幾個(gè)常見(jiàn)現(xiàn)象中蘊(yùn)含的表面物理化學(xué)知識(shí)

摘 要 提高物理化學(xué)課堂教學(xué)的趣味性可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望，有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和積極性，達(dá)到激發(fā)學(xué)生思維、培養(yǎng)學(xué)生能力的教學(xué)目的，從而提高物理化學(xué)的教學(xué)質(zhì)量和效果。本文以表面物理化學(xué)知識(shí)點(diǎn)教學(xué)為例對(duì)此進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞 物理化學(xué) 表面與界面 課堂教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：O4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

日常生活中，我們對(duì)見(jiàn)到的一些現(xiàn)象可能已經(jīng)習(xí)以為常，認(rèn)為它們理應(yīng)如此，但是為什么會(huì)這樣，就沒(méi)有過(guò)多地去想了。例如，下過(guò)雨后，我們見(jiàn)到樹(shù)葉上、草上的小水珠都接近于球形；如果不小心打碎了體溫計(jì)后，里面的水銀掉到桌上、地上也呈球形。毛巾下端浸水后，使得整條毛巾變濕。另外中學(xué)課堂經(jīng)常表演一個(gè)小魔術(shù)：先準(zhǔn)備一杯水，然后小心地把一枚針?biāo)椒胖迷谒嫔希Y(jié)果發(fā)現(xiàn)針浮在水面上而不沉于杯底，并且在針下面的水面上形成一個(gè)凹面。所有這些現(xiàn)象其實(shí)都與表面張力有關(guān)。事實(shí)上，自然界中的許多現(xiàn)象都與表界面的特殊性質(zhì)有關(guān)。本文將選取幾個(gè)日常生活中的常見(jiàn)現(xiàn)象，參考天津大學(xué)物理化學(xué)教研室編寫(xiě)的《物理化學(xué)》教材，應(yīng)用表界面物理化學(xué)的基本原理，對(duì)表面的特殊性質(zhì)進(jìn)行分析和討論。

實(shí)例一：吹脹的肥皂泡成球形，不再吹時(shí)會(huì)變小；自來(lái)水管口滴下的水滴、室外的露珠皆呈圓球形。

自然界中的物質(zhì)一般以固、液、氣三種相態(tài)存在。不同相態(tài)相互接觸即產(chǎn)生界面，常見(jiàn)界面有氣—液、液—液、氣—固、固—液和固—固等。習(xí)慣常將氣—液、氣—固界面叫做液體表面和固體表面。

圖1 液體的表面層分子與內(nèi)部分子受力情況示意圖

以氣-液體系為例，液體的表面層分子與內(nèi)部分子所處的環(huán)境不同，如圖1所示。在液體內(nèi)部的任一分子，均處于同類(lèi)分子的包圍中，因此平均來(lái)看，體相內(nèi)部的分子所受四周鄰近相同分子的作用力是對(duì)稱(chēng)的，各個(gè)方向的力彼此抵銷(xiāo)。但是處于表面層的分子，由于氣相密度比體相低，液面上方蒸氣分子對(duì)表面層分子的吸引力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于液體內(nèi)部分子對(duì)它的吸引力，使得表面層分子恒受到指向液體內(nèi)部的拉力，因而液體表面就如同一層繃緊了的彈性膜。這種引起液體表面收縮的單位長(zhǎng)度的力，我們稱(chēng)為表面張力 ，單位N.m-1。它的方向和液面相切，并和兩部分的分界線(xiàn)垂直。如果是水平液面，表面張力就在這個(gè)平面上，如圖2所示。假設(shè)用細(xì)鋼絲制成一個(gè)框架，其一邊是可自由活動(dòng)的金屬絲（無(wú)摩擦）。將此金屬絲固定后使框架蘸上一層肥皂泡。若放松金屬絲，由于表面張力的作用，肥皂膜會(huì)自動(dòng)收縮以減小表面積。因此要使膜維持不變，就需要在金屬絲上施加一相反的力F = 2 l（注意膜有正、反兩面）。

圖2 表面張力和表面功示意圖（忽略摩擦力的影響）

我們也可以從另一個(gè)角度分析， 若要使圖2中的液膜增大面積dAs，則需抵抗表面張力，在力F的作用下使金屬絲緩慢向右移動(dòng)dx距離，忽略摩擦力的影響，這一過(guò)程所做的可逆非體積功為 W'r = Fdx =dAs，得= 。正是由于表面張力的存在，液體表面總是趨于盡可能縮小，而相同體積下，球的面積最小，所以微小液滴往往呈球形。同理，吹脹的肥皂泡成球形，不再吹時(shí)即會(huì)變小。

