拉脫法測定液體表面張力實驗的新設計

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題的提出

上海科學技術出版社普通高中化學選擇性必修2教科書《物質結構與性質》第二章“分子結構與性質\"中關于“氫鍵”的內容在“拓展視野”欄目中對水的表面張力和氫鍵的關系作了介紹：“表面上的每一個水分子都只受到表面及以下各個方向上相鄰分子的吸引，該作用的凈效應是將水分子從表面拉入水中。這種傾向導致水面被拉緊，像一張彈性膜。這種由水分子間作用力產生的液體性質稱為表面張力”“水分子之間有廣泛的氫鍵，因此水具有很大的表面張力”1]。教科書中還以回形針可以浮在水面上、葉子上的水珠呈現橢圓或近似球體、水蟲可以在水面滑行三個例子解釋了水的表面張力在生活中的影響作用。該部分內容與原上海教材相比內容增多、難度加深，對教師來說較為陌生，對學生來說比較抽象、難懂。教材中的三個例子雖然都是解釋相關概念和理論的好素材，但是要將這些生活中的現象直接應用于教學，對相當一部分學生來說理解抽象、微觀的化學概念和理論是有較高難度的。如何開發適切的探究實踐活動以幫助學生更生動、更直觀地理解液體的表面張力，幫助其建立起實驗現象與微觀原理之間的思維橋梁是本實驗需要解決的核心

問題。

為了解液體表面張力測量方法的研究進展，通過查閱文獻資料，發現液體表面張力的研究主要集中在高等教育中，且主要針對測量的準確性和科學性進行測量設備和技術的改進。如楊珊等2梳理了液體表面張力在實驗教學和科研中可采用拉脫法、最大泡壓法、吊環法、吊片法、毛細管上升法、電磁懸浮法等，重點介紹了吊片法測量液體表面張力的實驗設計。尚元明[3]利用破損的奧氏粘度計帶毛細管一側的玻璃管，制成表面張力儀，用最大氣泡壓力法測定不同濃度正丁醇水溶液的表面張力。液體表面張力系數的測量方法分為接觸法和非接觸法兩類。接觸法比較常用，如拉脫法等，一般比較粗略，誤差較大；非接觸法與接觸法相比具有快速、無損和簡單實用等優點，如激光衍射法等，但是其對實驗的要求較高。林仁榮等[4設計了拉脫法測量液體表面張力系數的新實驗，從金屬環片受力分析開始，推導測量液體表面張力系數的計算新公式。沙金巧等5設計了一種非接觸式測量透明液體表面張力系數的新方法，發現了一種特殊的“自干涉”現象，根據表面波的色散關系，自動獲取液體的表面張力系數。

高中化學學習液體的表面張力是為了解釋分子間作用力尤其是氫鍵而引人的，液體的表面張力的概念和測量方法并非學習的重點。故本實驗的改進考慮的主要問題是實驗裝置要簡單、實驗操作要簡便、實驗現象要清晰、實驗結果要明確，有助于學生加深對液體分子間作用力微觀結構的理解。

2 實驗設計思路

本實驗采用拉脫法來測量液體的表面張力。該法的特點是，用稱量儀器直接測量液體的表面張力，測量方法直觀，概念清楚[。根據高中化學對相關教學內容學習目標要求：知道范德華力和氫鍵;理解范德華力對物質熔、沸點的影響；了解分子間氫鍵和分子內氫鍵，理解它們對物質熔、沸點的影響[。本實驗不計算液體表面張力系數，而是通過比較不同液體的表面張力大小來說明液體分子間作用力的大小，進而從微觀層面認識不同分子間的相互作用。

拉脫法是一種測定液體表面張力的經典方法，林仁榮[8、冷雪松[9等都有詳細的闡述。綜合以上學者的方法，本實驗的原理為：當金屬圓環與液體表面接觸時，金屬圓環和液面之間形成環形液膜，通過電子天平測量金屬圓環從待測液面脫離時需要的力 f ，金屬圓環的受力分析如圖1a，液膜拉斷之前金屬環的受力表達式為

