表面張力

表面張力

力學名詞
表面張力,是液體表面層由于分子引力不均衡而産生的沿表面作用于任一界線上的張力。通常,由于環境不同,處于界面的分子與處于相本體内的分子所受力是不同的。在水内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于内部液相分子對它的吸引力,所以該分子所受合力不等于零,其合力方向垂直指向液體内部,結果導緻液體表面具有自動縮小的趨勢,這種收縮力稱為表面張力。
    中文名:表面張力 外文名:surface tension 别名: 拼音:biǎo miàn zhāng lì 定義:促使液體表面收縮的力

基本信息

多相體系中相之間存在着界面(interface)。習慣上人們僅将氣-液,氣-固界面稱為表面(surface)。

表面張力,是液體表面層由于分子引力不均衡而産生的沿表面作用于任一界線上的張力。将水分散成霧滴,即擴大其表面,有許多内部水分子移到表面,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着較多的表面能(surface energy)。

相關數據

在293K下水的表面張力系數為72.75×10-3N·m-1,乙醇為22.32×10-3N·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34×10-3N·m-1。

表面張力的測值通常有多種方法,實驗室及教科書中,通常采用的測試方法為最大氣泡壓法。由于其器材易得,操作方法相對易于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,通常有白金闆法(du Nouy method)白金環法(Wilhelmy plate method)懸滴法滴體積法最大氣泡壓法等。

測定方法

(1)表面張力法。表面張力測定法适合于離子表面活性劑和非離子表面活性劑臨界膠束濃度的測定,無機離子的存在也不影響測定結果。在表面活性劑濃度較低時,随着濃度的增加,溶液的表面張力急劇下降,當到達臨界膠束濃度時,表面張力的下降則很緩慢或停止。以表面張力對表面活性劑濃度的對數作圖,曲線轉折點相對應的濃度即為CMC。如果在表面活性劑中或溶液中含有少量長鍊醇、高級胺、脂肪酸等高表面活性的極性有機物時,溶液的表面張力-濃度對數曲線上的轉折可能變得不明顯,但出現一個最低值(圖2—15)。這也是用以鑒别表面活性劑純度的方法之一。

(2)電導法。本法僅适合于表面活性較強的離子表面活性劑CMC的測定,以表面活性劑溶液電導率或摩爾電導率對濃度或濃度的平方根作圖,曲線的轉折點即CMC。溶液中若含有無機離子時,方法的靈敏度大大下降。

(3)光散射法。光線通過表面活性劑溶液時,如果溶液中有膠束粒子存在,則一部分光線将被膠束粒子所散射,因此測定散射光強度即濁度可反映溶液中表面活性劑膠束形成。以溶液濁度對表面活性劑濃度作圖,在到達CMC時,濁度将急劇上升,因此曲線轉折點即為CMC。利用光散射法還可測定膠束大小(水合直徑),推測其締合數等。但測定時應注意環境的潔淨,避免灰塵的污染。

(4)染料法。一些有機染料在被膠團增溶時。其吸收光譜與未增溶時發生明顯改變,例如頻那氰醇溶液為紫紅色,被表面活性劑增溶後成為藍色。所以隻要在大于CMC的表面活性劑溶液中加入少量染料,然後定量加水稀釋至顔色改變即可判定CMC值。采用滴定終點觀察法或分光光度法均可完成測定。對于陰離子表面活性劑,常用的染料有頻那氰醇、堿性蕊香紅G;陽離子表面活性劑可用曙紅或熒光黃;非離子表面活性劑可用頻那氰醇、四碘熒光素、碘、苯并紫紅4B等。采用染料法測定CMC可因染料的加入影響測定的精确性,尤其對CMC較小的表面活性劑的影響更大,另外,當表面活性劑中含有無機鹽及醇時,測定結果也不甚準确。

