การพัฒนาชุดอุปกรณ์อย่างง่ายสำหรับการวัดความตึงผิวด้วยวิธีการยกตัวของสารในหลอดคาปิลลารีในการเรียนปฏิบัติการเคมีเชิงฟิสิกส์ระดับปริญญาตรี
Development of a Simple Apparatus for Measuring Surface Tension via the Capillary Rise Method in Undergraduate Physical Chemistry Laboratories
วันที่ส่งบทความ: 29 พ.ค. 2567
วันที่ตอบรับ: 24 ก.ค. 2567
วันที่เผยแพร่: 1 ก.ค. 2568
บทคัดย่อ
งานวิจัยนี้ได้พัฒนาชุดอุปกรณ์อย่างง่ายจากเครื่องแก้วที่ใช้ในห้องปฏิบัติการเคมี เพื่อหาค่าความตึงผิวของ
ตัวทำละลายสำหรับใช้การเรียนการสอนวิชาปฏิบัติการเคมีเชิงฟิสิกส์ระดับปริญญาตรี ความตึงผิวคำนวณได้จากความสูงของสารที่ยกตัวขึ้นในท่อคาปิลลารีของปิเปต ซึ่งอาศัยภาพถ่ายเส้นโค้ง (เมนิคัส) ของปริมาตรของเหลวในปิเปตจากกล้องสมาร์ทโฟน กลุ่มตัวอย่างประกอบไปด้วยนิสิต 10 กลุ่ม (กลุ่มละ 3 คน) อาจารย์ 3 คน และนักวิทยาศาสตร์ 2 คน เป็นผู้ทำการทดลองเพื่อทดสอบประสิทธิภาพของชุดอุปกรณ์อย่างง่าย พบว่าค่าความตึงผิวของเอทานอล เฮกเซน โทลูอีน 1-โพรพานอล และน้ำ เท่ากับ 20.66 16.50 26.19 21.44 และ 68.96 dyn/cm ตามลำดับ ค่าร้อยละความคลาดเคลื่อนเท่ากับ 5.96 7.79 6.24 8.05 และ 4.21 ตามลำดับ เมื่อเปรียบเทียบกับค่ามาตรฐานในเอกสารอ้างอิง นอกจากนี้ ชุดอุปกรณ์อย่างง่ายยังสามารถวัดความตึงผิวของสารละลาย 1-บิวทานอล และโซเดียมคลอไรด์ ได้ จากผลการทดลองพบว่าค่าความตึงผิวที่ได้มีความถูกต้อง แม่นยำ และสามารถวัดซ้ำได้จากกลุ่มผู้ทดลองที่ต่างกัน มีข้อดีในการใช้สารเคมีปริมาณน้อยกว่าการใช้เครื่องวัดความตึงผิว ใช้ระยะเวลาในการทำปฏิบัติการเพียง 60 นาที ซึ่งลดลงกว่าเดิมครึ่งหนึ่ง เทียบกับการวัดด้วยเครื่องวัดความตึงผิว ส่งผลต่อความพึงพอใจต่อชุดอุปกรณ์อย่างง่ายอยู่ในระดับมาก โดยมีค่าเฉลี่ย 4.22 และส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานเท่ากับ 0.22 ดังนั้นชุดอุปกรณ์อย่างง่ายนี้จึงมีประสิทธิภาพเพียงพอในการนำมาใช้วัดความตึงผิวของสารละลายโดยวิธีการยกตัวของสารในหลอดคาปิลลารี สำหรับการเรียนปฏิบัติการเคมีเชิงฟิสิกส์
Abstract
This research has developed a simple apparatus from glassware commonly available in chemistry laboratories for measuring the surface tension of solvents in undergraduate physical chemistry labs. The surface tension was determined by measuring the height of the solvent in a pipette capillary tube. The meniscus of the liquid can be easily observed and read via a smartphone camera. There are 10 groups of students (3 people in each group), three lecturers, and two scientists who conducted an experiment to test the performance of this apparatus. It was found that the surface tensions of ethanol, hexane, toluene, 1-propanol and water were 20.66, 16.50, 26.19, 21.44 and 68.96 dyn/cm, respectively. Percentage errors were 5.96, 7.79, 6.24, 8.05 and 4.21, respectively, compared to the standard values in the reference document. Additionally, the apparatus was employed to measure the surface tension of solutions of n-butanol and sodium chloride. The obtained results were accurate, precise, and repeatable across different groups. This apparatus has the advantage of using a smaller amount of chemicals compared to a tensiometer. It took only 60 minutes to complete the operation, half the time required previously when using the tensiometer. This efficiency resulted in a high level of participant satisfaction, with a mean score of 4.22 and a standard deviation of 0.22. Therefore, this simple apparatus is effective for measuring the surface tension of solutions via capillary rise in physical chemistry experiment.
Keywords
เคมีพื้นผิว; ปฏิบัติการเคมีเชิงฟิสิกส์; ความตึงผิว; การยกขึ้นของของเหลวในคาปิลลารี; Surface chemistry; Physical Chemistry Laboratory; Surface Tension; Capillary Rise
How to cite!
