實驗十 表面張力測定
                                                    

 
目的 原理 儀器與裝置 方法 步驟 預習問題 結果記錄 思考問題

 

目的

用 Du Nouy 張力計測定不同液體的表面張力。

原理

清晨,到戶外散步,小草上的露珠散射著陽光,閃閃發亮。你是否曾思考過葉片上的水為什麼會凝結成球狀,而不是其它形狀?水銀瀉地,也會形成很多小珠子在地上滾來滾去;假如有機會玩玩液態氮(-198 ℃!),你會發現,倒在地上,液氮也如同水珠在荷葉上一般,在地上打滾;天上下來的雨滴也是呈球形的,為什麼呢?你可能在小學的時候就已經知道答案:是因為液體的表面張力。表面張力到底是什麼?又如何做定量的描述呢?我們下面慢慢說明。

圖1

分子由於相互吸引作用而凝聚成液體,在液體中的分子四面八方都受到吸引力,但也因此每個方向受力皆相等,合力為零。但在液體表面的分子所受分子間的引力並不均勻,如圖1,結果合成一往液體內的合力。因此,當分子從內部移到表面時需要作功,也就是說,表面的位能較高,而單位液面所高出來的表面位能,我們稱之為表面張力。這個表面層約只有幾個分子厚。

上面的說明好像抽像了些,簡單一點說,表面張力是描述液體想要使自己表面積達到最小的趨勢。表面積越小,多出的表面位能也就越少,液體也就越穩定。考慮一定體積但不同形狀的,球形體的表面積最小(你知道怎麼證明嗎?),那麼浮懸在空中的液體,必成球形(不考慮重力位能)。

方法說明

表面有表面張力,所以當我們用一環浸在液體中,再提到表面以上時,液體表面積將增加,即需要作功,此功等於增加的表面積乘以表面張力,也就是需要用力去提起金屬環。

圖2

設環長為 ,液面至金屬環提上到液膜破裂的距離為 ,而且因為薄液膜有兩個面,所以實際上表面積的增加有兩倍,即 ,故所作的功  為

(1)

   
(2)

其中  是表面張力, 表拉力。

假設已知純水的表面張力 ,那麼只要測定純水與待測液體相對應的拉力  與 ,則待測液體的表面張力  為

  (3)
(4)

                                                                                                      

                                                                                                   

儀器與裝置

Du Nouy 張力計,金屬圓環,溫度計,待測液體(甘油、酒精),玻璃皿。

Du Nouy 張力計各部說明(圖3)

   圖3 儀器裝置圖

A:鋼線

B:橫桿

C:金屬圓環

D:歸零鈕、旋緊鋼線

E:刻度盤

F:調整 B 橫桿的高低

G:拉緊(固定)鋼線的鈕

I:高度微調

J:支撐架

步驟

1.將刻度盤 E 歸零。

方法一: 先測量液面高度 ,移開玻璃皿,調整 ,使圓環至支撐架之高度剛好為 ,再調整 D 使刻度盤指針指在零處。

方法二:(由液下拉至液面歸零法)調整儀器中 FG 將圓環 C 從液下緩緩拉到與液面接觸,調整 D 使刻度盤指針指在零處。

2.如裝置圖3玻璃且內先放純水。

3.慢慢調整 D,使圓環 C 緩緩提離液面,當圓環離開水面的瞬間,記錄刻度盤E 上的讀值  即表拉力。重覆步驟 1, 2, 3 四次,求平均值。

4. 將水加熱,並將熱電耦溫度計的一端放入玻璃皿內,紀錄水溫的變化值。分別量測水溫為30℃、40℃、50℃、60℃、70℃與80℃時的表面

張力。

5. 將少量肥皂粉,溶入水中,重覆步驟 1, 2, 3 測得刻度 。

6. 量取此時室溫,查表得知純水在此溫度之表面張力 代入 (4) 式,求得肥皂水表面張力 。

7. 將純水換成待測液體,重覆上面步驟,求得待測液體表面張力 ,和附表 (2) 對照參考。。

8. 將待測液體與純水混合,分別配製不同濃度的待測液體為 20﹪、40﹪、60﹪與 80﹪,重覆上面步驟,求得不同濃度的待測液體的表面

張力。

附表:

一、水之表面張力 (dyne/cm)

溫度℃

0

5

10

15

20

25

30

40

60

80

表面張力

74.64

74.92

74.22

73.49

72.75

71.97

71.18

69.59

66.18

62.61

二、液體之表面張力 (dyne/cm)(20 ℃)

    質

酒精

乙醚

甘油

石油

表面張力

22.3

16.5

63.4

26.0

預習問題

1.由原理中表面張力的定義可知其單位為〔能量/面積〕,而由方法中式 (2)可知單位為〔力/長度〕,說明這兩單位是一致的。

2.假如我們能夠精確地測量出圖2中的 F,那麼由式 (2) 所得之 能夠十分精確地表示液體的表面張力嗎? 應該比真正的表面張力值大或小?由此討論本實驗方法的精確性。

記錄與結果

1.不同物質的表面張力

 

肥皂水

待測液體

1

 

 

 

2

 

 

 

3

 

 

 

4

 

 

 

平均值

 

 

 

2.現在室溫:                ℃,

  水之表面張力  =             dyne/cm,

  肥皂水之表面張力  =          dyne/cm,

  待測液體之表面張力 =                  dyne/cm 。

3. 溫度與表面張力的關係:

  溫度

30
40
50

60

70

80

拉力

     

 

 

 

 表面張力

     

 

 

 

4. 待測液體濃度與表面張力的關係:

    待測液濃度%

            20%
            40%
          60%

      80%

      拉力

     

 

      表面張力

     

 

 

思考問題

1.你實驗結果的準確度如何?試解釋可能之誤差來源。

2.步驟 1 中列有兩種不同的歸零法,那一種可得到比較準確的結果?為什麼?

3.加入少量的鹽,會稍微改變水的表面張力,若加入少量的油,則表面張力將有很大的改變,試解釋。

4.較冷的湯,油會均勻地分佈在湯表面;而高溫時則油在湯表面的分佈變得不均勻,一團一團的,試解釋其原因。