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界面化學(xué)中的表面張力和表面自由能


實驗室k / 2018-11-06

       上篇文章的討論中已知界面區(qū)的特點之一是在界面區(qū)內(nèi)的分子具有一定的位勢,從而具有某種使界面具有收縮趨勢的張力。界面化學(xué)中稱這一張力為界面張力(對相交兩相為氣、液或氣、固情況時稱為表面張力);對界面區(qū)具有的位勢能量稱為界面自由能(對氣液或氣固情況稱為表面自由能)。

界面化學(xué)中的表面張力

       按照顧繼友的總結(jié):代表性的化學(xué)辭書及物理化學(xué)教科書對表面張力的定義歸納起來有以下3種。
       (1)表面張力是平行于液面的表面上,與液面上的單位長度直線成直角的張力。
       (2)表面張力與使液體的表面在恒溫條件下增加單位面積時所做的功相等。
       (3)表面張力是存在于單位面積上的Gibbs自由能。
       顧繼友認(rèn)為第三種定義是正確的。因為前兩種定義忽視了束縛表面能T△Sσ。
       表面張力的SI國際單位為:N/m(牛頓/米),mN/m(毫牛頓/米);
       表面自由能的SI國際單位為:J/m2(焦耳/米2),mJ/m2(毫焦耳/米2)。
       表面張力和表面自由能的表示符號常有兩種,一種用“σ”,另一種用“γ”。這里采用前一種。后一種用來表示兩相間共同的界面張力。
       在界面化學(xué)中界面張力與界面自由能,表面張力和表面自由能這兩種說法雖不同,但一般情況下是通用的,在數(shù)學(xué)上兩者也是相等的。因此在討論中可以交替使用。兩者之區(qū)別在于說明對象之不同,表面張力是從力學(xué)角度來說明在液面上由于分子間相互作用而存在著一種收縮力,這一收縮力總是傾向于使表面面積縮小,也就是說,這一收縮力總是傾向于使表面分子進入到體相內(nèi)部去,或者反過來說,這一收縮力總是阻礙使體相內(nèi)部分子進入到表面區(qū)內(nèi)。而表面自由能是從能量的概念出發(fā),表明形成表面時需要做功,即將分子自相內(nèi)移至表面需要做功,即在界面區(qū)內(nèi)存在有能量壁壘,阻礙著體相內(nèi)部分子進入到表面區(qū)內(nèi)。Spracking認(rèn)為:表面層中分子所具有的負(fù)位勢能要低于體相內(nèi)部分子,圖1-3-1示意了當(dāng)一個分子從液相體相內(nèi)部移動到表面區(qū)時這個分子的位勢能量變化。

表面位勢示意圖

       Spracking認(rèn)為,當(dāng)一個分子在體相內(nèi)部移動時,由于液體內(nèi)熱波動,故這個分子必須獲得能量,Eb。這就是這個分子與其他分子分開并且逃逸出這個分子原先所在的周圍分子對其的吸引所需能量,也可理解為體相內(nèi)部分子向表面區(qū)轉(zhuǎn)移所需克服的能壘。
       反之,在表面區(qū)內(nèi)的分子從表面區(qū)向體相內(nèi)部轉(zhuǎn)移所需克服的能壘Eb'與Eb相比應(yīng)很小。因為在從界面處經(jīng)過整個界面層向體相內(nèi)部轉(zhuǎn)移的全過程中,該分子受到使其進入到體相內(nèi)部的作用力始終是大于把這個分子拉回到界面層的作用力。這是由于對這個分子產(chǎn)生拉回到界面層去的作用力的一些界面區(qū)內(nèi)分子在數(shù)量上是少數(shù)。這就使表面具有自動縮小的傾向。
       由于體相分子向表面區(qū)轉(zhuǎn)移需要做功,可以預(yù)期,表面區(qū)內(nèi)分子向相外(例如蒸汽相)轉(zhuǎn)移亦應(yīng)該做功,圖1-3-1表明,當(dāng)分子由表面區(qū)向蒸汽相轉(zhuǎn)移,即物質(zhì)的蒸發(fā)過程應(yīng)該存在有能量壁壘。在這里我們粗略地分析一下蒸發(fā)過程應(yīng)該做的功:
       蒸發(fā)過程:第一步,表面上分子離開表面到汽相,這時需要做功克服分于在表面區(qū)時所具有的表面自由能。
       第二步,由于蒸發(fā)過程中蒸發(fā)表面面積不變,故體相分子從體相內(nèi)部補充到表面區(qū)內(nèi),體相內(nèi)部分子不具有表面能,而表面區(qū)內(nèi)分子具有表面能。因而這一過程亦需要做功。
       眾所周知,使蒸發(fā)過程進行的能量來源是加熱,即蒸發(fā)過程進行需要提供蒸發(fā)熱,這個蒸發(fā)熱就是蒸發(fā)過程進行所需要的功。依據(jù)上面分析可知:蒸發(fā)熱≈2×表面功。
       這即為著名的Stefen公式。
       因此,分子從表面區(qū)脫離本相到另一相將有更高的能量壁壘,Eb''>Eb,這亦應(yīng)是凝聚相之所以能存在所必需的(見圖1-3-1)。


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