项目作者：高一（12）班 向枭  

         高一（12）班 谭皓天

         高二（11）班 袁振华

指导老师：蔡小蔓 段杉杉 武静

摘要：在高一化学必修一第一章萃取实验中，发现老师在演示实验时，溶液静置一段时间后分层，但是上层（水层）上方仍然有一滴碘的四氯化碳溶液，反复振荡仍然在上方，由此引发思考展开研究，总结归纳表面张力的测定方法以及表面张力在我们生活中的应用实例。

研究背景与研究目的：

在高一化学必修一第一章萃取实验中，发现老师在演示实验时，溶液静置一段时间后分层，但是上层（水层）上方仍然有一滴碘的四氯化碳溶液，反复振荡仍然在上方，由此引发思考展开研究，总结归纳表面张力的测定方法以及表面张力在我们生活中的应用实例。

对萃取实验中现象的解释：

由于四氯化碳与水不互溶，细小的四氯化碳液滴产生的表面张力使它在水的表面成凸状，又在水形成的张力作用下，相对四氯化碳呈凸状的趋势，产生朝上的合力，以致浮在水面。

表面张力测定的方法及结果分析：

（1）毛细管高度法

这个方法,研究的比较早。在理论和实际上都比较成熟。如图1所示, 干净的毛细管浸入液体内部时, 如果液体间的分子力小于液体与管壁间的附着力, 则液体表面呈凹形。此时表面张力产生的附加力为向上的拉力, 并使毛细管内的液面上升, 直到液柱的重力与表面张力相平衡:

式中: 液体的表面张力; r - 毛细管的内径; θ接触角; 和 液体和气体的密度; h -液柱的高度;g - 当地的重力加速度。在实际应用中一般用透明的玻璃管, 如果玻璃被液体完全润湿, 可以近似的认为= 0；如果计算毛细管中弯月部分的重量, 则公式( 2) 可以修正为:

如果使用的毛细管直径小于1mm, 则公式( 3) 可以进一步简化为:

但是使用一根毛细管时, 基准液面高度难以确定, 实验中多采用双根毛细管的方法。于是, 公式( 4) 变为:

式中 是两根毛细管内液面高度差, 下标1、2 分别代表两根毛细管。由于计算中假定= 0, 所以此方法只能用于测定能够完全润湿玻璃的液体, 不能用于碱性液体的测量。可以利用高压容器实现利用此方法对高压液体的表面张力的测量。

（2）滴重法和滴体积法

如图所示, 对于液体从很细的管口中缓慢滴出的过程, 液滴在表面张力的支撑下缓慢长大,当重量比表面张力稍大时,液滴就将落下来。设管口的半径为r,落下的液滴质量为m, 其表面张力为F, 当地重力加速度为g, 则可以得到:

mg = 2πrF

由此可以算出表面张力。滴体积法的原理与滴重法相同，在此不一一赘述。

（3）悬滴法

悬滴法测量表面张力的基本思想是:当液滴被静止悬挂在毛细管的管口处时,液滴的外形主要取决于重力和表面张力的平衡。因此, 通过对液滴外形的测定, 即可推算出液体的表面张力；另外, 若将液滴悬挂在另一不相溶溶液中, 也可推算出两种液体的界面张力。

取如图1 所示坐标系, 图中是界面上(x , z ) 处的倾角。液滴的外形可以用如下的方程表示为:

其中, r 是点( x , z ) 处的曲率半径; B是与重力加速度g ( 当地重力加速度g 为9. 79684m/ s² ) 、表面张力、相接触的两种流体的密度差Q以及液滴原点处的曲率半径b 有关的量:

          图1  

在方程( 3) 中若取b 为长度的量纲, x , z 以及B均可以表达为无量纲形式。可见液滴的形状主要决定于,而得出及b 较困难,简化表面张力的计算公式为:

其中D_e 为液滴最宽处的直径, 即液滴的赤道直径, 而H 是与液滴的形状因子S 有关的修正后的形状因子。S 定义为:   （5

D_s 为距液滴底部D_e 处平面上的直径( 如图1) 。

生活中表面张力的应用实例：

我们可以做这样的小实验：在一个金属环上放置一根细线，把金属环连同细线放入肥皂液中，取出后形成液膜，环线保持原来的随机形状，若将环线中的液膜刺破，环线立即张紧形成圆形。在上述的实例中，细线中液膜刺破后，细线是在真实的指向四周的力的拉动下张紧而形成圆形。这个简单的实例便说明了表面张力的存在，若否定表面张力，液膜的体系中力的平衡将无法解释，所以我们可以肯定得出表面张力存在。

荷叶上的水滴、玻璃上的水银珠等，都近似呈球形——如果没有重力等作用， 则呈标准球形。由于表面张力，密度比水大的缝衣钢针和实心铝制硬币都可以漂浮在水面； 密度比水大的水蜘蛛等能在水面上健步如飞；小昆虫能趴在水面上，植物土壤以上的部分靠毛细现象吸收水分和营养，这些都是神奇的表面张力在起着重要的作用。

研究结论与收获体会：

在明白了表面张力的效果、测量原理和液滴上浮的原因后，对于做实验时摇液滴摇不下去时的郁闷已消散了。物体是否能悬浮于液体上，不仅只取决于浮力密度，同时也可以受液体表面张力的控制，而表面张力产生的效果与液体和固、液体间不浸润的程度有关，也和接触面面积有关。沼泽里踩大面积物体移动也是由于表面张力效果，表面张力完善了科学理论，对于我们也很容易理解，毕竟生活中不缺少新事物，但有时缺少常识。