表面張力是什么

表面張力是什么

　　表面張力本質(zhì)上來(lái)講是一種分子力，它作用于液體的表面層上，由于液體的表面層結(jié)構(gòu)不同于液體內(nèi)部，這就使液體表面相鄰分子間的相互作用力表現(xiàn)為一種張力。

　　在液體內(nèi)部的分子間既存在斥力也存在引力，分子間的間距平衡保持在r上下，距離大于r分子就會(huì)相互吸引，若小于r就會(huì)相互排斥，因而液體內(nèi)部各分子距離始終趨于平衡;與液體內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，液體表面層的分子由于受到液體內(nèi)部分子的引力影響，一部分液體表層分子會(huì)進(jìn)入液體內(nèi)部，而一部分分子則離開(kāi)液體表層。

　　這時(shí)，與液體內(nèi)部相比，液體表面的分子數(shù)量要少得多，分子數(shù)量的減少使分子與分子間的距離隨之拉大，液體表面的分子間受引力作用較大。

　　諸多生活現(xiàn)象表明，液體表面層猶如一張緊繃的彈性膜，在這張彈性膜表層上任意做一條切線，在薄膜表層的前后兩面存在兩種相互作用的拉力，且這兩種拉力的方向都與切線相垂直，這就是液體表面張力的表現(xiàn)。表面張力與液體表層相切，也就是液體表層若呈現(xiàn)曲狀，那么液體表面張力就在這個(gè)曲面的切線上。

表面張力的單位

　　表面張力的單位在SI制中為牛頓/米(N/m)，但仍常用達(dá)因/厘米(dyn/cm)，1dyn/cm=1mN/m。備注：達(dá)因是個(gè)物理上的力學(xué)單位，1達(dá)因等于10的負(fù)5次方牛頓。因此換算1dyn/cm=1mN/m。

　　表面張力的單位說(shuō)明：

　　1、表面張力的方向

　　表面張力的方向和液面相切，并和兩部分的分界線垂直，如果液面是平面，表面張力就在這個(gè)平面上。如果液面是曲面，表面張力就在這個(gè)曲面的切面上。

　　2、表面張力的形成

　　表面張力是分子力的一種表現(xiàn)，它發(fā)生在液體和氣體接觸時(shí)的邊界部分，是由于表面層的液體分子處于特殊情況決定的。液體內(nèi)部的分子和分子間幾乎是緊挨著的，分子間經(jīng)常保持平衡距離，稍遠(yuǎn)一些就相吸，稍近一些就相斥，這就決定了液體分子不像氣體分子那樣可以無(wú)限擴(kuò)散，而只能在平衡位置附近振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。

　　在液體表面附近的分子由于只顯著受到液體內(nèi)側(cè)分子的作用，受力不均，使速度較大的分子很容易沖出液面，成為蒸汽，結(jié)果在液體表面層(跟氣體接觸的液體薄層)的分子分布比內(nèi)部分子分布來(lái)得稀疏。相對(duì)于液體內(nèi)部分子的分布來(lái)說(shuō)，它們處在特殊的情況中。表面層分子間的斥力隨它們彼此間的距離增大而減小，在這個(gè)特殊層中分子間的引力作用占優(yōu)勢(shì)。

　　3、表面張力的大小

　　表面張力F的大小跟分界線MN的長(zhǎng)度成正比?？蓪懗蒄=σL或σ=F/L。

　　比值σ叫做表面張力系數(shù)，它的單位常用dyn/cm。在數(shù)值上表面張力系數(shù)就等于液體表面相鄰兩部分間單位長(zhǎng)度的相互牽引力。

　　液膜表面張力系數(shù)=液膜的表面能/液膜面積=F表面張力/(2*所取線段長(zhǎng))。

　　表面張力系數(shù)與液體性質(zhì)有關(guān)，與液面大小無(wú)關(guān)。

　　水的表面張力：

影響液體表面張力系數(shù)大小的因素

　　液體表面張力系數(shù)是表征液體表面張力大小的重要物理參量，它與液體表面張力的關(guān)系表現(xiàn)為：f=-al，其中f表示液體表面張力，l為液體表面上的一段距離，比例系數(shù)則是該液體在一定條件下的表面張力系數(shù)。受溫度、氣壓與液體性質(zhì)等因素影響，液體的表面張力系數(shù)相對(duì)不同。