F=G+fcosθ

式中： F 為向上的拉力， G 為金屬環的重力， f 為液面的表面張力， θ 為 f 與豎直方向的夾角。液膜拉斷瞬間， θ=0^° ，金屬環的受力分析如圖 1b，F=G+f， 則

f=F-G

圖1金屬環拉出液面的過程中受力分析圖[10]

本實驗在測量儀器的數字化水平、升降裝置的穩定性及待測液體指向化學原理三個方面進行了改進。

3 實驗用品

3.1 藥品

蒸餾水、丙酮（分析純）

3.2 儀器

培養皿、奧豪斯SPX622ZH電子天平、中順芯3.7V容量 3000mAh 可充電鋰電池、威尼爾LabQuest3數據采集器、裝有數據采集軟件LoggerPro3.16.2的筆記本電腦、自制速度可調的自動升降裝置、自制固定用架子、金屬圓環（直徑 1.86cm 高度 1.1cm ）

速度可調的自動升降裝置分為電池、降壓電路和電動推桿三個部分。設計降壓電路的目的是為了實現電壓由3.7V降低至 0～2.8V 的范圍內，并通過脈沖寬度調制（Pulsewidthmodulation，PWM）技術來調節電壓，實現電動推桿的推速在 0～90mm/s 范圍內勻速、可調節，通過設計電機（推桿）轉向控制電路來實現電動推桿的推出和收回。電路原理詳見圖2。

電動推桿的行程為 10cm ，根據其尺寸定制一個塑料外殼，在電動推桿頂部固定一塊塑料平板，確保放置在其上的表面皿在上升和下降的過程中盡可能保持平穩，使得形成的受力圖像平滑（見圖3）。

圖2速度可調的自動升降裝置電路原理圖

圖3電動推桿設計圖

4實驗步驟

4.1 裝置的搭建

如圖4所示，將自動升降裝置放在架子中，自動升降裝置上方塑料板的中心與架子上方放置電子天平掛鉤用的小孔中心相對齊。將培養皿放在自動升降裝置的塑料板上。帶有掛鉤的電子天平放在架子上方，金屬圓環掛在電子天平的掛鉤上，調節金屬圓環的高度，使自動升降裝置推出到最高處時金屬環的最高處低于培養皿的最高處，且不觸及培養皿的底部。電子天平清零并連接數據采集器和電腦。將自動升降裝置調到最低處，加入適量水，確保培養血處于最高處時水可以

將金屬圓環完全沒過。

4.2實驗操作

打開數據采集器，開始記錄數據，同時控制自動升降裝置緩慢勻速向上運動，待金屬圓環完全浸入液面約10秒后，控制自動升降裝置緩慢勻速向下運動，待圓環和液面分離約10秒后，停止數據采集并關閉自動升降裝置。

將培養皿中的液體換成丙酮或其他液體，重復前述實驗步驟。

4.3實驗結果與討論

金屬圓環緩慢進人液面的瞬間和金屬圓環與液面分離的瞬間均有明顯的“液膜破裂”現象，可以充分體會到液體表面張力的存在。 15°C 下，實驗結果顯示：金屬圓環進入水面的過程中，接觸水面的瞬間拉力迅速增大，產生第一個峰值；液膜破裂后拉力迅速降低，金屬圓環完全浸入水中后讀數穩定，金屬圓環從水中出來時拉力逐漸增大，金屬圓環與水面完全分離的瞬間產生第二個峰值（見圖5）。金屬圓環進入丙酮液面和與液面分離的過程中，變化趨勢與水類似，數據則有顯著差異（見圖6）。

