表面张力及影响因素

1、O返回 2021-7-1 在两相(特别是气-液)界面上，处 处存在着一种张力，它垂直于表面的 边界，指向液体方向并与表面相切。 将一含有一个活动边框的金属 线框架放在肥皂液中，然后取出悬 挂，活动边在下面。由于金属框上 的肥皂膜的表面张力作用，可滑动 的边会被向上拉，直至顶部。 把作用于单位边界线上的这种力 称为表面张力，用g 表示，单位是 Nm-1。 O返回 2021-7-1 如果在活动边框上挂一重物， 使重物质量W2与边框质量W1所产生 的重力F（F=（W1+W2）g）与总的 表面张力大小相等方向相反，则金 属丝不再滑动。 这时 2Flg l是滑动边的长度，因膜有两个 面，所以边界总长度为

2、2l， 就是作 用于单位边界上的表面张力。 g O返回 2021-7-1 g O返回 2021-7-1 如果在金属线框中间系一线圈， 一起浸入肥皂液中，然后取出，上 面形成一液膜。 (a) (b) 由于以线圈为边界的两边表面张 力大小相等方向相反，所以线圈成 任意形状可在液膜上移动，见(a)图。 如果刺破线圈中央的液膜，线 圈内侧张力消失，外侧表面张力立 即将线圈绷成一个圆形，见(b)图， 清楚的显示出表面张力的存在。 O返回 2021-7-1 （a） （b） O返回 2021-7-1 温度升高，界面张力下降，当达到临界温度Tc时， 界面张力趋向于零。这可用热力学公式说明： B BB dddd

3、dnAPVTSGg因为 运用全微分的性质，可得： BB , )()( nPAnPT TA S g 等式左方为正值，因为表面积增加，熵总是增加 的。所以 随T的增加而下降。 g O返回 2021-7-1 表面熵 是指在等温等压下，一定量的液体增加单位表面 积时熵的增量。 上式表明，可利用实验可测的量来得到难以从实验上测定 的表面熵值。 已知一般液体的表面张力温度系数为负值，因此表面熵在 一般情况下应为正值。这可看成将分子从液体内部迁移到 表面，由于分子间力减少，分子排列从有序到无序必引起 熵增。换言之，表面熵为正值可理解为是表面层疏松化的 结果。 , ii s T p nA p n S S AT

4、 g O返回 2021-7-1 表面总能 是指在恒温恒压下，增加单位面积时体系内能 的增量。即 根据吉布斯界面模型，且体系为纯液体,对吉布斯界面， 有 因此 , , A T p n U A , A Tp n U A 0 s V , , , ss ii ss T p nT p n US T AA g , , s i s A p n T T g g O返回 2021-7-1 显然，上式右方第一和第二项分别代表扩展单位表面 积的可逆功和可逆热（ ）。扩展表面时， 为使体系温度不变，必须吸热。若为绝热过程，则扩 展表面必须使T下降。 R QT S 由于右方两项均为正值，因此 , , s i s T p

5、 n U A g 即表面总能大于它的表面自由能，若与热力学第一定 律比较，表面总能为表面功和表面热的加和。 O返回 2021-7-1 Ramsay和Shields提出的 与T的经验式较常用: g gVm2/3 =k（Tc-T-6.0） 式中Vm为摩尔体积，k为普适常数，对非极性液 体，k =2.210-7 JK-1 。 O返回 2021-7-1 （1）分子间相互作用力的影响 （2）温度的影响 温度升高，表面张力下降。 （3）压力的影响 表面张力一般随压力的增加而下降。因为压力增 加，气相密度增加，表面分子受力不均匀性略有好转。 另外，若是气相中有别的物质，则压力增加，促使表 面吸附增加，气体溶

6、解度增加，也使表面张力下降。 对纯液体或纯固体，表面张力决定于分子间形成 的化学键能的大小，一般化学键越强，表面张力越大。 (金属键) (离子键) (极性共价键) (非极性共价键)g gg g 两种液体间的界面张力，界于两种液体表面张力之间。 O返回 2021-7-1 压力与表面张力关系的实验研究不易进行，一般说来，压 力对表面张力的影响可以从下面三个方面考虑 p增加，两相间密度差减少，减小 p增加，气体在液体表面上的吸附使表面能降低（吸附 放热），因此减小 p增加，气体在液体中的溶解度增大，表面能降低 以上三种情况均表明， p增加，减小 O返回 2021-7-1 但从有关公式可知 , , T

7、 p T A V pA g 上式表明，p增加，增加 实验结果是，在某些情况下p增加，减小。这可用气体吸附或 溶解来解释，但在另一些情况下，p增加，增加。显然，这与 上述解释相反。 可见，压力对表面张力的影响相当复杂，这是因为增加压力必 须引入第二组分（如惰性气体），而第二组分又往往会通过吸 附或溶解来影响表面张力。当第二级分的吸附或溶解对表面张 力的影响远远超过压力本身的作用则往往表现为第一种情况， 而当吸附或溶解的影响很小时，则又表面为第二种情况。 O返回 2021-7-1 由于表面相分子处于一合力指向液体内部的不对称力场 之中，因此，表面层分子有离开表面层进入体相的趋势。 这一点可从液体表面的自动收缩得以证明。这也说明了处 于表面层的分子具有比体相内部的分子更高的能量。 换言之，增加液体的表面积就必须把一定数量的内部分 子迁移到表面上，要完成这个过程必须借助于外力做功。 因此，体系获得的能量便是表面过剩自由能。可见，构成 界面的两相性质不同及分子内存在着相互作用力是产生表 面自由能的原因。 O返回 2021-7-1 液体表面为什么会存在张力是一个长期困扰表面化学家 的问题，实际上，表面张力同样是分子间存在相