　　1、液體濃度與純度

　　在純液體中加入雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致液體表面張力系數(shù)變化，這種變化又與液體的濃度有較大關(guān)系，通常有三種情況：

　　一是液體表面的張力隨液體濃度的增加而上升;

　　二是液體表面張力隨液體濃度增加而下降;

　　第三種比較特殊，當(dāng)液體被稀釋到一定程度時(shí)，液體的表面張力系數(shù)隨著濃度的增加呈現(xiàn)急劇下降的趨勢(shì)，之后一般不隨液體濃度的變化而變化。

　　2、液體溫度

　　液體的表面張力與液體溫度呈反比，溫度升高，液體表面水分子間的距離加大，會(huì)使分子間的作用力減小，由此可見(jiàn)，液體表面張力系數(shù)會(huì)隨著溫度的上升而下降。

　　3、與液面接觸物質(zhì)

　　不僅液體的溫度、性質(zhì)、濃度等因素會(huì)影響液體表面張力系數(shù)，液體表層上的第二介質(zhì)同樣會(huì)對(duì)液體表面張力產(chǎn)生影響。當(dāng)這種介質(zhì)為另一種液體時(shí)，兩種液體的分子間會(huì)發(fā)生相互作用，影響垂直于液體表面的合力大小，導(dǎo)致液體表面張力系數(shù)的變化。然而若與液面接觸的是一種低密度氣體時(shí)，則不會(huì)對(duì)液體的表面張力系數(shù)造成太大改變。

液體表面張力導(dǎo)致的現(xiàn)象

　　1、毛細(xì)現(xiàn)象

　　毛細(xì)管通常指內(nèi)徑小于1mm的管子，將毛細(xì)管插入水中，便會(huì)看到細(xì)管內(nèi)的液面要比管外的水面高，這就是在液體的表面張力作用下出現(xiàn)的毛細(xì)現(xiàn)象。

　　出現(xiàn)毛細(xì)現(xiàn)象主要是幾種力的共同作用的結(jié)果，液體表層的凹面受表面張力的影響使液面層緊縮，把液面下的液體往上提拉，管內(nèi)液面上升，而上升的液體又同時(shí)受到重力影響，再加上附著力的作用，三種力相互制約平衡，最終使液體表層趨于一種穩(wěn)定的高度。

　　2、栓塞現(xiàn)象

　　液體在細(xì)管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，若管內(nèi)產(chǎn)生氣泡，液體在氣泡的阻礙下便有可能造成栓塞現(xiàn)象。假設(shè)液體在管中由左向右流動(dòng)，且左右兩端存在一定的壓強(qiáng)差，如果管內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)半徑與細(xì)管半徑相同但不阻礙液體流動(dòng)的氣泡，受到壓強(qiáng)差影響，細(xì)管左面的液表的曲率半徑將會(huì)變大，而右面液表將會(huì)縮小。這時(shí)左面液表的附加壓強(qiáng)要小于右面液表的附加壓強(qiáng)，存在于氣泡兩面的附加壓強(qiáng)差即右面附加壓強(qiáng)減去左面附加壓強(qiáng)。

　　若液體壓強(qiáng)差大于氣泡兩面的附加壓強(qiáng)差，則氣泡仍可隨液體一起流動(dòng)，但如果管中氣泡過(guò)多，細(xì)管兩端的壓強(qiáng)差與氣泡兩面的附加壓強(qiáng)差趨于平等，液體將無(wú)法流動(dòng)，這時(shí)候就形成了栓塞現(xiàn)象。

　　3、浸潤(rùn)和不浸潤(rùn)現(xiàn)象

　　浸潤(rùn)和不浸潤(rùn)現(xiàn)象的產(chǎn)生從根本上來(lái)講還是分子間的相互作用，液體和固體接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩種情況：

