表面张力

表面张力是什么

　　表面张力本质上来讲是一种分子力，它作用于液体的表面层上，由于液体的表面层结构不同于液体内部，这就使液体表面相邻分子间的相互作用力表现为一种张力。

　　在液体内部的分子间既存在斥力也存在引力，分子间的间距平衡保持在r上下，距离大于r分子就会相互吸引，若小于r就会相互排斥，因而液体内部各分子距离始终趋于平衡;与液体内部结构不同，液体表面层的分子由于受到液体内部分子的引力影响，一部分液体表层分子会进入液体内部，而一部分分子则离开液体表层。

　　这时，与液体内部相比，液体表面的分子数量要少得多，分子数量的减少使分子与分子间的距离随之拉大，液体表面的分子间受引力作用较大。

　　诸多生活现象表明，液体表面层犹如一张紧绷的弹性膜，在这张弹性膜表层上任意做一条切线，在薄膜表层的前后两面存在两种相互作用的拉力，且这两种拉力的方向都与切线相垂直，这就是液体表面张力的表现。表面张力与液体表层相切，也就是液体表层若呈现曲状，那么液体表面张力就在这个曲面的切线上。

表面张力的单位

　　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。备注：达因是个物理上的力学单位，1达因等于10的负5次方牛顿。因此换算1dyn/cm=1mN/m。

　　表面张力的单位说明：

　　1、表面张力的方向

　　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、表面张力的形成

　　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。

　　3、表面张力的大小

　　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。

　　水的表面张力：

影响液体表面张力系数大小的因素

　　液体表面张力系数是表征液体表面张力大小的重要物理参量，它与液体表面张力的关系表现为：f=-al，其中f表示液体表面张力，l为液体表面上的一段距离，比例系数则是该液体在一定条件下的表面张力系数。受温度、气压与液体性质等因素影响，液体的表面张力系数相对不同。

　　1、液体浓度与纯度

　　在纯液体中加入杂质会导致液体表面张力系数变化，这种变化又与液体的浓度有较大关系，通常有三种情况：

　　一是液体表面的张力随液体浓度的增加而上升;

　　二是液体表面张力随液体浓度增加而下降;

　　第三种比较特殊，当液体被稀释到一定程度时，液体的表面张力系数随着浓度的增加呈现急剧下降的趋势，之后一般不随液体浓度的变化而变化。

　　2、液体温度

　　液体的表面张力与液体温度呈反比，温度升高，液体表面水分子间的距离加大，会使分子间的作用力减小，由此可见，液体表面张力系数会随着温度的上升而下降。

　　3、与液面接触物质

　　不仅液体的温度、性质、浓度等因素会影响液体表面张力系数，液体表层上的第二介质同样会对液体表面张力产生影响。当这种介质为另一种液体时，两种液体的分子间会发生相互作用，影响垂直于液体表面的合力大小，导致液体表面张力系数的变化。然而若与液面接触的是一种低密度气体时，则不会对液体的表面张力系数造成太大改变。

液体表面张力导致的现象

　　1、毛细现象

　　毛细管通常指内径小于1mm的管子，将毛细管插入水中，便会看到细管内的液面要比管外的水面高，这就是在液体的表面张力作用下出现的毛细现象。

　　出现毛细现象主要是几种力的共同作用的结果，液体表层的凹面受表面张力的影响使液面层紧缩，把液面下的液体往上提拉，管内液面上升，而上升的液体又同时受到重力影响，再加上附着力的作用，三种力相互制约平衡，Z终使液体表层趋于一种稳定的高度。

　　2、栓塞现象

　　液体在细管内流动时，若管内产生气泡，液体在气泡的阻碍下便有可能造成栓塞现象。假设液体在管中由左向右流动，且左右两端存在一定的压强差，如果管内产生一个半径与细管半径相同但不阻碍液体流动的气泡，受到压强差影响，细管左面的液表的曲率半径将会变大，而右面液表将会缩小。这时左面液表的附加压强要小于右面液表的附加压强，存在于气泡两面的附加压强差即右面附加压强减去左面附加压强。

　　若液体压强差大于气泡两面的附加压强差，则气泡仍可随液体一起流动，但如果管中气泡过多，细管两端的压强差与气泡两面的附加压强差趋于平等，液体将无法流动，这时候就形成了栓塞现象。

