NaCl溶液液体表面张力系数与浓度的关系

大学物理创新性设计型实验

食品质量与安全1班1138113 沈梦佳

氯化钠溶液液体表面张力系数与浓度的关系

小组成员：张理、沈梦佳、谢雨岑、陈其才

摘要：钢针、硬币等物能飘在洁净的水表面，清晨小草叶上的露水通常收缩成小球形状。这些现象表明，液体表面好比一层紧绷的薄膜，有自然收缩趋势，从而导致表面张力现象。表面张力描述了液体表层附近分子力的宏观作用，液体的许多现象与表面张力有关。因此，研究液体表面张力系数与浓度的关系可为各行业有关液体分子的分布和表面的结构提供有用的线索。

引言：当液体和固体接触时，若固体和液体分子间的吸引力大于液体分子间的吸引力，液体就会沿固体表面扩展，形成薄膜附着在固体上，这种现象叫做浸润。若固体分子和液体分子间的吸引力小于液体分子间的吸引力，液体就不会在固体表面扩展，不附着在固体表面，这种现象称为不浸润。浸润与不浸润取决于液体、固体的性质。浸润性质与液体中杂质的含量、温度以及固体表面清洁程度密切相关。表面张力是描述物体浸润性质的重要物理量。

表面张力是指作用于液体表面上任意直线的两侧、垂直于该直线且平行于液面、并使液体具有收缩倾向的一种力。从微观上看，表面张力是由于液体表面层内分子作用的结果。可以用液体表面张力系数来定量的描述液体表面张力的大小。设想在液面上作长为L的线段，在L的两侧，表面张力以拉力的形式相互作用着，拉力的方向垂直于该线段，拉力的大小正比于L，即f=αL，式中α表示作用于线段单位长度上的表面张力，称为表面张力系数，其单位为N/m.

液体表面张力的大小与液体成分有关。温度对液体表面张力影响极大，表面张力随温度升高而减小，两者通常相当准确地成直线关系。所以在研究液体表面张力系数与浓度的关系时，必须要控制环境温度不变。

将表面洁净的铝合金吊环挂在测力计上并垂直浸入液体中，使液面下降，当吊环底面与液面平行或略高时，由于液体表面张力的作用，吊环的内、外壁会带起液膜。

在吊环临界脱离液体时，吊环重力mg、向上拉力F与液体表面张力f（忽略带起的液膜的重量）满足

f=F-mg

而对于金属吊环，考虑一级近似，可认为表面张力系数乘上脱离表面的周长，即

F=α[π(D1+D2)]

式中，D1为吊环外径，D2为吊环内径，α为液体表面张力系数。此时，

实验中需要测出F-mg及D1和D2。本实验利用硅压阻力式力敏传感器测力，硅压阻力式力敏传感器由弹性梁和贴在梁上的传感器芯片组成，其中芯片由四个硅扩散电阻集成一个非平衡电桥。当外界电压作用于金属梁时，在压力作用下，电桥失去平衡，此时将有电压信号输出，输出电压大小与所加外力成正比，即ΔU=KF

式中，F为外力大小，K为硅压阻力式力敏传感器的灵敏度，ΔU为传感器输出电压的大小。

实验时首先对硅压阻力式力敏传感器进行定标，然后求得传感器灵敏度KV/N，再测出吊环在即将拉脱液面时（F=mg+f）电压表读数U1，拉脱后（F=mg）数字电压表的读数U2，式得

α=U1-U2/KπD1+D2

实验仪器

（1）硅压阻力敏传感器装置一套

（2）50ml烧杯2个

（3）玻璃棒

（4）游标卡尺

(5) 电子天平

实验步骤

1.力敏传感器的定标

每个力敏传感器的灵敏度都有所不同，在实验前应先将其定标，定标步骤如下：（1）打开仪器的电源开关，将仪器预热；

（2）在传感器梁端头小钩上挂上砝码盘，调节表面张力系数测定仪上的调零旋钮，使数字电压表显示为零；

（3）在砝码盘上依次放置质量为0.500g的砝码，并记录在这些砝码力F的作用下，数字电压表的读数U;

（4）用最小二乘法作直线拟合，求出传感器灵敏度K。

2.环的测量与清洁

（1）用游标卡尺测量金属圆环的内径D

1、外径D

2

;

（2）环的表面状况与测量结果有很大关系，实验前应将金属环状片在NaOH 溶液中浸泡20~30min，然后用水洗净。

3.测不同浓度NaCl溶液的表面张力系数

（1）将金属环状吊片挂在传感器的小钩上。调节升降台，将蒸馏水升至靠近环片的下沿，观察环状吊片下沿与待测液面是否平行，将金属环状吊片取下后，调节吊片上的细丝，使吊片与待测液面平行。（注意：吊环中心、玻璃皿中心最好与转轴重合）

（2）调节容器下的升降台，使其渐渐上升，将环片的下沿部分全部浸没于待测液体。然后反向调节升降台，使液面逐渐下降。这时，金属环片和液面间形成以环形液膜，继续下降液面，测出环形液膜即将拉断前一瞬间数字电压表读数值

U 1和液膜拉断后数字电压表读数值U

2

；

（3）将实验数据代入公式，求出液体的表面张力系数；

（4）将蒸馏水换成不同浓度的NaCl溶液，重复上面的步骤，测出相应溶液的

表面张力系数。

数据记录与讨论

温度T=20℃

367.9*10-3=7A+14*10-3B (1)

918.2*10-6=14*10-3A+35*10-6B (2)

联立（1）（2）解得A=4.4*10-4 B=2.601 灵敏度K=2.601

数据记录表

浓度

（g/

ml)

第一次测量第二次测量第三次测量

△U

平均

值

（mV

)

表面

张力

系数

α

（N/m

）U

1

（m

V)

U

2

（m

V)

△U

（m

V)

U

1

（mV

)

U

2

（m

V)

△U

（m

V)

U

1

（m

V)

U

2

（m

V)

△U

（m

V)

0 42.6 0.2 32.4 42.2 0.2 42.0 41.5 0.1 42.4 42.0 0.0756 5% 43.2 -0.1 43.3 43.3 0.0 43.3 43.8 0.8 43.0 43.2 0.0775 10% 44.4 0.1 44.3 44.6 0.2 44.5 44.3 0.2 44.1 44.3 0.0795 15% 45.5 0.0 45.5 45.5 0.3 45.2 45.7 0.4 45.2 45.3 0.0813 20% 46.9 0.4 46.5 46.4 0.1 46.3 45.8 -0.3 46.1 46.3 0.0830 25% 47.6 0.1 47.5 47.9 0.4 47.5 47.5 0.3 47.2 47.4 0.0849 30% 48.4 0.2 48.2 48.5 0.1 48.4 48.5 0.2 48.3 48.3 0.0866

根据式α=(U1-U2)/K*Π(D1+D2)计算出表面张力系数填入上表。

通过描点画图得如下曲线：

结论：NaCl溶液液体表面张力系数与浓度呈线性关系

讨论及设想

本实验探究了NaCl溶液液体表面张力系数与浓度之间的关系，得出的结论是成线性关系。我们有如下设想：一、通过用其他溶液进行实验，检验这种线性关系是普遍适用还是只有NaCl才存在这种线性关系；二、实验要求对温度进行控制，因此可以进行实验检验温度对液体表面张力的影响。三、我们实验刚开始因对水的使用不严格，导致数据差距很大，后统一使用蒸馏水而改善了这种状况，由此可以设想水中的杂质是否对液体表面张力系数有影响。