表面張力本質(zhì)上來講是一種分子力，它作用于液體的表面層上，由于液體的表面層結(jié)構(gòu)不同于液體內(nèi)部，這就使液體表面相鄰分子間的相互作用力表現(xiàn)為一種張力。

在液體內(nèi)部的分子間既存在斥力也存在引力，分子間的間距平衡保持在r上下，距離大于r分子就會相互吸引，若小于r就會相互排斥，因而液體內(nèi)部各分子距離始終趨于平衡;與液體內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，液體表面層的分子由于受到液體內(nèi)部分子的引力影響，一部分液體表層分子會進入液體內(nèi)部，而一部分分子則離開液體表層。

這時，與液體內(nèi)部相比，液體表面的分子數(shù)量要少得多，分子數(shù)量的減少使分子與分子間的距離隨之拉大，液體表面的分子間受引力作用較大。

諸多生活現(xiàn)象表明，液體表面層猶如一張緊繃的彈性膜，在這張彈性膜表層上任意做一條切線，在薄膜表層的前后兩面存在兩種相互作用的拉力，且這兩種拉力的方向都與切線相垂直，這就是液體表面張力的表現(xiàn)。表面張力與液體表層相切，也就是液體表層若呈現(xiàn)曲狀，那么液體表面張力就在這個曲面的切線上。

表面張力的單位在SI制中為牛頓/米(N/m)，但仍常用達因/厘米(dyn/cm)，1dyn/cm=1mN/m。備注：達因是個物理上的力學單位，1達因等于10的負5次方牛頓。因此換算1dyn/cm=1mN/m。

表面張力的單位說明：

1、表面張力的方向

表面張力的方向和液面相切，并和兩部分的分界線垂直，如果液面是平面，表面張力就在這個平面上。如果液面是曲面，表面張力就在這個曲面的切面上。

2、表面張力的形成

表面張力是分子力的一種表現(xiàn)，它發(fā)生在液體和氣體接觸時的邊界部分，是由于表面層的液體分子處于特殊情況決定的。液體內(nèi)部的分子和分子間幾乎是緊挨著的，分子間經(jīng)常保持平衡距離，稍遠一些就相吸，稍近一些就相斥，這就決定了液體分子不像氣體分子那樣可以無限擴散，而只能在平衡位置附近振動和旋轉(zhuǎn)。

在液體表面附近的分子由于只顯著受到液體內(nèi)側(cè)分子的作用，受力不均，使速度較大的分子很容易沖出液面，成為蒸汽，結(jié)果在液體表面層(跟氣體接觸的液體薄層)的分子分布比內(nèi)部分子分布來得稀疏。相對于液體內(nèi)部分子的分布來說，它們處在特殊的情況中。表面層分子間的斥力隨它們彼此間的距離增大而減小，在這個特殊層中分子間的引力作用占優(yōu)勢。

3、表面張力的大小

表面張力F的大小跟分界線MN的長度成正比。可寫成F=σL或σ=F/L。

比值σ叫做表面張力系數(shù)，它的單位常用dyn/cm。在數(shù)值上表面張力系數(shù)就等于液體表面相鄰兩部分間單位長度的相互牽引力。

液膜表面張力系數(shù)=液膜的表面能/液膜面積=F表面張力/(2*所取線段長)。

表面張力系數(shù)與液體性質(zhì)有關(guān)，與液面大小無關(guān)。

水的表面張力：

溫度（℃）

0

5

10

15

20

25

30

表面張力（達因/厘米）

75.6

74.92

74.22

73.49

72.75

71.97

71.18

液體表面張力系數(shù)是表征液體表面張力大小的重要物理參量，它與液體表面張力的關(guān)系表現(xiàn)為：f=-al，其中f表示液體表面張力，l為液體表面上的一段距離，比例系數(shù)則是該液體在一定條件下的表面張力系數(shù)。受溫度、氣壓與液體性質(zhì)等因素影響，液體的表面張力系數(shù)相對不同。

1、液體濃度與純度

在純液體中加入雜質(zhì)會導致液體表面張力系數(shù)變化，這種變化又與液體的濃度有較大關(guān)系，通常有三種情況：

一是液體表面的張力隨液體濃度的增加而上升;

二是液體表面張力隨液體濃度增加而下降;

