表面張力和潤濕作用課件

第二章表面張力與潤濕作用2022/11/24第二章表面張力與潤濕作用2022/10/11§2.1液體的表面張力§2.2彎曲液面的附加壓力§2.3潤濕作用與接觸角§2.4液體表面張力的測定方法§2.5彎曲液面的蒸氣壓—開爾文公式第二章表面張力與潤濕作用2022/11/24§2.1液體的表面張力第二章表面張力與潤濕作用2022

§2.1液體的表面張力

對于單組分體系，這種特性主要來自于同一物質(zhì)在不同相中的密度不同；對于多組分體系，則特性來自于界面層的組成與任一相的組成均不相同。

表面層分子與內(nèi)部分子相比，它們所處的環(huán)境不同。

體相內(nèi)部分子所受四周鄰近相同分子的作用力是對稱的，各個方向的力彼此抵銷(各向同性)；

但是處在界面層的分子，一方面受到體相內(nèi)相同物質(zhì)分子的作用，另一方面受到性質(zhì)不同的另一相中物質(zhì)分子的作用，其作用力不能相互抵銷，因此，界面層分子由于其處在一不均勻?qū)ΨQ的力場會顯示出一些獨(dú)特的性質(zhì)。2022/11/24

§2.1液體的表面張力

對于單組分體系，這種特界面現(xiàn)象的本質(zhì)

最簡單的例子是液體及其蒸氣組成的表面。

液體內(nèi)部分子所受的力可以彼此抵銷，但表面分子受到體相分子的拉力大，受到氣相分子的拉力小（因?yàn)闅庀嗝芏鹊停?，所以表面分子受到被拉入體相的作用力。

這種作用力使表面有自動收縮到最小的趨勢，并使表面層顯示出一些獨(dú)特性質(zhì)，如表面張力、表面吸附、毛細(xì)現(xiàn)象、過飽和狀態(tài)等。2022/11/24界面現(xiàn)象的本質(zhì)最簡單的例子是液體及其蒸氣組成的界面現(xiàn)象的本質(zhì)2022/11/24界面現(xiàn)象的本質(zhì)2022/10/11表面功（surfacework）式中為比例系數(shù)，它在數(shù)值上等于當(dāng)T，P及組成恒定的條件下，增加單位表面積時(shí)所必須對體系做的可逆非膨脹功。由于表面層分子的受力情況與本體中不同，因此如果要把分子從內(nèi)部移到界面，或可逆的增加表面積，就必須克服體系內(nèi)部分子之間的作用力，對體系做功。溫度、壓力和組成恒定時(shí)，可逆使表面積增加dA所需要對體系作的功，稱為表面功。用公式表示為：2022/11/24表面功（surfacework）式中為比例系數(shù)，它在表面自由能(surfacefreeenergy)由此可得：考慮了表面功，熱力學(xué)基本公式中應(yīng)相應(yīng)增加dA一項(xiàng)，即：2022/11/24表面自由能(surfacefreeenergy)由此可得表面自由能(surfacefreeenergy)

廣義的表面自由能定義：

狹義的表面自由能定義：保持溫度、壓力和組成不變，每增加單位表面積時(shí)，Gibbs自由能的增加值稱為表面Gibbs自由能，或簡稱表面自由能或表面能，用符號或表示，單位為J·m-2。保持相應(yīng)的特征變量不變，每增加單位表面積時(shí)，相應(yīng)熱力學(xué)函數(shù)的增值。2022/11/24表面自由能(surfacefreeenergy)表面張力（surfacetension）

在兩相(特別是氣-液)界面上，處處存在著一種張力，它垂直于表面的邊界，指向液體方向并與表面相切。將一含有一個活動邊框的金屬線框架放在肥皂液中，然后取出懸掛，活動邊在下面。由于金屬框上的肥皂膜的表面張力作用，可滑動的邊會被向上拉，直至頂部。

把作用于單位邊界線上的這種力稱為表面張力，用g表示，單位是N·m-1。2022/11/24表面張力（surfacetension）在兩表面張力（surfacetension）如果在活動邊框上掛一重物，使重物質(zhì)量W2與邊框質(zhì)量W1所產(chǎn)生的重力F（F=（W1+W2）g）與總的表面張力大小相等方向相反，則金屬絲不再滑動。這時(shí)

l是滑動邊的長度，因膜有兩個面，所以邊界總長度為2l，就是作用于單位邊界上的表面張力。2022/11/24表面張力（surfacetension）如果表面張力（surfacetension）2022/11/24表面張力（surfacetension）2022/10/1表面張力（surfacetension）

如果在金屬線框中間系一線圈，一起浸入肥皂液中，然后取出，上面形成一液膜。

由于以線圈為邊界的兩邊表面張力大小相等方向相反，所以線圈成任意形狀可在液膜上移動，見(a)圖。

如果刺破線圈中央的液膜，線圈內(nèi)側(cè)張力消失，外側(cè)表面張力立即將線圈繃成一個圓形，見(b)圖，清楚的顯示出表面張力的存在。2022/11/24表面張力（surfacetension）如果表面張力（surfacetension）（a）（b）2022/11/24表面張力（surfacetension）（a）（b）202影響表面張力的因素（1）分子間相互作用力的影響

