拉脫法測量水處理劑K—HEDP溶液的表面張力系數(shù)

周天如　劉明月

摘 要 K-HEDP（俗稱羥基亞乙基二膦酸鉀鹽，分子式為C2H6O7P2 K2）作為一種工業(yè)廢液，由于其優(yōu)良的水溶性，成為提供植物生長發(fā)育所需要的鉀元素和磷元素的葉面肥的重要來源，此外K-HEDP是一種應用前景巨大的葉面肥表面活性物質添加劑，在降低葉面肥的表面張力，增加葉面肥對葉子的潤濕方面具有重要作用。因此測定在不同的K-HEDP和水的混合比例下，溶液的表面張力系數(shù)成為關鍵。本文根據(jù)高中物理所學習的二力平衡的思路，利用液體表面張力系數(shù)測量儀測定了K-HEDP和水在不同比例下的溶液表面張力系數(shù)。

關鍵詞 葉面肥 K-HEDP 表面張力系數(shù)

中圖分類號：O348 文獻標識碼：A

葉面肥是以葉面吸收為目的，將作物所需養(yǎng)分直接施用葉面的肥料。 是營養(yǎng)元素施用于農(nóng)作物葉片表面，通過葉片的吸收而發(fā)揮其功能的一種肥料類型，與傳統(tǒng)的根肥相比，葉面肥具有吸收快、作用強、用量省、效率高等優(yōu)點，尤其適合在土壤中容易流失的磷元素，以及鐵、錳、銅等微量元素。除了為植物提供營養(yǎng)元素，葉面肥還具有殺蟲和防蒸騰的作用。植物的葉片有上下兩層表皮，由表皮細胞組成，表上細胞的外側有角質層和蠟質，可以保護表皮組織下的葉肉細胞行使光合、呼吸等功能，不受外界不利條件變化的影響，葉片表面還有許多微小的氣孔，行使氣體更換的功能。研究表明，角質層由一種帶有羥基和羧基的長碳鏈脂肪酸聚合物組成，這種聚合物的分子間隙及分子上的羥基、羧基親水基團可以讓水溶液滲透進入葉內，當然，葉片表面的氣孔是葉面肥進入葉片更方便的通道。

1實驗儀器

FD-NST-I型液體表面張力系數(shù)測定儀（如圖1所示）、溫度計、量筒、游標卡尺。

圖1：FD-NST-I型液體表面張力系數(shù)測定儀

1、調節(jié)螺絲 2、升降螺絲 3、玻璃器皿 4、吊環(huán) 5、力敏傳感器

6、支架 7、固定螺絲 8、航空插頭 9、底座 10、數(shù)字電壓表 11、調零

2實驗原理

表面張力f是存在于液體表面上任何一條分界線兩側間的液體的相互作用拉力，方向與液體表面相切，并且垂直于液面分界線，大小與液面的分界線長度成正比，即

（1）

上式中比例系數(shù) 叫做液體的表面張力系數(shù)，其國際單位是N m-1。表面張力系數(shù)的大小和液體的種類、純度、溫度、溶液上方的氣體成分等因素有關。一般液體的溫度越高， 值越小，所含雜質越多， 值越小。因此，在測定液體的表面張力系數(shù) 時，須注明測量時的溫度，以及被測液體的純度。

本實驗利用拉脫法測量K-HEDP溶液的表面張力系數(shù)。將一表面潔凈的金屬圓環(huán)緩慢浸入K-HEDP溶液中，使環(huán)底保持水平，然后輕輕提起，在緩慢向上提拉金屬環(huán)時，由于表面張力的作用，金屬環(huán)掛有兩層液膜，金屬環(huán)附近的液面呈現(xiàn)兩個由液膜構成的同軸柱面。金屬環(huán)受到液膜施加的垂直向下的表面張力f，其大小與金屬環(huán)的周長l成正比，即

= （d1+d2） （2）

式（2）中，d1、d2分別是金屬環(huán)的內徑和外徑。

假設金屬環(huán)受到向上的拉力為F、溶液的表面張力為f，重力為G，在液膜即將斷裂的瞬間三個力滿足平衡條件

F=G+f （3）

實驗中將金屬環(huán)掛在力敏傳感器的掛鉤上，并將電壓調零，則力敏傳感器傳遞的金屬環(huán)的重量顯示G=0，此時f=0。當輕輕提拉金屬環(huán)至數(shù)字電壓表讀數(shù)最大時，測力計的拉力也達到最大值Fmax，此時