圖4實驗裝置示意圖

圖5水的拉力數據曲線

圖6丙酮的拉力數據曲線

經計算， 15^°C 下蒸餾水的表面張力系數約為0.0711N/m ，標準值為 0. 0735N/m ，相對誤差為-3.32% ；丙酮的表面張力系數約為 0.0248N/m ，標準值為 0.0240N/m ，相對誤差為 3.45% 。

表1金屬環進入液面與脫離液面時拉力的極值

第一個和第二個峰值均受液體的表面張力影響，兩者有明顯的差異。第一個峰值是金屬環進人液面時產生的，這個時候 θ 角度較大， F 值較小;第二個峰值是金屬環和液面脫離的瞬間產生的，此時 θ 近似為 0^°，F 讀數最大，這時 F 的大小可近似看作是液體的表面張力。

比較水和丙酮的兩個極值，無論在金屬圓環進入液面的瞬間還是金屬環與液面分離的瞬間，水所對應的拉力數值均明顯大于丙酮所對應的拉力數值（見表1）。這是由于水分子間除了范德華力，還存在氫鍵，而丙酮分子間只存在范德華力。氫鍵是一種比范德華力更強的分子間作用力，所以相同情況下水的表面張力要比丙酮大。

5結語

與經典的拉脫法測量液體表面張力的實驗相比，本實驗做了以下四點改進：（1）通過去皮操作排除金屬圓環的重力對測量數據的影響，用掛鉤式電子天平直接測量出向上的拉力 F ，簡化了計算過程，當 θ=0^° 時，f=F （2）通過數據采集器實時收集拉力數據，以電腦圖像形式直接顯示金屬圓環進入和離開液面的全過程中拉力變化的情況。（3）設計并制作可調速自動升降裝置用于代替手動升降臺，讓金屬環在低速且勻速的狀態下平穩地上升或者下降，減小由于手動操作用力不均和升降速度不穩定而造成實驗誤差，提高實驗精度。（4）選擇水和丙酮兩種實驗室常見液體進行對比實驗，是由于水分子間存在氫鍵，而丙酮分子間不存在氫鍵，測定液體表面張力的探究實踐活動為液體表面張力的測定提供了范例，有利于運用該裝置測定更多液體的表面張力，從而為分子間作用力的深度學習提供數據和證據支持。

本實驗在高中化學教學中的應用有以下三方面優勢：（1）實驗儀器相對比較簡單，實驗操作比較簡便，在充分做好前期實驗準備的情況下，單一液體表面張力的測定實驗僅需1分鐘左右，便于在課堂中教師開展演示實驗、學生開展探究實踐。（2）本實驗中水的分子量約為18，丙酮的分子量約為58，丙酮的范德華力大，實驗證實丙酮的液體表面張力比水的液體表面張力小，由此可推理出水中含有一種比范德華力大的作用力。本實驗可以作為培養學生證據推理能力的優質載體。（3）本實驗既可作為課堂的演示實驗，幫助學生基于真實的實驗數據和圖像快速、直觀地理解分子間作用力的種類和大??；也可讓學生開展多種液體的探究實踐活動，讓學生在提出問題和假設、設計實驗方案、開展實驗、收集實驗證據、分析并得出結論的過程中發展科學探究的能力；還可結合物理等學科開展跨學科探究實踐活動，引導學生打破學科壁壘，建立學科間的聯系，培養科學思維，提高解決真實問題的能力。

參考文獻：

［1][7］麻生明，陳寅主編．普通高中教科書·化學選擇性必修2·化學反應原理[M].上海：上海科學技術出版社，2023：45，52～53.

［2］楊珊，李雅麗．吊片法測試液體表面張力的實驗設計[J].化學教育（中英文），2018，39（10）：44～48.

[3］尚元明.自制表面張力儀測溶液的表面張力[J].化學教育，1983，（2）：48～51.

［4][8］林仁榮，邱祖強，陳麗敏等.拉脫法測量液體表面張力系數的改進[J].大學物理，2017，36（2）：39～42.