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）。            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。 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－ […]