Fmax=f= （d1+d2） （4）

如果繼續(xù)拉起金屬環(huán)，水柱將破裂，測力計讀數(shù)先下降并迅速減小。

當力敏傳感器拉力為F時，數(shù)字電壓表的示數(shù)為U，則有

= （5）

式（5）中B表示力敏傳感器的靈敏度，單位為mV N-1。當數(shù)字電壓表的數(shù)值達到最大時

= （6）

由式（2）、（4）、（6）可得表面張力系數(shù) 為

= （7）

3實驗步驟

（1）打開數(shù)字電壓表預熱15分鐘。

（2）清洗培養(yǎng)皿和金屬環(huán)。

（3）調節(jié)支架底腳螺絲，使得培養(yǎng)皿保持水平。

（4）測定力敏傳感器的靈敏度。

①預熱15分鐘后，在力敏傳感器上掛上吊盤，將電壓表清零。

②用鑷子將七個質量均為0.500g的片碼依次輕輕放入吊盤中（不要使得吊盤晃動），分別記下電壓表的讀數(shù)U1～U7；再依次從吊盤中取走片碼，待吊盤穩(wěn)定后，記下讀數(shù)U7～U1，并將數(shù)據(jù)填入表格1中，利用線性回歸法求出儀器的靈敏度B。

（5）測定水的表面張力系數(shù)。

①用游標卡尺測出金屬環(huán)的內徑和外徑d1、d2。

②將清洗干凈的金屬環(huán)掛在力敏傳感器的掛鉤上，并將電壓表調零。

③將待測溶液倒入培養(yǎng)皿中，并逆時針旋轉升降臺大螺母使得溶液液面隨著培養(yǎng)皿上升，待金屬環(huán)下沿均浸入溶液中時，順時針轉動大螺母使得溶液液面隨著培養(yǎng)皿下降。當數(shù)字電壓表顯示數(shù)值出現(xiàn)最大讀數(shù)時，記錄此時的讀數(shù)Umax，金屬環(huán)離開液面后重新調零，重復測量4次，將數(shù)據(jù)填入表格2，并利用式（7）計算溶液的表面張力系數(shù)。

④調整K-HEDP和水的比例，依次重復步驟（1）、（2）、（3）得到不同K-HEDP和水在不同的混合比例下的表面張力系數(shù)。

4實驗數(shù)據(jù)和處理

見表1

令X=mg，Y=U，按Y=A+BX利用excel進行線性回歸得回歸系數(shù)B（即靈敏度）。

見表2

利用游標卡尺測得金屬環(huán)的內徑d1=33.08mm，外徑d1=34.76mm。

根據(jù)表2中的表面張力系數(shù)可知，K-HEDP溶液的表面張力系數(shù)與K-HEDP稀釋比例密切相關。其中K-HEDP原液的表面張力系數(shù)最大，稀釋后的K-HEDP溶液的表面張力系數(shù)會顯著下降。

5實驗結果分析

（1）由表2實驗中溶液表面張力系數(shù)的數(shù)據(jù)可知，溶液的表面張力系數(shù)與K-HEDP稀釋比例有關。

（2）比較表2中所測的不同的稀釋比例下K-HEDP溶液的表面張力系數(shù)可知，當K-HEDP進行2倍稀釋的時候（即K-HEDP：水的比例為1：2）溶液的表面張力系數(shù)最小。

（3）由于實驗數(shù)據(jù)有限，為進一步獲得K-HEDP在不同的稀釋比例下的溶液表面張力系數(shù)和稀釋比例間的關系，需要進行更多的實驗并采用更精確的實驗測量儀器。

6應用展望

本文采用拉脫法測量了K-HEDP在不同的稀釋比例下的表面張力系數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著K-HEDP稀釋比例的變化，溶液的表面張力系數(shù)會有顯著的不同，采用精度更高的力敏測量儀，從而獲得更準確的數(shù)據(jù)，從而推測出與K-HEDP溶液表面張力系數(shù)的最小值所對應的稀釋比例從而為葉面肥中表面活性物質的添加提供科學依據(jù)。利用K-HEDP良好的水溶性，并且本身會提供植物所必須鉀元素和磷元素的特性，將K-HEDP恰當稀釋后與葉面肥混合著一起，可以降低葉面肥表面張力系數(shù)進而增強植物葉面對葉面肥的吸收效率，同時又可以提供植物所需的鉀元素和磷元素，促進植物的生長發(fā)育。