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界面化学考题中滴数问题

(2013-05-26 12:14:57)
标签:

表面张力

水滴

尺寸

滴数

考题

分类: 科教讨论

最近要出界面化学考题,发现网络上很多复习资料或试题集中常有关于滴数类型的问题。如:

1. 用同一滴管在同一条件下分别滴下同体积的三种液体:水、硫酸水溶液、丁醇水溶液,则它们的滴数为(    )【华理2001物化(下)期终考试题】【http://www.docin.com/p-107385613.html

A.一样多                         B.水的最多,丁醇水溶液最少

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

给出的答案是D

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。

 

再如:

2. 用同一支滴管滴下水的滴数和滴相同体积苯的滴数哪个多? (   )【http://wenku.baidu.com/view/4c97ec2bcfc789eb172dc89c】      

(A) 水的多                    (B) 苯的多                           

(C) 一样多                    (D) 随温度而改变

答案是B,苯的多。原因分析是:苯的表面张力小于水,在附加压力相同时,表面张力越小,曲率半径也越小,所以苯的液滴半径小,因此液滴数多。

 

    好,不再多举例子了。接下来我们来分析一下这些题目的答案是否正确。

    我们知道,表面张力与液滴大小有关。表面张力的测定方法中就有一种是采用滴重法来进行的。根据滴重法原理(Tate定律)得:

http://s13/mw690/69e5ae9cgdd97f321e48c&690
但由于液滴滴落时并非完美的球形,而是会被拉长产生液柱,部分液柱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。实际的方程应该是

http://s15/mw690/69e5ae9cg7c8f32191f0e&690

其中f是校正因子。于是,液滴半径可以写成:

http://s16/mw690/69e5ae9cgdd97fbf39a4f&690
对于不同的物质,每一滴的质量(重力)并不一样,它与体积和密度有关:

http://s14/mw690/69e5ae9cgdd984002ac2d&690


所以,

http://s10/mw690/69e5ae9cgdd984298cb69&690

接下来,我们看看密度和表面张力对液滴大小的影响究竟如何。

    我们以食盐NaCl水溶液的情况为例。NaCl水溶液的密度和表面张力的数据可参阅物化数据手册。轻工部设计院编写的《日用化工理化数据手册》(北京:轻工业出版社,1988)和日本海水学会编辑的《海水利用手册》(东京:阿之玛堂印刷株式会社,1974)也有相关数据。

    因为手边没有这些资料,我就偷懒采用一个近似公式。席华在1997年发表的论文【席华,氯化钠溶液物性关系式. 天津轻工业学院学报, 1997, (2): 72-74】提出了NaCl水溶液的密度、表面张力和沸点与温度、NaCl浓度间的经验关系式。其中NaCl溶液的密度与浓度c和温度T的关系(c用质量浓度,T用摄氏度)为:

http://s10/mw690/69e5ae9cgdd98036776b9&690
NaCl溶液表面张力与浓度和温度的关系式为:

http://s10/mw690/69e5ae9cgdd980496d939&690
(原文中漏了c项,已补上)

这样,根据上述经验公式,可以得到NaCl溶液在20℃时的密度与表面张力数据如下表所示。假定校正因子不随液滴尺寸而变,则NaCl盐溶液的液滴半径与水滴半径之比可以由下式计算

http://s9/mw690/69e5ae9cgdd98441f7668&690
计算结果也列于表中:

浓度%

0

0.01

0.1

1

2

5

10

15

20

表面张力mN/m

72.52

72.52

72.56

72.89

73.25

74.36

76.19

78.03

79.86

密度g/cm3

0.9990

0.9991

0.9997

1.006

1.014

1.036

1.073

1.110

1.146

液滴半径之比

1

1.000

1.000

0.999

0.998

0.994

0.989

0.984

0.980

    可见,随着NaCl浓度增加,溶液的表面张力在增大,但能够托住的液滴没有变大,反而变小了,盖因密度增大的影响超过了表面张力增加的影响。

    其他如硫酸溶液、盐酸溶液等液体的情况也是如此。表面张力高的物质在表面因为是负吸附的关系,很少停留,因此溶液的表面张力增大并不多。由此可见,题1的答案是有误的,它没有考虑密度的影响。出题人没有给出密度的数值,其本意也考虑不足。

    有机试剂的情况又如何呢?我们以苯为例。代入苯和水的密度和表面张力参数,可以获得苯的液滴半径与水滴半径之比的数值,如下表所示:

温度(℃)

10

20

30

40

50

苯的表面张力mN/m

30.09

28.80

27.52

26.25

24.99

苯的密度g/cm3

0.8873

0.8774

0.8675

0.8573

0.8470

水的表面张力mN/m

74.22

72.75

71.18

69.56

67.91

水的密度g/cm3

0.9996

0.9982

0.9956

0.9922

0.9880

苯滴与水滴半径之比

0.6758

0.6711

0.6661

0.6609

0.6552

可见,各温度下,苯的液滴都比水滴小。比较可见,苯的表面张力比水小很多,尽管其密度也低,但二者竞争的结果是密度的作用占了下风,表面张力的影响占了上风。

    对大多数有机物而言,其表面张力与水相比低很多,而密度与水相比变化幅度较小,因此为表面张力牵拉住的液滴尺寸受表面张力影响较大,液滴半径就较小。有机物水溶液也有类似的现象,在水溶液中,往往因有机物的正吸附而导致水溶液表面张力有较大幅度的降低,而密度变化不明显,此时滴管滴出的含有机物的水溶液液滴就比纯水滴小;同样体积下,含有机物的水溶液会滴出更多的滴数。开篇题2中,尽管答案是对的,但因为题中没有给出密度值,说明出题人没有考虑密度的影响,其题目也是错的。

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