物理化学ppt 表面现象ppt课件.ppt

第七章表面现象,不同相之间存在交界面，发生在界面上的物理或化学现象就称为界面现象或表面现象,涉及范围广：日常生活、工业生产、生物科学,1,表面和界面,界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区，若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。,常见的界面有：气-液界面，气-固界面，液-液界面，液-固界面，固-固界面。,严格讲表面是指液体或固体与其饱和蒸气之间的界面，但习惯上把液体或固体与空气的界面也称为液体或固体的表面。,2,1.气-液界面,2.气-固界面,3.液-液界面,4.液-固界面,5.固-固界面,常见界面,3,分散度与比表面,物质分散成细小微粒的程度称为分散度。物质分割得越小，则分散度越高，比表面也越大。下表为边长1cm的立方体(1cm3)逐渐分割成小立方体时的比表面增长情况,可以看出，从边长为10-2m到10-9m，比表面增长了一千万倍。达到nm级的超微粒具有巨大的比表面积，因而具有许多独特的表面效应，成为新材料和多相催化的研究热点。,4,7.1表面吉布斯函数与表面张力,液-气表面：内部分子受力可以抵销，但表面分子受到体相分子的拉力大于气相分子的拉力（因为气相密度低），所以表面分子受到被拉入体相的作用力，这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势。,界面层分子与体相分子受力情况不同，使表面层显示出一些独特性质。,界面现象的本质,5,表面功,由于表面存在自动收缩的趋势，因此如果要把分子从内部移到界面，增加表面积，就必须克服体系内部分子的作用力，对体系做功。,6,表面吉布斯函数,由此可得：,考虑了表面功，热力学基本公式中应相应增加dA一项，即：,7,是广义的表面自由能定义,它表示了在温度、压力和组成不变的条件下，每增加单位表面积时，Gibbs函数的增加值，通常用符号或表示，单位为Jm-2(Nm-1)，为强度性质量。,下式应用较多，把称为比表面吉布斯函数,8,表面张力,金属框中一线圈，浸入肥皂液中取出，形成一液膜，线圈成随意形状可在液膜上移动。,刺破线圈中央液膜，线圈绷成一个圆形。,线圈两边受力大小相等方向相反,线圈内侧作用力消失，两侧受力不平衡，显示出表面张力的存在。,9,在表面上存在着一种力图使表面积缩小的张力，它垂直于表面边界，并与表面相切，其单位线段上的大小与比表面吉布斯函数相等。故把又称为表面张力，单位Nm-1。,10,说明：,单个表面分子受力垂直指向液体内部，表面张力与液面相切表面张力是许许多多个表面分子所受合力总和的宏观表现（与表面形状有关）表面张力为矢量，比表面吉布斯函数为标量，它们的大小相等,11,影响表面张力的因素,（1）分子间相互作用力,12,（2）温度,13,（3）压力,表面张力一般随压力的增加而下降。因为压力增加，气相密度增加，表面分子受力不均匀性略有好转。另外，若是气相中有别的物质，则压力增加，促使表面吸附增加，气体溶解度增加，也使表面张力下降。,14,润湿现象,当液体和固体接触后，发生液-气界面和固-气界面被液-固界面所取代，导致系统的自由能降低，这种现象就叫润湿。,称为粘附功,称为浸湿功,15,接触角,Young方程,16,铺展,S=-G称为铺展系数,17,液体的铺展,在三相接界点处，g1-g和g1-2的作用力企图维持液体1不铺展；而g2-g的作用是使液体铺展，如果g2-g(g1-g+g1-2)，则液体1能在液体2上铺展。,大多数表面自由能较低的有机物可以在表面自由能较高的水面上铺展。,18,弯曲液面下的附加压力,平面,凸液面,凹液面,19,拉普拉斯(Laplace)方程,以凸液面为例，R为曲率半径，,垂直方向,根据几何关系,20,毛细现象,毛细管中液体呈凹面时，附加压力p使液体上升h，则,又,再根据几何关系,得,21,弯曲表面上的蒸汽压,设气体为理想气体,平面液体(T，p平)饱和蒸汽(T，p0),曲面液体(T，p平+p)饱和蒸汽(T，p),22,开尔文公式,这就是Kelvin公式，式中为密度，M为摩尔质量。,凸液面，R液0，pp0，表现为小液滴的蒸气压增大；凹液面，R液0，p微乳液胶束,稳定性：乳状液微乳液胶束,69,囊泡与脂质体,囊泡是由两亲分子尾对尾结合形成的封闭系统。由磷脂形成的囊泡称为脂质体。,应用：药物载体（靶向性、缓释），反应环境,70,液晶,固态晶体有序、各向异性,液晶：介于之间，流动和各向异性,液体无序、流动,表面活性剂的胶束有序结构形成了液晶相。,71,不溶性表面膜,K为盛水盘，云母片AA悬挂在一根与扭力天平相连的钢丝上，两端用极薄的铂箔与浅盘相连。XX片可移动，用来清扫水面，或围成一定表面积的表面膜。在XXAA面积内滴加油滴，油铺展时，测出它施加在AA边上的压力，其准确度可达110-5N/m。,Langmuir膜天平,不溶于水的长链脂肪酸类有机物能在水面铺展形成一层表面膜。,该实验可以证实表面压的存在。把对单位长度浮片的推动力称为表面压(p)。1917年Langmuir设计测定了表面压。,g0和g分别为纯水和溶液的表面张力。,72,如果用表面压p对表面积A作等温线(p-A图)，可以看到p-A图因分子的本性不同或温度不同而不同。当表面膜行为象二维理想气体时，它的状态方程为：,n为表面层的活性剂摩尔数如已知蛋白质的质量和铺成单分子膜的面积A，测出表面压p，用该公式可计算出蛋白质的摩尔质量。,利用这种单分子膜覆盖水面可抑止水的蒸发,73,LB膜,Langmuir和Blodgett分别在1920和1935年先后将单分子膜转移到固体表面上，并且可以多层重叠，这种技术就称之为LB膜技术。,利用LB膜技术实现功能分子的聚集和组装，将年来在微电子材料、非线性光学材料及仿生元件制作等领域被高度重视。,74