拉脫法測(cè)量水處理劑K—HEDP溶液的表面張力系數(shù)

周天如　劉明月

摘 要 K-HEDP（俗稱羥基亞乙基二膦酸鉀鹽，分子式為C2H6O7P2 K2）作為一種工業(yè)廢液，由于其優(yōu)良的水溶性，成為提供植物生長(zhǎng)發(fā)育所需要的鉀元素和磷元素的葉面肥的重要來(lái)源，此外K-HEDP是一種應(yīng)用前景巨大的葉面肥表面活性物質(zhì)添加劑，在降低葉面肥的表面張力，增加葉面肥對(duì)葉子的潤(rùn)濕方面具有重要作用。因此測(cè)定在不同的K-HEDP和水的混合比例下，溶液的表面張力系數(shù)成為關(guān)鍵。本文根據(jù)高中物理所學(xué)習(xí)的二力平衡的思路，利用液體表面張力系數(shù)測(cè)量?jī)x測(cè)定了K-HEDP和水在不同比例下的溶液表面張力系數(shù)。

關(guān)鍵詞 葉面肥 K-HEDP 表面張力系數(shù)

中圖分類號(hào)：O348 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

葉面肥是以葉面吸收為目的，將作物所需養(yǎng)分直接施用葉面的肥料。 是營(yíng)養(yǎng)元素施用于農(nóng)作物葉片表面，通過(guò)葉片的吸收而發(fā)揮其功能的一種肥料類型，與傳統(tǒng)的根肥相比，葉面肥具有吸收快、作用強(qiáng)、用量省、效率高等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合在土壤中容易流失的磷元素，以及鐵、錳、銅等微量元素。除了為植物提供營(yíng)養(yǎng)元素，葉面肥還具有殺蟲(chóng)和防蒸騰的作用。植物的葉片有上下兩層表皮，由表皮細(xì)胞組成，表上細(xì)胞的外側(cè)有角質(zhì)層和蠟質(zhì)，可以保護(hù)表皮組織下的葉肉細(xì)胞行使光合、呼吸等功能，不受外界不利條件變化的影響，葉片表面還有許多微小的氣孔，行使氣體更換的功能。研究表明，角質(zhì)層由一種帶有羥基和羧基的長(zhǎng)碳鏈脂肪酸聚合物組成，這種聚合物的分子間隙及分子上的羥基、羧基親水基團(tuán)可以讓水溶液滲透進(jìn)入葉內(nèi)，當(dāng)然，葉片表面的氣孔是葉面肥進(jìn)入葉片更方便的通道。

1實(shí)驗(yàn)儀器

FD-NST-I型液體表面張力系數(shù)測(cè)定儀（如圖1所示）、溫度計(jì)、量筒、游標(biāo)卡尺。

圖1：FD-NST-I型液體表面張力系數(shù)測(cè)定儀

1、調(diào)節(jié)螺絲 2、升降螺絲 3、玻璃器皿 4、吊環(huán) 5、力敏傳感器

6、支架 7、固定螺絲 8、航空插頭 9、底座 10、數(shù)字電壓表 11、調(diào)零

2實(shí)驗(yàn)原理

表面張力f是存在于液體表面上任何一條分界線兩側(cè)間的液體的相互作用拉力，方向與液體表面相切，并且垂直于液面分界線，大小與液面的分界線長(zhǎng)度成正比，即

（1）

上式中比例系數(shù) 叫做液體的表面張力系數(shù)，其國(guó)際單位是N m-1。表面張力系數(shù)的大小和液體的種類、純度、溫度、溶液上方的氣體成分等因素有關(guān)。一般液體的溫度越高， 值越小，所含雜質(zhì)越多， 值越小。因此，在測(cè)定液體的表面張力系數(shù) 時(shí)，須注明測(cè)量時(shí)的溫度，以及被測(cè)液體的純度。

本實(shí)驗(yàn)利用拉脫法測(cè)量K-HEDP溶液的表面張力系數(shù)。將一表面潔凈的金屬圓環(huán)緩慢浸入K-HEDP溶液中，使環(huán)底保持水平，然后輕輕提起，在緩慢向上提拉金屬環(huán)時(shí)，由于表面張力的作用，金屬環(huán)掛有兩層液膜，金屬環(huán)附近的液面呈現(xiàn)兩個(gè)由液膜構(gòu)成的同軸柱面。金屬環(huán)受到液膜施加的垂直向下的表面張力f，其大小與金屬環(huán)的周長(zhǎng)l成正比，即

= （d1+d2） （2）

式（2）中，d1、d2分別是金屬環(huán)的內(nèi)徑和外徑。

假設(shè)金屬環(huán)受到向上的拉力為F、溶液的表面張力為f，重力為G，在液膜即將斷裂的瞬間三個(gè)力滿足平衡條件

F=G+f （3）

實(shí)驗(yàn)中將金屬環(huán)掛在力敏傳感器的掛鉤上，并將電壓調(diào)零，則力敏傳感器傳遞的金屬環(huán)的重量顯示G=0，此時(shí)f=0。當(dāng)輕輕提拉金屬環(huán)至數(shù)字電壓表讀數(shù)最大時(shí)，測(cè)力計(jì)的拉力也達(dá)到最大值Fmax，此時(shí)