(2)溫度的影響溫度升高，表面張力下降。

對純液體或純固體，表面張力決定于分子間形成的化學(xué)鍵能的大小，一般化學(xué)鍵越強(qiáng)，表面張力越大。(金屬鍵)>(離子鍵)>(極性共價(jià)鍵)>(非極性共價(jià)鍵)兩種液體間的界面張力，界于兩種液體表面張力之間。2022/11/24影響表面張力的因素（1）分子間相互作用力的影響(2)溫度（3）壓力的影響

表面張力一般隨壓力的增加而下降。因?yàn)閴毫υ黾樱瑲庀嗝芏仍黾?，表面分子受力不均勻性略有好轉(zhuǎn)。另外，若是氣相中有別的物質(zhì)，則壓力增加，促使表面吸附增加，氣體溶解度增加，也使表面張力下降。2022/11/24（3）壓力的影響2022/10/11壓力的影響壓力與表面張力關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究不易進(jìn)行，一般說來，壓力對表面張力的影響可以從下面三個方面考慮

p增加，兩相間密度差減少，γ減小p增加，氣體在液體表面上的吸附使表面能降低（吸附放熱），因此γ減小p增加，氣體在液體中的溶解度增大，表面能降低以上三種情況均表明，p增加，γ減小但是也有第二種情況，即壓力增大，表面張力增大。2022/11/24壓力的影響壓力與表面張力關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究不易進(jìn)行，一般說來，壓壓力的影響壓力對表面張力的影響相當(dāng)復(fù)雜，這是因?yàn)樵黾訅毫Ρ仨氁氲诙M分（如惰性氣體），而第二組分又往往會通過吸附或溶解來影響表面張力。當(dāng)?shù)诙壏值奈交蛉芙鈱Ρ砻鎻埩Φ挠绊戇h(yuǎn)遠(yuǎn)超過壓力本身的作用則往往表現(xiàn)為第一種情況，而當(dāng)吸附或溶解的影響很小時(shí)，則又表現(xiàn)為第二種情況。2022/11/24壓力的影響壓力對表面張力的影響相當(dāng)復(fù)雜，這是因?yàn)樵黾颖砻孀杂赡芎捅砻鎻埩Φ奈⒂^解釋由于表面相分子處于一合力指向液體內(nèi)部的不對稱力場之中，因此，表面層分子有離開表面層進(jìn)入體相的趨勢。這一點(diǎn)可從液體表面的自動收縮得以證明。這也說明了處于表面層的分子具有比體相內(nèi)部的分子更高的能量。換言之，增加液體的表面積就必須把一定數(shù)量的內(nèi)部分子遷移到表面上，要完成這個過程必須借助于外力做功。因此，體系獲得的能量便是表面過剩自由能?？梢?，構(gòu)成界面的兩相性質(zhì)不同及分子內(nèi)存在著相互作用力是產(chǎn)生表面自由能的原因。2022/11/24表面自由能和表面張力的微觀解釋由于表面相分子處于一合力指表面自由能和表面張力的微觀解釋

液體表面為什么會存在張力是一個長期困擾表面化學(xué)家的問題，實(shí)際上，表面張力同樣是分子間存在相互作用力的結(jié)果。

從液體表面的特性來看，表面上的分子比體相內(nèi)部的分子能量更高，而按照分子分布的規(guī)律，表面上的分子的密度將小于內(nèi)部分子。于是表面分子間的距離較大，因此，表面上的分子沿表面方向存在著側(cè)向引力，距離較大時(shí)，吸引力占優(yōu)勢。2022/11/24表面自由能和表面張力的微觀解釋液體表面為什么會存在張力是§2.2

彎曲表面的附加壓力

1.彎曲表面下的附加壓力1.在平面上2.在凸面上3.在凹面上

2.Young-Laplace公式3.毛細(xì)管現(xiàn)象2022/11/24§2.2彎曲表面的附加壓力1.彎曲表面下的附加壓力1.在

1.彎曲表面下的附加壓力（1）在平面上剖面圖液面正面圖研究以AB為直徑的一個環(huán)作為邊界，由于環(huán)上每點(diǎn)的兩邊都存在表面張力，大小相等，方向相反，所以沒有附加壓力。設(shè)向下的大氣壓力為Po，向上的反作用力也為Po，附加壓力Ps等于零。Ps=Po-

Po=02022/11/241.彎曲表面下的附加壓力（1）在平面上剖面圖液面正面圖彎曲表面下的附加壓力（2）在凸面上：剖面圖附加壓力示意圖研究以AB為弦長的一個球面上的環(huán)作為邊界。由于環(huán)上每點(diǎn)兩邊的表面張力都與液面相切，大小相等，但不在同一平面上，所以會產(chǎn)生一個向下的合力。所有的點(diǎn)產(chǎn)生的總壓力為Ps，稱為附加壓力。凸面上受的總壓力為：Po+