第三種比較特殊，當液體被稀釋到一定程度時，液體的表面張力系數(shù)隨著濃度的增加呈現(xiàn)急劇下降的趨勢，之后一般不隨液體濃度的變化而變化。

2、液體溫度

液體的表面張力與液體溫度呈反比，溫度升高，液體表面水分子間的距離加大，會使分子間的作用力減小，由此可見，液體表面張力系數(shù)會隨著溫度的上升而下降。

3、與液面接觸物質(zhì)

不僅液體的溫度、性質(zhì)、濃度等因素會影響液體表面張力系數(shù)，液體表層上的第二介質(zhì)同樣會對液體表面張力產(chǎn)生影響。當這種介質(zhì)為另一種液體時，兩種液體的分子間會發(fā)生相互作用，影響垂直于液體表面的合力大小，導致液體表面張力系數(shù)的變化。然而若與液面接觸的是一種低密度氣體時，則不會對液體的表面張力系數(shù)造成太大改變。

1、毛細現(xiàn)象

毛細管通常指內(nèi)徑小于1mm的管子，將毛細管插入水中，便會看到細管內(nèi)的液面要比管外的水面高，這就是在液體的表面張力作用下出現(xiàn)的毛細現(xiàn)象。

出現(xiàn)毛細現(xiàn)象主要是幾種力的共同作用的結(jié)果，液體表層的凹面受表面張力的影響使液面層緊縮，把液面下的液體往上提拉，管內(nèi)液面上升，而上升的液體又同時受到重力影響，再加上附著力的作用，三種力相互制約平衡，最終使液體表層趨于一種穩(wěn)定的高度。

2、栓塞現(xiàn)象

液體在細管內(nèi)流動時，若管內(nèi)產(chǎn)生氣泡，液體在氣泡的阻礙下便有可能造成栓塞現(xiàn)象。假設(shè)液體在管中由左向右流動，且左右兩端存在一定的壓強差，如果管內(nèi)產(chǎn)生一個半徑與細管半徑相同但不阻礙液體流動的氣泡，受到壓強差影響，細管左面的液表的曲率半徑將會變大，而右面液表將會縮小。這時左面液表的附加壓強要小于右面液表的附加壓強，存在于氣泡兩面的附加壓強差即右面附加壓強減去左面附加壓強。

若液體壓強差大于氣泡兩面的附加壓強差，則氣泡仍可隨液體一起流動，但如果管中氣泡過多，細管兩端的壓強差與氣泡兩面的附加壓強差趨于平等，液體將無法流動，這時候就形成了栓塞現(xiàn)象。

3、浸潤和不浸潤現(xiàn)象

浸潤和不浸潤現(xiàn)象的產(chǎn)生從根本上來講還是分子間的相互作用，液體和固體接觸時會產(chǎn)生兩種情況：

若液體內(nèi)部的分子間相互引力小于能夠使液體附著在固體表面上的力，液體分子便會逐一向固體表層附著，使固體表面的液體層不斷擴大。而在液體表面張力的作用下，液面要向里收縮，最終達到液體分子內(nèi)聚力、附著力與液體表面張力的平衡，出現(xiàn)液體對固體的浸潤現(xiàn)象;

當液體分子間的內(nèi)聚力大于液體對固體的附著力時，液體分子受到的合力方向垂直于附著層，并指向液體內(nèi)部，導致液體分子向液體內(nèi)部靠攏，附著層液面收縮，表現(xiàn)為液體對固體的不浸潤現(xiàn)象。

液體的表面張力本質(zhì)上是一種分子力，它能使液體表面緊縮，并導致毛細現(xiàn)象、栓塞現(xiàn)象、浸潤與不浸潤現(xiàn)象等現(xiàn)象的產(chǎn)生，與我們的日常生活息息相關(guān)。液體表面張力系數(shù)是液體表征表面張力大小的重要物理參量，其大小受到液體性質(zhì)、溫度、壓強等因素的影響，不同條件下的不同液體狀態(tài)，其表面張力系數(shù)都有所差別。

1、毛細管上升法

一般認為，表面張力的測定以毛細管上升法最準確。這是由于它不僅有比較完整的理論，而且實驗條件可以嚴密地控制。

當液體完全濕潤管壁時，液-氣界面與固體表面的夾角(接觸角)為零，則接界處的液體表面與管壁平行而且相切，整個液面呈凹態(tài)形狀。如果毛細管的橫截面為圓形，則半徑越小，彎月面越近似于半球形。

