普通化学课件(地质工程)-6.1 表面现象

6.1 表面现象,6.1.1表面张力,6.1.2 润湿现象,6.1.3 弯曲液面的附加压力 及纯液体的表面现象,6.1.4 固体表面的吸附现象,6.1.5溶液表面的吸附,6.1.6表面活性物质,1、表面张力,6.1.1 表面张力,在液面相切的方向上，垂直作用于单位长度线段上的紧缩力，称表面张力 。,Wr= Fdx = 2l dx = dA = Wr/ dA W表面功又 Wr= dT、PG = dA =,G表面吉布斯函数变表面张力物理意义：表面张力 = 比表面功 = 比表面吉布斯函数单位皆为Nm -1（Jm-2）,2、表面功与表面吉布斯自由能,环,d= 0,d= 0,d 0,dA = 0,问 题,3、表面热力学 表面吉布斯函数G（表面）=A dT、PG(表面) = dA + A d 当G(表面)0时，此表面过程自发,4、影响表面张力的因素 1. 物质的种类： 分子间作用力越大，越大; 2. 共存另一相的性质; 3. 温度：T升高， 减小。 0时的温度为临界温度; 4. 物质的分散程度：,固体表面上的气体被液体取代的过程润湿。1、润湿的分类,2、润湿角及杨氏方程润湿角固-液界面的水平线与过O点的气-液界面的切线之间的夹角。,s-g= s-l +g-l cos,杨氏方程,或s-gs-l =g-l cos,6.1.2 润湿现象,三界面在水平面上分力的合力为0；,当90 180时, -1 cos 0 不润湿当0 90时, 0 cos 1 能润湿当0时, cos=1， 发生铺展，完全润湿接触角愈小，润湿性能愈好；润湿与铺展在实践中有广泛应用，如防水布和农药（乳液型）在叶茎上的铺展。荷叶上的水珠？是润湿还不润湿？,讨 论, p = pl pg,在一定大气压下，平面液体所受的压力就等于大气压pg，弯曲液面下的液体，不仅受大气压力pg ，而且还受到弯曲液面所产生的附加p的作用。三者垂直方向的合力为0， p总是指向曲率半径的中心。,一.弯曲液面的附加压力,6.1.3 弯曲液面的附加压力及毛细管现象,结论：1）此式适用于曲率半径 r为定值的小液滴或液体中小气泡的附加压力的计算；2）r愈小，p愈大；3）对于凸液面（小液滴），r0，p=plpg0,p指向液体；4）对于凹液面（液体中的气泡），r0，p= plpg0,p指向气体；5）对于水平液面，r = ， p= plpg=0，不受到附加压力 ；6）对于液泡（如肥皂泡）， p = 4/r ；指向气体；,垂直作用于单位截面积上附加压力，即为：p = 2/r,二. 拉普拉斯（Laplace）方程,3. 毛细管现象,将毛细管插入液体后, 会发生液面沿毛细管上升(或下降)的现象，称为毛细管现象。当90,不润湿,凸面，液面下降；原因：附加压力引起，P= 2/r 。液柱静压力：gh =P= 2/r,COS = R / r式中：R为毛细管的半径，g重力加速度， 液体的密度，液体的表面张力。,解 释 现 象,毛细管现象,解 释 现 象,为什么自由液滴通常都呈球形？,液 滴,如图，打开活塞，两个肥皂泡的大小有何变化？, p = 4/ r,如图，当加热时，水柱将向何方移动？,解 释 现 象,如图，若a管中水能升高到h高度，则其它管中水能升到什么位置？, p = 2/ r,如为不能润湿油性玻璃管，又如何？,1、微小液滴的饱和蒸气压 在一定温度与外压下，各种纯液体的水平液面都有一定的饱和蒸汽压，而高度分散的微小液滴饱和蒸汽压不仅与液态物质本性有关，并与温度和外压及半径大小有关。开尔文方程:式中：MB 为液体的摩尔质量，B 为液体的密度。凸液面 r 0 ln(Pr/p) 0 Pr P 凹液面 r P(平液面) P(凹液面),6.1.4 亚稳状态与新相生成,水滴的半径与其饱和蒸气压(293.2 K, 水平液面 P*=2333P) r/cm 104 105 106 107 P/P* 1.001 1.011 1.114 2.95水中小气泡内饱和蒸气压(293.2 K, 水平液面 P*=2333P) r/cm 104 105 106 107 P/P* 0.9969 0.9891 0.8977 0.3390,例: 1、 水的表面张力与温度的关系为: /103 N.m1 = 75.64 0.14t( / )今将10kg纯水在303K及101325Pa条件下定温、定压可逆分散成半径r=10 8 m的球形雾滴，计算： 环境所消耗的非体积功； 小雾滴的饱和蒸气压； 该小雾滴所受的附加压力； （已知：303K , 101325 Pa 时,水的体积质量为B= 995 Kg. m3，不考虑分散度对水的影响）,解： 非体积功 s = 75.64 0.14( 303272 )103 =71.44 N .m2一个小液滴的表面积 Sd = 4r2 ， 10 水的液滴数 N， s = 215 kJ Kelvin 方程Pr/p =1.1081, Pr=1. 1081 101325 Pa=112273Pa P= 2r = 1.43 107 Pa,2、亚稳状态与新相生成,亚稳状态： 过饱和现象：（过饱和蒸气未凝结， 过饱和溶液未结晶） 过热现象： (温度超过沸点，仍不沸腾) 过冷现象： (温度低于凝固点，仍不凝固)亚稳状态不是热力学平衡态，不能长期稳定存在，但在适当的条件下存在一段时间。,应用: 人式降雨： 用的干冰，碘化银 蒸馏：加入小瓷片, 防止爆沸。,6.1.5 固体表面上的吸附作用,1、固体表面的吸附现象固体表面有剩余力场，采用吸附气体或溶液中溶质的方式，以降低其表面吉布斯函数。,dG =dA + Ad （A一定，减小，系统的G降低）吸附剂： 固体物质；吸附质：被吸附物质；（气体、溶质）,2、吸附类型： 固体表面吸附按吸附作用力分：物理吸附和化学吸附,物理吸附与化学吸附特征之比较,一、溶液表面的吸附现象,dG(表面)= dA(l)+ A(l)ddGT、P、A=A( l ) d 0 自发,溶液表面的吸附现象： 溶质在表面层中与本体溶液中浓度不同的现象。,d 0，C表C体,负吸附,正吸附,6.1.6 溶液表面吸附,当d/dc0时， 0，正吸附当d/dc0时， 0，负吸附求d/dc的方法：作c曲线,二、吉布斯吸附公式,：溶质的表面吸附量或表面过剩,在一定温度下溶质在单位面积表面层中吸附量与溶液的表面张力及溶质在溶液本体中平衡浓度c之间的关系：,1、表面活性物质的分类,2、表面活性物质的基本性质 胶束及临界胶束浓度 C.M.C,3、表面活性剂的作用,6.1.8 表面活性物质,表面活性剂的吸附层结构,表面