Fmax=f= （d1+d2） （4）

如果繼續(xù)拉起金屬環(huán)，水柱將破裂，測(cè)力計(jì)讀數(shù)先下降并迅速減小。

當(dāng)力敏傳感器拉力為F時(shí)，數(shù)字電壓表的示數(shù)為U，則有

= （5）

式（5）中B表示力敏傳感器的靈敏度，單位為mV N-1。當(dāng)數(shù)字電壓表的數(shù)值達(dá)到最大時(shí)

= （6）

由式（2）、（4）、（6）可得表面張力系數(shù) 為

= （7）

3實(shí)驗(yàn)步驟

（1）打開(kāi)數(shù)字電壓表預(yù)熱15分鐘。

（2）清洗培養(yǎng)皿和金屬環(huán)。

（3）調(diào)節(jié)支架底腳螺絲，使得培養(yǎng)皿保持水平。

（4）測(cè)定力敏傳感器的靈敏度。

①預(yù)熱15分鐘后，在力敏傳感器上掛上吊盤(pán)，將電壓表清零。

②用鑷子將七個(gè)質(zhì)量均為0.500g的片碼依次輕輕放入吊盤(pán)中（不要使得吊盤(pán)晃動(dòng)），分別記下電壓表的讀數(shù)U1～U7；再依次從吊盤(pán)中取走片碼，待吊盤(pán)穩(wěn)定后，記下讀數(shù)U7～U1，并將數(shù)據(jù)填入表格1中，利用線性回歸法求出儀器的靈敏度B。

（5）測(cè)定水的表面張力系數(shù)。

①用游標(biāo)卡尺測(cè)出金屬環(huán)的內(nèi)徑和外徑d1、d2。

②將清洗干凈的金屬環(huán)掛在力敏傳感器的掛鉤上，并將電壓表調(diào)零。

③將待測(cè)溶液倒入培養(yǎng)皿中，并逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)升降臺(tái)大螺母使得溶液液面隨著培養(yǎng)皿上升，待金屬環(huán)下沿均浸入溶液中時(shí)，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)大螺母使得溶液液面隨著培養(yǎng)皿下降。當(dāng)數(shù)字電壓表顯示數(shù)值出現(xiàn)最大讀數(shù)時(shí)，記錄此時(shí)的讀數(shù)Umax，金屬環(huán)離開(kāi)液面后重新調(diào)零，重復(fù)測(cè)量4次，將數(shù)據(jù)填入表格2，并利用式（7）計(jì)算溶液的表面張力系數(shù)。

④調(diào)整K-HEDP和水的比例，依次重復(fù)步驟（1）、（2）、（3）得到不同K-HEDP和水在不同的混合比例下的表面張力系數(shù)。

4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和處理

見(jiàn)表1

令X=mg，Y=U，按Y=A+BX利用excel進(jìn)行線性回歸得回歸系數(shù)B（即靈敏度）。

見(jiàn)表2

利用游標(biāo)卡尺測(cè)得金屬環(huán)的內(nèi)徑d1=33.08mm，外徑d1=34.76mm。

根據(jù)表2中的表面張力系數(shù)可知，K-HEDP溶液的表面張力系數(shù)與K-HEDP稀釋比例密切相關(guān)。其中K-HEDP原液的表面張力系數(shù)最大，稀釋后的K-HEDP溶液的表面張力系數(shù)會(huì)顯著下降。

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（1）由表2實(shí)驗(yàn)中溶液表面張力系數(shù)的數(shù)據(jù)可知，溶液的表面張力系數(shù)與K-HEDP稀釋比例有關(guān)。

（2）比較表2中所測(cè)的不同的稀釋比例下K-HEDP溶液的表面張力系數(shù)可知，當(dāng)K-HEDP進(jìn)行2倍稀釋的時(shí)候（即K-HEDP：水的比例為1：2）溶液的表面張力系數(shù)最小。

（3）由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，為進(jìn)一步獲得K-HEDP在不同的稀釋比例下的溶液表面張力系數(shù)和稀釋比例間的關(guān)系，需要進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)并采用更精確的實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器。

6應(yīng)用展望

本文采用拉脫法測(cè)量了K-HEDP在不同的稀釋比例下的表面張力系數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著K-HEDP稀釋比例的變化，溶液的表面張力系數(shù)會(huì)有顯著的不同，采用精度更高的力敏測(cè)量?jī)x，從而獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，從而推測(cè)出與K-HEDP溶液表面張力系數(shù)的最小值所對(duì)應(yīng)的稀釋比例從而為葉面肥中表面活性物質(zhì)的添加提供科學(xué)依據(jù)。利用K-HEDP良好的水溶性，并且本身會(huì)提供植物所必須鉀元素和磷元素的特性，將K-HEDP恰當(dāng)稀釋后與葉面肥混合著一起，可以降低葉面肥表面張力系數(shù)進(jìn)而增強(qiáng)植物葉面對(duì)葉面肥的吸收效率，同時(shí)又可以提供植物所需的鉀元素和磷元素，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育。