　　若液體內(nèi)部的分子間相互引力小于能夠使液體附著在固體表面上的力，液體分子便會(huì)逐一向固體表層附著，使固體表面的液體層不斷擴(kuò)大。而在液體表面張力的作用下，液面要向里收縮，最終達(dá)到液體分子內(nèi)聚力、附著力與液體表面張力的平衡，出現(xiàn)液體對(duì)固體的浸潤(rùn)現(xiàn)象;

　　當(dāng)液體分子間的內(nèi)聚力大于液體對(duì)固體的附著力時(shí)，液體分子受到的合力方向垂直于附著層，并指向液體內(nèi)部，導(dǎo)致液體分子向液體內(nèi)部靠攏，附著層液面收縮，表現(xiàn)為液體對(duì)固體的不浸潤(rùn)現(xiàn)象。

　　液體的表面張力本質(zhì)上是一種分子力，它能使液體表面緊縮，并導(dǎo)致毛細(xì)現(xiàn)象、栓塞現(xiàn)象、浸潤(rùn)與不浸潤(rùn)現(xiàn)象等現(xiàn)象的產(chǎn)生，與我們的日常生活息息相關(guān)。液體表面張力系數(shù)是液體表征表面張力大小的重要物理參量，其大小受到液體性質(zhì)、溫度、壓強(qiáng)等因素的影響，不同條件下的不同液體狀態(tài)，其表面張力系數(shù)都有所差別。

表面張力的測(cè)定方法

　　1、毛細(xì)管上升法

　　一般認(rèn)為，表面張力的測(cè)定以毛細(xì)管上升法最準(zhǔn)確。這是由于它不僅有比較完整的理論，而且實(shí)驗(yàn)條件可以嚴(yán)密地控制。

　　當(dāng)液體完全濕潤(rùn)管壁時(shí)，液-氣界面與固體表面的夾角(接觸角)為零，則接界處的液體表面與管壁平行而且相切，整個(gè)液面呈凹態(tài)形狀。如果毛細(xì)管的橫截面為圓形，則半徑越小，彎月面越近似于半球形。

　　若液體完全不濕潤(rùn)毛細(xì)管，此時(shí)的液體呈凸液面而發(fā)生毛細(xì)下降，通常情況下液體與圓柱形毛細(xì)管間的接觸角θ介于0°-180°，即液體對(duì)毛細(xì)管的濕潤(rùn)程度處于完全濕潤(rùn)與完全不濕潤(rùn)之間。

　　γ=Δρghr/(2cosθ)

　　式中γ為表面張力，Δρ是液相與氣相的密度差，g是重力加速度，h為液面上升高度，r為毛細(xì)管半徑，θ是固-液接觸角。只要測(cè)得液柱上升(或下降)高度和固-液接觸角，就可以確定液體的表面張力。

　　應(yīng)用此法測(cè)定液體表面張力，要求固-液面接觸角θ最好為零。當(dāng)精確測(cè)量時(shí)，需要對(duì)毛細(xì)管內(nèi)液面上升高度h進(jìn)行校正。當(dāng)液面位置很難測(cè)準(zhǔn)時(shí)，可通過(guò)測(cè)量?jī)筛?xì)管的高度差計(jì)算表面張力，其計(jì)算公式為:

　　γ=Δρg(h₁-h₂)/2(1/r₁-1/r₂)

　　h₁、h₂分別為兩毛細(xì)管液面上升高度，r₁、r₂分別為兩毛細(xì)管半徑。

　　2、最大氣泡壓力法

　　這也是測(cè)定液體表面張力的一種常用方法，測(cè)定時(shí)將一根毛細(xì)管插入待測(cè)液體內(nèi)部，從管中緩慢地通入惰性氣體對(duì)其內(nèi)的液體施以壓力，使它能在管端形成氣泡逸出。

　　當(dāng)所用的毛細(xì)管管徑較小時(shí)，可以假定所產(chǎn)生的氣泡都是球面的一部分，但是氣泡在生成及發(fā)展過(guò)程中，氣泡的曲率半徑將隨惰性氣體的壓力變化而改變，當(dāng)氣泡的形狀恰為半球形時(shí)，氣泡的曲率半徑為最小，正好等于毛細(xì)管半徑。如果此時(shí)繼續(xù)通入惰性氣體，氣泡便會(huì)猛然脹大，并且迅速地脫離管端逸出或突然破裂。

