溶液在我們的生活中隨處可見，與我們息息相關(guān)。當(dāng)溶液被放置在容器中，液體和器具表面就會存在固液界面，放在空氣中存在氣液界面。那么此時大家一定會好奇，這個界面是否存在物理規(guī)律，它又能對我們的科學(xué)技術(shù)有哪些幫助呢？本期我們就來探討一下，溶液與其他物質(zhì)的界面。
何為界面？它是物體和物體之間的接觸面，在物理化學(xué)中，它是物質(zhì)相與相之間的分界面。在各相之間存在氣-液、氣-固、液-液、固-固和氣-固五種不同的界面。當(dāng)組成界面的兩相中有一相為氣相時，常被稱為表面。
PART 1
最典型的關(guān)于表面的例子就是荷葉。在盛夏的荷花池中，總可以看到荷葉上承載著晶瑩的露珠，只要稍微施加力度，露珠就可以順著荷葉滑落，那為什么荷葉不會被水沾濕？其實就是“荷葉效應(yīng)”在起作用。1997年W.Barthlott和C.Neinhuis發(fā)表了“荷葉效應(yīng)”的原始文章，通過研究荷葉表面的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)荷葉表面并不光滑，而是由一個個小乳突的粗糙表面。這種表面使得水珠在荷葉表面上自由滾動而不沾濕荷葉。
表面物理化學(xué)中的楊式方程告訴我們：
其中θ為接觸角，γ為表面能，將其變形之后得到如下公式：
這個方程指出，是否潤濕取決于液滴擴大表面所需要的能量與由于覆蓋基底材料而獲得的能量之間的大小，后者能補償前者時可以浸潤，最終使得系統(tǒng)的能量最?。环粗?，當(dāng)基底材料的表面能低于液滴的表面能時一定不會使液滴鋪展。因此想得到一個疏水的表面，其表面一定是低能表面。同時粗糙的表面導(dǎo)致液滴與表面間接觸面積減少，使得液滴只能停留在乳突尖端上，空氣被密封在乳突中間，使得液滴被支撐起來。
PART 2
水和荷葉的固液界面使得水珠不會沾濕荷葉表面，那又是什么使得水凝聚成水珠的呢？
答案是表面張力。液體具有內(nèi)聚性和吸附性，這兩種都是分子引力的表現(xiàn)形式。內(nèi)聚性使液體能抵抗拉伸引力，吸附性則可以使液體黏附在其他物體上面。在液體和氣體的分界處，由于分子之間的吸引力，產(chǎn)生了微小的拉力，因為荷葉表面不吸附水，所以水在拉力的作用下凝聚成水珠。
既然水與空氣的界面存在表面張力的作用，那水和杯壁之間呢？在我們倒水的時候，滿杯的水面高出杯口而不外溢這是表面張力的作用，而水沿著杯壁有向上爬上的跡象也是表面張力的作用。這是因為杯壁上的水分子之間的張力比中間的水分子更強一些，不過杯壁側(cè)的水比液面高還是低卻決于液體與容器材料的“浸潤性”。也就是接觸層固液之間的作用力與液體之間作用力的大小關(guān)系。附著層中的液體分子受容器分子的吸引比液體內(nèi)部強，則附著層中的液體分子更大面積的貼近容器，此時會出現(xiàn)“凹液面”。如水在玻璃容器中。反之，固液接觸層，固液之間的引力弱于液體內(nèi)部的引力，則液體不易與容器貼近。而是更“緊密團結(jié)”在液體內(nèi)，如水銀在玻璃容器中。
但我們常見的溶液并不只有水，里面還有溶質(zhì)，比如糖水和鹽水。這里筆者問各位讀者一個小問題，在你們面前有一杯鹽水和一杯糖水，對于鹽水是表面咸還是里面咸？糖水是表面甜還是里面甜呢？