若液體完全不濕潤毛細管，此時的液體呈凸液面而發(fā)生毛細下降，通常情況下液體與圓柱形毛細管間的接觸角θ介于0°-180°，即液體對毛細管的濕潤程度處于完全濕潤與完全不濕潤之間。

γ=Δρghr/(2cosθ)

式中γ為表面張力，Δρ是液相與氣相的密度差，g是重力加速度，h為液面上升高度，r為毛細管半徑，θ是固-液接觸角。只要測得液柱上升(或下降)高度和固-液接觸角，就可以確定液體的表面張力。

應(yīng)用此法測定液體表面張力，要求固-液面接觸角θ最好為零。當精確測量時，需要對毛細管內(nèi)液面上升高度h進行校正。當液面位置很難測準時，可通過測量兩根毛細管的高度差計算表面張力，其計算公式為:

γ=Δρg(h1-h2)/2(1/r1-1/r2)

h1、h2分別為兩毛細管液面上升高度，r1、r2分別為兩毛細管半徑。

2、最大氣泡壓力法

這也是測定液體表面張力的一種常用方法，測定時將一根毛細管插入待測液體內(nèi)部，從管中緩慢地通入惰性氣體對其內(nèi)的液體施以壓力，使它能在管端形成氣泡逸出。

當所用的毛細管管徑較小時，可以假定所產(chǎn)生的氣泡都是球面的一部分，但是氣泡在生成及發(fā)展過程中，氣泡的曲率半徑將隨惰性氣體的壓力變化而改變，當氣泡的形狀恰為半球形時，氣泡的曲率半徑為最小，正好等于毛細管半徑。如果此時繼續(xù)通入惰性氣體，氣泡便會猛然脹大，并且迅速地脫離管端逸出或突然破裂。

如果在毛細管上連一個U型壓力計，U型壓力計所用的液體密度為ρ，兩液柱的高度差為Δl，那么氣泡最大壓力ΔPmax就能通過實驗測定。此時：

ΔPmax=2γ/r=ρgΔl

3、DuNouy吊環(huán)法和Wilhelmy吊片法

吊環(huán)法的基本原理是，將浸在液面上的金屬環(huán)(鉑絲制成)脫離液面，其所需的最大拉力，等于吊環(huán)自身重量加上表面張力與被脫離液面周長的乘積。Timberg和Sondhauss首先使用此法，但DuNouy第一次應(yīng)用扭力天平來測定此最大拉力。

Harkins和Jordan引進了校正因子，可以用來測定純液體表面張力，測定時必須注意其表面張力有時間效應(yīng)。此外，將吊環(huán)拉離液面時要特別小心，以免液面發(fā)生擾動。

吊片法是1863年由Wilhelmy首先提出的，后來，Dognon和Abribat將其改進，測定當打毛的鉑片、玻片或濾紙片的底邊平行界面并剛好接觸(未脫離)界面時的拉力。要滿足吊片恰好與液面接觸，既可采用脫離法，測定吊板脫離液面所需與表面張力相抗衡的最大拉力，也可將液面緩慢地上升至剛好與天平懸掛已知重量的吊板接觸，然后測定其增量，再求得表面張力的值。

從測定原理看，DuNouy吊環(huán)法和Wilhelmy吊片法都是通過測量力來測量表面張力，對潤濕性要求較高。吊片法操作簡單，不需校正，精度高。缺點是樣品用量大，升溫速度慢，不能用于多種氣氛的表面張力測定以及高壓表面張力的測定。

對于非離子及陰離子表面活性劑，可以采取吊環(huán)法和吊片法;對于陽離子表面活性劑水溶液，由于容易吸附于固體表面，使表面變得疏水而不易被水溶液潤濕，實驗誤差較大，可以采用與接觸角無關(guān)的測定方法，如滴體積法。