　　如果在毛細(xì)管上連一個(gè)U型壓力計(jì)，U型壓力計(jì)所用的液體密度為ρ，兩液柱的高度差為Δl，那么氣泡最大壓力ΔP_max就能通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。此時(shí)：

　　ΔP_max=2γ/r=ρgΔl

　　3、DuNouy吊環(huán)法和Wilhelmy吊片法

　　吊環(huán)法的基本原理是，將浸在液面上的金屬環(huán)(鉑絲制成)脫離液面，其所需的最大拉力，等于吊環(huán)自身重量加上表面張力與被脫離液面周長(zhǎng)的乘積。Timberg和Sondhauss首先使用此法，但DuNouydiyi次應(yīng)用扭力天平來(lái)測(cè)定此最大拉力。

　　Harkins和Jordan引進(jìn)了校正因子，可以用來(lái)測(cè)定純液體表面張力，測(cè)定時(shí)必須注意其表面張力有時(shí)間效應(yīng)。此外，將吊環(huán)拉離液面時(shí)要特別小心，以免液面發(fā)生擾動(dòng)。

　　吊片法是1863年由Wilhelmy首先提出的，后來(lái)，Dognon和Abribat將其改進(jìn)，測(cè)定當(dāng)打毛的鉑片、玻片或?yàn)V紙片的底邊平行界面并剛好接觸(未脫離)界面時(shí)的拉力。要滿足吊片恰好與液面接觸，既可采用脫離法，測(cè)定吊板脫離液面所需與表面張力相抗衡的最大拉力，也可將液面緩慢地上升至剛好與天平懸掛已知重量的吊板接觸，然后測(cè)定其增量，再求得表面張力的值。

　　從測(cè)定原理看，DuNouy吊環(huán)法和Wilhelmy吊片法都是通過(guò)測(cè)量力來(lái)測(cè)量表面張力，對(duì)潤(rùn)濕性要求較高。吊片法操作簡(jiǎn)單，不需校正，精度高。缺點(diǎn)是樣品用量大，升溫速度慢，不能用于多種氣氛的表面張力測(cè)定以及高壓表面張力的測(cè)定。

　　對(duì)于非離子及陰離子表面活性劑，可以采取吊環(huán)法和吊片法;對(duì)于陽(yáng)離子表面活性劑水溶液，由于容易吸附于固體表面，使表面變得疏水而不易被水溶液潤(rùn)濕，實(shí)驗(yàn)誤差較大，可以采用與接觸角無(wú)關(guān)的測(cè)定方法，如滴體積法。

　　4、滴重法和滴體積法

　　滴重法是一種具有統(tǒng)計(jì)平均性質(zhì)且較準(zhǔn)確的方法，最早由Tate于1864年提出?；驹硎菍⒋郎y(cè)液體在恒溫條件下通過(guò)管尖，緩慢地形成液滴落入容器內(nèi)，待收集至足夠數(shù)量的液體時(shí)稱量，根據(jù)總滴數(shù)算出每滴液滴的平均重量(mg)，就可按泰特(Tate)定律求出表面張力γ:

　　mg=2πRγ

　　上式說(shuō)明表面張力所能拉住液體的最大重量等于管尖周長(zhǎng)和液體表面張力的乘積。式中R是液滴頂部半徑，如果待測(cè)的液體不能潤(rùn)濕潤(rùn)管尖材料，只取內(nèi)徑r，反之取外徑。

　　事實(shí)上，液滴落下前所形成的細(xì)長(zhǎng)液柱在力學(xué)上是不穩(wěn)定的，即液滴上半部分半徑縮小，下半部分半徑擴(kuò)大，最后形成液滴落下時(shí)，只有下半部分的液體真正落入容器內(nèi)，而上半部分的液滴仍與管尖相連，并成為下一個(gè)液滴的一部分。

　　這是由于表面張力作用下的近管口液體受到其液滴重力作用，過(guò)早地拉伸而斷裂所致。因此，所得液滴的實(shí)際重量要比計(jì)算值小得多。哈金斯和布朗，對(duì)上述偏差作了修正。