PsPo為大氣壓力，Ps為附加壓力。2022/11/24彎曲表面下的附加壓力（2）在凸面上：剖面圖附加壓力示意圖彎曲表面下的附加壓力（3）在凹面上：剖面圖附加壓力示意圖研究以AB為弦長的一個球形凹面上的環(huán)作為邊界。由于環(huán)上每點(diǎn)兩邊的表面張力都與凹形的液面相切，大小相等，但不在同一平面上，所以會產(chǎn)生一個向上的合力。所有的點(diǎn)產(chǎn)生的總壓力為Ps，稱為附加壓力。凹面上向下的總壓力為：Po-Ps，所以凹面上所受的壓力比平面上小。2022/11/24彎曲表面下的附加壓力（3）在凹面上：剖面圖附加壓力示意圖2、楊-拉普拉斯公式1805年Young-Laplace導(dǎo)出了附加壓力與曲率半徑之間的關(guān)系式：特殊式（對球面）：

根據(jù)數(shù)學(xué)上規(guī)定，凸面的曲率半徑取正值，凹面的曲率半徑取負(fù)值。所以，凸面的附加壓力指向液體，凹面的附加壓力指向氣體，即附加壓力總是指向球面的球心。一般式：2022/11/242、楊-拉普拉斯公式1805年Young-La3.毛細(xì)管現(xiàn)象

-----附加壓力與毛細(xì)管中液面高度的關(guān)系2022/11/243.毛細(xì)管現(xiàn)象

-----附加壓力與毛細(xì)管中液面高度的關(guān)系2毛細(xì)現(xiàn)象及成因毛細(xì)現(xiàn)象實(shí)際上就是表面張力作用的結(jié)果液體靠近器壁的液面分子，同時(shí)受有內(nèi)聚力和附著力的作用，其合力垂直于液面，使得液體表面張緊，產(chǎn)生表面張力。液體表面張力所產(chǎn)生的作用力沿著液面的切線方向，作用于液體－器壁的交界線。因此它的反作用力F即為提升管內(nèi)液柱的力源。2022/11/24毛細(xì)現(xiàn)象及成因毛細(xì)現(xiàn)象實(shí)際上就是表面張力作用的結(jié)果2022/管內(nèi)液柱的上升高度由液柱所受表面張力的綜合與液柱的重量達(dá)到力平衡。2022/11/24管內(nèi)液柱的上升高度由液柱所受表面張力的綜合與液柱的重量達(dá)到力接觸角與液面的升降毛細(xì)管插入水槽中，內(nèi)聚力小于附著力，接觸角θ為銳角，則管內(nèi)的水銀柱上升，水柱的液面呈現(xiàn)周邊向上彎曲的弧面。毛細(xì)管插入水槽中，內(nèi)聚力大于附著力，接觸角θ為鈍角，則管內(nèi)的水銀柱上升，水柱的液面呈現(xiàn)周邊向下彎曲的弧面。2022/11/24接觸角與液面的升降毛細(xì)管插入水槽中，內(nèi)聚力小于附著力，接觸角毛細(xì)現(xiàn)象的例子酒精燈的燈芯是用棉線捻成一束，棉線間的空隙相當(dāng)于毛細(xì)管，酒精經(jīng)由這些間隙上升至芯頭；毛巾的一端浸入水中，則整條毛巾會潤濕；方糖的一角沾上水漬，則整塊方糖會逐漸潮濕；植物內(nèi)的微管束也充當(dāng)毛細(xì)管的角色，根部的水分和養(yǎng)分得以輸送至枝葉。2022/11/24毛細(xì)現(xiàn)象的例子酒精燈的燈芯是用棉線捻成一束，棉線間的空隙相當(dāng)毛細(xì)現(xiàn)象的應(yīng)用1）液體在地層和紡織品中的流動原油和水在地層中的流動屬液體在不均勻孔徑的毛細(xì)管中的流動，當(dāng)忽略重力作用時(shí)，由于不同管徑的曲率半徑不同，造成兩部分液面的附加壓力不同（毛細(xì)壓差）。因此，液體將往附加壓力大的方向流動。若要改變其流動方向，必須施加一克服此壓力差的力，若采用表面化學(xué)方法改變體系表面張力和液面曲率，可以改變體系毛細(xì)壓差以利于實(shí)現(xiàn)所要求的流動。這是三次采油的關(guān)鍵問題之一。2022/11/24毛細(xì)現(xiàn)象的應(yīng)用1）液體在地層和紡織品中的流動2022/10/毛細(xì)現(xiàn)象的應(yīng)用2）關(guān)于泡沫和乳狀液的穩(wěn)定性泡沫和乳狀液是由兩種不相混溶的流體相形成的分散體系。泡沫是大量氣體分散在少量液體中構(gòu)成的，而乳狀液是一種液體以微小液滴狀態(tài)分散在另一液相中。泡沫的片膜與片膜之間構(gòu)成具有不同曲率的連續(xù)液體，由于附加壓力不同，液體從曲率小、壓力大的片膜流向曲率大、壓力小的片膜邊界，最后導(dǎo)致泡沫排液、泡膜變薄而破裂。這是影響泡膜穩(wěn)定的重要原因。2022/11/24毛細(xì)現(xiàn)象的應(yīng)用2）關(guān)于泡沫和乳狀液的穩(wěn)定性2022/10/1毛細(xì)現(xiàn)象的應(yīng)用3）壓汞法測孔徑水銀在一般固體的孔中形成凸液面，欲使水銀進(jìn)入固體孔中須克服毛細(xì)壓差。即當(dāng)γ、θ已知，通過測定毛細(xì)壓差可計(jì)算固體的孔徑。如催化劑的孔徑測定。2022/11/24毛細(xì)現(xiàn)象的應(yīng)用3）壓汞法測孔徑2022/10/11