4、滴重法和滴體積法

滴重法是一種具有統(tǒng)計平均性質(zhì)且較準確的方法，最早由Tate于1864年提出?；驹硎菍⒋郎y液體在恒溫條件下通過管尖，緩慢地形成液滴落入容器內(nèi)，待收集至足夠數(shù)量的液體時稱量，根據(jù)總滴數(shù)算出每滴液滴的平均重量(mg)，就可按泰特(Tate)定律求出表面張力γ:

mg=2πRγ

上式說明表面張力所能拉住液體的最大重量等于管尖周長和液體表面張力的乘積。式中R是液滴頂部半徑，如果待測的液體不能潤濕潤管尖材料，只取內(nèi)徑r，反之取外徑。

事實上，液滴落下前所形成的細長液柱在力學上是不穩(wěn)定的，即液滴上半部分半徑縮小，下半部分半徑擴大，最后形成液滴落下時，只有下半部分的液體真正落入容器內(nèi)，而上半部分的液滴仍與管尖相連，并成為下一個液滴的一部分。

這是由于表面張力作用下的近管口液體受到其液滴重力作用，過早地拉伸而斷裂所致。因此，所得液滴的實際重量要比計算值小得多。哈金斯和布朗，對上述偏差作了修正。

滴體積法是在滴重法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。滴重法雖然比較精確，但操作很不方便。為此Gaddum改用微形注射器直接測量滴體積。滴重法和滴體積法的測量設(shè)備簡單，準確度較高，測量手段直接，樣品用量少，易于恒溫，能夠用于一般液體或溶液的表面張力的測定，即使液體對滴頭不能完全潤濕、有一定的接觸角(不大于90°)時也能適用。

5、振蕩射流法

毛細管上升法、最大氣泡壓力法、DuNouy吊環(huán)法、Wilhelmy吊片法、滴重法和滴體積法等是測定平衡時的表面張力，即靜態(tài)張力。但是，對于時間極短的溶液表面張力的變化，則需用動態(tài)法測量。一般地，測定液體表面張力的方法稍以改動可用于測量動表面張力;但對于時間很短的動表面張力，可以采用振蕩射流法，該法測定的時間范圍可低達1ms左右。

液流在橢圓形管口噴出時，射流可作周期性振動，形成一連串的波形。波形的產(chǎn)生是由于液體表面張力有使液流由橢圓形變?yōu)閳A形的傾向和射流慣性力的相互作用。通過射流動表面張力公式，自射流波長和射流速度可測得表面張力與表面老化時間的對應(yīng)關(guān)系。

6、旋滴法

旋滴法主要用于測定超低表面張力。一般將表面張力值在10-1mN/m~10-3mN/m時稱為低表面張力，10-3mN/m以下稱為超低表面張力。

測定原理:在樣品管中裝入高密度的液體，再加入少量低密度液體，密閉后，將其置于旋滴儀中使其以ω角速度旋轉(zhuǎn)。在離心力、重力及表面張力作用下，低密度液體在高密度液體中形成圓柱形液滴。設(shè)圓柱形長為l，半徑為r0，兩液體的密度差為Δρ。當圓柱形長度與直徑的比率大于4時，表面張力γ可

由Vonnegut方程求出:

γ=Δρω2r03/4

7、懸滴法

懸滴法實質(zhì)上是滴外形法的一種。滴外形法是根據(jù)液滴的外形來測定表面張力和接觸角的方法，既有懸滴法又有躺滴法，其原理是根據(jù)Laplace關(guān)于毛細現(xiàn)象的方程:

ΔP=γ(1/R1+1/R2)

其中γ為表面張力，R1和R2表示曲面半徑，ΔP為界面上的壓力差。

隨著計算機技術(shù)發(fā)展，圖像處理技術(shù)在許多領(lǐng)域中發(fā)揮著巨大的作用，Pu等用軸稱滴形分析技術(shù)，通過復雜的Newton-Raphson計算與遞增迭代法結(jié)合將其發(fā)展為軸稱滴形輪廓法，得到廣泛的應(yīng)用。

下圖四氯乙烯溶液的動態(tài)表面張力隨面積的變化，從圖中可以看出，對于PCE，當表面積增大或者減小到初始表面積時，表面張力也恢復到原來的數(shù)值，即具有一定的彈性。

從實際使用情況看，ADSA-P可測定氣-液界面和液-液界面，測定的范圍寬，可以測出達幾十mN/m至10-3mN/m的張力值。不但可以測定表面張力而且可以測定前進與后退接觸角。懸滴法用注射器成滴，采用顯微光學系統(tǒng)，試液用量較少。