表面張力

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多相體系中相之間存在著界面(interface)。習慣上人們僅將氣-液,氣-固界面稱為表面

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(surface)。

通常,由於環境不同,處於界面的分子與處於相本體內的分子所受力是不同的。在水內部的一個水分子受到周圍水分子的作用力的合力為0,但在表面的一個水分子卻不如此。因上層空間氣相分子對它的吸引力小於內部液相分子對它的吸引力,所以該分子所受合力不等於零,其合力方向垂直指向液體內部,結果導致液體表面具有自動縮小的趨勢,這種收縮力稱為表面張力。將水分散成霧滴,即擴大其表面,有許多內部水分子移到表面,就必須克服這種力對體系做功——表面功。顯然這樣的分散體系便儲存著較多的表面能(surface energy)。  

目錄

相關數據

表面張力(surface tension)是物質的特性,其大小與溫度和界面兩相物質的性質有關。

在293K下水的表面張力為72.75×10-3 N.m-1,乙醇為22.32×10-3 N.m-1,正丁醇為24.6×10-3N.m-1,而水-正丁醇(4.1‰)的界面張力為34×10-3 N.m-1。

表面張力的測值通常有多種方法,目前實驗室及教科書中,通常採用的測試方法為最大氣泡壓法.由於其器材易得,操作方法相對易於學生理解表面張力的原理,因而長期以來是教學的必備方法.

作為表面張力測試儀器的測試方法,通常有白金板法(du Nouy method)\白金環法(Wilhelmy plate method)\懸滴法\滴體積法\最大氣泡壓法等.  

定義及相關

(1)定義或解釋

①促使液體表面收縮的力叫做表面張力。

②液體表面相鄰兩部分之間,單位長度內互相牽引的力。  

(2)單位

表面張力的單位在SI制中為牛頓/米(N/m),但仍常用達因/厘米(dyn/cm), 1dyn/cm = 1mN/m。  

(3)說明

①表面張力的方向和液面相切,並和兩部分的分界線垂直,如果液面是平面,表面張力就在這個平面上。 如果液面是曲面,表面張力就在這個曲面的切面上。

②表面張力是分子力的一種表現。它發生在液體和氣體接觸時的邊界部分。是由於表面層的液體分子處於特殊情況決定的。液體內部的分子和分子間幾乎是緊挨著的,分子間經常保持平衡距離,稍遠一些就相吸,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限擴散,而只能在平衡位置附近振動和旋轉。在液體表面附近的分子由於只顯著受到液體內側分子的作用,受力不均,使速度較大的分子很容易衝出液面,成為蒸汽,結果在液體表面層(跟氣體接觸的液體薄層)的分子分布比內部分子分布來得稀疏。相對於液體內部分子的分布來說,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,在這個特殊層中分子間的引力作用佔優勢。因此,如果在液體表面上任意劃一條分界線MN把液面分成a、b兩部分,如圖所示。F表示a部分表面層中的分子對b部分的吸引力,F6表示右部分表面層中的分子對a部分的吸引力,這兩部分的力一定大小相等、方向相反。這種表面層中任何兩部分間的相互牽引力,促使了液體表面層具有收縮的趨勢,由於表面張力的作用,液體表面總是趨向於盡可能縮小,因此空氣中的小液滴往往呈圓球形狀。

③表面張力F的大小跟分界線MN的長度成正比。可寫成F=σL或σ=F/L。

比值σ叫做表面張力係數,它的單位常用dyn/cm。在數值上表面張力係數就等於液體表面相鄰兩部分間單位長度的相互牽引力。

液膜表面張力係數=液膜的表面能/液膜面積=F表面張力/(2*所取線段長)。

表面張力係數與液體性質有關,與液面大小無關。  

表面張力在自然界

在自然界中,我們可以看到很多表面張力的現象和對張力的運用。比如,露水總是儘可能的呈球型(題圖),而某些昆蟲則利用表面張力可以漂浮在水面上。  

表面張力的實驗

實驗一:

這個實驗,也可以說是一個關於表面張力的小遊戲。先找一個朋友和你一起來進行這個遊戲,然後準備一杯水(把水加到杯子的邊緣處,目視水至杯口齊平處),16枚1元的硬幣(也可以更多)。然後是這個遊戲的規則,和朋友每人一次向杯子里輪流投放硬幣,每次投放硬幣數沒有限制,可以一次放進1枚,可以2或3枚,或者更多,直到誰先把水溢出杯子為止。投放硬幣的時候用拇指食指捏住硬幣輕輕的放進盛滿水的杯子。本人最多一次投放了82枚1元硬幣。  

實驗二

有孔紙片托水

材料:瓶子一個、大頭針一個、紙片一張,有色水一滿杯

操作:

1、在空瓶內盛滿有色水。

2、用大頭針在白紙上扎許多孔。

3、把有孔紙片蓋住瓶口。

4、用手壓著紙片,將瓶倒轉,使瓶口朝下。

5、將手輕輕移開,紙片紋絲不動地蓋住瓶口,而且水也未從孔中流出來。  

講解:

薄紙片能托起瓶中的水,是因為大氣壓強作用於紙片上,產生了向上的托力。小孔不會漏出水來,是因為水有表面張力,水在紙的表面形成水的薄膜,使水不會漏出來。這如同布做的雨傘,布雖然有很多小孔,仍然不會漏雨一樣。

部分液體或固體的表面張力/表面能數據:(25度C)

理論純淨水(DI Water) 72 mN/m

碳氫類表面活性劑(Hydrocarbon surfactant) 約 35 mN/m

聚矽氧烷類表面活性劑(Silicon Surfactant) 約 25 mN/m

氟碳氫類表面活性劑(Fluorinate surfactant) 約 < 20 dynes/cm (0.01-0.1%)

環氧樹脂(Epoxy Resin) = 47 dynes/cm

聚醯胺類聚合物(Polyamide)(尼龍) = 46 dynes/cm

纖維素(Cellulose) = 45 dynes/cm

聚酯類聚合物(PET Polymer) 約 = 43 dynes/cm

聚氯乙烯類聚合物(Polyvinyl Chloride Polymer) 約 = 39 dynes/cm

聚丙烯酸酯類聚合物(Poly acrilic polymer) 約 = 35 dynes/cm

聚乙烯類聚合物(Poly stylene polymer) 約 = 33 dynes/cm

聚胺脂類聚合物(Poly urithane polymer) 約 = 30 dynes/cm

矽膠類聚合物(Silicon polymer) 約 = 24 dynes/cm

Teflon = 18 dynes/cm

(摘錄自美國杜邦化學數據,中譯或有錯誤,請網友指正。)

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