　　滴體積法是在滴重法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。滴重法雖然比較精確，但操作很不方便。為此Gaddum改用微形注射器直接測(cè)量滴體積。滴重法和滴體積法的測(cè)量設(shè)備簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確度較高，測(cè)量手段直接，樣品用量少，易于恒溫，能夠用于一般液體或溶液的表面張力的測(cè)定，即使液體對(duì)滴頭不能完全潤(rùn)濕、有一定的接觸角(不大于90°)時(shí)也能適用。

　　5、振蕩射流法

　　毛細(xì)管上升法、最大氣泡壓力法、DuNouy吊環(huán)法、Wilhelmy吊片法、滴重法和滴體積法等是測(cè)定平衡時(shí)的表面張力，即靜態(tài)張力。但是，對(duì)于時(shí)間極短的溶液表面張力的變化，則需用動(dòng)態(tài)法測(cè)量。一般地，測(cè)定液體表面張力的方法稍以改動(dòng)可用于測(cè)量動(dòng)表面張力;但對(duì)于時(shí)間很短的動(dòng)表面張力，可以采用振蕩射流法，該法測(cè)定的時(shí)間范圍可低達(dá)1ms左右。

　　液流在橢圓形管口噴出時(shí)，射流可作周期性振動(dòng)，形成一連串的波形。波形的產(chǎn)生是由于液體表面張力有使液流由橢圓形變?yōu)閳A形的傾向和射流慣性力的相互作用。通過(guò)射流動(dòng)表面張力公式，自射流波長(zhǎng)和射流速度可測(cè)得表面張力與表面老化時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

　　6、旋滴法

　　旋滴法主要用于測(cè)定超低表面張力。一般將表面張力值在10^-1mN/m~10^-3mN/m時(shí)稱為低表面張力，10^-3mN/m以下稱為超低表面張力。

　　測(cè)定原理:在樣品管中裝入高密度的液體，再加入少量低密度液體，密閉后，將其置于旋滴儀中使其以ω角速度旋轉(zhuǎn)。在離心力、重力及表面張力作用下，低密度液體在高密度液體中形成圓柱形液滴。設(shè)圓柱形長(zhǎng)為l，半徑為r₀，兩液體的密度差為Δρ。當(dāng)圓柱形長(zhǎng)度與直徑的比率大于4時(shí)，表面張力γ可

　　由Vonnegut方程求出:

　　γ=Δρω²r₀³/4

　　7、懸滴法

　　懸滴法實(shí)質(zhì)上是滴外形法的一種。滴外形法是根據(jù)液滴的外形來(lái)測(cè)定表面張力和接觸角的方法，既有懸滴法又有躺滴法，其原理是根據(jù)Laplace關(guān)于毛細(xì)現(xiàn)象的方程:

　　ΔP=γ(1/R₁+1/R₂)

　　其中γ為表面張力，R₁和R₂表示曲面半徑，ΔP為界面上的壓力差。

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，圖像處理技術(shù)在許多領(lǐng)域中發(fā)揮著巨大的作用，Pu等用軸稱滴形分析技術(shù)，通過(guò)復(fù)雜的Newton-Raphson計(jì)算與遞增迭代法結(jié)合將其發(fā)展為軸稱滴形輪廓法，得到廣泛的應(yīng)用。

　　下圖四氯乙烯溶液的動(dòng)態(tài)表面張力隨面積的變化，從圖中可以看出，對(duì)于PCE，當(dāng)表面積增大或者減小到初始表面積時(shí)，表面張力也恢復(fù)到原來(lái)的數(shù)值，即具有一定的彈性。

　　從實(shí)際使用情況看，ADSA-P可測(cè)定氣-液界面和液-液界面，測(cè)定的范圍寬，可以測(cè)出達(dá)幾十mN/m至10^-3mN/m的張力值。不但可以測(cè)定表面張力而且可以測(cè)定前進(jìn)與后退接觸角。懸滴法用注射器成滴，采用顯微光學(xué)系統(tǒng)，試液用量較少。