滴水不沾─表面張力

1. 液體 接觸角 葉面 二、把植物裁成同樣大小的形狀，並用膠帶貼黏 在桌面上。 三、利用天平，測量蔗糖及食鹽的重量，分別調 製五杯糖水和食鹽水，其百分濃度分別為： 2%、4%、6%、10%、15%。 四、測量表面張力的實驗 (一)用針筒在每片葉子的中心滴下兩滴相同大 小的水珠，同濃度及葉片各取五組。 (二)利用相機把每片葉子上的水珠由側面拍照 記錄之。 五、測量水珠與葉子兩側的接觸角及高度。 (一)將照片檔案於電腦上，利用作圖軟體 Picpick測量接觸角(如圖二)和高，並記 錄在Microsoft Office Excel 2003上， 以計算其平均與換算表面張力。 摘要 液體表面張力大小受到多種因素影響，本次實驗主要討論接觸面的物理性質與液體種類進行探討。我們將植物粗分為明顯有毛與無毛兩類，利用相機拍攝各種植物上的水滴以測量接觸角，以代表液體的表面張力。實驗發現所有植物的葉背表面張力皆比葉面大，推測是因葉背氣孔較多，因此角質層需較厚以防止水分散失。另外三種液體的表面張力排序大致是糖水>純水>食鹽水，推測主因在於水中的氫鍵作用力與其他分子作用力強弱有關。而葉片上的物理結構(葉脈密度、微小突起及毛狀物)的有無，分別對表面張力有不同影響，大致上微小突起較多的植物上表面張力較大，有毛狀構造的植物則會因水滴邊緣的毛細現象讓水滴與葉面附著力增加，因此表面張力較低。 圖一、接觸角示意圖 研究動機 滴水不沾─表面張力 某次，老師在校園介绍各種植物時，我們看到有些植物的葉子上有小水滴，心想等一下就會掉下。過了幾分鐘，我們又回到同樣的地方，發現那些葉子上的水滴並沒有掉下，於是我們觀察了一會兒。水滴遲遲都不會掉下，覺得神奇，因此我們把一些葉子剪下，並向老師借生物實驗室的顯微鏡來觀察。發現不同的葉子表面形狀不同，表面上也有些特殊大小和形狀表面突起。於是我們嘗試去了解不同葉子的表面結構與蓮花效應的關聯性，也加以研究用不同水溶液在不同的葉面與葉背的液滴效果，探討會影響表面張力的原因。 實驗結果 研究結果一、純水對各種植物葉面及葉背兩面的 表面張力差異 因液滴左右兩側接觸角差異不大，故取用平均值代表之，結果如下表一及附錄圖。 研究目的 一、探討純水對不同植物葉片的表面張力是否有 差異。 二、探討純水對相同植物葉片正反兩面的表面張 力是否 有差異。 三、探討不同的類型及濃度的水溶液，與各種類 葉子正 反面之表面張力的影響。 四、探討植物葉片上細毛及葉脈等物理構造是否 會影響到液體對葉子的表面張力。 研究設備及器材 一、葉面接觸角大小排序：山芋＞台灣山蘇＞台灣芭蕉＞黑板樹＞杜鵑＞白匏子＞姑婆芋＞瓠瓜＞構樹＞玉蘭。 二、葉背接觸角大小排序：黑板樹＞白匏子＞構樹＞台灣芭蕉＞玉蘭＞山芋＞台灣山蘇＞姑婆芋＞杜鵑＞瓠瓜。 一、針筒、燒杯、攪拌棒、湯匙、精鹽、蔗糖、 膠帶、Nikon D90相機 + 105micro鏡+Kenko extention tube、美工刀、剪刀、天平。 二、不具有毛構造：姑婆芋 Alocasia odora、黑板 樹 Alstonia scholaris、玉蘭Colocasia konishii 、台灣山蘇 Asplenium nidus、台灣芭蕉 Musa formosana、山芋 Colocasia esculenta。 三、具有毛構造：構樹 Broussonetia papyrifera、 杜鵑 Rhododendron spp.、瓠瓜 Lagenaria siceraria、白匏子Mallotus paniculatus。 研究結果二、不同的類型及濃度的水溶液，與各種類植物葉面之表面張力的影響。 一、食鹽水 研究過程及方法 一、植物的葉面觀察及選取 (一)在校園巡禮過程中，利用肉眼觀察各類植 物葉面是否具有毛狀構造並稍作記錄 。 (二)就之前記錄到的植物種類中，分別選取數 種植物葉表面具有毛狀構造及不具毛狀構 造的種類(依照葉面大小，校園內此種植 物數量等狀況選取分別為：編號(1)姑婆 芋(2)黑板樹(3)玉蘭(4)山蘇(5)芭蕉葉(6) 構樹(7)杜鵑(8)瓠瓜(9)白匏子(10)山芋 (三)利用顯微攝影拍攝此十種植物葉面及葉背 ，觀察葉面上突起物的密度並排序之。

