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铺展

以固-液界面取代固-气界面的过程,同时液体表面也进行扩展(图1)。

图

通常定义单位铺展面积体系吉布斯自由能(即吉布斯函数)的下降为铺展系数,以S表示:

S=-ΔG/AγSG-(γSL+γLG)

式中-ΔG表示体系吉布斯自由能的下降;A 为展开面积;γSG为固-气界面自由能;γSL为固-液界面自由能;γLG为液体的表面自由能。

根据上式,在恒温恒压下,若S≥ 0,则液体能自动在固体表面上展开。通过杨氏润湿方程得到铺展系数与接触角θ之间的关系:

SγSG-γSL-γLG=γLG(cosθ-1)

当接触角θ=0°时,液体在固体表面完全展开。铺展系数除通过接触角方法测定外,还可用滴高法进行测定。其基本公式为公式 符号。式中ρ为液体密度;g为重力加速度;hm为液滴最大高度。

如果将一滴液体放到另一种与它不相混溶的液体表面上,可能发生一种液体在另一种液体表面上的展开,有以下几种情况:

(1)一种液体 (例如油)在另一种液体(例如水)表面上不铺展,形成漂浮的油滴似“透镜”,达到平衡时可得:

γ2=γ1cosθ1+γ12cosθ2

式中γ2为液体 2的表面张力;γ1为液体1的表面张力;γ12为液体1与液体2之间的界面张力;θ1为γ1与水平方向间的夹角;θ2为γ12与水平方向间的夹角。此式为三种界面张力之间的平衡结果(图2)。

图

(2)一种液体在另一种液体表面上展开形成双重膜,此膜有相当的厚度,有液1-液2,液1-空气两个界面。

(3)一种液体在另一种液体上展开,形成一单分子膜。一种液体能否在另一液体上展开,可用铺展系数来判断。若以Sab表示液体a在液体b上的铺展系数,则得:

Sab=γb-γa-γab

式中γb为液体b的表面张力,γa为液体a的表面张力,γab为液体ab之间的界面张力。若S≥0,则液体a能在液体b表面自动展开。