凝聚態(tài)物體表面一種流體被另外一種流體取代的過程稱為潤濕。

根據(jù)潤濕程度不同，又分為沾濕，鋪展，浸濕?！?.3潤濕作用與接觸角2022/11/24凝聚態(tài)物體表面一種流體被另外一種流體取代的過程在等溫等壓條件下，單位面積的液面與固體表面粘附時(shí)對外所作的最大功稱為粘附功，它是液體能否潤濕固體的一種量度。粘附功越大，液體越能潤濕固體，液-固結(jié)合得越牢。

在粘附過程中，消失了單位液體表面和固體表面，產(chǎn)生了單位液-固界面。粘附功就等于這個過程表面吉布斯自由能變化值的負(fù)值。沾濕2022/11/24在等溫等壓條件下，單位面積的液面與固體表面粘附時(shí)對外粘附功(workofadhesion)2022/11/24粘附功(workofadhesion)2022/10/1浸濕功(workofimmersion)等溫、等壓條件下，將具有單位表面積的固體可逆地浸入液體中所作的最大功稱為浸濕功，它是液體在固體表面取代氣體能力的一種量度。只有浸濕功大于或等于零，液體才能浸濕固體。在浸濕過程中，消失了單位面積的氣、固表面，產(chǎn)生了單位面積的液、固界面，所以浸濕功等于該變化過程表面自由能變化值的負(fù)值。2022/11/24浸濕功(workofimmersion)等溫、等浸濕功(workofimmersion)2022/11/24浸濕功(workofimmersion)2022/10/鋪展系數(shù)(spreadingcoefficient)2022/11/24鋪展系數(shù)(spreadingcoefficient)202鋪展系數(shù)(spreadingcoefficient)等溫、等壓條件下，單位面積的液固界面取代了單位面積的氣固界面并產(chǎn)生了單位面積的氣液界面，這過程表面自由能變化值的負(fù)值稱為鋪展系數(shù)，用S表示。若S≥0，說明液體可以在固體表面自動鋪展。2022/11/24鋪展系數(shù)(spreadingcoefficient)接觸角(contactangle)在氣、液、固三相交界點(diǎn)，氣-液與氣-固界面張力之間的夾角稱為接觸角，通常用q表示。若接觸角大于90°，說明液體不能潤濕固體，如汞在玻璃表面；若接觸角小于90°，液體能潤濕固體，如水在潔凈的玻璃表面。接觸角的大小可以用實(shí)驗(yàn)測量，也可以用公式計(jì)算：2022/11/24接觸角(contactangle)在氣、液、固三相接觸角(contactangle)接觸角的示意圖：2022/11/24接觸角(contactangle)接觸角的示意圖：2022接觸角的測定1、角度測量法是一類應(yīng)用最廣、較方便簡單、最直接的方法。其原理是用量角器直接量出三相交界處流動界面與固體平面的夾角。主要做法有投影法、攝影法、顯微量角法、斜板法和光點(diǎn)反射法。（1）投影和攝影法（2）顯微量角法

用一安裝有量角器和叉絲的低倍顯微鏡觀察液面，直接讀出角度。（3）斜板法原理是將固體板插入液體中，當(dāng)板面與液面的夾角恰為接觸角時(shí)，液面一直延伸至三相交界處而不出現(xiàn)彎曲，此夾角即為接觸角。2022/11/24接觸角的測定1、角度測量法2022/10/11接觸角的測定（4）光點(diǎn)反射法原理是利用一個點(diǎn)光源照射到小液滴上，并在光源處觀察反射光，當(dāng)入射光與液面垂直時(shí)，才能在液面看到反射光。測定時(shí)，使光點(diǎn)落在三相點(diǎn)位，并以此為中心，改變?nèi)肷涔饨嵌龋怪诠腆w表面的法平面中作圓周運(yùn)動，當(dāng)光線在某位置突然變亮?xí)r，入射光與固體平面法線的夾角即為接觸角，此方法有較好的測量精度，可用于測定纖維的接觸角，缺點(diǎn)是只能測定小于90°的接觸角。2022/11/24接觸角的測定（4）光點(diǎn)反射法2022/10/11接觸角的測定2、長度測量法（1）小滴法測量在固體平面上小液滴的高度和寬度，根據(jù)可求出θ，此法假設(shè)液滴是球形的一部分。因此，只有在液滴很小，重力的影響可略時(shí)才能應(yīng)用。（2）液餅法

