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如何理解“表面張力”這一概念?

來(lái)源:表面活性劑網(wǎng) 瀏覽 531 次 發(fā)布時(shí)間:2024-01-02

要理解表面張力需要深入理解“相”這個(gè)概念,在物理化學(xué)里,簡(jiǎn)單地說(shuō),相就由均勻物質(zhì)組成,擁有均勻的物理與化學(xué)性質(zhì)。不同相之間就會(huì)用相界。表面就是相界的一種,再簡(jiǎn)單說(shuō)就是兩個(gè)“區(qū)域”邊界(境)線。我們很容易理解,邊界線的性質(zhì)和意義,肯定是和邊界內(nèi)部的是不同,尤其是在科學(xué)領(lǐng)域,因?yàn)檫@個(gè)領(lǐng)域特別講條件,所定義的條件也是絕不模棱兩可,這就使得邊界部分比較特殊,它的特性可能符合邊界左邊,也可能符合邊界右邊,也可能都不符合。所以表面科學(xué)呼之而出,它在物理化學(xué)領(lǐng)域通常要單獨(dú)討論。


表面張力就是因?yàn)楸砻妫ㄏ嘟纾﹥蛇叿肿娱g作用力不同而引起的,為什么會(huì)不同呢?因?yàn)槭遣煌南?,就比如氣液(水)兩相,一邊分子密度大,一邊分子密度小,所以交界面上的分子,在水一?cè)就可能受到更多的作用力,比如氫鍵,整體效果就是,這個(gè)“更多的作用力”使得液體有種自發(fā)的傾向,要把自己的收縮起來(lái),縮到能平衡掉這部分多出來(lái)的作用力。


一、什么是表面張力


表面張力是使液體表面收縮的一種力,是表層分子之間相互吸引產(chǎn)生的。分子間力稱為范德華力,同時(shí)包含吸引力和排斥力。當(dāng)液體不受外力時(shí),內(nèi)部分子間也處于平衡的不受力狀態(tài),即吸引力和排斥力相等,分子們靠近一點(diǎn)就體現(xiàn)出排斥力,遠(yuǎn)離一點(diǎn)就體現(xiàn)出吸引力。而在液體表面上,經(jīng)常有些能量高的分子掙脫了其他分子的吸引力而逃脫,這就是液體的氣化。在這種作用下,液體表層分子間的距離比內(nèi)部分子間的距離更大一些,分子間體現(xiàn)為拉力,這就是表面張力。表面張力的存在使液體表面趨向于面積最小,使液滴傾向于呈球形。這下明白為什么水滴是球形的了吧,其原因就是因?yàn)楸砻鎻埩?,要是沒(méi)有表面張力,那水滴的形狀千奇百怪,可能是方的,三角形、橢圓形等等


二、對(duì)表面張力的理解


表面張力的大小取決于液體的性質(zhì)和環(huán)境條件。一般來(lái)說(shuō),表面張力隨著液體的分子間吸引力增強(qiáng)而增加,隨著溫度的升高而減小。簡(jiǎn)單粗暴理解,表面張力越小的液體,越容易被“侵犯”,表面張力越大的液體“越犟,不容易被侵犯”,表面張力的這種特性,在生活中有很多應(yīng)用。


1.清潔劑和肥皂:在洗滌過(guò)程中,清潔劑和肥皂能夠降低水的表面張力,使其更容易滲透到污垢和油脂中,從而更有效地清潔物體表面。


2.水滴形狀:表面張力使得水滴呈現(xiàn)球形。這是因?yàn)楸砻鎻埩κ沟盟肿釉诒砻嫔舷嗷ノ?,使得水滴盡可能小,從而減小表面積。


3.吸水紙的作用原理:毛細(xì)管現(xiàn)象是表面張力的重要應(yīng)用之一。當(dāng)將一根細(xì)小的管子(如玻璃毛細(xì)管)插入液體中時(shí),液體會(huì)上升或下降到比容器中液體水平更高或更低的位置。這是因?yàn)楸砻鎻埩κ挂后w在細(xì)小管道中形成了一個(gè)上升或下降的力。

玻璃板上的水銀滴基本上呈球形,這是因?yàn)樗y滴外表面薄層內(nèi)所有分子都處在高勢(shì)能狀態(tài)。計(jì)算表明,如使分子總勢(shì)能為極小,則表面必定呈圓球形。如果設(shè)法消除重力的影響,例如把液滴放在比重相同又與液滴不起化學(xué)反應(yīng)的另一種液體中,或在真空中自由下落,或在失重的人造衛(wèi)星與火箭的環(huán)境中,則液滴將呈現(xiàn)理想的球形。球面形的肥皂泡,荷葉上的球形露珠,也可以用相同的道理來(lái)解釋。