目前還有許多現代儀器方法測定CMC,如熒光光度法、核磁共振法、導數光譜法等。

詳解

定義

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,單位長度内互相牽引的力。

單位

表面張力的單位在SI制中為牛頓。

表面張力系數的單位在SI制中為牛頓/米(N/m),但仍常用達因/厘米(dyn/cm),1dyn/cm = 1*10-3N/m[1]。

說明

①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。是由于表面層的液體分子處于特殊情況決定的。液體内部的分子和分子間幾乎是緊挨着的,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,而隻能在平衡位置附近振動和旋轉。在液體表面附近的分子由于隻顯著受到液體内側分子的作用,受力不均,使速度較大的分子很容易沖出液面,成為蒸汽,結果在液體表面層(跟氣體接觸的液體薄層)的分子分布比内部分子分布來得稀疏。相對于液體内部分子的分布來說,它們處在特殊的情況中。表面層分子間的斥力随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占優勢。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。Fa表示a部分表面層中的分子對b部分的吸引力,Fb表示b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,由于表面張力的作用,液體表面總是趨向于盡可能縮小,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叫做表面張力系數,它的單位常用dyn/cm。在數值上表面張力系數就等于液體表面相鄰兩部分間單位長度的相互牽引力。

液膜表面張力系數=液膜的表面能/液膜面積=F表面張力/(2*所取線段長)。

表面張力系數與液體性質有關,與液面大小無關。

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,露水總是盡可能的呈球型(題圖),而某些昆蟲則利用表面張力可以漂浮在水面上(如水黾)。

實驗

例一

這個實驗,也可以說是一個關于表面張力的小遊戲。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元的硬币(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裡輪流投放硬币,每次投放硬币數沒有限制,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。投放硬币的時候用拇指和食指捏住硬币輕輕的放進盛滿水的杯子。其實這個實驗也可以放入回形針等較小的物品(即蘇教版物理初二上冊的實驗),起初回形針可能會浮在水面上,也可能會沉下去,但是在表面張力完好時杯中的水不會溢出,當表面張力小于回形針的作用力時,它就會被破壞,表現為水溢出。

例二

用孔紙片托水

材料:瓶子一個、大頭針一個、紙片一張,有色水一滿杯

操作:

1.在空瓶内盛滿有色水。

2.用大頭針在白紙上紮許多孔。

3.把有孔紙片蓋住瓶口。

4.用手壓着紙片,将瓶倒轉,使瓶口朝下。

5.将手輕輕移開,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于紙片上,産生了向上的托力。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)

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

聚酰胺類聚合物(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

例三

準備一盆清水和一根繡花針,将針小心翼翼地,水平地,放在平靜的水面,針就會浮着啦。這是因為水分子緊緊地結合在一起,産生了表面張力,把針給“撐”了起來。拿起洗清液,往水裡一擠,針沉下去了,因為洗清液破壞了表面張力,所以針沉了。

例四

準備一根細長的木棍或牙簽,用小刀雕刻成獨木舟的樣子,在獨木舟的一端沾上一點洗發水,再将它放在一盆清水中,不用任何動力,獨木舟就自己走了起來。

這是因為在洗發水中含有表面活性劑,這些活性劑可以減弱水的表面張力,因此獨木舟上沾有洗發水一端周圍的水面張力減弱,而其另一端的張力不變,兩端的張力差形成了對獨木舟的推力,獨木舟自然就會自己前進了。

其它實驗

塑料薄膜表面張力檢測

一、用BOPP單面膠帶進行剝離檢驗

将BOPP單面膠帶粘貼在待測薄膜表面,壓緊,而後再撕開。如果薄膜的表面張力達到使用要求,那麼剝離時很用力,而且聲音小;相反則很容易剝離,并伴有"沙沙"聲。

二、利用達因測試筆進行測試

薄膜表面張力值符合要求時 (BOPP:3.8x10-2N/m,PET:5.0x10-2N/m,尼龍:5.2x10-2N/m),測試筆劃過的地方液痕均勻,無斷痕,不收縮;否則測試液将收縮。如果一部分收縮,一部分不收縮,說明處理得還不夠。

值得一提的是,檢測PET和尼龍時,需選用大一級的測試筆。表面張力測試筆的常用規格有:3.8×10-2N/m、4.0×10-2N/m、4.2×10-2N/m、4.4×10-2N/m、4.8×10-2N/m (測鋁箔用)、5.2x10-2N/m(測尼龍膜用) 6種。

三、自行配制表面張力測試液

部分表面張力測試液配方見附表。測試方法是用棉球蘸少許測試液塗布在處理面,判斷方法與第2點大緻相同。

處理後的薄膜不宜放置時間過長,最多放7天。時間越長,表面張力值降低越明顯。如果需要放置較長時間,則在處理薄膜時,表面張力初期值要提高(2~4)×10-2N/m。

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