2. (一)在糖水狀況下，接觸角隨植物種類不同而有差異(一)在糖水狀況下，接觸角隨植物種類不同而有差異 ，不似食鹽水皆較純水低。 (二)接觸角隨濃度增加先升高再下降的種類：黑板樹 、玉蘭、構樹及白匏子。 (三)接觸角隨濃度增加先降低再升高的種類：台灣山蘇、山芋。 (四)接觸角隨濃度增加而降低的種類：姑婆芋。 (五)其餘種類接觸角與濃度無明顯一次或2次相關。 三、不論濃度大小，糖水與葉片的接觸角皆明顯比食鹽水高。 研究結果三、植物葉片上細毛及葉脈等物理構造與表面張力的相關性。 上圖為食鹽水對各種植物正反面表面張力的影響。 (一)多數種類在濃度增加時，接觸角有隨之增加趨 勢，而在6%之後又漸減。 一、上圖前四者為植物觀察時粗分為有毛者，後六 者則幾乎或沒有毛。 二、由上圖可發現除姑婆芋及玉蘭兩種葉片無毛植 物外，四種有毛的植物接觸角與無毛植物相比 偏低。 三、觀察植物葉子照片，將葉面上突起物密度由密 到疏排序：山芋>白匏子>瓠瓜>構樹>姑婆芋> 台灣山蘇>杜鵑>台灣芭蕉>黑板樹>玉蘭。發現 不具毛狀構造的六種植物的接觸角大小順序與 之幾乎相同(僅姑婆芋有所落差)，代表突起物 密度與接觸角大小有正向相關。 (二)所有種類的植物在食鹽水狀況下的接觸角皆比 純水低。 二、糖水 之前理化課時老師曾提到，表面張力會使雨滴的表面積變成最小的原因是液體內分子間作用力(內聚力)會使雨滴形狀為正圓球型，而我們三人去查了一下資料發現表面張力其實是由液體分子間互相作用的內聚力與液體分子及接觸面之間的附著力所造成。由下方兩圖我們發現在水滴平衡時，若內聚力>附著力*21/2時，形成的接觸角會是鈍角(因內部分子將外側分子拉進去，減小表面積)，反之則是銳角。因此接觸角越大，表現出來的表面張力也越大，讓單位體積的水滴表面積縮小；依照前面的推論，我們在這個實驗就利用接觸角大小來粗略象徵表面張力大小。 在我們決定要用接觸角粗略代表表面張力時，思考到一個問題：是否接觸角會因液滴增大而有所改變，而在一個參考文獻(高中科展)中發現，有一個實驗採用洋菜膠進行測試，在1-5滴的狀況接觸角都沒有變化(如下圖)，代表作用力應只在液滴同時與桌面及空氣作用的那個圓環處，而不會影響到接觸角大小。 而水中的內聚力主要是因為內部的氫鍵作用造成，當水中添加其他物質時，則可能因此物質與水分子間產生相互作用，同時亦讓水中內部氫鍵作用減弱，因此添加物質的濃度高低，可能會影響之後水溶液的表面張力高低，若氫鍵作用力減弱幅度少，而物質之間及與水分子的作用力幅度高，則表面張力會有增加趨勢，反之則降低。 上圖為糖水對各種植物正反面表面張力的影響。

3. 三、植物葉片上細毛及微小突起等物理構造與表三、植物葉片上細毛及微小突起等物理構造與表 面張力的相關性 經過觀察植物葉子照片後，將葉面上突起物 密度由密到疏排序：山芋>白匏子>瓠瓜>構樹>姑 婆芋>台灣山蘇>杜鵑>台灣芭蕉>黑板樹>玉蘭。山 芋的表面張力較其他植物大，這和蓮花效應關。 蓮花的表面張力會較大，是因為葉面上有微小突 起的構造，而山芋是因為其葉面上有奈米細毛的 構造，與蓮花葉面上的微小突起的構造相似，而 使其表面張力比其他植物來的大，而台灣山蘇和 姑婆芋也有類似的情形。 討論 一、純水對不同植物葉面的表面張力 我們由研究結果一得知葉面接觸角大小排序：山芋＞台灣山蘇＞台灣芭蕉＞黑板樹＞杜鵑＞白匏子＞姑婆芋＞瓠瓜＞構樹＞玉蘭，其中山芋、台灣山蘇與台灣芭蕉的表面張力最大。經過顯微攝影拍攝此三種葉片表面，發現山芋葉面遍布極小顆粒，與蓮花葉表有相似的構造，因此造成蓮花效應，使接觸角較其他植物大，故表面張力最大；而台灣山蘇亦有類似情形，但顆粒密度較山芋低，因此作用較差；台灣芭蕉則是因為其表面佈滿白色臘質，因此接觸角及表面張力皆偏高。 