几个常见现象中蕴含的表面物理化学知识 物理化学表面现象

　　摘 要 提高物理化学课堂教学的趣味性可以激发学生的学习兴趣和求知欲望，有利于调动学生的主动性和积极性，达到激发学生思维、培养学生能力的教学目的，从而提高物理化学的教学质量和效果。本文以表面物理化学知识点教学为例对此进行探讨。
　　关键词 物理化学 表面与界面 课堂教学
　　中图分类号：O4文献标识码：A
　　
　　日常生活中，我们对见到的一些现象可能已经习以为常，认为它们理应如此，但是为什么会这样，就没有过多地去想了。例如，下过雨后，我们见到树叶上、草上的小水珠都接近于球形；如果不小心打碎了体温计后，里面的水银掉到桌上、地上也呈球形。毛巾下端浸水后，使得整条毛巾变湿。另外中学课堂经常表演一个小魔术：先准备一杯水，然后小心地把一枚针水平放置在水面上，结果发现针浮在水面上而不沉于杯底，并且在针下面的水面上形成一个凹面。所有这些现象其实都与表面张力有关。事实上，自然界中的许多现象都与表界面的特殊性质有关。本文将选取几个日常生活中的常见现象，参考天津大学物理化学教研室编写的《物理化学》教材，应用表界面物理化学的基本原理，对表面的特殊性质进行分析和讨论。
　　实例一：吹胀的肥皂泡成球形，不再吹时会变小；自来水管口滴下的水滴、室外的露珠皆呈圆球形。
　　自然界中的物质一般以固、液、气三种相态存在。不同相态相互接触即产生界面，常见界面有气―液、液―液、气―固、固―液和固―固等。习惯常将气―液、气―固界面叫做液体表面和固体表面。
　　
　　图1 液体的表面层分子与内部分子受力情况示意图
　　以气-液体系为例，液体的表面层分子与内部分子所处的环境不同，如图1所示。在液体内部的任一分子，均处于同类分子的包围中，因此平均来看，体相内部的分子所受四周邻近相同分子的作用力是对称的，各个方向的力彼此抵销。但是处于表面层的分子，由于气相密度比体相低，液面上方蒸气分子对表面层分子的吸引力远远小于液体内部分子对它的吸引力，使得表面层分子恒受到指向液体内部的拉力，因而液体表面就如同一层绷紧了的弹性膜。这种引起液体表面收缩的单位长度的力，我们称为表面张力 ，单位N.m-1。它的方向和液面相切，并和两部分的分界线垂直。如果是水平液面，表面张力就在这个平面上，如图2所示。假设用细钢丝制成一个框架，其一边是可自由活动的金属丝（无摩擦）。将此金属丝固定后使框架蘸上一层肥皂泡。若放松金属丝，由于表面张力的作用，肥皂膜会自动收缩以减小表面积。因此要使膜维持不变，就需要在金属丝上施加一相反的力F = 2 l（注意膜有正、反两面）。
　　
　　图2 表面张力和表面功示意图（忽略摩擦力的影响）
　　我们也可以从另一个角度分析， 若要使图2中的液膜增大面积dAs，则需抵抗表面张力，在力F的作用下使金属丝缓慢向右移动dx距离，忽略摩擦力的影响，这一过程所做的可逆非体积功为 W"r = Fdx =dAs，得= 。正是由于表面张力的存在，液体表面总是趋于尽可能缩小，而相同体积下，球的面积最小，所以微小液滴往往呈球形。同理，吹胀的肥皂泡成球形，不再吹时即会变小。
　　实例二：毛巾下端浸水，水沿纤维上升，使整条毛巾变湿。
