表面張力是一種特殊的力,它是液體(純凈液體、溶液)性質的一種表現(xiàn).從微觀上看,表面張力是因液體麥面薄層(約10-9米,并非幾何面)內分子間的相互作用,它不同于液體內部分子間的相互作用,從而使液體表面層具有一種特殊性質.表面張力是分子力的一種宏觀表現(xiàn),在內聚力的作用下,表面層液體分子的移動總是盡量地使表面積減小.在液體表面形成一層彈性薄膜,這樣便出現(xiàn)了表面張力.表面張力起源于分子引力,從其作用效果來看,它屬一種拉力.
不同液體表面張力不同,是由于它們有不同的摩爾體積、分子極性和分子力.分子間作用力越大,密度越大,越不容易蒸發(fā)的液體,其表面張力越大,比如:水分子是由氫鍵締合的,因此水的表面張力較大.液態(tài)汞原子是由金屬鍵締合的,其表面張力更大.一般液體表面張力系數(shù)約為40×10-3N/m左右.
液體能否浸潤固體,與其表面張力有關.表面張力系數(shù)小者(30×10-3N/m左右),幾乎能浸潤一切固體;水的表面張力系數(shù)較大.它只能浸潤某些固體.汞的表面張力系數(shù)更大,則僅能浸潤某些金屬.
表面張力系數(shù)是表征表面張力大小的物理量,是討論液體表面現(xiàn)象、了解液體性質的重要物理參量.它與溫度、壓強、密度、純度、氣相或液相組成以及液體種類等有關,通常,密度小、容易蒸發(fā)的液體其表面張力系數(shù)較小.液氫、液氦的表面張力系數(shù)很小,汞則很大.
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從力的角度分析:由于液體表面層分子顯著地受到液體內部分子引力的作用(這其間也存在著分子斥力,只是分子引力占了優(yōu)勢).表面層外氣體或其它液體分子的作用很小.于是,表面層內分子受力上、下不均,所以表面層分子僅受到了一指向液體內部的合引力,這一引力導致了表面層分子有向液體內部運動的趨勢,宏觀上便表現(xiàn)出液體表面具有自動收縮的趨勢.
從能量的角度分析:由于液體表面層內出現(xiàn)了一個指向液體內部、自液面而下逐漸增強的分子引力場.液體分子由液體內部進入分子引力場,需要外力做功,其分子勢能將增大(類似重力場中舉起重物),而液體分子由表面進入液體內部,其勢能會減小(類似重力場中下落物體).因任何物體的勢能總有減小的傾向,以便使其穩(wěn)定(勢能小原理),所以表面層的分子總想進入液體內部以獲得“安穩(wěn)”,從而使表面層分子的總勢能盡可能減小.這一趨勢宏觀上使表面積趨于減小,即液面具有自動收縮的趨勢.
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*,表面張力及其形成和分子引力有著密切的關系.那么,與液面共面相切的宏觀力——表面張力,和垂直液面指向液體內部的微觀力——分子引力合力,二者的如何理解?
如前所述,液體表面層的分子因受到指向液體內部的拉力——分子引力的作用.表面層分子總要盡可能地向液體內部鉆.這樣一來,宏觀上整個液面就會處在一種張緊的狀態(tài),表面上出現(xiàn)張力,即和液體表面共面且相切的表面張力.分子引力、表面張力的可用下面的事例說明類比:一直位于水平面上的小車,通過一個定滑輪在垂直向下的拉力作用下,該車上便會有一沿水平方向的力.分子引力和表面張力的關系是:前者為因,后者為果
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表面張力一般隨溫度升高而減小,因為溫度升高,分子熱運動加劇,液體分子之間距離增大.相互吸引力將減小,所以表面張力要相應地減小.到達臨界溫度(物質以液態(tài)形態(tài)出現(xiàn)的高溫度)時,表面張力減小到零.通常表面張力和溫度的關系成一直線;也有的表面張力雖隨溫度增加而減小,但不是直線關系;有的二者關系則更復雜.表1是不同溫度下水的表面張力系數(shù)值.
表
1(第二行數(shù)值均乘以10-3)4
表面張力和液體表面接觸的物質有關.通常不說明接觸物質的表面張力值,是液體和該液體的飽和蒸汽或含有其飽和蒸汽的空氣接觸時的數(shù)值.如果接觸的物質是別的氣體或液體,那么表面張力將發(fā)生變化,這有點類似于物體間的動摩擦因數(shù),如木塊與鐵塊,木塊與冰塊之間的動摩擦因數(shù)就不一樣·表2是20℃下水與不同物質接觸時的表面張力系數(shù)值.
表2 5 純凈液體中溶有不同種類的物質時,由于溶液中部分溶質分子進入到溶液的表面層.如此,表面層的結構將變化,分子組成將會改變,分子間作用力也會隨之發(fā)生變化,所以表面張力將改變.如:水中溶入酸、酯等物時,其表面張力(系數(shù))相對純水會減小,并隨溶液濃度增加而漸小(20℃下,水中溶有肥皂,表面張力系數(shù)將從72.75×10-3N/m,減至40×10-3N/m);水中溶入食鹽、蔗糖等物時,表面張力(系數(shù))則會稍稍變大,且隨濃度加大而逐漸增大. 純凈液體的表面張力系數(shù)和液體表面的大小無關,但有時表面張力系數(shù)也和表面的大小有關,溶解了活性表面物質的液體(如肥皂水)便是如此.
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