表面張力和界面張力

表面張力界面張力

什么是表面張力?

1805年,英國物理學家托馬斯·楊(Thomas Young)展示了表面的行為,就好像一層薄膜被拉長在表面上,變成了球形,就像肥皂泡一樣。這個現象可作為理解表面張力的起點,該現象在日常生活和多領域均起到重要作用。

在分子層面上,液體分子間的吸引力是產生表面張力的重要因素。從整體層面講,分子內各方向的作用力是相等的。然而表面分子周圍的環境與其相鄰分子并不相同,一個向內的合力把分子拉向物體,就形成了一種表面薄膜使其更難移動。

相同情況也應用在表面不相溶的兩種液體之間,界面張力是產生在相互接觸的兩種分子界面上的力。

如果液體表面積增加,則界面上存在更多分子。因此表面液體相較于內部液體表面自由能更高。表面張力是增加每單位面積的能量,表面張力和界面張力的單位為mN/m。一部分純液體的表面張力數值如表1所示。水的表面張力比有機液體的表面張力高,只有甘油的表面張力與水接近。水和甘油由于含有氫鍵是強極性液體,故其表面張力高。

溫度和壓力對表面張力的影響

液體表面張力大小的最主要影響因素為溫度。實驗發面表面張力隨溫度的降低呈線性減小。當溫度降低,分子熱活性增加導致粘結性降低,因此導致表面張力下降。

另一個影響表面張力的因素為壓力。在大部分應用中壓力對表面張力的影響并不大,但如果過程發生在高壓情況下即需考慮壓力因素,包括提高采收率和超臨界流體,一般來說氣體在液體中的溶解度隨壓力的增大而增大,此時表面張力降低。二氧化碳和水在不同壓力下的表界面張力如圖3所示。界面張力隨壓力的增加而降低,一般到達120bar界面張力相對平穩。

表面活性劑對表面張力的改變

純凈液體的表面張力很容易受到某些物質的影響,這部分物質稱為表面活性劑。表面活性劑是包括親水基團和疏水基團的兩性分子如圖4所示。當表面活性劑溶解到水中,會聚集到表面,因此親水基團在水中,疏水基團在空氣中,隨著表面的水分子被表面活性劑分子替代,水和表面活性劑分子間的作用力小于水與水之間的作用力,因此表面張力降低。表面活性劑對表現張力的影響取決于其濃度,該濃度可通過臨界膠束濃度參數表征。

除了表面活性劑的效率外,表面活性劑的起效速度在工業過程中也很重要。這是分子在界面上排列的速率。通常大分子表面活性劑反應較慢,在界面上排列花費的時間更長,從而需要更多的時間,直到達到平衡的表面張力。

在工業過程中通常使用表面活性劑降低液體表面和界面張力。表面張力的降低會增強液體的分散性,對染料和洗滌劑的生產起到重要作用。在表界面優化的領域中,界面張力的測量是至關重要的。

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