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1、第29卷第5期摇摇大学化学Vol.29No.5摇摇2014年10月UNIVERSITYCHEMISTRYOct.2014液滴尺寸与表面张力*刘引烽摇房嫄摇赵凯凯摇李琛骏摇杨小瑞摇周海堤摇王宇翔摇朱逸莉摇徐华根(上海大学材料科学与工程学院高分子材料系摇上海200444)摇摇摘要摇液体的滴数问题是化学实验等实际工作中经常遇到的界面问题。液滴体积与液体的表面张力有关,因此一定体积的液体所具有的液滴数也与表面张力有关。但若仅考虑表面张力的影响而忽视密度的作用,则有可能得出不正确的结论。本文从一道考题入手,讨论了
2、表面张力、密度等因素对液滴大小的影响,对考题答案进行了分析。摇摇关键词摇界面化学摇液滴大小摇表面张力摇密度摇摇液体的滴数问题是界面化学在化学实验等实际工作中经常遇到的问题。一滴液滴的大小与液体的表面张力有关,因此一定体积的液体所具有的液滴数也与表面张力有关。学生在课程学习和复习迎考时,往往会从各种复习资料中搜集试题来加以练习和巩固。我们注意到,关于胶体化学或界面化学课程,常有关于滴数的考题。有些参考试题及其解答是正确的,有些则有误。本文通过对一个考题的分析来辨析一些基本概念。摇摇在某大学物理化学考试试卷
3、中有以下一道考题:在同一条件下,用同一滴管分别滴下同体积的3种液体———水、硫酸水溶液、丁醇水溶液,则它们的滴数为(摇摇)。摇摇摇摇A.一样多摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇B.水的最多,丁醇水溶液最少摇摇摇摇C.硫酸水溶液最多,丁醇水溶液最少D.丁醇水溶液最多,硫酸水溶液最少摇摇资料中给出的答案是D,其原因分析是:因为硫酸溶液表面张力最大,可以托住的液滴质量最大,所以滴数最少;丁醇表面张力最小,可以托住的液滴质量最小,所以滴数最多。摇摇这道考题能结合实际当然很好,但它的结论是正确的吗?我们将在下面进行分
4、析。摇摇表面张力与液滴大小密切相关。在表面张力的测定方法中,有一种就是采用滴重法来进行的。根据滴重法测定液体表面张力原理(Tate定律),对于表面张力为酌、半径为r、质量为m的液滴,应满足以下关系:摇摇摇摇2仔r酌=mg但由于液滴滴落时并非完美的球形,而是会被拉长成椭球并产生一定的液柱,部分液柱会残留于毛细管底部并不下落,因此,该式在应用时需要进行校正。校正后的方程应该是:摇摇摇摇2仔r酌f=mg式中f是校正因子。于是,Tate方程可以写成:mg摇摇摇摇r=(1)2仔酌f摇摇对于不同的物质,每一滴的质量
5、并不一样,它与液滴体积(V)和密度(籽)有关,因此:*通讯联系人,E鄄mail:liuyf@shu.edu.cn摇第5期刘引烽等:液滴尺寸与表面张力853V籽g2r籽g摇摇摇摇r==(2)2仔酌f3酌f所以,液滴大小与液体表面张力和密度的关系为:13酌f2摇摇摇摇r=()(3)2籽g摇摇由式(3)可知,在密度、校正因子等因素一定的情况下,表面张力越大,在滴落前的瞬间,液滴的半径也越大。前面给出的考题正是想测试考生对表面张力与液滴大小关系的理解。但是,不同的液体,其密度是不同的;因此,若忽略密度的影响,则
6、得到的结论就有可能与实际不符。接下来,我们就来看看密度的影响是否可以忽略。摇摇考题中采用的是水溶液。对于不同物质、不同质量分数、不同温度下的水溶液,其密度和表面张力都是不同的。因此,要考虑表面张力和密度的共同影响,就必须结合实例进行分析。摇摇首先分析NaCl水溶液的情况。NaCl水溶液的密度和表面张力的数据可查阅《日用化工理化数据[1][2][3]手册》、《物理化学手册》或《海水利用手册》等。以《物理化学手册》为例,可由其中的数据得到NaCl水溶液密度与NaCl质量分数的关系曲线(图1)以及表面张力随N
7、aCl质量分数的变化曲线(图[4]2)。席华在1997年发表的论文中给出了NaCl水溶液的密度、表面张力和沸点与温度及NaCl质量分数间的经验关系式。其中NaCl水溶液的密度籽与NaCl质量分数(w(NaCl))及温度(t)的关系为:-32摇摇摇摇籽=1006.0+737.7w(NaCl)-0.311t-1.993伊10t(4)NaCl表面张力与NaCl质量分数及温度的关系式为:-2-2-4摇摇摇摇酌=7.549伊10+3.670伊10w(NaCl)-1.485伊10t(原文中漏了w项)(5)图1摇Na
8、Cl水溶液密度随NaCl质量分数的变化关系图2摇NaCl水溶液表面张力随NaCl质量分数的变化关系摇摇根据式(4)和式(5),得到NaCl水溶液在20益、不同NaCl质量分数下的密度与表面张力数据,如表1所示。表1摇NaCl水溶液表面张力及密度随NaCl质量分数的变化计算值w(NaCl)/%酌/mN·m-1-3w(NaCl)/%酌/mN·m-1-3籽/g·cm籽/g·cm072.520.9990574.361.0360.0172.520.9
