物理化学试验液体表面张力测定四化材三甲1100101138展志航第1.docVIP

物理化學實驗 液體表面張力測定 四化材三甲 1100101138 展志航 第1組 一、實驗一：液體表面張力測定 二、原理： 　　多相體系中相之間存在著界面[1]。習慣上，人們僅將氣－液、氣－固界面稱為表面[1]。由於環境不同，處於界面的分子與處於本體內的分子所受力是不同的[1]。 　　在液體表面的分子與液體表面上的氣體分子相互作用引力太小(小到可以被忽略)，所以只剩下拉向液體內部的引力作用，由此形成一種縮小表面的張力，所以分子間凝集力越大表面張力越大[6] 。 　　在水內部的一個水分子受到周圍水分子的作用力合力為零，但在表面的一個水分子卻不如此[1]。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[1]。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係做功－表面功[1]。 　　顯然這樣的分散體系便儲存著較多的表面能。表面張力是物質的特性，其大小與溫度和界面兩相物質的性質有關[1]。 　　促使液體表面收縮的力叫做表面張力[1]。 　　液體表面相鄰兩部分之間、單位長度內互相牽引的力，表面張力的單位通常用達因[1]。 　　表面張力的方向和液面相切，並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[1]。如果液面是曲面，表面張力就在這曲面的切面上[1]。 　　根據分子間的互相吸引力來解釋液體的性質，這種分子間的吸引力就被稱之為分子內聚力或稱凡得瓦力，而表面張力，介面張力以及相類似的現象就是用來解釋分子內聚力的基本物理現象[3]。具體來說，構成液體的分子在表面上所受的力與本體內的會不相同，在本體內的分子所受的力是對稱的、平衡的，而在表面上的分子，受本體內分子吸引而無反向的平衡力[3]。這就是說，它受到的是拉入本體內的力[3]。也就是說，力圖將表面積縮小，使這種不平衡的狀態趨向平衡狀態。[3] 　　熱力學的說法是：要將這體系的表面能降至最小，這個力就稱為＂表面張力＂，也說是單位面積上的自由能(J/m２) ，也就是形成或擴張單位面積的介面所需的最低能量[3]。它的數值和表面張力(N/m)一致[3]。由於習慣，常用表面張力表示表面自由能，它對液體表面的物理化學現象起著至關重要的作用。在日常生活中，早晨荷葉上的露珠，杯子中的弧形水面等，均為表面張力現象[3]。 　　分子由於相互吸引作用而凝聚成液體，在液體中的分子四面八方都受到吸引 力，但也因此每個方向受力皆相等，合力為零[2]。但在液體表面的分子所受分子間的引力並不均勻，結果合成一往液體內的合力[2]。因此，當分子從內部移到表面時需要作功，也就是說，表面的位能較高，而單位液面所高出來的表面位能，我們稱之為表面張力[2]。這個表面層約只有幾個分子厚[2]。 　　上面的說明好像抽象了些，簡單一點說，表面張力是描述液體想要使自己表面積達到最小的趨勢[2]。表面積越小，多出的表面位能也就越少，液體也就越穩定。那麼懸浮於空中的液體，必成球形（不考慮重力位能）[2]。 　　表面張力是使液體表面像一張薄板的特性，因此昆蟲可以在水面上行走，也使得小物體，甚至金屬如針頭，刀片，或錫箔碎片，可以漂浮於水面上，另外，它也是毛細現象的成因[4]。 　　如果不考慮表面張力，將無法解釋許多物理和化學液體的特性，它控制小質量液體可以產生的形狀，以及液體與另一物質之間的接觸角[4]。應用牛頓物理學來分析表面張力所造成的力，可精確地預測許多人們司空見慣的液體特性，此外，也可應用熱力學分析相同的力，更進一步地預測液體其他更細微的特性[4]。 　　表面張力的成因為液體分子與其他不同分子間的吸引力[4]。液體內部，每個分子被各方向的鄰近分子以同樣大小的力吸引著，因此淨力為零；然而在液體表面，液體分子被下方的液體分子拉向內，但沒有被其他鄰近介質(可能為真空、空氣或其他液體)拉緊，因此所有表面的分子主要皆受到向內的吸引力，唯一能抗衡的只有壓縮液體時產生的阻力，此向內的拉力削減表面積，使液體的表面就像拉長的彈性膜，而液體盡可能地拉緊自身直到擁有最小表面積[4]。 　　另一種說法為，與鄰近分子接觸的分子能量狀態低於未與鄰近分子接觸的分子，鄰界的分子比起內部分子擁有較少的鄰近分子，因此處於較高的能量狀態，為了降低能量狀態，液體必須減少表面積以減少鄰界分子[4]。液體的表面會盡量呈現最平滑的形狀以達到表面積最小化(數學上證明，依據歐拉-拉格朗日方程式，平滑曲線可將表面積最小化)，任何彎曲的表面會產生較大的表面積而有更高的能量，因此表面會將其推回以減少彎曲，就像被推上山的球會被推回以減少重力位能[4]。 　　影響表面張力的因素有以下[5]： 　　　(1) 溫度增高，表面張力減