表面张力

关于表面张力

　　多相体系中相之间存在着界面(interface)。习惯上人们仅将气-液，气-固界面称为表面(surface)。
　　通常，由于环境不同，处于界面的分子与处于相本体内的分子所受力是不同的。在水内部的一个水分子受到周围水分子的作用力的合力为0，但在表面的一个水分子却不如此。因上层空间气相分子对它的吸引力小于内部液相分子对它的吸引力，所以该分子所受合力不等于零，其合力方向垂直指向液体内部，结果导致液体表面具有自动缩小的趋势，这种收缩力称为表面张力。将水分散成雾滴，即扩大其表面，有许多内部水分子移到表面，就必须克服这种力对体系做功——表面功。显然这样的分散体系便储存着较多的表面能(surface energy)。。
　　表面张力(surface tension)是物质的特性，其大小与温度和界面两相物质的性质有关。
　　在293K下水的表面张力为72.75×10-3 N·m-1，乙醇为22.32×10-3 N·m-1，正丁醇为24.6×10-3N·m-1，而水-正丁醇（4.1‰）的界面张力为34×10-3 N·m-1。
　　表面张力的测值通常有多种方法,目前实验室及教科书中,通常采用的测试方法为最大气泡压法.由于其器材易得,操作方法相对易于学生理解表面张力的原理,因而长期以来是教学的必备方法.
　　作为表面张力测试仪器的测试方法,通常有白金板法(du Nouy method)\白金环法(Wilhelmy plate method)\悬滴法\滴体积法\最大气泡压法等.

定义及相关

　　(1)定义或解释
　　①促使液体表面收缩的力叫做表面张力[1]。
　　②液体表面相邻两部分之间，单位长度内互相牵引的力。
　　(2)单位
　　表面张力的单位在SI制中为牛顿/米（N/m），但仍常用达因/厘米（dyn/cm）, 1dyn/cm = 1mN/m。
　　(3)说明
　　①表面张力的方向和液面相切，并和两部分的分界线垂直，如果液面是平面，表面张力就在这个平面上。 如果液面是曲面，表面张力就在这个曲面的切面上。
　　②表面张力是分子力的一种表现。它发生在液体和气体接触时的边界部分。是由于表面层的液体分子处于特殊情况决定的。液体内部的分子和分子间几乎是紧挨着的，分子间经常保持平衡距离，稍远一些就相吸，稍近一些就相斥，这就决定了液体分子不像气体分子那样可以无限扩散，而只能在平衡位置附近振动和旋转。在液体表面附近的分子由于只显著受到液体内侧分子的作用，受力不均，使速度较大的分子很容易冲出液面，成为蒸汽，结果在液体表面层(跟气体接触的液体薄层)的分子分布比内部分子分布来得稀疏。相对于液体内部分子的分布来说，它们处在特殊的情况中。表面层分子间的斥力随它们彼此间的距离增大而减小，在这个特殊层中分子间的引力作用占优势。因此，如果在液体表面上任意划一条分界线MN把液面分成a、b两部分，如图所示。F表示a部分表面层中的分子对b部分的吸引力，F6表示右部分表面层中的分子对a部分的吸引力，这两部分的力一定大小相等、方向相反。这种表面层中任何两部分间的相互牵引力，促使了液体表面层具有收缩的趋势，由于表面张力的作用，液体表面总是趋向于尽可能缩小，因此空气中的小液滴往往呈圆球形状。
　　③表面张力F的大小跟分界线MN的长度成正比。可写成F=σL或σ=F/L。
　　比值σ叫做表面张力系数，它的单位常用dyn／cm。在数值上表面张力系数就等于液体表面相邻两部分间单位长度的相互牵引力。
　　液膜表面张力系数=液膜的表面能/液膜面积=F表面张力/(2*所取线段长）。
　　表面张力系数与液体性质有关，与液面大小无关。

表面张力在自然界

　　在自然界中，我们可以看到很多表面张力的现象和对张力的运用。比如，露水总是尽可能的呈球型（题图），而某些昆虫则利用表面张力可以漂浮在水面上。

表面张力的实验

　　实验一：
　　这个实验，也可以说是一个关于表面张力的小游戏。先找一个朋友和你一起来进行这个游戏，然后准备一杯水（把水加到杯子的边缘处,目视水至杯口齐平处），16枚1元的硬币(也可以更多)。然后是这个游戏的规则，和朋友每人一次向杯子里轮流投放硬币，每次投放硬币数没有限制，可以一次放进1枚，可以2或3枚,或者更多，直到谁先把水溢出杯子为止。投放硬币的时候用拇指和食指捏住硬币轻轻的放进盛满水的杯子。本人最多一次投放了82枚1元硬币。
　　实验二
　　有孔纸片托水
　　材料：瓶子一个、大头针一个、纸片一张，有色水一满杯
　　操作：
　　1、在空瓶内盛满有色水。
　　2、用大头针在白纸上扎许多孔。
　　3、把有孔纸片盖住瓶口。
　　4、用手压着纸片，将瓶倒转，使瓶口朝下。
　　5、将手轻轻移开，纸片纹丝不动地盖住瓶口，而且水也未从孔中流出来。
　　讲解：
　　薄纸片能托起瓶中的水，是因为大气压强作用于纸片上，产生了向上的托力。小孔不会漏出水来，是因为水有表面张力，水在纸的表面形成水的薄膜，使水不会漏出来。这如同布做的雨伞，布虽然有很多小孔，仍然不会漏雨一样。
　　部分液体或固体的表面张力/表面能数据：（25度C)
　　理论纯净水(DI Water) 72 mN/m
　　碳氢类表面活性剂(Hydrocarbon surfactant) 约 35 mN/m
　　聚硅氧烷类表面活性剂(Silicon Surfactant) 约 25 mN/m
　　氟碳氢类表面活性剂(Fluorinate surfactant) 约 < 20 dynes/cm (0.01-0.1%)
　　环氧树脂(Epoxy Resin) = 47 dynes/cm
　　聚酰胺类聚合物(Polyamide)（尼龙） = 46 dynes/cm
　　纤维素(Cellulose) = 45 dynes/cm
　　聚酯类聚合物(PET Polymer) 约 = 43 dynes/cm
　　聚氯乙烯类聚合物(Polyvinyl Chloride Polymer) 约 = 39 dynes/cm
　　聚丙烯酸酯类聚合物(Poly acrilic polymer) 约 = 35 dynes/cm
　　聚乙烯类聚合物(Poly stylene polymer) 约 = 33 dynes/cm
　　聚胺脂类聚合物(Poly urithane polymer) 约 = 30 dynes/cm
　　矽胶类聚合物(Silicon polymer) 约 = 24 dynes/cm
　　Teflon = 18 dynes/cm
　　（摘录自美国杜邦化学数据，中译或有错误，请网友指正。）