　　3、浸润和不浸润现象

　　浸润和不浸润现象的产生从根本上来讲还是分子间的相互作用，液体和固体接触时会产生两种情况：

　　若液体内部的分子间相互引力小于能够使液体附着在固体表面上的力，液体分子便会逐一向固体表层附着，使固体表面的液体层不断扩大。而在液体表面张力的作用下，液面要向里收缩，Z终达到液体分子内聚力、附着力与液体表面张力的平衡，出现液体对固体的浸润现象;

　　当液体分子间的内聚力大于液体对固体的附着力时，液体分子受到的合力方向垂直于附着层，并指向液体内部，导致液体分子向液体内部靠拢，附着层液面收缩，表现为液体对固体的不浸润现象。

　　液体的表面张力本质上是一种分子力，它能使液体表面紧缩，并导致毛细现象、栓塞现象、浸润与不浸润现象等现象的产生，与我们的日常生活息息相关。液体表面张力系数是液体表征表面张力大小的重要物理参量，其大小受到液体性质、温度、压强等因素的影响，不同条件下的不同液体状态，其表面张力系数都有所差别。

表面张力的测定方法

　　1、毛细管上升法

　　一般认为，表面张力的测定以毛细管上升法Z准确。这是由于它不仅有比较完整的理论，而且实验条件可以严密地控制。

　　当液体完全湿润管壁时，液-气界面与固体表面的夹角(接触角)为零，则接界处的液体表面与管壁平行而且相切，整个液面呈凹态形状。如果毛细管的横截面为圆形，则半径越小，弯月面越近似于半球形。

　　若液体完全不湿润毛细管，此时的液体呈凸液面而发生毛细下降，通常情况下液体与圆柱形毛细管间的接触角θ介于0°-180°，即液体对毛细管的湿润程度处于完全湿润与完全不湿润之间。

　　γ=Δρghr/(2cosθ)

　　式中γ为表面张力，Δρ是液相与气相的密度差，g是重力加速度，h为液面上升高度，r为毛细管半径，θ是固-液接触角。只要测得液柱上升(或下降)高度和固-液接触角，就可以确定液体的表面张力。

　　应用此法测定液体表面张力，要求固-液面接触角θZ好为零。当精确测量时，需要对毛细管内液面上升高度h进行校正。当液面位置很难测准时，可通过测量两根毛细管的高度差计算表面张力，其计算公式为:

　　γ=Δρg(h₁-h₂)/2(1/r₁-1/r₂)

　　h₁、h₂分别为两毛细管液面上升高度，r₁、r₂分别为两毛细管半径。

　　2、Z大气泡压力法

　　这也是测定液体表面张力的一种常用方法，测定时将一根毛细管插入待测液体内部，从管中缓慢地通入惰性气体对其内的液体施以压力，使它能在管端形成气泡逸出。

　　当所用的毛细管管径较小时，可以假定所产生的气泡都是球面的一部分，但是气泡在生成及发展过程中，气泡的曲率半径将随惰性气体的压力变化而改变，当气泡的形状恰为半球形时，气泡的曲率半径为Z小，正好等于毛细管半径。如果此时继续通入惰性气体，气泡便会猛然胀大，并且迅速地脱离管端逸出或突然破裂。

　　如果在毛细管上连一个U型压力计，U型压力计所用的液体密度为ρ，两液柱的高度差为Δl，那么气泡Z大压力ΔP_max就能通过实验测定。此时：

　　ΔP_max=2γ/r=ρgΔl

　　3、DuNouy吊环法和Wilhelmy吊片法

　　吊环法的基本原理是，将浸在液面上的金属环(铂丝制成)脱离液面，其所需的Z大拉力，等于吊环自身重量加上表面张力与被脱离液面周长的乘积。Timberg和Sondhauss首先使用此法，但DuNouydiyi次应用扭力天平来测定此Z大拉力。

　　Harkins和Jordan引进了校正因子，可以用来测定纯液体表面张力，测定时必须注意其表面张力有时间效应。此外，将吊环拉离液面时要特别小心，以免液面发生扰动。

　　吊片法是1863年由Wilhelmy首先提出的，后来，Dognon和Abribat将其改进，测定当打毛的铂片、玻片或滤纸片的底边平行界面并刚好接触(未脱离)界面时的拉力。要满足吊片恰好与液面接触，既可采用脱离法，测定吊板脱离液面所需与表面张力相抗衡的Z大拉力，也可将液面缓慢地上升至刚好与天平悬挂已知重量的吊板接触，然后测定其增量，再求得表面张力的值。

