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研究雜質(zhì)濃度變化對液體表面張力系數影響的實(shí)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(zhì)的濃度變化是如何影響液體表面張力系數的。
【關(guān)鍵詞】 表面張力系數; 雜質(zhì); 濃度; 實(shí)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(zhì)的一種表現。從微觀(guān)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(zhì)。液態(tài)物質(zhì)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(cháng)為L(cháng)的線(xiàn)段，則線(xiàn)段兩邊液面上有一張力F作用于L且力的方向與線(xiàn)段垂直，大小與線(xiàn)段長(cháng)度L成正比，即：
F=α·L
其中的α稱(chēng)為液體表面張力系數，它等于單位長(cháng)度直線(xiàn)兩旁液面分子之間的相互作用力，由于組成不同的物質(zhì)的分子不同，且在同一液體中不同溫度分子的動(dòng)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(zhì)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(gè)重要參數。在醫學(xué)工程、化學(xué)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(diǎn)是用秤量?jì)x器直接測量液體的表面張力，測量方法直觀(guān)，概念清楚。通過(guò)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(shù)，觀(guān)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(shí)驗數據的作圖處理方法，學(xué)會(huì )做科學(xué)研究的一般方法，通過(guò)實(shí)驗找出雜質(zhì)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(mén)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(jìn)行測量。將一長(cháng)度為L(cháng)的潔凈門(mén)型金屬絲浸入水中后，慢慢拉出水面門(mén)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(mén)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(zhì)量，f 為表面張力。表面張力與長(cháng)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(shí)，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(chēng)論文
(4)式中K為彈簧的倔強系數，X0為細絲剛浸入液體時(shí)標尺的讀數， X為細絲從液面拉脫時(shí)的讀數。ΔX =X- X0為差值。
在實(shí)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(shí)的表面張力系數見(jiàn)表1。表1 測定液體表面張力系數數據表實(shí)驗溫度
4 討論
在純液體中加入雜質(zhì)時(shí)，體系的表面張力會(huì )發(fā)生相應的變化。根據試驗，稀溶液的表面張力和濃度的關(guān)系大致可分為：
�、� 在液體中加入某些雜質(zhì)會(huì )顯著(zhù)改變液體的表面張力。
�、� 雜質(zhì)為表面非活性物質(zhì)葡萄糖時(shí)，當溶質(zhì)的濃度增加時(shí)，溶液的表面張力系數隨雜質(zhì)濃度上升而上升。
�、� 雜質(zhì)為表面活性物質(zhì)肥皂水時(shí)，當溶液很稀時(shí)，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(shí)也可能會(huì )出現最低值)。
�、� 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(shí)驗時(shí)應注意以下幾點(diǎn)：
�、� 調節焦利氏秤時(shí)一定要保證指示鏡在整個(gè)測量過(guò)程中自由懸于指示管中央。
�、� 拉膜時(shí)動(dòng)作要輕，盡力避免彈簧的上、下振動(dòng)。為使數據測量準確，拉膜過(guò)程中動(dòng)作要協(xié)調。
�、� 由于雜質(zhì)和油污可使水的表面張力顯著(zhù)減小，所以務(wù)必使蒸餾水、燒杯、金屬片保持潔凈。實(shí)驗前要對裝蒸餾水的燒杯、金屬片進(jìn)行清潔處理。
�、� 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(zhì)濃度變化曲線(xiàn)
圖3 肥皂水表面張力系數隨雜質(zhì)濃度變化曲線(xiàn)
【參考文獻】
1 李殿閣.物理化學(xué)實(shí)驗技能.北京:科學(xué)出版社,1984.
2 王云才,等.大學(xué)物理實(shí)驗教程.北京:科學(xué)出版社,2004.
3 沈元華 陸申龍.基礎物理實(shí)驗.北京:高等教育出版社,2003.
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