拉脱法测量水处理剂K—HEDP溶液的表面张力系数

周天如　刘明月

摘 要 K-HEDP（俗称羟基亚乙基二膦酸钾盐，分子式为C2H6O7P2 K2）作为一种工业废液，由于其优良的水溶性，成为提供植物生长发育所需要的钾元素和磷元素的叶面肥的重要来源，此外K-HEDP是一种应用前景巨大的叶面肥表面活性物质添加剂，在降低叶面肥的表面张力，增加叶面肥对叶子的润湿方面具有重要作用。因此测定在不同的K-HEDP和水的混合比例下，溶液的表面张力系数成为关键。本文根据高中物理所学习的二力平衡的思路，利用液体表面张力系数测量仪测定了K-HEDP和水在不同比例下的溶液表面张力系数。

关键词 叶面肥 K-HEDP 表面张力系数

中图分类号：O348 文献标识码：A

叶面肥是以叶面吸收为目的，将作物所需养分直接施用叶面的肥料。 是营养元素施用于农作物叶片表面，通过叶片的吸收而发挥其功能的一种肥料类型，与传统的根肥相比，叶面肥具有吸收快、作用强、用量省、效率高等优点，尤其适合在土壤中容易流失的磷元素，以及铁、锰、铜等微量元素。除了为植物提供营养元素，叶面肥还具有杀虫和防蒸腾的作用。植物的叶片有上下两层表皮，由表皮细胞组成，表上细胞的外侧有角质层和蜡质，可以保护表皮组织下的叶肉细胞行使光合、呼吸等功能，不受外界不利条件变化的影响，叶片表面还有许多微小的气孔，行使气体更换的功能。研究表明，角质层由一种带有羟基和羧基的长碳链脂肪酸聚合物组成，这种聚合物的分子间隙及分子上的羟基、羧基亲水基团可以让水溶液渗透进入叶内，当然，叶片表面的气孔是叶面肥进入叶片更方便的通道。

1实验仪器

FD-NST-I型液体表面张力系数测定仪（如图1所示）、温度计、量筒、游标卡尺。

图1：FD-NST-I型液体表面张力系数测定仪

1、调节螺丝 2、升降螺丝 3、玻璃器皿 4、吊环 5、力敏传感器

6、支架 7、固定螺丝 8、航空插头 9、底座 10、数字电压表 11、调零

2实验原理

表面张力f是存在于液体表面上任何一条分界线两侧间的液体的相互作用拉力，方向与液体表面相切，并且垂直于液面分界线，大小与液面的分界线长度成正比，即

（1）

上式中比例系数 叫做液体的表面张力系数，其國际单位是N m-1。表面张力系数的大小和液体的种类、纯度、温度、溶液上方的气体成分等因素有关。一般液体的温度越高， 值越小，所含杂质越多， 值越小。因此，在测定液体的表面张力系数 时，须注明测量时的温度，以及被测液体的纯度。

本实验利用拉脱法测量K-HEDP溶液的表面张力系数。将一表面洁净的金属圆环缓慢浸入K-HEDP溶液中，使环底保持水平，然后轻轻提起，在缓慢向上提拉金属环时，由于表面张力的作用，金属环挂有两层液膜，金属环附近的液面呈现两个由液膜构成的同轴柱面。金属环受到液膜施加的垂直向下的表面张力f，其大小与金属环的周长l成正比，即

= （d1+d2） （2）

式（2）中，d1、d2分别是金属环的内径和外径。

假设金属环受到向上的拉力为F、溶液的表面张力为f，重力为G，在液膜即将断裂的瞬间三个力满足平衡条件

F=G+f （3）

实验中将金属环挂在力敏传感器的挂钩上，并将电压调零，则力敏传感器传递的金属环的重量显示G=0，此时f=0。当轻轻提拉金属环至数字电压表读数最大时，测力计的拉力也达到最大值Fmax，此时

Fmax=f= （d1+d2） （4）

如果继续拉起金属环，水柱将破裂，测力计读数先下降并迅速减小。

当力敏传感器拉力为F时，数字电压表的示数为U，则有

= （5）

式（5）中B表示力敏传感器的灵敏度，单位为mV N-1。当数字电压表的数值达到最大时

= （6）

由式（2）、（4）、（6）可得表面张力系数 为

= （7）

3实验步骤

（1）打开数字电压表预热15分钟。

（2）清洗培养皿和金属环。

（3）调节支架底脚螺丝，使得培养皿保持水平。

（4）测定力敏传感器的灵敏度。

①预热15分钟后，在力敏传感器上挂上吊盘，将电压表清零。

②用镊子将七个质量均为0.500g的片码依次轻轻放入吊盘中（不要使得吊盘晃动），分别记下电压表的读数U1～U7；再依次从吊盘中取走片码，待吊盘稳定后，记下读数U7～U1，并将数据填入表格1中，利用线性回归法求出仪器的灵敏度B。

（5）测定水的表面张力系数。

①用游标卡尺测出金属环的内径和外径d1、d2。

②将清洗干净的金属环挂在力敏传感器的挂钩上，并将电压表调零。

③将待测溶液倒入培养皿中，并逆时针旋转升降台大螺母使得溶液液面随着培养皿上升，待金属环下沿均浸入溶液中时，顺时针转动大螺母使得溶液液面随着培养皿下降。当数字电压表显示数值出现最大读数时，记录此时的读数Umax，金属环离开液面后重新调零，重复测量4次，将数据填入表格2，并利用式（7）计算溶液的表面张力系数。

④调整K-HEDP和水的比例，依次重复步骤（1）、（2）、（3）得到不同K-HEDP和水在不同的混合比例下的表面张力系数。

4实验数据和处理

见表1

令X=mg，Y=U，按Y=A+BX利用excel进行线性回归得回归系数B（即灵敏度）。

见表2

利用游标卡尺测得金属环的内径d1=33.08mm，外径d1=34.76mm。

根据表2中的表面张力系数可知，K-HEDP溶液的表面张力系数与K-HEDP稀释比例密切相关。其中K-HEDP原液的表面张力系数最大，稀释后的K-HEDP溶液的表面张力系数会显著下降。

5实验结果分析

（1）由表2实验中溶液表面张力系数的数据可知，溶液的表面张力系数与K-HEDP稀释比例有关。

（2）比较表2中所测的不同的稀释比例下K-HEDP溶液的表面张力系数可知，当K-HEDP进行2倍稀释的时候（即K-HEDP：水的比例为1：2）溶液的表面张力系数最小。

（3）由于实验数据有限，为进一步获得K-HEDP在不同的稀释比例下的溶液表面张力系数和稀释比例间的关系，需要进行更多的实验并采用更精确的实验测量仪器。

6应用展望

本文采用拉脱法测量了K-HEDP在不同的稀释比例下的表面张力系数，发现随着K-HEDP稀释比例的变化，溶液的表面张力系数会有显著的不同，采用精度更高的力敏测量仪，从而获得更准确的数据，从而推测出与K-HEDP溶液表面张力系数的最小值所对应的稀释比例从而为叶面肥中表面活性物质的添加提供科学依据。利用K-HEDP良好的水溶性，并且本身会提供植物所必须钾元素和磷元素的特性，将K-HEDP恰当稀释后与叶面肥混合着一起，可以降低叶面肥表面张力系数进而增强植物叶面对叶面肥的吸收效率，同时又可以提供植物所需的钾元素和磷元素，促进植物的生长发育。