關于表面張力的幾個問題

2010-11-01

表面張力是一種特殊的力，它是液體（純凈液體、溶液）性質的一種表現．從微觀上看，表面張力是因液體麥面薄層（約10-9米，并非幾何面）內分子間的相互作用，它不同于液體內部分子間的相互作用，從而使液體表面層具有一種特殊性質．表面張力是分子力的一種宏觀表現，在內聚力的作用下，表面層液體分子的移動總是盡量地使表面積減小．在液體表面形成一層彈性薄膜，這樣便出現了表面張力．表面張力起源于分子引力，從其作用效果來看，它屬一種拉力．

不同液體表面張力不同，是由于它們有不同的摩爾體積、分子極性和分子力．分子間作用力越大，密度越大，越不容易蒸發的液體，其表面張力越大，比如：水分子是由氫鍵締合的，因此水的表面張力較大．液態汞原子是由金屬鍵締合的，其表面張力更大．一般液體表面張力系數約為40×10-3N／m左右．

液體能否浸潤固體，與其表面張力有關．表面張力系數小者（30×10-3N／m左右），幾乎能浸潤一切固體；水的表面張力系數較大．它只能浸潤某些固體．汞的表面張力系數更大，則僅能浸潤某些金屬．

表面張力系數是表征表面張力大小的物理量，是討論液體表面現象、了解液體性質的重要物理參量．它與溫度、壓強、密度、純度、氣相或液相組成以及液體種類等有關，通常，密度小、容易蒸發的液體其表面張力系數較小．液氫、液氦的表面張力系數很小，汞則很大．

從力的角度分析：由于液體表面層分子顯著地受到液體內部分子引力的作用（這其間也存在著分子斥力，只是分子引力占了優勢）．表面層外氣體或其它液體分子的作用很小．于是，表面層內分子受力上、下不均，所以表面層分子僅受到了一指向液體內部的合引力，這一引力導致了表面層分子有向液體內部運動的趨勢，宏觀上便表現出液體表面具有自動收縮的趨勢．

從能量的角度分析：由于液體表面層內出現了一個指向液體內部、自液面而下逐漸增強的分子引力場．液體分子由液體內部進入分子引力場，需要外力做功，其分子勢能將增大（類似重力場中舉起重物），而液體分子由表面進入液體內部，其勢能會減小（類似重力場中下落物體）．因任何物體的勢能總有減小的傾向，以便使其穩定（勢能小原理），所以表面層的分子總想進入液體內部以獲得“安穩”，從而使表面層分子的總勢能盡可能減小．這一趨勢宏觀上使表面積趨于減小，即液面具有自動收縮的趨勢．

*，表面張力及其形成和分子引力有著密切的關系．那么，與液面共面相切的宏觀力——表面張力，和垂直液面指向液體內部的微觀力——分子引力合力，二者的如何理解？

如前所述，液體表面層的分子因受到指向液體內部的拉力——分子引力的作用．表面層分子總要盡可能地向液體內部鉆．這樣一來，宏觀上整個液面就會處在一種張緊的狀態，表面上出現張力，即和液體表面共面且相切的表面張力．分子引力、表面張力的可用下面的事例說明類比：一直位于水平面上的小車，通過一個定滑輪在垂直向下的拉力作用下，該車上便會有一沿水平方向的力．分子引力和表面張力的關系是：前者為因，后者為果

表面張力一般隨溫度升高而減小，因為溫度升高，分子熱運動加劇，液體分子之間距離增大．相互吸引力將減小，所以表面張力要相應地減小．到達臨界溫度（物質以液態形態出現的高溫度）時，表面張力減小到零．通常表面張力和溫度的關系成一直線；也有的表面張力雖隨溫度增加而減小，但不是直線關系；有的二者關系則更復雜．表1是不同溫度下水的表面張力系數值．

表
1（第二行數值均乘以10-3）

表面張力和液體表面接觸的物質有關．通常不說明接觸物質的表面張力值，是液體和該液體的飽和蒸汽或含有其飽和蒸汽的空氣接觸時的數值．如果接觸的物質是別的氣體或液體，那么表面張力將發生變化，這有點類似于物體間的動摩擦因數，如木塊與鐵塊，木塊與冰塊之間的動摩擦因數就不一樣·表2是20℃下水與不同物質接觸時的表面張力系數值．

表2

純凈液體中溶有不同種類的物質時，由于溶液中部分溶質分子進入到溶液的表面層．如此，表面層的結構將變化，分子組成將會改變，分子間作用力也會隨之發生變化，所以表面張力將改變．如：水中溶入酸、酯等物時，其表面張力（系數）相對純水會減小，并隨溶液濃度增加而漸小（20℃下，水中溶有肥皂，表面張力系數將從72.75×10-3N／m，減至40×10-3N／m）；水中溶入食鹽、蔗糖等物時，表面張力（系數）則會稍稍變大，且隨濃度加大而逐漸增大．

純凈液體的表面張力系數和液體表面的大小無關，但有時表面張力系數也和表面的大小有關，溶解了活性表面物質的液體（如肥皂水）便是如此．

、表面張力和雜質的關系

、表面張力和表面接觸物質的關系、表面張力和溫度的關系、表面張力和分子引力的解釋、液體表面具有收縮趨勢的微觀解釋

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