表面张力 百科内容来自于: 百度百科

表面张力,是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。通常,处于液体表面层的分子较为稀薄,其分子间距较大,液体分子之间的引力大于斥力,合力表现为平行于液体界面的引力。表面张力是物质的特性,其大小与温度和界面两相物质的性质有关。

基本信息

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)。
表面张力,是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。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)。

相关数据

在293K下水的表面张力系数为 72.75×10-3N·m-1乙醇22.32×10-3N·m-1正丁醇24.6×10-3N·m-1,而水-正丁醇(4.1‰)的界面张力34×10-3N·m-1
表面张力的测值通常有多种方法,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。

测定方法

(1)表面张力法。表面张力测定法适合于离子表面活性剂和非离子表面活性剂临界胶束浓度的测定,无机离子的存在也不影响测定结果。在表面活性剂浓度较低时,随着浓度的增加,溶液的表面张力急剧下降,当到达临界胶束浓度时,表面张力的下降则很缓慢或停止。以表面张力对表面活性剂浓度的对数作图,曲线转折点相对应的浓度即为CMC。如果在表面活性剂中或溶液中含有少量长链醇、高级胺、脂肪酸等高表面活性的极性有机物时,溶液的表面张力-浓度对数曲线上的转折可能变得不明显,但出现一个最低值(图2—15)。这也是用以鉴别表面活性剂纯度的方法之一。
(2)电导法。本法仅适合于表面活性较强的离子表面活性剂CMC的测定,以表面活性剂溶液电导率或摩尔电导率对浓度或浓度的平方根作图,曲线的转折点即CMC。溶液中若含有无机离子时,方法的灵敏度大大下降。
(3)光散射法。光线通过表面活性剂溶液时,如果溶液中有胶束粒子存在,则一部分光线将被胶束粒子所散射,因此测定散射光强度即浊度可反映溶液中表面活性剂胶束形成。以溶液浊度对表面活性剂浓度作图,在到达CMC时,浊度将急剧上升,因此曲线转折点即为CMC。利用光散射法还可测定胶束大小(水合直径),推测其缔合数等。但测定时应注意环境的洁净,避免灰尘的污染。
(4)染料法。一些有机染料在被胶团增溶时。其吸收光谱与未增溶时发生明显改变,例如频那氰醇溶液为紫红色,被表面活性剂增溶后成为蓝色。所以只要在大于CMC的表面活性剂溶液中加入少量染料,然后定量加水稀释至颜色改变即可判定CMC值。采用滴定终点观察法或分光光度法均可完成测定。对于阴离子表面活性剂,常用的染料有频那氰醇、碱性蕊香红G;阳离子表面活性剂可用曙红或荧光黄;非离子表面活性剂可用频那氰醇、四碘荧光素、碘、苯并紫红4B等。采用染料法测定CMC可因染料的加入影响测定的精确性,尤其对CMC较小的表面活性剂的影响更大,另外,当表面活性剂中含有无机盐及醇时,测定结果也不甚准确。
(5)旋转法。旋滴法主要用于测定超低表面张力。一般将表面张力值在10mN/m-10mN/m时称为低称表面张力,10mN/m以下称为超低表面张力。
测定原理:在样品管中装入高密度的液体,再加入少量低密度液体,密闭后,将其置于旋滴仪中使其以角速度旋转。在离心力、重力及表面张力作用下,低密度液体在高密度液体中形成圆柱形液滴。设圆柱形长为Z,半径为r o,两液体的密度差为△ρ。当圆柱形长度与直径的比率大于4时,表面张力γ可由Vonnegut方程求出由Vonnegut方程求出:
目前还有许多现代仪器方法测定CMC,如荧光光度法、核磁共振法、导数光谱法等。

详解

定义

①促使液体表面收缩的力叫做表面张力
②液体表面相邻两部分之间,单位长度内互相牵引的力。

单位

表面张力的单位在SI制中为牛顿。
表面张力系数的单位在SI制中为牛顿/米(N/m),但仍常用达因/厘米(dyn/cm), 1dyn/cm = 1*10-3N/m

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。Fa表示a部分表面层中的分子对b部分的吸引力,Fb表示b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=σLσ=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。

在自然界

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(如水黾)。

实验

例一

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。其实这个实验也可以放入回形针等较小的物品(即苏教版物理初二上册的实验),起初回形针可能会浮在水面上,也可能会沉下去,但是在表面张力完好时杯中的水不会溢出,当表面张力小于回形针的作用力时,它就会被破坏,表现为水溢出。

例二

用孔纸片托水
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)
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
聚苯乙烯类聚合物(Poly stylene polymer) 约 = 33 dynes/cm
聚氨酯类聚合物(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。)

例三

准备一盆清水和一根绣花针,将针小心翼翼地,水平地,放在平静的水面,针就会浮着啦。这是因为水分子紧紧地结合在一起,产生了表面张力,把针给“撑”了起来。拿起洗清液,往水里一挤,针沉下去了,因为洗清液破坏了表面张力,所以针沉了。

例四

准备一根细长的木棍或牙签,用小刀雕刻成独木舟的样子,在独木舟的一端沾上一点洗发水,再将它放在一盆清水中,不用任何动力,独木舟就自己走了起来。
这是因为在洗发水中含有表面活性剂,这些活性剂可以减弱水的表面张力,因此独木舟上沾有洗发水一端周围的水面张力减弱,而其另一端的张力不变,两端的张力差形成了对独木舟的推力,独木舟自然就会自己前进了。

其它实验

塑料薄膜表面张力检测
一、用BOPP单面胶带进行剥离检验
将BOPP单面胶带粘贴在待测薄膜表面,压紧,而后再撕开。如果薄膜的表面张力达到使用要求,那么剥离时很用力,而且声音小;相反则很容易剥离,并伴有"沙沙"声。
二、利用达因测试笔进行测试
薄膜表面张力值符合要求时 (BOPP:3.8x10-2N/m,PET:5.0x10-2N/m,尼龙:5.2x10-2N/m),测试笔划过的地方液痕均匀,无断痕,不收缩;否则测试液将收缩。如果一部分收缩,一部分不收缩,说明处理得还不够。
值得一提的是,检测PET和尼龙时,需选用大一级的测试笔。表面张力测试笔的常用规格有: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 (测铝箔用)、5.2x10-2N/m(测尼龙膜用) 6种。
三、自行配制表面张力测试液
部分表面张力测试液配方见附表。测试方法是用棉球蘸少许测试液涂布在处理面,判断方法与第2点大致相同。
处理后的薄膜不宜放置时间过长,最多放7天。时间越长,表面张力值降低越明显。如果需要放置较长时间,则在处理薄膜时,表面张力初期值要提高(2~4)×10-2N/m。
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