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?表面張力和接觸角的關(guān)系(Young方程表達(dá)式)
來源:巖礦測試 瀏覽 3877 次 發(fā)布時(shí)間:2023-05-25
表面張力是固體表面重要的物理化學(xué)參數(shù)之一,其大小與溫度和界面兩相物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。基于Young方程的推導(dǎo),使用接觸角測量法計(jì)算固體表面張力已被廣泛應(yīng)用于表面科學(xué)和工程領(lǐng)域。
表面張力
表面張力是液體表面層由于分子引力不均衡而產(chǎn)生的沿表面作用于任一界線上的張力。通常,由于環(huán)境不同,處于界面的分子與處于相本體內(nèi)的分子所受力是不同的。上層空間氣相分子對(duì)液體的吸引力小于內(nèi)部液相分子對(duì)它的吸引力,所以該分子所受合力不等于零,其合力方向垂直指向液體內(nèi)部,結(jié)果導(dǎo)致液體表面具有自動(dòng)縮小的趨勢,這種收縮力稱為表面張力。表面張力是物質(zhì)的特性,其大小與溫度和界面兩相物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。
固體的表面張力不宜測得,通常是用液體在固體表面上的接觸角的大小來計(jì)算。接觸角法操作簡單,應(yīng)用廣泛,是目前估算表面張力最常用的方法。
接觸角和Young方程
將少量液體滴在固體表面,液體可能形成液滴,在達(dá)到平衡時(shí),處于固體表面上的液滴會(huì)保持一定的液體形狀,這是體系在三個(gè)界面張力平衡作用下的結(jié)果。接觸角是指在氣、液、固三相交點(diǎn)處所作的氣-液界面的切線穿過液體與固-液交界線之間的夾角θ,是潤濕程度的量度。如圖1所示。
固-氣、液-固、液-氣這三個(gè)界面張力的平衡關(guān)系可以用Young方程表達(dá):
γSG=γLGcosθ+γSL(1)
式中,γSG、γSL和γLG分別表示固-氣、液-固、液-氣界面張力,θ為接觸角。
圖1液體在固體表面的接觸角
Young方程中的接觸角是在假定固體表面光滑、化學(xué)均質(zhì)、剛性、各向同性且無化學(xué)反應(yīng),并且認(rèn)為三相接觸線上的線張力可以忽略不計(jì)的理想狀態(tài)下的接觸角。但在實(shí)際的固體表面,通常測量得到的接觸角的值是在一個(gè)范圍內(nèi),并不是唯一的值。在分析總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)出計(jì)算固體表面張力的新方法。通過建立有限液-固界面體系的張力平衡,推導(dǎo)出在無限液-固界面系統(tǒng)中,液-固界面張力和固相表面張力的關(guān)系式:
(0<θ≤180°)(2)
(0<θ≤180°)(3)
式(2)、(3)表明γSG、γSL僅是液相表面張力γLG和接觸角θ的函數(shù),只要知道一種液體的γLG和這一液體在固相表面的接觸角θ就可以計(jì)算得到γSG(固-氣界面張力)。