液体表面张力研究中,两个需要修改的问题

王乐平 李红梅

摘 要:在液体表面张力的研究中,通过对弯曲表面附加压力知识的学习,以及用最大气泡法对不同浓度乙醇溶液表面张力的实验测定,笔者认为目前国内部分高等院校所用物理化学教材[1][2][3]及相关物理化学实验教材[4][5]存在两个需要修改的问题,以求理论知识的准确性、严谨性.两个需要修改的问题如下:一、原有知识附加压力定义为弯曲液面内外压力差,符号ΔP。上述附加压力概念应修改为附加压强,即附加压强:弯曲液面内外压强差称为附加压强,符号为ΔP。二、最大气泡法测溶液表面张力的实验,以实验理论研究为依据,最大气泡法应改为最大泡压法。

关键词:附加压力附加压强最大气泡法最大泡压法表面张力

中图分类号:G6 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)05(b)-0233-01

表面物理化学应用广泛,在物理学化学生物学等学科以及化工环保采矿材料土壤食品医药等方面都用到表面物理化学的原理。表面张力是多相系统的重要界面性质,是表面分子所受的不平衡力的结果,它的方向沿液面切线方向,表面张力测定,目前实验教科书大多采用最大气泡法[4][5]。通过对最大气泡法的实验研究[8][9][10],笔者认为最大气泡法应修改为最大泡压法。

本文通过对弯曲液面受力分析,我们对液体的表面现象有更深入的认识。由于表面张力作用的结果,当表面为平面时,沿周界的表面张力互相平衡,表面两侧满足P液＝P气。当表面弯曲时,沿周界的表面张力不能平衡,作用在周界上的表面张力形成指向液面曲率中心方向的合力,相当于液面受到一额外压强,这种因弯曲液面表面张力而产生的压强称为附加压强。此时表面两侧存在压强差,ΔP＝P液－P气≠０。目前国内部分高等院校所用物理化学[1][2][3]教材原有知识附加压力为弯曲液面内外压力差,符号ΔP。表述不够准确,为求理论知识的准确性、严谨性.上述附加压力概念应修改为附加压强,这也与教科书《物理学》[6]、《医用物理学》[7]中液体表面性质的附加压强概念相统一。

1 附加压力改为附加压强的研究

1.1 不同液面受力分析

1.1.1 平液面

在液体的表面取一圆形面积AB。对于面积表面张力作用在的边缘线上,力的方向和液面相切并且和的边界线相垂直。当液面是水平面时。表面张力作用方向也是水平的,作用在圆周各方向的表面张力相互抵消,合力为零,所以由于表面张力存在而对液面产生的附加压强为零。设向下的大气压强为P(g),则向上的反作用力产生压强P(l),则有:P(l)＝P(g)

1.1.2 凸液面

对于凸液面,作用在圆AB周边的表面张力不在一个水平面上,合力的方向指向液体内部,该合力产生的压强为附加压强,大小以Δp表示。则凸液面上受到的总压强:P(l)＝P(g)＋ΔpΔp＝P(l)－P(g)

1.1.3 凹液面

同理,对于凹液面,表面张力的合力的方向指向液体外部,该合力产生的附加压强大小为Δp,凹面上受到的总压强:P(l)＝P(g)－ΔpΔp＝－(P(l)－P(g))

1.2 附加压强

由以上分析得出,由于表面张力存在,弯曲液面存在附加压强,由此将附加压强定义为弯曲液面内外压强差,符号Δp表示。

对于曲率半径为r的球形弯曲液面,附加压强Δp＝2s/r,单位N·m-2。附加压强方向规定为:当附加压强指向液相内部时为正,指向液相外部时为负。

凸液面上因外压与附加压强的方向一致,液体所受的总压等于外压和附加压强之和,总压比平液面上大。

凹面上因外压与附加压强的方向相反,液体所受的总压等于外压和附加压强之差,液体所受的总压比平面上小。

2 最大气泡法改为最大泡压法实验理论研究

溶液表面张力测定以最大气泡法最为常见,目前国内各版本物理化学实验教材及开设的实验,大多数以最大气泡法命名。笔者以实验为依据,证明最大气泡法的命名存在明显错误,应改为者最大泡压法。

待测溶液置于张力计1中,使毛细管末端与液面相切,由于毛细现象,液面沿毛细管上升至平衡。将减压器2上活塞4打开与室内大气压相通,关闭活塞4,将数字微差压力计按“采零”键,即将室内大气压作为0标准,再按数字微差压力计“单位”键选择为KPa。打开装着水的减压器2的活塞5,开始滴液使连通的系统减压。此时,由于毛细管内部液面所受压力大于毛细管外部待测液面所受压力,毛细管液面不断下降,将从毛细管缓慢析出气泡.在气泡形成的过程中,由于表面张力的作用,凹液面产生一个指向液面外的附加压强△P,因此有以下关系:P大气＝P系统＋△P

对于圆形弯曲液面,附加压强与表面张力成正比,与气泡的曲率半径R成反比。△P＝2σ÷R

若毛细管管径较小,则形成的气泡可视为球形。气泡刚形成时,由于表面几乎是平的,所以曲率半径R极大,当气泡形成半球形时,曲率半径R等于毛细管半径r,此时R值最小。随着气泡的进一步增大,R又趋增大,直至逸出液面。R等于r时,附加压强最大:△P＝2σ÷r

最大附加压强由数字微压差计得出.即数字微差压力计显示的最负数值取绝对值.据此,我们可以得出最大气泡法应改为最大泡压法。

对给定张力计,配置的毛细管半径r为确定值,但不易测得,设r/2=K为仪器常数,则有σ＝K×ΔP

用已知表面张力的液体作为标准,可以测得仪器常数K,测得仪器常数K后就可以用同一装置测定其它未知液体的表面张力。

以上液体表面张力研究中,两个需要修改的问题,有望在新版本的物理化学教科书和物理化学实验教科书中得到订正。

参考文献

[1] 侯新朴.物理化学第六版.北京:人民卫生出版社,2007:259-261.

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

[3] 韩德刚,高执棣,高盘良.物理化学.北京:高等教育出版社,1999:210-215.

[4] 清华大学化学系物理化学实验编写组.物理化学实验.北京:清华大学出版社,1991:287.

[5] 北京大学化学学院物理化学实验教学组.物理化学实验(第四版).北京:北京大学出版社,2002:37-43.

[6] 潘百年.物理学.北京:中国医药科技出版社,2000:43-44.

[7] 胡新珉.医学物理学.北京:人民卫生出版社,2001:104.