液體表面張力研究中,兩個需要修改的問題

王樂平 李紅梅

摘 要:在液體表面張力的研究中,通過對彎曲表面附加壓力知識的學習,以及用最大氣泡法對不同濃度乙醇溶液表面張力的實驗測定,筆者認為目前國內部分高等院校所用物理化學教材[1][2][3]及相關物理化學實驗教材[4][5]存在兩個需要修改的問題,以求理論知識的準確性、嚴謹性.兩個需要修改的問題如下:一、原有知識附加壓力定義為彎曲液面內外壓力差,符號ΔP。上述附加壓力概念應修改為附加壓強,即附加壓強:彎曲液面內外壓強差稱為附加壓強,符號為ΔP。二、最大氣泡法測溶液表面張力的實驗,以實驗理論研究為依據,最大氣泡法應改為最大泡壓法。

關鍵詞:附加壓力附加壓強最大氣泡法最大泡壓法表面張力

中圖分類號:G6 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)05(b)-0233-01

表面物理化學應用廣泛,在物理學化學生物學等學科以及化工環保采礦材料土壤食品醫藥等方面都用到表面物理化學的原理。表面張力是多相系統的重要界面性質,是表面分子所受的不平衡力的結果,它的方向沿液面切線方向,表面張力測定,目前實驗教科書大多采用最大氣泡法[4][5]。通過對最大氣泡法的實驗研究[8][9][10],筆者認為最大氣泡法應修改為最大泡壓法。

本文通過對彎曲液面受力分析,我們對液體的表面現象有更深入的認識。由于表面張力作用的結果,當表面為平面時,沿周界的表面張力互相平衡,表面兩側滿足P液＝P氣。當表面彎曲時,沿周界的表面張力不能平衡,作用在周界上的表面張力形成指向液面曲率中心方向的合力,相當于液面受到一額外壓強,這種因彎曲液面表面張力而產生的壓強稱為附加壓強。此時表面兩側存在壓強差,ΔP＝P液－P氣≠０。目前國內部分高等院校所用物理化學[1][2][3]教材原有知識附加壓力為彎曲液面內外壓力差,符號ΔP。表述不夠準確,為求理論知識的準確性、嚴謹性.上述附加壓力概念應修改為附加壓強,這也與教科書《物理學》[6]、《醫用物理學》[7]中液體表面性質的附加壓強概念相統一。

1 附加壓力改為附加壓強的研究

1.1 不同液面受力分析

1.1.1 平液面

在液體的表面取一圓形面積AB。對于面積表面張力作用在的邊緣線上,力的方向和液面相切并且和的邊界線相垂直。當液面是水平面時。表面張力作用方向也是水平的,作用在圓周各方向的表面張力相互抵消,合力為零,所以由于表面張力存在而對液面產生的附加壓強為零。設向下的大氣壓強為P(g),則向上的反作用力產生壓強P(l),則有:P(l)＝P(g)

1.1.2 凸液面

對于凸液面,作用在圓AB周邊的表面張力不在一個水平面上,合力的方向指向液體內部,該合力產生的壓強為附加壓強,大小以Δp表示。則凸液面上受到的總壓強:P(l)＝P(g)＋ΔpΔp＝P(l)－P(g)

1.1.3 凹液面

同理,對于凹液面,表面張力的合力的方向指向液體外部,該合力產生的附加壓強大小為Δp,凹面上受到的總壓強:P(l)＝P(g)－ΔpΔp＝－(P(l)－P(g))

1.2 附加壓強

由以上分析得出,由于表面張力存在,彎曲液面存在附加壓強,由此將附加壓強定義為彎曲液面內外壓強差,符號Δp表示。

對于曲率半徑為r的球形彎曲液面,附加壓強Δp＝2s/r,單位N·m-2。附加壓強方向規定為:當附加壓強指向液相內部時為正,指向液相外部時為負。

凸液面上因外壓與附加壓強的方向一致,液體所受的總壓等于外壓和附加壓強之和,總壓比平液面上大。

凹面上因外壓與附加壓強的方向相反,液體所受的總壓等于外壓和附加壓強之差,液體所受的總壓比平面上小。

2 最大氣泡法改為最大泡壓法實驗理論研究

溶液表面張力測定以最大氣泡法最為常見,目前國內各版本物理化學實驗教材及開設的實驗,大多數以最大氣泡法命名。筆者以實驗為依據,證明最大氣泡法的命名存在明顯錯誤,應改為者最大泡壓法。

待測溶液置于張力計1中,使毛細管末端與液面相切,由于毛細現象,液面沿毛細管上升至平衡。將減壓器2上活塞4打開與室內大氣壓相通,關閉活塞4,將數字微差壓力計按“采零”鍵,即將室內大氣壓作為0標準,再按數字微差壓力計“單位”鍵選擇為KPa。打開裝著水的減壓器2的活塞5,開始滴液使連通的系統減壓。此時,由于毛細管內部液面所受壓力大于毛細管外部待測液面所受壓力,毛細管液面不斷下降,將從毛細管緩慢析出氣泡.在氣泡形成的過程中,由于表面張力的作用,凹液面產生一個指向液面外的附加壓強△P,因此有以下關系:P大氣＝P系統＋△P

對于圓形彎曲液面,附加壓強與表面張力成正比,與氣泡的曲率半徑R成反比。△P＝2σ÷R

若毛細管管徑較小,則形成的氣泡可視為球形。氣泡剛形成時,由于表面幾乎是平的,所以曲率半徑R極大,當氣泡形成半球形時,曲率半徑R等于毛細管半徑r,此時R值最小。隨著氣泡的進一步增大,R又趨增大,直至逸出液面。R等于r時,附加壓強最大:△P＝2σ÷r

最大附加壓強由數字微壓差計得出.即數字微差壓力計顯示的最負數值取絕對值.據此,我們可以得出最大氣泡法應改為最大泡壓法。

對給定張力計,配置的毛細管半徑r為確定值,但不易測得,設r/2=K為儀器常數,則有σ＝K×ΔP

用已知表面張力的液體作為標準,可以測得儀器常數K,測得儀器常數K后就可以用同一裝置測定其它未知液體的表面張力。

以上液體表面張力研究中,兩個需要修改的問題,有望在新版本的物理化學教科書和物理化學實驗教科書中得到訂正。

參考文獻

[1] 侯新樸.物理化學第六版.北京:人民衛生出版社,2007:259-261.

[2] 傅獻彩.物理化學(上、下)第四版.北京:高等教育出版社,1999:600-605.

[3] 韓德剛,高執棣,高盤良.物理化學.北京:高等教育出版社,1999:210-215.

[4] 清華大學化學系物理化學實驗編寫組.物理化學實驗.北京:清華大學出版社,1991:287.

[5] 北京大學化學學院物理化學實驗教學組.物理化學實驗(第四版).北京:北京大學出版社,2002:37-43.

[6] 潘百年.物理學.北京:中國醫藥科技出版社,2000:43-44.

[7] 胡新珉.醫學物理學.北京:人民衛生出版社,2001:104.