將液體加于平固體表面使之成為液滴，不斷增加液體量至滴高達(dá)最大（即高度不變）此時(shí)若再加入液體則往兩邊擴(kuò)展（r變大），設(shè)平衡液滴是半徑為r，體積為V的圓形液餅，當(dāng)外界給予液餅—微擾，在保持體積不變的情況下，其高度下降△h，半徑擴(kuò)大△r，最后體系又達(dá)平衡，由于此過程中，體系勢能減少，但表面自由能增加，且兩者數(shù)值相等。

2022/11/24接觸角的測定2、長度測量法2022/10/11接觸角的測定（3）垂片法將一固體片垂直插入液體中液體沿片上升的高度與θ之間有如下關(guān)系。

此關(guān)系可根據(jù)B-A方程推導(dǎo)得到。當(dāng)ρ、γl-g已知，只要測出h，便可得θ。2022/11/24接觸角的測定（3）垂片法2022/10/11接觸角的測定3、力測量法應(yīng)用吊片法裝置亦可測θ，當(dāng)?shù)跗媒佑|液面時(shí)，液體作用于吊片的力f為

4、透過測量法

主要用于固體粉末接觸角的測量，其基本原理是，固體粒子間的空隙，相當(dāng)于一束毛細(xì)管，毛細(xì)作用使液體透入粉末中，由于毛細(xì)作用與液體的表面張力和對固體的接觸角有關(guān)，故通過測定某種已知表面張力的液體在固體粉末中的透過，可得到接觸角θ。

2022/11/24接觸角的測定3、力測量法2022/10/11接觸角的測定（1）透過高度法固體粉末裝在一以多孔板為底的玻管中，液面在毛細(xì)作用下沿管中粉末柱上升h。

由上式可見，只要測得粉末間孔隙的平均半徑r及透過高度h，即可結(jié)合已知的求θ。但由于r值無法直接測定，故常用一已知表面張力，密度和對粉末接觸角θ為0的液體來標(biāo)定。2022/11/24接觸角的測定（1）透過高度法2022/10/11接觸角的測定通過測定h、h0可求得θ。使用此方法應(yīng)注意粒子的均勻性及裝填情況。（2）透過速度法

可潤濕粉末的液體在粉末中上升可稱為液體在毛細(xì)管中的流動，其流動速度根據(jù)Poiseulle方程可得2022/11/24接觸角的測定通過測定h、h0可求得θ。使用此方法應(yīng)注意粒子的接觸角的測定此式稱為Washburn方程，如果在粉末柱接觸液體后立即測定h～t關(guān)系，以h2～t作圖，則從直線斜率得

，代入已知的η

（粘度），r（平均半徑），γ可得θ。2022/11/24接觸角的測定此式稱為Washburn方程，如果在粉末柱接觸液影響接觸角測定的因素

前面介紹了一些常用的測定接觸角的方法，實(shí)施時(shí)應(yīng)注意以下兩個問題：平衡時(shí)間和體系溫度的恒定，當(dāng)體系未達(dá)平衡時(shí)，接觸角會變化，這時(shí)的接觸角稱為動接觸角，動接觸角研究對于一些粘度較大的液體在固體平面上的流動或鋪展有重要意義（因粘度大，平衡時(shí)間長）。同時(shí)，對于溫度變化較大的體系，由于表面張力的變化，接觸角也會變化，因此，若一已基平達(dá)平衡的體系，接觸角的變化，可能與溫度變化有關(guān)，簡單判斷影響因素的方法是，平衡時(shí)間的影響一般是單方向的，而溫度的波動可能造成γ的升高或降低。

2022/11/24影響接觸角測定的因素前面介紹了一些常用的測定接影響接觸角測定的因素

除平衡時(shí)間和溫度外，影響接觸角穩(wěn)定的因素還有接觸角滯后和吸附作用。（1）接觸角滯后①前進(jìn)接觸角和后退接觸角前進(jìn)接觸角，以液固界面取代固氣界面后形成的接觸角為前進(jìn)接觸角θA，如將固體板插入液體中；后退接觸角則相反，即以固氣界面取代固液界面后形成的接觸角叫后退接觸角，用θR表示，如水滴在斜玻璃板上，流動可形成前進(jìn)接觸角和后退接觸角。②接觸角滯后及原因指前進(jìn)接觸角與后退接觸角之差稱為接觸角滯后（θA-θR）2022/11/24影響接觸角測定的因素除平衡時(shí)間和溫度外，影響接影響接觸角測定的因素造成接觸角滯后的主要原因有：a.表面不均勻表面不均勻是造成接觸角滯后的一個重要原因若固體表面由與液體親合力不同的兩部分a、b組成，則液體對復(fù)合表面的接觸角與對兩種純固體表面成分自身的接觸角的關(guān)系是：COSθ=XaCOSθa+XbCOSθb