อมรรัตน์ ม่วงอ่อน, & พรสวรรค์ อมรศักดิ์ชัย. (2568). การพัฒนาชุดอุปกรณ์อย่างง่ายสำหรับการวัดความตึงผิวด้วยวิธีการยกตัวของสารในหลอดคาปิลลารีในการเรียนปฏิบัติการเคมีเชิงฟิสิกส์ระดับปริญญาตรี. วารสารพัฒนาการเรียนการสอน มหาวิทยาลัยรังสิต, 19(2), 152-164
References
ภาควิชาเคมี (2564) การทดลองที่ 6 ความตึงผิวของของเหลว เทคนิคปฏิบัติการเคมีเชิงฟิสิกส์ II (น. 32-36) คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยนเรศวร
Atkins, P., & de Paula, J. (2014). Chapter 16: Molecular interactions. In Physical chemistry (10th ed.). W. H. Freeman and Company.
Boduroglu, S., & Bashir, R. (2022). Review of capillary rise experiments for surface-active solutes in the subsurface. Geotechnics, 2(3), 706–730.
Chen, H., Muros-Cobos, J. L., Holgado-Terriza, J. A., & Amirfazli, A. (2017). Surface tension measurement with a smartphone using a pendant drop. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 533, 213–217.
Extrand, C. W. (2022). Meniscus formation in a vertical capillary tube. Langmuir, 38(7), 2346–2353.
Garland, C. W., Nibler, J. W., & Shoemaker, D. P. (2009). Experiment 25: Surface tension of solutions. In Experiments in physical chemistry (8th ed., pp. 299–308). McGraw-Hill.
Gascon, K. N., Weinstein, S. J., & Antoniades, M. G. (2019). Use of simplified surface tension measurements to determine surface excess: An undergraduate experiment. Journal of Chemical Education, 96(2), 342–347.
Huck-Iriart, C., De-Candia, A., Rodriguez, J., & Rinaldi, C. (2016). Determination of surface tension of surfactant solutions through capillary rise measurements: An image-processing undergraduate laboratory experiment. Journal of Chemical Education, 93(9), 1647–1651.
Jiao, T., Liu, X., & Niu, J. (2016). Effects of sodium chloride on adsorption at different interfaces and aggregation behaviors of disulfonate gemini surfactants. RSC Advances, 6, 13881–13889.
Jones, A. C., Craig, V. S. J., & Senden, T. J. (2001). Contact angles of aqueous solutions on copper surfaces bearing self-assembled monolayers. Journal of Chemical Education, 78(3), 345–346.
Lide, D. R. (2005). Surface tension of common liquids. In CRC handbook of chemistry and physics (82nd ed., pp. 6-135–6-137). CRC Press.
Munguia, T., & Smith, C. A. (2001). Surface tension determination through capillary rise and laser diffraction patterns. Journal of Chemical Education, 78(3), 343–344.
Ozdemir, O., Karakashev, S. I., Nguyen, A. V., & Miller, J. D. (2009). Adsorption and surface tension analysis of concentrated alkali halide brine solutions. Minerals Engineering, 22, 263–271.
Ophardt, C. (2003). Surface tension of solutions. Retrieved from http://www.elmhurst.edu/~chm/studentport/fleming/surfacetension.html
Park, C., Lee, C. Y., & Hong, H. G. (2020). Undergraduate students’ understanding of surface tension considering molecular area. Journal of Chemical Education, 97(11), 3937–3947.
Physical Chemistry Laboratory. (2017). Surface tension measurements. Retrieved from https://infohost.nmt.edu/~jaltig/SurfaceTension.pdf
Properties of Fluids. (2003). Physical characteristics of water (at the atmospheric pressure). Retrieved from https://www.thermexcel.com/english/tables/eau_atm.htm
Slavchov, R. I., & Novev, J. K. (2012). Surface tension of concentrated electrolyte solutions. Journal of Colloid and Interface Science, 387(1), 234–243.
Tomas, K., Frederic, D., & Andree, V. (2007). Importance of surface tension characterization for food, pharmaceutical, and packaging products. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 46, 391–407.
Torn, R. D., & Nathanson, G. M. (2002). Surface tensions and surface segregation of n-butanol in sulfuric acid. Journal of Physical Chemistry B, 106(33), 8064–8069.
Walz, M. M., Werner, J., Ekholm, V., Prisle, N. L., Öhrwall, G., & Björneholm, O. (2016). Alcohols at the aqueous surface: Chain length and isomer effects. Physical Chemistry Chemical Physics, 18(9), 6648–6656.
Zhang, X., Liu, S., Li, B., Zhang, F., & An, N. (2004). A multipurpose apparatus to measure viscosity and surface tension of solutions: The measurement of the molecular cross-sectional area of n-propanol. Journal of Chemical Education, 81(6), 850–853.
Approved By TCI (2025 - 2029)
Indexed in
