關(guān)于物理化學(xué)教材的兩個(gè)問(wèn)題

關(guān)于物理化學(xué)教材的兩個(gè)問(wèn)題

表面活性劑廣泛應(yīng)用于許多物理和化學(xué)生物以及化學(xué)、生態(tài)、采礦、材料、土壤、食品、醫(yī)藥等學(xué)科。表面張力是多相系統(tǒng)的重要界面性質(zhì),是表面分子所受的不平衡力的結(jié)果,它的方向沿液面切線方向,表面張力測(cè)定,目前實(shí)驗(yàn)教科書(shū)大多采用最大氣泡法。通過(guò)對(duì)最大氣泡法的實(shí)驗(yàn)研究,筆者認(rèn)為最大氣泡法應(yīng)修改為最大泡壓法。本文通過(guò)對(duì)彎曲液面受力分析,我們對(duì)液體的表面現(xiàn)象有更深入的認(rèn)識(shí)。由于表面張力作用的結(jié)果,當(dāng)表面為平面時(shí),沿周界的表面張力互相平衡,表面兩側(cè)滿足P液=P氣。當(dāng)表面彎曲時(shí),沿周界的表面張力不能平衡,作用在周界上的表面張力形成指向液面曲率中心方向的合力,相當(dāng)于液面受到一額外壓強(qiáng),這種因彎曲液面表面張力而產(chǎn)生的壓強(qiáng)稱為附加壓強(qiáng)。此時(shí)表面兩側(cè)存在壓強(qiáng)差,ΔP=P液-P氣≠0。目前國(guó)內(nèi)部分高等院校所用物理化學(xué)教材原有知識(shí)附加壓力為彎曲液面內(nèi)外壓力差,符號(hào)ΔP。表述不夠準(zhǔn)確,為求理論知識(shí)的準(zhǔn)確性、嚴(yán)謹(jǐn)性.上述附加壓力概念應(yīng)修改為附加壓強(qiáng),這也與教科書(shū)《物理學(xué)》、《醫(yī)用物理學(xué)》中液體表面性質(zhì)的附加壓強(qiáng)概念相統(tǒng)一。1附加壓力改為附加壓力的研究1.1不同液位分析1.1.1表面張力對(duì)樣品表面的附加壓力在液體的表面取一圓形面積AB。對(duì)于面積表面張力作用在的邊緣線上,力的方向和液面相切并且和的邊界線相垂直。當(dāng)液面是水平面時(shí)。表面張力作用方向也是水平的,作用在圓周各方向的表面張力相互抵消,合力為零,所以由于表面張力存在而對(duì)液面產(chǎn)生的附加壓強(qiáng)為零。設(shè)向下的大氣壓強(qiáng)為P(g),則向上的反作用力產(chǎn)生壓強(qiáng)P(l),則有:P(l)=P(g)1.1.2附加合理合力對(duì)于凸液面,作用在圓AB周邊的表面張力不在一個(gè)水平面上,合力的方向指向液體內(nèi)部,該合力產(chǎn)生的壓強(qiáng)為附加壓強(qiáng),大小以ΔP表示。則凸液面上受到的總壓強(qiáng):P(l)=P(g)+ΔPΔP=P(l)-P(g)1.1.3附加合理的附加合理同理,對(duì)于凹液面,表面張力的合力的方向指向液體外部,該合力產(chǎn)生的附加壓強(qiáng)大小為Δp,凹面上受到的總壓強(qiáng):P(l)=P(g)-ΔpΔp=-(P(l)-P(g))1.2附加合理加壓由以上分析得出,由于表面張力存在,彎曲液面存在附加壓強(qiáng),由此將附加壓強(qiáng)定義為彎曲液面內(nèi)外壓強(qiáng)差,符號(hào)Δp表示。對(duì)于曲率半徑為r的球形彎曲液面,附加壓強(qiáng)Δp=2σ/r,單位N·m-2。附加壓強(qiáng)方向規(guī)定為:當(dāng)附加壓強(qiáng)指向液相內(nèi)部時(shí)為正,指向液相外部時(shí)為負(fù)。凸液面上因外壓與附加壓強(qiáng)的方向一致,液體所受的總壓等于外壓和附加壓強(qiáng)之和,總壓比平液面上大。凹面上因外壓與附加壓強(qiáng)的方向相反,液體所受的總壓等于外壓和附加壓強(qiáng)之差,液體所受的總壓比平面上小。2最大氣泡法的建立溶液表面張力測(cè)定以最大氣泡法最為常見(jiàn),目前國(guó)內(nèi)各版本物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材及開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn),大多數(shù)以最大氣泡法命名。筆者以實(shí)驗(yàn)為依據(jù),證明最大氣泡法的命名存在明顯錯(cuò)誤,應(yīng)改為者最大泡壓法。待測(cè)溶液置于張力計(jì)1中,使毛細(xì)管末端與液面相切,由于毛細(xì)現(xiàn)象,液面沿毛細(xì)管上升至平衡。將減壓器2上活塞4打開(kāi)與室內(nèi)大氣壓相通,關(guān)閉活塞4,將數(shù)字微差壓力計(jì)按“采零”鍵,即將室內(nèi)大氣壓作為0標(biāo)準(zhǔn),再按數(shù)字微差壓力計(jì)“單位”鍵選擇為KPa。打開(kāi)裝著水的減壓器2的活塞5,開(kāi)始滴液使連通的系統(tǒng)減壓。此時(shí),由于毛細(xì)管內(nèi)部液面所受壓力大于毛細(xì)管外部待測(cè)液面所受壓力,毛細(xì)管液面不斷下降,將從毛細(xì)管緩慢析出氣泡.在氣泡形成的過(guò)程中,由于表面張力的作用,凹液面產(chǎn)生一個(gè)指向液面外的附加壓強(qiáng)△P,因此有以下關(guān)系:P大氣=P系統(tǒng)+△P對(duì)于圓形彎曲液面,附加壓強(qiáng)與表面張力成正比,與氣泡的曲率半徑R成反比?！鱌=2σ÷R若毛細(xì)管管徑較小,則形成的氣泡可視為球形。氣泡剛形成時(shí),由于表面幾乎是平的,所以曲率半徑R極大,當(dāng)氣泡形成半球形時(shí),曲率半徑R等于毛細(xì)管半徑r,此時(shí)R值最小。隨著氣泡的進(jìn)一步增大,R又趨增大,直至逸出液面。R等于r時(shí),附加壓強(qiáng)最大:△P=2σ÷r最大附加壓強(qiáng)由數(shù)字微壓差計(jì)得出.即數(shù)字微差壓力計(jì)顯示的最負(fù)數(shù)值取絕對(duì)值.據(jù)此,我們可以得出最大氣泡法應(yīng)改為最大泡壓法。對(duì)給定張力計(jì),配置的毛細(xì)管半徑r為確定值,但不易測(cè)得,設(shè)r/2=K為儀器常數(shù),則有σ=K×ΔP用已知表面張力的液體作為標(biāo)準(zhǔn),