Xa、Xb指a、b的摩爾分?jǐn)?shù)，θa、θb指液體在a固體和b固體上的接觸角。2022/11/24影響接觸角測定的因素造成接觸角滯后的主要原因有：2022/1影響接觸角測定的因素

實(shí)踐表明，前進(jìn)角一般反映與液體親合力較弱的那部分固體表面的潤濕性，因此，θA較大（COSθ?。?，而后退角反映與液體親合力較強(qiáng)的那部分固體表面的性質(zhì)，因此，θR較小。對于一些無機(jī)固體，由于表面能較高，固而極易吸附一些低表面能的物質(zhì)而形成復(fù)合表面，因此，造成液體對這種復(fù)合表面形成的接觸角滯后現(xiàn)象，可見，欲準(zhǔn)確測定一種固體的接觸角，必須保證固體表面不受污染。2022/11/24影響接觸角測定的因素實(shí)踐表明，前進(jìn)角一般反映與液體親合力較影響接觸角測定的因素b.表面不平表面不平也是造成接觸角滯后的主要因素，若將一玻璃粗化后，將一水滴滴在傾斜玻璃上，則出現(xiàn)接觸角滯后。

2022/11/24影響接觸角測定的因素b.表面不平2022/10/11固體的潤濕性質(zhì)（1）表面張力大于100mN/m者稱為高能固體，這些固體易被液體所潤濕，如無機(jī)固體、金屬及其氧化物等。（2）表面張力低于100mN/m者稱為低能固體，這類固體不易被液體所潤濕，如有機(jī)固體、高聚物固體。

一般的無機(jī)物固體（陶瓷、金屬等）的表面能約在500～5000mN/m，其數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般液體的表面張力，因此，液體與這類固體接觸后，使固體表面能顯著降低。

2022/11/24固體的潤濕性質(zhì)（1）表面張力大于100mN/m者稱為高能固體浮游選礦浮游選礦的原理圖選擇合適的捕集劑，使它的親水基團(tuán)只吸在礦砂的表面，憎水基朝向水。當(dāng)?shù)V砂表面有5%被捕集劑覆蓋時(shí)，就使表面產(chǎn)生憎水性，它會附在氣泡上一起升到液面，便于收集。2022/11/24浮游選礦浮游選礦的原理圖選擇合適的捕集劑，使它的親水這時(shí)，礦物表面的外層為碳?xì)浠錆櫇裥源蟠笙陆?，并附著于鼓入的氣泡中被浮選到液體表面，又如用甲基氯硅烷處理玻璃或帶有表面羥基的固體表面，甲基氯硅烷與固體表面上的羥基作用，釋出氯化氫，形成化學(xué)鍵Si-0鍵，這使原來親水的固體表面被甲基所覆蓋而具有憎液性強(qiáng)和長期有效的特點(diǎn)，可通過此方法改性玻璃表面從而使其防水（如汽車玻璃，玻璃鏡片等）。再如普通的棉布因纖維中有醇羥基團(tuán)而呈親水性，所以很易被水沾濕，不能防雨，若采用季胺鹽類活性劑與氟氫化合物混合處理后，表面活性劑的極性基與纖維的醇羥基結(jié)合;

2022/11/24這時(shí)，礦物表面的外層為碳?xì)浠?，其潤濕性大大表面活性劑對潤濕性的影響而憎水基朝向空氣，從而使棉布表面從潤濕變?yōu)椴粷櫇?，由此方法可做成雨衣或防水布。以上討論的是極性固體的表面改性，若為非極性固體表面，若通過表面活性劑的吸附形成親水基向外的吸附層則可使憎水表面變?yōu)橛H水表面，即使其潤濕性提高，如將聚乙烯，聚四氟乙烯，石蠟等典型的低能固體浸在氫氧化鐵或氫氧化錫溶膠中，經(jīng)過一段時(shí)間，水合金屬氧化物在低能表面產(chǎn)生較強(qiáng)的吸附，干燥后可使表面潤濕性發(fā)生永久性的變化，即從憎水變?yōu)橛H水。2022/11/24表面活性劑對潤濕性的影響而憎水基朝向空氣，從而使棉布表面從潤洗滌現(xiàn)象

（一）洗滌作用的基本過程

洗滌過程可以用如下關(guān)系式表示：洗滌作用的關(guān)鍵是洗滌液必須潤濕被洗滌物質(zhì)的基體表面，只有如此才能將污垢從基體上被頂替下來，也就是污垢的去除；防止基體表面被污垢的再污染也是保證洗滌過程完整的重要問題。洗滌液中的表面活性劑和機(jī)械攪拌不但促使基體表面污物被頂替，而且將污物以乳狀液或者懸浮分散狀態(tài)存在，在靜電排斥作用下使它們遠(yuǎn)離基體表面。

