標籤:液體流體力學

表面張力,是液體表面層由於分子引力不均衡而產生的沿表面作用於任一界線上的張力。通常,由於環境不同,處於界面的分子與處於相本體內的分子所受力是不同的。在水內部的一個水分子受到周圍水分子的作用力的合力為0,但在表面的一個水分子卻不如此。因上層空間氣相分子對它的吸引力小於內部液相分子對它的吸引力,所以該分子所受合力不等於零,其合力方向垂直指向液體內部,結果導致液體表面具有自動縮小的趨勢,這種收縮力稱為表面張力。表面張力(surface tension)是物質的特性,其大小與溫度和界面兩相物質的性質有關。

1基本信息

多相體系中相之間存在著界面(interface)。習慣上人們僅將氣-液,氣-固界面稱為表面(surface)。
表面張力,是液體表面層由於分子引力不均衡而產生的沿表面作用於任一界線上的張力。將水分散成霧滴,即擴大其表面,有許多內部水分子移到表面,就必須克服這種力對體系做功——表面功。顯然這樣的分散體系便儲存著較多的表面能(surface energy)。

2相關數據

在293K下水的表面張力係數為72.75×10-3 N·m-1,乙醇為22.32×10-3 N·m-1,正丁醇為24.6×10-3N·m-1,而水-正丁醇(4.1‰)的界面張力為34×10-3 N·m-1
表面張力的測值通常有多種方法,目前實驗室及教科書中,通常採用的測試方法為最大氣泡壓法.由於其器材易得,操作方法相對易於學生理解表面張力的原理,因而長期以來是教學的必備方法.
作為表面張力測試儀器的測試方法,通常有白金板法(du Nouy method)\白金環法(Wilhelmy plate method)\懸滴法\滴體積法\最大氣泡壓法等.

3表面張力測定方法

(1)表面張力法。表面張力測定法適合於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,當到達臨界膠束濃度時,表面張力的下降則很緩慢或停止。以表面張力對錶面活性劑濃度的對數作圖,曲線轉折點相對應的濃度即為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-濃度對數曲線上的轉折可能變得不明顯,但出現一個最低值(圖2—15)。這也是用以鑒別表面活性劑純度的方法之一。
(2)電導法。本法僅適合於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率或摩爾電導率對濃度或濃度的平方根作圖,曲線的轉折點即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。以溶液濁度對錶面活性劑濃度作圖,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),推測其締合數等。但測定時應注意環境的潔凈,避免灰塵的污染。
(4)染料法。一些有機染料在被膠團增溶時。其吸收光譜與未增溶時發生明顯改變,例如頻那氰醇溶液為紫紅色,被表面活性劑增溶后成為藍色。所以只要在大於CMC的表面活性劑溶液中加入少量染料,然後定量加水稀釋至顏色改變即可判定CMC值。採用滴定終點觀察法或分光光度法均可完成測定。對於陰離子表面活性劑,常用的染料有頻那氰醇、鹼性蕊香紅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氰醇、四碘熒光素、碘、苯並紫紅4B等。採用染料法測定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,當表面活性劑中含有無機鹽及醇時,測定結果也不甚準確。
目前還有許多現代儀器方法測定CMC,如熒光光度法、核磁共振法、導數光譜法等。

4詳解

單位
表面張力的單位在SI制中為牛頓/米(N/m),但仍常用達因/厘米(dyn/cm),1dyn/cm = 1mN/m
實驗一
這個實驗,也可以說是一個關於表面張力的小遊戲。先找一個朋友和你一起來進行這個遊戲,然後準備一杯水(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)。然後是這個遊戲的規則,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,當表面張力小於回形針的作用力時,它就會被破壞,表現為水溢出。
實驗三
準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合在一起,產生了表面張力,把針給「撐」了起來。拿起洗清液,往水裡一擠,針沉下去了,因為洗清液破壞了表面張力,所以針沉了。

實驗四

準備一根細長的木棍或牙籤,用小刀雕刻成獨木舟的樣子,在獨木舟的一端沾上一點洗髮水,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。
這是因為在洗髮水中含有表面活性劑,這些活性劑可以減弱水的表面張力,因此獨木舟上沾有洗髮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。

5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,而後再撕開。如果薄膜的表面張力達到使用要求,那麼剝離時很用力,而且聲音小;相反則很容易剝離,並伴有"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:5.0x10-2N/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 5種(測鋁箔用)。
三、自行配製表面張力測試液
部分表面張力測試液配方見附表。測試方法是用棉球蘸少許測試液塗布在處理面,判斷方法與第2點大致相同。
處理后的薄膜不宜放置時間過長,最多放7天。時間越長,表面張力值降低越明顯。如果需要放置較長時間,則在處理薄膜時,表面張力初期值要提高(2~4)×10-2N/m。
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