水表面張力介紹

1、水表面張力介紹 表面張力 表面張力，是液體表面層由于分子引力不均衡而產(chǎn)生的沿表面作用于任一界線上的張力。 通 常，處于液體表面層的分子較為稀薄，其分子間距較大， 液體分子之間的引力大于斥力，合 力表現(xiàn)為平行于液體界面的引力。 表面張力是物質(zhì)的特性，其大小與溫度和界面兩相物質(zhì)的 性質(zhì)有關(guān)。 1 基本信息 多相體系中相之間存在著界面( interface)。習(xí)慣上人們僅將氣 -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產(chǎn)生的沿表面作用于任一界線上的張力。 將 水分散成霧滴，即擴大其表面，有許多內(nèi)部水分子移到表面， 就必須克服這種力對體系做功 - 表面功

2、。顯然這樣的分散體系便儲存著較多的表面能 (surface energy)。 2 相關(guān)數(shù)據(jù) 在293K下水的表面張力系數(shù)為 72.75X 10-3N - m-1，乙醇為 22.32 X 10-3N - m-1 ,正丁醇 為 24.6 X 10-3N - m-1，而水-正丁醇(4.1 %。)的界面張力為 34 X 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(xué)生理解表面張力的原理， 因而長期以來是教學(xué)的必備 方法。 作為表面張力測試儀器的測試方法， 通常有白金板法( 白金環(huán)法(Wilhelmy 懸

3、滴法滴體積法最大氣泡壓法等。 3 測定方法 (1) 表面張力法。表面張力測定法適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(jié)果。在表面活性劑濃度較低時，隨著濃度的增加， 溶液的表面張力急劇下降，當(dāng)?shù)竭_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(shù)作圖，曲線轉(zhuǎn)折點相對應(yīng)的濃度即為 CMC。如果在表面活 性劑中或溶液中含有少量長鏈醇、 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(shù)曲線上的轉(zhuǎn)折可能變得不明顯，但出現(xiàn)一個最低值 (圖 2-15)。這也是用以 鑒別表面活性劑純度的方法之一。 (2) 電

4、導(dǎo)法。本法僅適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(dǎo)率或摩爾電導(dǎo)率對濃度或濃度的平方根作圖，曲線的轉(zhuǎn)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，則一部分光線將 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，濁度將急劇上升，因此曲線轉(zhuǎn)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(shù)等。但測定時應(yīng)注意環(huán)境的潔凈， 避免灰塵的污染。 (4) 染料法。一些有機染料在被

5、膠團增溶時。其吸收光譜與未增溶時發(fā)生明顯改變，例如頻 那割醇溶液為紫紅色，被表面活性劑增溶后成為藍色。所以只要在大于 CMC 的表面活性劑 溶液中加入少量染料，然后定量加水稀釋至顏色改變即可判定 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， 常用的染料有頻那割醇、 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割醇、 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確性， 尤其對 CMC 較小的表面活性劑的影響更大， 另外，當(dāng)表面活性劑中含有無機鹽及醇時， 測定結(jié)果也不甚 準(zhǔn)確。 目前還

6、有許多現(xiàn)代儀器方法測定 CMC，如熒光光度法、核磁共振法、導(dǎo)數(shù)光譜法等。 1 4 詳解 定義 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，單位長度內(nèi)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(shù)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/m1。 說明 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。 表面張力是分子力的一種表現(xiàn)。 它發(fā)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

7、處于特殊情況決定的。 液體內(nèi)部的分子和分子間幾乎是緊挨著的， 分子間經(jīng)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，而只能在平衡位置附近振動和旋轉(zhuǎn)。 在液體表面附近的分子由于只顯著受到液體 內(nèi)側(cè)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(jié)果在液體表 面層（跟氣體接觸的液體薄層） 的分子分布比內(nèi)部分子分布來得稀疏。 相對于液體內(nèi)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隨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(yōu)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、

8、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，F(xiàn)b 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。 表面張力 F的大小跟分界線 MN 的長度成正比?？蓪懗?F= b L或 b =F/L。 比值 b 叫做表面張力系數(shù)，它的單位常用 dyn/cm。在數(shù)值上表面張力系數(shù)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(shù)=液膜的表面能/液膜面積=F表面張力/

9、 （2*所取線段長）。 表面張力系數(shù)與液體性質(zhì)有關(guān)，與液面大小無關(guān)。 5 在自然界 在自然界中，我們可以看到很多表面張力的現(xiàn)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。 6 實驗 例一 這個實驗，也可以說是一個關(guān)于表面張力的小游戲。 先找一個朋友和你一起來進行這個游戲， 然后準(zhǔn)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 元的硬幣(也可 以更多)。然后是這個游戲的規(guī)則，和朋友每人一次向杯子里輪流投放硬幣，每次投放硬幣 數(shù)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

10、放硬幣的時候用拇指和食指捏住硬幣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(dāng)表面張力小于回形針的作用力 時，它就會被破壞，表現(xiàn)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. 在空瓶內(nèi)盛滿有色水。 2. 用大頭針在白紙上扎許多孔。 3. 把有孔紙片蓋住瓶口。 4. 用手壓著紙片，將瓶倒轉(zhuǎn)，使瓶口朝下。 5. 將手輕輕移開，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

11、為大氣壓強作用于紙片上， 產(chǎn)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(shù)據(jù)：(25 度) 理論純凈水(DI Water) 72 mN/m 碳氫類表面活性劑(Hydrocarbon surfactant)約 35 mN/m 聚硅氧烷類表面活性劑( 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(huán)氧樹脂 (Epoxy Resi

12、n) = 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

13、 矽膠類聚合物(Silicon polymer) 約=24 dynes/cm Teflon = 18 dynes/cm (摘錄自美國杜邦化學(xué)數(shù)據(jù)，中譯或有錯誤，請網(wǎng)友指正。 ) 例三 準(zhǔn)備一盆清水和一根繡花針，將針小心翼翼地，水平地，放在平靜的水面，針就會浮著啦。 這是因為水分子緊緊地結(jié)合在一起，產(chǎn)生了表面張力，把針給“撐” 了起來。拿起洗清液， 往水里一擠，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(zhǔn)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(fā)水， 再將它放在一盆清水中，不用任何動力，獨木舟就自己走了起來。 這是因為在洗發(fā)水中含有表面活性劑，

14、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(fā)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。 7 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 將 BOPP單面膠帶粘貼在待測薄膜表面， 壓緊，而后再撕開。如果薄膜的表面張力達到使用 要求，那么剝離時很用力，而且聲音?。幌喾磩t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:5.0 x10-2N/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；否則測試液將收縮。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(guī)格 有：3.8 X 10-2N/m、4.0X 10-2N/