上篇文章的讨论中已知界面区的特点之一是在界面区内的分子具有一定的位势,从而具有某种使界面具有收缩趋势的张力。界面化学中称这一张力为界面张力(对相交两相为气、液或气、固情况时称为表面张力);对界面区具有的位势能量称为界面自由能(对气液或气固情况称为表面自由能)。
按照顾继友的总结:代表性的化学辞书及物理化学教科书对表面张力的定义归纳起来有以下3种。
(1)表面张力是平行于液面的表面上,与液面上的单位长度直线成直角的张力。
(2)表面张力与使液体的表面在恒温条件下增加单位面积时所做的功相等。
(3)表面张力是存在于单位面积上的Gibbs自由能。
顾继友认为第三种定义是正确的。因为前两种定义忽视了束缚表面能T△Sσ。
表面张力的SI国际单位为:N/m(牛顿/米),mN/m(毫牛顿/米);
表面自由能的SI国际单位为:J/m2(焦耳/米2),mJ/m2(毫焦耳/米2)。
表面张力和表面自由能的表示符号常有两种,一种用“σ”,另一种用“γ”。这里采用前一种。后一种用来表示两相间共同的界面张力。
在界面化学中界面张力与界面自由能,表面张力和表面自由能这两种说法虽不同,但一般情况下是通用的,在数学上两者也是相等的。因此在讨论中可以交替使用。两者之区别在于说明对象之不同,表面张力是从力学角度来说明在液面上由于分子间相互作用而存在着一种收缩力,这一收缩力总是倾向于使表面面积缩小,也就是说,这一收缩力总是傾向于使表面分子进入到体相内部去,或者反过来说,这一收缩力总是阻碍使体相内部分子进入到表面区内。而表面自由能是从能量的概念出发,表明形成表面时需要做功,即将分子自相内移至表面需要做功,即在界面区内存在有能量壁垒,阻碍着体相内部分子进入到表面区内。Spracking认为:表面层中分子所具有的负位势能要低于体相内部分子,图1-3-1示意了当一个分子从液相体相内部移动到表面区时这个分子的位势能量变化。
Spracking认为,当一个分子在体相内部移动时,由于液体内热波动,故这个分子必须获得能量,Eb。这就是这个分子与其他分子分开并且逃逸出这个分子原先所在的周围分子对其的吸引所需能量,也可理解为体相内部分子向表面区转移所需克服的能垒。
反之,在表面区内的分子从表面区向体相内部转移所需克服的能垒Eb'与Eb相比应很小。因为在从界面处经过整个界面层向体相内部转移的全过程中,该分子受到使其进入到体相内部的作用力始终是大于把这个分子拉回到界面层的作用力。这是由于对这个分子产生拉回到界面层去的作用力的一些界面区内分子在数量上是少数。这就使表面具有自动缩小的倾向。
由于体相分子向表面区转移需要做功,可以预期,表面区内分子向相外(例如蒸汽相)转移亦应该做功,图1-3-1表明,当分子由表面区向蒸汽相转移,即物质的蒸发过程应该存在有能量壁垒。在这里我们粗略地分析一下蒸发过程应该做的功:
蒸发过程:第一步,表面上分子离开表面到汽相,这时需要做功克服分于在表面区时所具有的表面自由能。
第二步,由于蒸发过程中蒸发表面面积不变,故体相分子从体相内部补充到表面区内,体相内部分子不具有表面能,而表面区内分子具有表面能。因而这一过程亦需要做功。
众所周知,使蒸发过程进行的能量来源是加热,即蒸发过程进行需要提供蒸发热,这个蒸发热就是蒸发过程进行所需要的功。依据上面分析可知:蒸发热≈2×表面功。
这即为著名的Stefen公式。
因此,分子从表面区脱离本相到另一相将有更高的能量壁垒,Eb''>Eb,这亦应是凝聚相之所以能存在所必需的(见图1-3-1)。