臺灣化學教育

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

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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）。

 

         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？

 

 

 

   圖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（  R－C₆H₄－SO₃Na）， 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。

表1  界面活性劑的種類與特性

液面彈跳現象揭密

「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）。

 

 圖3：清潔劑滴下時液面彈跳現象

 

 

  

圖4：清潔劑滴下時液面先產生堆積，接著開始彈跳

 

 

 

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。

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。2017年5月20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, 著, 陳義裕 譯 (2014)。我的honey會跳舞！科學人，第146期。2017年5月20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。