　　从测定原理看，DuNouy吊环法和Wilhelmy吊片法都是通过测量力来测量表面张力，对润湿性要求较高。吊片法操作简单，不需校正，精度高。缺点是样品用量大，升温速度慢，不能用于多种气氛的表面张力测定以及高压表面张力的测定。

　　对于非离子及阴离子表面活性剂，可以采取吊环法和吊片法;对于阳离子表面活性剂水溶液，由于容易吸附于固体表面，使表面变得疏水而不易被水溶液润湿，实验误差较大，可以采用与接触角无关的测定方法，如滴体积法。

　　4、滴重法和滴体积法

　　滴重法是一种具有统计平均性质且较准确的方法，Z早由Tate于1864年提出。基本原理是将待测液体在恒温条件下通过管尖，缓慢地形成液滴落入容器内，待收集至足够数量的液体时称量，根据总滴数算出每滴液滴的平均重量(mg)，就可按泰特(Tate)定律求出表面张力γ:

　　mg=2πRγ

　　上式说明表面张力所能拉住液体的Z大重量等于管尖周长和液体表面张力的乘积。式中R是液滴顶部半径，如果待测的液体不能润湿润管尖材料，只取内径r，反之取外径。

　　事实上，液滴落下前所形成的细长液柱在力学上是不稳定的，即液滴上半部分半径缩小，下半部分半径扩大，Z后形成液滴落下时，只有下半部分的液体真正落入容器内，而上半部分的液滴仍与管尖相连，并成为下一个液滴的一部分。

　　这是由于表面张力作用下的近管口液体受到其液滴重力作用，过早地拉伸而断裂所致。因此，所得液滴的实际重量要比计算值小得多。哈金斯和布朗，对上述偏差作了修正。

　　滴体积法是在滴重法的基础上发展起来的。滴重法虽然比较精确，但操作很不方便。为此Gaddum改用微形注射器直接测量滴体积。滴重法和滴体积法的测量设备简单，准确度较高，测量手段直接，样品用量少，易于恒温，能够用于一般液体或溶液的表面张力的测定，即使液体对滴头不能完全润湿、有一定的接触角(不大于90°)时也能适用。

　　5、振荡射流法

　　毛细管上升法、Z大气泡压力法、DuNouy吊环法、Wilhelmy吊片法、滴重法和滴体积法等是测定平衡时的表面张力，即静态张力。但是，对于时间极短的溶液表面张力的变化，则需用动态法测量。一般地，测定液体表面张力的方法稍以改动可用于测量动表面张力;但对于时间很短的动表面张力，可以采用振荡射流法，该法测定的时间范围可低达1ms左右。

　　液流在椭圆形管口喷出时，射流可作周期性振动，形成一连串的波形。波形的产生是由于液体表面张力有使液流由椭圆形变为圆形的倾向和射流惯性力的相互作用。通过射流动表面张力公式，自射流波长和射流速度可测得表面张力与表面老化时间的对应关系。

　　6、旋滴法

　　旋滴法主要用于测定超低表面张力。一般将表面张力值在10^-1mN/m~10^-3mN/m时称为低表面张力，10^-3mN/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ω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l，半径为r₀，两液体的密度差为Δρ。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:

　　γ=Δρω²r₀³/4

　　7、悬滴法

　　悬滴法实质上是滴外形法的一种。滴外形法是根据液滴的外形来测定表面张力和接触角的方法，既有悬滴法又有躺滴法，其原理是根据Laplace关于毛细现象的方程:

　　ΔP=γ(1/R₁+1/R₂)

　　其中γ为表面张力，R₁和R₂表示曲面半径，ΔP为界面上的压力差。

　　随着计算机技术发展，图像处理技术在许多领域中发挥着巨大的作用，Pu等用轴称滴形分析技术，通过复杂的Newton-Raphson计算与递增迭代法结合将其发展为轴称滴形轮廓法，得到广泛的应用。

　　下图四氯乙烯溶液的动态表面张力随面积的变化，从图中可以看出，对于PCE，当表面积增大或者减小到初始表面积时，表面张力也恢复到原来的数值，即具有一定的弹性。

　　从实际使用情况看，ADSA-P可测定气-液界面和液-液界面，测定的范围宽，可以测出达几十mN/m至10^-3mN/m的张力值。不但可以测定表面张力而且可以测定前进与后退接触角。悬滴法用注射器成滴，采用显微光学系统，试液用量较少。