其實在初高中時我們就經(jīng)常被告知，溶液具有均一性，溶液的濃度上下一致，但隨著我們對于物理化學(xué)知識的愈加深入，事實告訴我們，溶液表面的溶質(zhì)濃度常常與體相不同。學(xué)名為“溶液的表面吸附”，其成因是表面分子受到的分子間作用力與體相分子不同，從而產(chǎn)生了表面張力。溶質(zhì)分子的濃度可以改變表面分子所處的分子間作用力場，從而影響表面張力的大小。當(dāng)溶質(zhì)分子的濃度升高有助于降低表面張力、從而降低表面能時，溶質(zhì)分子就會傾向于在溶液表面層聚集，稱為正吸附，反之則稱為負吸附。
J W Gibbs最早定義了單位面積的表面溶質(zhì)相比于體相的物質(zhì)的量增量為表面超量：
進而根據(jù)表面熱力學(xué)關(guān)系推導(dǎo)出了又名的Gibbs吸附方程：
一般而言，大部分極性有機化合物的水溶液的表面張力都隨濃度升高而減小，因此表面超量為正，發(fā)生正吸附。而無機鹽或若干與水形成多重氫鍵的分子會增大溶液的表面張力，發(fā)生負吸附。對于蔗糖和鹽水溶液它的表面張力隨濃度上升而增大，因此發(fā)生負吸附。對于葡萄糖則是發(fā)生正吸附，所以表面比較甜。
PART 3
總結(jié)來看，如果能夠調(diào)控界面的物相組成就可以改變表面張力的大小。對于液體而言，一種溶質(zhì)溶于其中，可能增大表面張力，例如可溶性無機鹽，稱為表面惰性物質(zhì)；也可能降低表面張力，比如眾多的可溶性大分子有機物。界面科學(xué)中把能降低液體表面張力的物質(zhì)稱為表面活性劑。表面活性劑又稱為工業(yè)味精,具有潤濕、起泡、增溶、乳化、洗滌等作用,被廣泛地應(yīng)用于石油、紡織、農(nóng)藥、醫(yī)藥、采礦食品、民用洗滌等各個領(lǐng)域。
表面活性劑溶于水中時隨著濃度的不同會有不同的分布排列情況。濃度極小時，表面活性劑分子在溶液中隨機分布；隨著濃度上升，分子自發(fā)的向溶液表面聚集，并出現(xiàn)極性基團朝向溶液內(nèi)部、非極性基團朝外的豎直排列方式。
自發(fā)條件下,熱力學(xué)體系都是由不穩(wěn)定朝向穩(wěn)定的平衡態(tài)變化,因此,能夠降低表面張力的因素可以使得體系變得更穩(wěn)定。對于表面活性劑分子而言,極性基團的親水性使其盡可能進入溶液本體,非極性基團的疏水性則使其盡可能逸出液面, 從而使得液面的表面活性劑分子呈現(xiàn)出豎直排列的趨勢。
由于非極性基團之間的作用力小于極性基團之間的作用力,非極性基團在液面的分布降低了氣液兩相間分子間吸引力之差。因此,表面活性劑分子在液面的豎直排列和聚集可以降低溶液表面張力,使得相界面體系變得更穩(wěn)定;表面活性劑分子自發(fā)朝液面移動和聚集,出現(xiàn)表面活性劑在液面的濃度大于溶液本體濃度的現(xiàn)象,界面科學(xué)中稱為表面吸附。
講到這里是不是覺得知識又串回來？其實無論是物理學(xué)知識還是其他學(xué)科，知識都是共通的。也許在課本上講的是不同的公式，但是其中總是有共同的物理量。所以不要覺得講專業(yè)術(shù)語聽不懂啦，其實你們很棒的噠好不啦~跟隨物理所一起進入知識的殿堂吧！
[1] 成娟,李玲,劉科.液體表面張力系數(shù)與濃度的關(guān)系實驗研究[J].中國測試,2014,40(03):32-34.
[2] Barthlott, W., Neinhuis, C. Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces. Planta 202, 1–8 (1997).
編輯：藍多多
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