物品·污垢＋洗滌劑物品·洗滌劑＋污垢·洗滌劑機(jī)械作用2022/11/24洗滌現(xiàn)象（一）洗滌作用的基本過程物品·污垢＋洗滌劑（二）油污的去除機(jī)理

附著在固面上的油污平衡時(shí)有如下表達(dá)式：

圖6-21（A）附著在固面上的油污（B）油膜卷縮成油滴2022/11/24（二）油污的去除機(jī)理附著在固面上的油污平衡時(shí)有如下表達(dá)式：（三）固體污垢的去除機(jī)理

固體污物黏附在固面上機(jī)理與油污不同，主要靠分子間力與基體粘連。因此固體污物（d）在固面（s）上的去除可以用表面能變化解釋。

圖6—22固體污垢去除的黏附功降低示意圖2022/11/24（三）固體污垢的去除機(jī)理固體污物黏附在固面上機(jī)理與油污不同（四）影響洗滌作用的因素

1．污垢的種類。

2．基體與污物的性質(zhì)。

3．表面化學(xué)因素：⑴

表面張力⑵

增溶作用

⑶

吸附作用

⑷

乳化和起泡

2022/11/24（四）影響洗滌作用的因素1．污垢的種類。2022/10/紡織品的特殊潤濕

在織物的潤濕過程中，溶液沿著纖維迅速展開，滲入纖維的空隙，把空氣驅(qū)逐出去，將空氣-纖維表面(氣-固界面)代之以液體-纖維(液-固界面)表面，因此織物的潤濕是固-液界面取代固-氣界面的浸濕過程。

從紡織物的結(jié)構(gòu)上分析，潤濕過程應(yīng)屬于毛細(xì)管體系的潤濕，因?yàn)榭椢锸怯衫w維編織而成，紡織物中存在著無數(shù)毛細(xì)管，對于孔徑均勻的毛細(xì)管體系，液體對孔內(nèi)壁的潤濕就是毛細(xì)管上升過程。因而只要接觸角θ＜90°，液體就會在曲面壓差的驅(qū)動下滲入毛細(xì)孔。

2022/11/24紡織品的特殊潤濕在織物的潤濕過程中，溶液沿著纖維迅速展開，潤濕作用的其他應(yīng)用舉例

潤濕作用的其他應(yīng)用舉例1、金屬焊接金屬焊接時(shí)，應(yīng)選擇粘附功大的焊劑，除此之外，還應(yīng)選擇一些配合溶劑以除去金屬表面的氧化膜，這種溶劑應(yīng)既能溶解氧化膜又能潤濕金屬，同時(shí)，又要能被焊劑從金屬表面頂替出來，從而使焊劑在金屬表面鋪展，如松香就具備上述性能而作為常用的焊接溶劑。2、滴狀冷凝若將一般暖氣管內(nèi)壁改為憎水表面，則水蒸氣在管內(nèi)凝成液滴并沿管壁流下，而不會鋪展成水膜，這樣，在提高熱交換率的同時(shí)又延長管道壽命。對熱電廠的冷凝管同樣存在以上問題。2022/11/24潤濕作用的其他應(yīng)用舉例潤濕作用的其他應(yīng)用舉例2022/10潤濕作用的其他應(yīng)用舉例

3、陽極效應(yīng)陽極效應(yīng)是指在電解熔融鹽的過程中，槽壓突然急劇升高，而電流強(qiáng)度則急劇下降，陽極周圍出現(xiàn)細(xì)微火花放電光圈，陽極停止析出氣泡，這時(shí)，電解質(zhì)和陽極間好像被一層氣體膜隔開似的。關(guān)于陽極效應(yīng)的一種解釋是：當(dāng)電解質(zhì)的濃度較大時(shí)，電解質(zhì)對陽極的潤濕性較好，能順利地把陽極上產(chǎn)生的氣泡排擠掉，因此，不致發(fā)生陽極效應(yīng)，但當(dāng)電解質(zhì)濃度較低時(shí)，電解質(zhì)對陽極的潤濕性下降，陽極上產(chǎn)生的氣泡不能及時(shí)被電解質(zhì)排擠掉，于是小氣泡逐漸長大粘附在陽極上并成一層氣膜。

2022/11/24潤濕作用的其他應(yīng)用舉例3、陽極效應(yīng)2022/10/11§2.4液體表面張力的測定方法一、毛細(xì)管上升法如圖，將一潔凈的半徑為r的均勻毛細(xì)管插入能潤濕該毛細(xì)管的液體中，則由于表面張力所引起的附加壓力，將使液柱上升，達(dá)平衡時(shí)，附加壓力與液柱所形成的壓力大小相等，方向相反：