實(shí)例二：毛巾下端浸水，水沿纖維上升，使整條毛巾變濕。

除了水平液面，還有彎曲液面，如液滴的表面為凸液面，水中的氣泡的表面則是凹液面。圖3分別給出了凸液面和凹液面的示意圖。水平液面下的液體所承受的壓力與外壓相等。但是對(duì)于彎曲液面，由于表面張力的存在，使彎曲液面產(chǎn)生一個(gè)附加壓力 p。假設(shè)圖3(a) 的凸液面上方為氣相，壓力為pg，凸液面下方為液相，其壓力為pl。對(duì)于底邊的圓周來(lái)說(shuō)，表面張力作用在圓周線(xiàn)上，其方向垂直于圓周線(xiàn)且與液滴的表面平行，所以圓周線(xiàn)上的表面張力產(chǎn)生一個(gè)向下的附加壓力 p = pl-pg。 對(duì)于圖3(b)的凹液面，同理分析可得凹液面對(duì)里面氣體產(chǎn)生附加壓力 p = pg- pl。

圖3 凸液面（a）、凹液面（b）的附加壓力 p以及 p與液面曲率半徑的關(guān)系（c）

附加壓力 p與彎曲液面的曲率半徑相關(guān)。設(shè)有一凸液面AB（圖3(c)）。由表面張力引起的垂直向下合力：

F = r·2 r1·cos= 。

該凸液面的底面積A =r12。所以，彎曲液面對(duì)于單位水平面的附加壓力為：

p ==（1）

（1）式稱(chēng)為L(zhǎng)aplace方程。Laplace方程表明彎曲液面的附加壓力與液體的表面張力成正比，與曲率半徑成反比。彎曲液面附加壓力的存在產(chǎn)生了各種特殊的表界面現(xiàn)象，如毛細(xì)管現(xiàn)象等。

當(dāng)我們將一支半徑為r1的毛細(xì)管垂直地插入液體中時(shí)，如果液體能潤(rùn)濕管壁，則液體將在管中呈凹液面，同時(shí)觀察到毛細(xì)管內(nèi)液面上升。由于凹液面的附加壓力 p指向大氣，所以凹液面下的液體所承受的壓力小于管外水平液面下的壓力，因此，液體將被壓入管內(nèi)，液面上升，如圖4（a）所示。達(dá)平衡時(shí)，管中液柱靜壓力等于凹液面的附加壓力，即 p ==gh。曲率半徑r與毛細(xì)管半徑r1之間滿(mǎn)足r =，可得液體在毛細(xì)管中上升的高度為：

h = （2）

式中 是液體的密度，g為重力加速度。毛細(xì)管半徑r1越小，液體上升的高度越高。水能潤(rùn)濕毛巾纖維，因此毛巾下端的水將沿纖維上升，使整條毛巾變濕。

圖4 毛細(xì)管現(xiàn)象示意圖（a）和疊加在一起的兩塊潤(rùn)濕玻璃間的附加壓力（b）

實(shí)例三：將兩塊干燥的平板玻璃疊放在一起很容易分開(kāi)。若用水淋濕后再疊放在一起，使之分開(kāi)卻很費(fèi)勁。

我們知道水能潤(rùn)濕玻璃，所以在兩塊玻璃之間水層的四周皆呈凹液面。凹液面處產(chǎn)生指向空氣的附加壓力 p。附加壓力的存在使兩塊玻璃的內(nèi)外受壓不等，與水接觸的內(nèi)側(cè)壓力較小，與空氣接觸的外側(cè)所受壓力較大，所以?xún)蓧K玻璃很難分開(kāi)。

假設(shè)圖4(b)所示的兩塊干凈的平板玻璃間有一層水，我們可以估算兩塊玻璃之間的總吸力。設(shè)兩塊玻璃之間的水層厚度 = 0.01€?0-3 m，玻璃的長(zhǎng)寬均為a = 0.05 m，25℃時(shí)水的表面張力= 0.0728 N.m-1。水能在玻璃表面完全鋪展，即水膜側(cè)面可近似為一半圓凹柱面，凹面曲率半徑：r≈ /2。附加壓力 p = 即為液體內(nèi)部壓力低于外壓的差值。計(jì)算得總吸力F = ·a2 = 36.4N。所以用水淋濕后再疊放在一起的兩塊玻璃很難分開(kāi)。

總之，通過(guò)對(duì)具體實(shí)例的解釋?zhuān)粌H可以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，還可以讓學(xué)生們感覺(jué)到物理化學(xué)知識(shí)不再是書(shū)本上的純理論的東西，而是與我們的生活息息相關(guān)，這樣就可以有效激發(fā)學(xué)生對(duì)物理化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

參考文獻(xiàn)

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