄糖時，當溶質的濃度增加時，溶液的表面張力系數隨雜質濃度上升而上升。
③ 雜質為表面活性物質肥皂水時，當溶液很稀時，α 隨濃度的增加而急劇下降，α隨后大致不隨濃度而變(有時也可能會出現最低值)。
④ 肥皂水的表面張力系數大大低于純凈水，增加肥皂水濃度，其表面張力系數減小，但減小幅度不大。
實驗時應注意以下幾點：
① 調節焦利氏秤時一定要保證指示鏡在整個測量過程中自由懸于指示管中央。
② 拉膜時動作要輕，盡力避免彈簧的上、下振動。為使數據測量準確，拉膜過程中動作要協調。
③ 由于雜質和油污可使水的表面張力顯著減小，所以務必使蒸餾水、燒杯、金屬片保持潔凈。實驗前要對裝蒸餾水的燒杯、金屬片進行清潔處理。
④ 清潔后的用具，切勿用手觸摸，應用攝子取出或存放。
圖2 葡萄糖溶液表面張力系數隨雜質濃度變化曲線
圖3 肥皂水表面張力系數隨雜質濃度變化曲線
【參考文獻】
1 李殿閣.物理化學實驗技能.北京:科學出版社,1984.
2 王云才,等.大學物理實驗教程.北京:科學出版社,2004.
3 沈元華 陸申龍.基礎物理實驗.北京:高等教育出版社,2003.
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