2022/11/24§2.4液體表面張力的測定方法一、毛細(xì)管上升法

表面張力的測定方法式中h

為達(dá)平衡時(shí)液柱高度，g

為重力加速度，Δρ＝ρ液－ρ氣（ρ

為密度）。由圖中可以看出，曲率半徑r

與毛細(xì)管半徑R

以及接觸角θ

之間存在著如下關(guān)系，

2022/11/24表面張力的測定方法式中h為達(dá)平衡時(shí)液柱高度，g為重力加表面張力的測定方法

若接觸角θ＝0，Cosθ＝1，Δρ＝ρ液則

從上式可見，若R

已知，由平衡液柱上升高度可測出液體表面張力。若接觸角不為零，則應(yīng)用與接觸角有關(guān)的公式。但由于目前接觸角θ的測量準(zhǔn)確度還難以滿足準(zhǔn)確測定表面張力的要求，因此，該法一般不用于測定接觸角不為零的液體表面張力。

2022/11/24表面張力的測定方法若接觸角θ＝0，Cosθ＝1，Δρ表面張力的測定方法

若考慮到對彎液面的修正，常用公式為：

毛細(xì)管上升法理論完整，方法簡單，有足夠的測量精度。應(yīng)用此法時(shí)除了要有足夠的恒溫精度和有足夠精度的測高儀外，還須注意選擇內(nèi)徑均勻的毛細(xì)管。2022/11/24表面張力的測定方法

若考慮到對彎液面的修正，常用公式為：表面張力的測定方法二、脫環(huán)法

2022/11/24表面張力的測定方法二、脫環(huán)法

表面張力的測定方法

在圖中，水平接觸面的圓環(huán)（通常用鉑環(huán)）被提拉時(shí)將帶起一些液體，形成液柱(b)。環(huán)對天平所施之力由兩個部分組成：環(huán)本身的重力mg

和帶起液體的重力p。p

隨提起高度增加而增加，但有一極限，超過此值環(huán)與液面脫開，此極限值取決于液體的表面張力和環(huán)的尺寸。這是因?yàn)橥饬μ崞鹨褐峭ㄟ^液體表面張力實(shí)現(xiàn)的。因此，最大液柱重力mg應(yīng)與環(huán)受到的液體表面張力垂直分量相等。設(shè)拉起的液柱為圓筒形，則2022/11/24表面張力的測定方法在圖中，水平接觸表面張力的測定方法其中R

為環(huán)的內(nèi)半徑，r

為環(huán)絲的半徑。但實(shí)際上拉起的液柱并不是圓筒形，而常如圖（c）所示的那樣偏離圓筒形。為修正實(shí)際所測重力與實(shí)際值的偏差，引入校正因子F。即

2022/11/24表面張力的測定方法其中R為環(huán)的內(nèi)半徑，r為環(huán)絲的半徑。表面張力的測定方法脫環(huán)法操作簡單，但由于應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的校正系數(shù)使方法帶有經(jīng)驗(yàn)性。對于溶液，由于液面形成的時(shí)間受到限制，所得結(jié)果不一定是平衡值。3、最大氣泡壓力法例題.用最大氣泡法測量液體表面張力的裝置如圖所示：將毛細(xì)管垂直地插入液體中，其深度為h。由上端通入氣體，在毛細(xì)管下端呈小氣泡放出，小氣泡內(nèi)的最大壓力可由U型管壓力計(jì)測出。2022/11/24表面張力的測定方法脫環(huán)法操作簡單，但由于表面張力的測定方法已知300K時(shí)，某液體的密度ρ＝1.6×103kg·m-3，毛細(xì)管的半徑r＝0.001m，毛細(xì)管插入液體中的深度h＝0.01m，小氣泡的最大表壓p(最大)＝207Pa。問該液體在300k時(shí)的表面張力為若干？2022/11/24表面張力的測定方法已知300K時(shí)，某液體的密表面張力的測定方法解：當(dāng)毛細(xì)管中足夠細(xì)時(shí)，管下端出現(xiàn)的彎月形液面，可視為球面的一部，隨著小氣泡的變大，氣泡的曲率半徑將變小，當(dāng)氣泡的半徑等于毛細(xì)管的半徑時(shí)，液面曲率半徑最小。由拉普拉斯公式可知，小氣泡所承受的附加壓力，在數(shù)值上應(yīng)為氣泡內(nèi)外的壓力差。

2022/11/24表面張力的測定方法解：當(dāng)毛細(xì)管中足夠細(xì)時(shí)，管下端出現(xiàn)的彎月形表面張力的測定方法四、吊片法與脫環(huán)法相比，吊片法的原理基本相同。但此法具有全平衡的特點(diǎn)，不需要密度數(shù)據(jù)且不需作任何校正，也不必將片拉離液面，而是只要將片與液面接觸即可。吊片法的基本原理是：吊片不動，液面上升，待液面剛好與吊片接觸時(shí)，拉力f

等于平衡時(shí)沿吊片周邊作用的液體表面張力2022/11/24表面張力的測定方法四、吊片法2022/10/11表面張力的測定方法其中，l、d分別為吊片的寬和厚度，2（l+d）表示吊片底周長，可由已知表面張力的液體得到。若要取得較好的測量結(jié)果，應(yīng)使吊片潤濕且接觸角為零（可將吊片打毛），測油的表面張力時(shí)，可