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。

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。

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

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

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）

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 F、G 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)

二、液體之表面張力 (dyne/cm)(20 ℃)

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 及 ，那麼由式 (2) 所得之 Ｔ 能夠十分精確地表示液體的表面張力嗎？Ｔ 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

2.現在室溫：                ℃，

  水之表面張力  =             dyne/cm，

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。