圖二、山芋表面示意圖 雖然白匏子、瓠瓜、構樹的排序在前面，是因為表面上的細毛，造成毛細現象，使其附著力大於其內聚力，因此這些植物的表面張力比表面無毛的植物來的小，這表示葉面上的細毛會使其附著力變大，而細毛的密度越大，其表面張力就會越小，這就是造成葉面上細毛密度與接觸角大小呈現相反走向的原因。 圖二、台灣芭蕉正反面構造 我們發現葉面明顯有毛狀構造的植物其接觸角皆偏低，故推論葉面具有毛狀構造時會造成表面張力較差，且操作過程明顯有潤濕現象，推測是因液滴與側邊細毛產生毛細現象，使其附著力較液滴內聚力高，因此不易有較高大的水滴形成。 此外，從結果也發現，除了山芋以外，葉背的接觸角皆明顯大於葉面或無顯著差異。對於這個結果，我們認為應與葉片上下表面的角質層有關，在七年級學到植物葉片結構時，發現上下表皮皆有角質層，但下表皮處的氣孔量明顯較多，因此我們認為下表皮的角質層厚度應該相對的也要比上表皮厚，才可避免水分多數由下表皮非氣孔處散失。 而根據所拍攝下來的各種植物葉面、葉背照片比較下，我們發現山芋的葉面明顯有密度極高的微小顆粒分布，而葉背則沒有如此明顯、稠密的顆粒結構，因此與蓮葉表面結構相似的山芋葉面反而表面張力較葉背大。 結論 一、液體表面張力大小手到多種因素影響，本次實驗主要討論接觸面性質與液體種類。 二、實驗發現葉面上突起物密度較高，由蓮花效應可知，微小突起物具有疏水性，所以表面張力大。而葉面上細毛較多的葉片，受到毛細現象的影響，會使附著力大於內聚力，造成其表面張力變小。大多植物葉背表面張力都大於葉面的表面張力，原因是通常葉背氣孔數量都大於葉面氣孔，而葉背為了要防止水分散失，角質層會比葉面的角質層大，讓水不易被分散。 三、根據上面實驗得知，三種液體的表面張力大小分別是糖水>純水>食鹽水，而食鹽水對植物的表面張力較小的原因是，食鹽水中的鈉離子和氯離子會干擾氫鍵的作用力，讓內聚力變的較小。糖水裡並沒有其他分子干擾，而且它會讓水變成黏黏的，使內聚力增強。 二、不同的類型及濃度的水溶液，與各種類植物葉面、葉背之表面張力的影響 食鹽屬於易解離的電解質，當溶於水後產生的鈉 離子會與水中的氯離子及水分子產生作用力，進而干擾到水中氫鍵的作用力，而糖水則屬於非電解質 ，則較無此種狀況。在研究結果二中，我們就可以明顯發現各濃度的糖水的接觸角皆比食鹽水大，亦即糖水的表面張力較食鹽水大，且因為水加入糖之後黏滯係數會相對增加，因此糖水內部的分子內聚力也相對提升，進而使多數植物與糖水間的表面張力比水大。而不同濃度的食鹽水作用時，我們發現表面張力會有先降後升的狀況，推測也是因為前段所提到的離子干擾所造成，當離子濃度仍低時，影響到氫鍵作用，離子間作用力卻也不大，因此內聚力下降，表面張力降低；當濃度高到一定程度時，雖然氫鍵用被干擾，但離子濃度高，離子間作用力也強，所以表面張力反而回升，不過因實驗濃度僅達15%，因此無法確定在濃度持續上升時，表面張力是否會回復甚至超過純水的表面張力。 參考資料 一、www.tkgsh.tn.edu.tw - /maulin/簡報/高二 物質科學物理下ppt/ch10流體的性質/10-5液 體表面張力與毛細現象 二、中華民國第四十四屆中小學科學展覽會 國中 組 物理科 被忽略的神秘力量─表面張力 三、國小組 自然科 不可思「溢」--探討水溶液 的表面張力 四、中華民國第四十九屆中小學科學展覽會 國中 組 化學科 似蓮不著水 不同濃度的糖水對表面張力的影響則較無規律性，推測可能與各種植物葉面結構(葉脈、突起物、毛狀物質等)有所差異有關。其中隨濃度升高表面張力先升高後下降的四個種類(黑板樹、玉蘭、構樹及白匏子)，前兩者葉面平滑，葉脈密度低，後兩者則是具有較密的(毛。針對前兩者因為葉面沒有類似蓮花葉面上的微小突起，因此蓮花效應不明顯，雖然糖水濃度升高黏稠度上升，但達到一定程度後固定體積的液體重量反而過重，因此張力先升高後下降；而構樹、白匏子葉面毛狀物多，對水滴周圍附著力強，而使濃度過高的糖水反而產生張力降低的情形。而不論食鹽水、糖水、純水對葉背作用的表面張力皆明顯比葉面大，原因如討論二。