液面上的華爾滋 清潔劑液面的彈跳現象 / 劉曉倩

星期六 , 6, 五月 2017 Leave a comment

液面上的華爾滋

清潔劑液面的彈跳現象

劉曉倩  

國立彰化高級中學
教育部高中化學學科中心

torrina01092002@yahoo.com.tw

Honey 會跳舞

黏滯性高的蜂蜜如果由適當高度流下,形成一細小的流動液柱,在流體接觸到平面時,常會自行螺旋捲曲成為中空圓柱狀的繩捲型態,稱為蜂蜜線捲(honey coil)或液體繩捲(rope coil)。這是個容易觀察、卻牽涉到力學與流體力學的複雜物理現象。繩捲現象的正式學術研究可以追溯至1958年,由巴恩斯(George Barnes)與伍德考克(Richard Woodcock)兩人首先發表「液體繩捲效應」 (Liquid Rope-Coil Effect) 一文, 其中提到流體看起來是繞著一個垂直於接觸平面的軸線旋轉,但是液體粒子本身其實並沒有繞著軸旋轉。兩人以力學的角度,針對此一現象作系統性的討論,發現從不同高度垂落而下的蜂蜜會折疊、堆積,形成各式各樣的「舞姿」,至於形成原因正有待我們去研究。(如圖1)。

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         圖1: 蜂蜜繩捲現象(圖片來源:龍騰出版社)

清潔劑也跳華爾滋?


然而所有黏滯性高的液體都會有這種現象嗎?筆者的學生觀察到,把洗碗精的塑膠壓瓶壓頭打開拉高距離液面一段距離,成細流而下的洗碗精一開始也有繩捲纏繞現象,但接著底部會形小隆起,隨後出現一條束狀濺射,甚至彈跳半可達10公分之遠,如同跳華爾滋般華麗而壯觀。這些奇妙的現象激起我們高度的好奇心,於是上網查找資料及參閱書籍,得知此彈跳現象稱為「凱氏效應」(Kaye effect)。但是,是否每一種清潔劑都會有彈跳現象呢?

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擷取 

   2:常見的清潔劑結構(長鏈脂肪酸金屬鹽)(圖片來源:龍騰出版社)

界面活性劑的介紹

原理

界面活性劑主要是讓兩個互不相溶的接觸面,不再排斥彼此靠近的物質。人類最早使用的清潔劑為肥皂,又稱作長鏈脂肪酸金屬鹽(如圖2),如:硬脂酸鈉(C17H35COONa)及軟脂酸鈉(C15H31COONa)。現今常用的人工合成清潔劑組成則為長鏈烷基硫酸鹽類,如:正十二烷基硫酸鈉(C11H23CHOSO3Na), 以及長鏈烷苯磺酸鹽類(  RC6H4SO3Na), R=-C9H19~C15H31),如:正十二烷基苯磺酸鈉。

種類

生活中舉凡食品、藥品、肥皂、洗碗精、清潔劑、洗衣粉、洗髮精、潤絲精、沐浴精、化妝品、殺蟲劑都有界面活性劑的存在。依其在水中親水端的帶電性,大致可分為陰離子界面活性劑、陽離子界面活性劑、兩性離子界面活性劑、非離子界面活性劑,如表1所示。

種類

陰離子界面活性劑

陽離子界面活性劑

兩性離子界面活性劑

非離子界面活性劑

 

脂肪酸鹽,如椰子油脂肪

 

 

 

例子

酸鉀;烷基硫酸鹽,如月桂醇聚醚硫酸脂鈉鹽

SLES)、烷基聚氧化乙

脂肪銨鹽,如溴化十六烷三甲基銨

甜菜鹼類,如椰油醯胺丙基甜菜鹼

如聚氧乙烯烷基醚

AE)、聚氧乙烯-

聚氧丙烯醇

 

烯醚硫酸鈉

 

 

 

 

 

 

 

具有親水性及疏水性

特性

清潔效果佳

價格較高,但具有殺菌、潤絲、抗靜電等

優點

可降低陰離子界面活性劑的刺激性

鏈長度均可改變的優點,清潔效果差但易

起泡,且可增加黏

 

 

 

 

性、溶解香精

產品

洗衣精、洗髮精、沐浴用品

潤絲精、衣服柔軟精

嬰兒清潔用品

化妝用品

1  界面活性劑的種類與特性

液面彈跳現象揭密

clip_image006「凱氏效應」是當液體(如清潔劑)在一定高度流下時,碰到下方堆積的液體,黏滯性迅速改變,亦即當液體落下過程,並沒有剪力作用因此黏滯性大,當接觸到下方液體時速度突然改變,因此流體內產生很大的剪力,黏滯性大為降低,而使液體彈跳出去(如圖3、圖4)。

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 3:清潔劑滴下時液面彈跳現象

 

 

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4:清潔劑滴下時液面先產生堆積,接著開始彈跳

 

 

 

clip_image021彈跳現象發生的主因:黏度

液體不同部位相對運動時,所產生的內部阻力稱為黏度。黏度大小受物質之種類、濃度及溫度等因素影響。

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定律表示。若液體流動行為不符合此定律,像是高濃度的膠體溶液及膠體形狀為非對稱或呈凝聚狀,屬於非牛頓流體。經由查閱資料得知,清潔劑多屬於非牛頓流體。

 

造成彈跳現象的另一因素:電導度

電導度Electrical Conductivity EC的量測值是一重要指標,可用以代表水質、泥土或其他介質的相關性質。EC值的意義代表在一定體積內溶液內離子的導電能力,可移動且帶正負電的離子愈多,電阻就愈小,導電能力愈強,EC 值就愈高。由實驗結果推測,黏度是造成膠體形成的主因,在一定的黏度範圍內,彈跳範圍半徑隨清潔劑電導度值增加而增加,但若是黏滯性太高,則彈跳半徑就會縮短甚至不彈跳

 

超級比一比:蜂蜜繩捲與清潔劑跳華爾滋的差異

蜂蜜只有繩捲現象,並不會像清潔劑產生液面彈跳,主因推測是黏滯性過高且電導度值較小;其他如黏滯性高的甘油(丙三醇)及膠水(聚乙烯醇)都沒有彈跳現象。

參考資料

1.液體繩捲,維基百科。2017520日取自https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E6%B6%B2%E9%AB%94%E7%B9%A9%E6%8D%B2

2. Ribe, N. M., Habibi, M., & Bonn, , 陳義裕 譯 (2014)。我的honey會跳舞!科學人,第146期。2017520日取自http://sa.ylib.com/MagArticle.aspx?Unit=featurearticles&id=2396

3.Shaw, D. J. 著,張有義、郭蘭生編譯 (1997)。膠體及界面化學入門。台北縣:高立圖書有限公司出版。

4. 北原文雄,玉井康勝 著,賴耿陽譯 (1984)。界面活性劑應用實務,台南市:復漢出版社。

5. Budavari, S.主編, 薛春生譯 (1996)。化學化工大辭典默克索引。台北市:中央圖書出版社出版。

6. Walker, J. 著,葉偉文 譯 (2012)。物理馬戲團。台北市:天下文化出版

7. 龍騰出版社 (2016)。化學搜查隊第十七期。新北市:龍騰出版社。

 

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