　　除了水平液面，还有弯曲液面，如液滴的表面为凸液面，水中的气泡的表面则是凹液面。图3分别给出了凸液面和凹液面的示意图。水平液面下的液体所承受的压力与外压相等。但是对于弯曲液面，由于表面张力的存在，使弯曲液面产生一个附加压力 p。假设图3(a) 的凸液面上方为气相，压力为pg，凸液面下方为液相，其压力为pl。对于底边的圆周来说，表面张力作用在圆周线上，其方向垂直于圆周线且与液滴的表面平行，所以圆周线上的表面张力产生一个向下的附加压力 p = pl-pg。 对于图3(b)的凹液面，同理分析可得凹液面对里面气体产生附加压力 p = pg- pl。
　　
　　图3 凸液面（a）、凹液面（b）的附加压力 p以及 p与液面曲率半径的关系（c）
　　附加压力 p与弯曲液面的曲率半径相关。设有一凸液面AB（图3(c)）。由表面张力引起的垂直向下合力：
　　F = r・2 r1・cos= 。
　　该凸液面的底面积A =r12。所以，弯曲液面对于单位水平面的附加压力为：
　　 p ==（1）
　　（1）式称为Laplace方程。Laplace方程表明弯曲液面的附加压力与液体的表面张力成正比，与曲率半径成反比。弯曲液面附加压力的存在产生了各种特殊的表界面现象，如毛细管现象等。
　　当我们将一支半径为r1的毛细管垂直地插入液体中时，如果液体能润湿管壁，则液体将在管中呈凹液面，同时观察到毛细管内液面上升。由于凹液面的附加压力 p指向大气，所以凹液面下的液体所承受的压力小于管外水平液面下的压力，因此，液体将被压入管内，液面上升，如图4（a）所示。达平衡时，管中液柱静压力等于凹液面的附加压力，即 p ==gh。曲率半径r与毛细管半径r1之间满足r =，可得液体在毛细管中上升的高度为：
　　h = （2）
　　式中 是液体的密度，g为重力加速度。毛细管半径r1越小，液体上升的高度越高。水能润湿毛巾纤维，因此毛巾下端的水将沿纤维上升，使整条毛巾变湿。
　　
　　图4 毛细管现象示意图（a）和叠加在一起的两块润湿玻璃间的附加压力（b）
　　实例三：将两块干燥的平板玻璃叠放在一起很容易分开。若用水淋湿后再叠放在一起，使之分开却很费劲。
　　我们知道水能润湿玻璃，所以在两块玻璃之间水层的四周皆呈凹液面。凹液面处产生指向空气的附加压力 p。附加压力的存在使两块玻璃的内外受压不等，与水接触的内侧压力较小，与空气接触的外侧所受压力较大，所以两块玻璃很难分开。
　　假设图4(b)所示的两块干净的平板玻璃间有一层水，我们可以估算两块玻璃之间的总吸力。设两块玻璃之间的水层厚度 = 0.01�0-3 m，玻璃的长宽均为a = 0.05 m，25℃时水的表面张力= 0.0728 N.m-1。水能在玻璃表面完全铺展，即水膜侧面可近似为一半圆凹柱面，凹面曲率半径：r≈ /2。附加压力 p = 即为液体内部压力低于外压的差值。计算得总吸力F = ・a2 = 36.4N。所以用水淋湿后再叠放在一起的两块玻璃很难分开。
　　总之，通过对具体实例的解释，不仅可以加深学生对知识的理解，还可以让学生们感觉到物理化学知识不再是书本上的纯理论的东西，而是与我们的生活息息相关，这样就可以有效激发学生对物理化学的学习兴趣，增强学生利用所学知识分析问题和解决问题的能力。
　　
　　参考文献
　　[1] 天津大学物理化学教研室编,王正烈,周亚平,李松林,刘俊吉修订.物理化学.高等教育出版社,2001.
　　[2] 方文军,雷群芳,王国平,许佩新.工科物理化学教学改革与实践.化工高等教育,2005.2:39-41.
　　[3] 徐志花,严朝雄.提高物理化学课堂教学趣味性的几点尝试.科技传播,2009.11:97.
　　
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文