1、饮品中小分子改变溶液表面性质的探究 摘 要：针对生活中发现塑料水杯变瘪的情况，进行探究，实验，得出推理。 关键词：溶液 蒸气压 一、生活中的发现： 使用购买饮品后的塑料水杯接热水并隔一段时间之后。总会出现水杯变瘪并且杯盖难以打开的情况，但是有一次偶然用水杯泡了一次茶，却出现了一个令我意想不到的的现象，水杯在茶水的温度降低之后并没有出现变形的现象。 这种现象激发了我的好奇心，在好奇心的驱使下，我决定一探究竟。 二、探究过程： 为什么同一个水杯，盛放不同的液体在降温过程中便出现了不同的现象呢？带着这个基本问题，我开始了我的探究过程。 我对这一问题进行探究的基本思路是先验证水杯不会变形是否是因为茶叶
2、中产生某种气态 物质，使水杯内压力增大。如果是，那么我将通过查阅文献资料来探究产生了什么物质，如果不是，我将从水杯内外的压力压强变化以及溶液本身表面的性质改变的变化来探究水杯变形的原因。 首先我要解决的问题是是不是只有茶叶才能产生这种现象，于是我做了一个简单的对比试验来确定是不是茶叶的独特性质导致这一现象的发生。 三、实验过程： 1. 准备足够的热水，还有茶叶、咖啡、树叶等若干。 2. 在水杯中加入一定量纯热水，盖好杯盖，放置在室温下一段时间，待液体温度降至室温时停止实验，记录此时杯 子的变形程度。 3. 在保证水的温度一样的情况下用等量的热水分别浸泡等量的茶叶、咖啡和树叶。 4. 在外界环境
3、温度与步骤 2中完全相同的情况下放置至室温，分别记录水杯放置各种不同溶液时的变形程度。 5. 通过比较放置 4种不同液体时杯子的变形程度，得出结论。 通过实验现象可以知道，水杯在盛放纯热水后发生了明显的变形，而在盛放其他三种溶液后均没有产生明显的变形现象，由此可以看出，茶叶在浸泡时并不是因为产生了某种气态物质而使水杯维持形状，而是通过其他原因使水杯没有发生明显的变 形。 那么，到底是什么原因导致了水杯在盛放其他液体时不会发生变形呢？通过三种溶液的比较我们可以看出，每份溶液中在加入了不同的物质后，这些物质均能释放出一些大分子或者聚合物，并且聚合物中很多都是表面活性物质，溶解在了溶液中，使溶液中表
4、面活性物质的浓度大大提高。 四、通过实验现象进行推论： 第一种推论：附加压力的存在致使出现了上述的现象。通过查阅资料我们得知，高分子的表面活性物质对液体的表面张力具有不利影响，表面活性物质的含量越大，液体的表面张力越小。以下是我对本问题中所产生的表面 张力的变化引起液体附加压力及液体内部压力变化的推导过程： 首先，由于三种液体在液面处都因为表面张力的存在而产生一个弯曲液面，这种弯曲液面会对液面产生附加压力，导致液体内部的压力与内部压力是不同的，对于凹液面来说，合力指向液体外部，液体的内部压力降小于液面上方的压力。 液体内外部压力及附加压力的大小关系公式为： Pin=Pex+P （ 1） 式中，
5、 Pin 为液体的内部压力， Pex 液体的外部压力， P 为液体在表面处的附加压力。由于在实验中三种溶液所产生的溶液界面都是凹液面 ， P 在此情况下为负值。 根据附加压力计算公式（拉普拉斯公式）： （ 2） 式中，为液体表面张力值， r 为液体界面的曲率半径。 由公式 2 可知，附加压力的大小与表面张力的大小和曲率半径有关，而在本实验中液体中加入各种不同的物质后，由于表面活性剂的作用使溶液的表面张力小于纯水时的液体表面张力，从而导致溶液的附加压力的绝对值小于纯水时液体表面的附加压力的绝对值，即： 丨 P 溶液丨 Pin 纯水 （ 6） 根据推导得到的结论可知，加入其它物质的溶液内部压力要大
6、于在同 样情况下的纯水内部的压力，内部压力的增大抵消了一部风由温度降低气体收缩而带来的压力降低值，使塑料杯能够更好地维持内外压力平衡，从而出现了文章开头所述的现象。 第二种推论：曲率对水杯内部的蒸气压产生影响，导致水杯内外气压不同。由第一种推论中的公式已知，弯曲液面的附加压力会使小液滴比平面液体具有更大的饱和蒸气压。 已知开尔文公式： （ 7） 公式（ 7）中， p0 是平面上的蒸气压， p 是曲面上的蒸气压。 R 是曲面的曲率半径，对凸面， R 取正值，对凹面， R 取负值。， M 和分别是液体的表面张力、摩尔质量和密度。 由开尔文公式可知，在本实验中，液体中加入各种不同的物质后，也就是相当
7、于加入了一些凝聚核心，导致其上方气体中含有比水蒸气半径更大的微小液滴，所以，加入不同物质的溶液具有更低的饱和蒸气压，溶液的温度降低后，几种液体的蒸气压都会降低，但是未加入其他物质的水杯中降温前后的压力变化更大一些，所以出现了水杯变瘪的现象。 以上的推导思路及结论皆为个人观点，完全出自自己的所思所想，由于实验条件和知识水平的限制，可能存在一些不合理之处，语言上也可能存在不严谨之处，希望在以后的 学习过程中得以继续研究讨论。 参考文献 1 印永嘉等编 . 物理化学简明教程（第四版） .北京：高等教育出版社，2007 2 傅献彩等编 . 物理化学（第五版） -下册 . 北京：高等教育出版社，2006 3 郭桂义等 . 信阳毛尖茶的化学成分研究 . 食品工业科技，1002-0306 ， 2006 4 黄循精 . 咖啡副产品的化学成分与综合利用 . 热带作物研究，1987-08-29 作者简介 李帅 1992年 07月 05日 男 汉族 山东济南 2011级 本科生 单位：山东大学化学与化工学院 研究方向：化学类
