《物理化学》课件-界面现象

第七章,界面现象（InterfacialPhenomenon）,2016编辑,学时：6主讲:王女课程中心：物理化学B,第七章界面现象,界面无处不在，没有界面的世界是无法想象的,2,3,多尺度特殊浸润性材料,Macromol.RapidCommun.,2008,29,485;SoftMatter,2012,8,5996;AcsAppliedMaterialsNPGAsiaMaterials,2016,inPress.,第七章界面现象,界面无处不在，没有界面的世界是无法想象的,4,界面(表面)现象随处可见,多孔硅胶,金滴-水滴-皂泡,活性碳膜,第七章界面现象,界面无处不在，没有界面的世界是无法想象的,5,分散度-比表面：单位质量(或体积)物质的表面积。,多孔硅胶活性炭,表面（界面）现象的形成：处于表面(界面)的分子具有比其内部分子过剩的能量。系统分散度愈大过剩能量愈大。,应用：日化、造纸、涂料、催化、採油、冶金、生物医药、环境治理等。,第七章界面现象,6,7-1表面张力和表面吉布斯函数,目录,7-2弯曲液面的附加压力,7-3分散度对物质性质的影响与亚稳状态,7-4润湿现象,7-5吸附现象,第七章界面现象,7,7-1表面张力和表面吉布斯函数,8,7-1表面张力和表面吉布斯函数,一、表面(界面)张力,7-1表面张力和表面吉布斯函数,一、表面(界面)张力,单位：Nm-1,物理意义：沿着与表面相切方向，垂直作用在表面任意单位长度线段上的紧缩力。,能量量纲,单位面积之能量,7-1表面张力和表面吉布斯函数,11,定温定压、可逆条件下：,二、表面吉布斯函数,物理意义：定温定压、定组成下，增加dAS表面积所引起系统G的增量。单位：Jm-2,单位表面积上的分子比同量内部分子过剩的Gibbs能,=Nm-1,7-1表面张力和表面吉布斯函数,三、影响界面张力的因素,12,随分子间作用力的增强而增大。一般有：(金属键)(离子键)(极性键)(非极性键)如：(液态金属)(熔融盐)(水)(有机溶剂),物质本质分子间作用力的影响,7-1表面张力和表面吉布斯函数,三、影响界面张力的因素,13,温度的影响,定p下，一般T，液体，分子间力，,压力的影响,定T下，p，气体，吸附及溶解，,界面介质,一定温度下，同一物质：(s-g)(l-g)。,溶入溶质时，界面张力随溶质浓度的变化不定,7-1表面张力和表面吉布斯函数,三、影响界面张力的因素,14,常压下一些液体、固体的表面张力和液-液界面张力,7-1表面张力和表面吉布斯函数,四、界面现象热力学,15,以Gibbs函数为判据，对多组分且组成可变、含一个确定相界面的封闭系：,定温定压恒组成时：dG(体相)=0,面积及界面张力均改变时：,7-1表面张力和表面吉布斯函数,四、界面现象热力学,16,讨论：,一定时：dAS0时为自发。如小液滴的自发合并长大；As一定时：Asdp*类推：气泡或凹液面，r凹G(大液滴)毛细管凝结：pr(凹面)p*G(微晶粒)G(普晶粒),7-3分散度对物质性质的影响与介稳状态,24,分散度对液(固)体饱和蒸汽压的影响,分散度对结晶影响的热力学分析,molarGibbsfunction,对新生半径为r的微小晶粒：,新结晶相难以生成(过冷、过饱和),成亚稳状态,7-3分散度对物质性质的影响与介稳状态,25,分散度对液(固)体饱和蒸汽压的影响,分散度对结晶影响的热力学分析,T910面心立方-Fe-+C2固溶体奥氏体,过饱和-Fe+C2固溶体-马氏体硬脆,极快速冷却到230以下,残余奥氏体,Ts-l，90为不润湿；,杨氏方程,H2O,Hg,7-4润湿现象,30,三、润湿的第二种分类沾湿、浸湿、铺展（自学）,润湿程度提高,1、沾湿(s-l),Wa(Ga愈负)界面结合力沾湿程度。,时，可沾湿,7-4润湿现象,31,三、润湿的第二种分类沾湿、浸湿、铺展,润湿程度提高,1、沾湿(l-l),且有内聚功：,若为同一液体时：,与分子间作用力有关,7-4润湿现象,32,三、润湿的第二种分类沾湿、浸湿、铺展,润湿程度提高,2、浸湿,Wi愈大(Gi愈负)浸湿程度愈高。,且发生浸湿时，有90,7-4润湿现象,33,三、润湿的第二种分类沾湿、浸湿、铺展,润湿程度提高,3、铺展,x(l-g)(x1),s-g,l-g,s-l,7-4润湿现象,34,三、润湿的第二种分类沾湿、浸湿、铺展,比较几种润湿，并将杨氏方程代入,7-5吸附现象,35,7-5吸附现象,36,固体及溶液表面常有自动吸附使G的能力。,固体表面吸附定义：,溶液表面吸附定义：,B吸附质,A吸附剂,c表c体,吸附量,单位：molkg-1或m3kg-1,AS一定，dG=ASd0，即为自发。,7-5吸附现象,37,一、固体表面吸附吸附等温线吸附过程常为放热，随TVa。,T升高时，要达到相同的吸附量，需更高压力。,吸附量一定时：,NH3在C上的吸附等温线,另有四种等温线，当发生毛细凝结、多层吸附等情况时。,-33.5,0,30,80,151,7-5吸附现象,38,一、固体表面吸附物理吸附与化学吸附比较,CO在Pd表面的吸附等压线,7-5吸附现象,39,一、固体表面吸附朗格缪尔(Langmuir)吸附等温式单层吸附，常为化学吸附,表面均匀，吸附能力相同，吸附质间无作用力；单分子层吸附，吸满后达饱和；存在吸附与脱附动态平衡。,基本假设：,其中：,表面覆盖率,7-5吸附现象,40,一、固体表面吸附朗格缪尔(Langmuir)吸附等温式,朗格缪尔吸附等温式,重要应用：固体催化剂催化气相反应，见反应动力学,7-5吸附现象,41,一、固体表面吸附,P482例10.3.1：CO在活性碳上的吸附。,的讨论：,1/2饱和吸附量时压力的倒数,7-5吸附现象,42,二、溶液表面吸附和表面活性物质,(1)减小，则B趋向于在溶液表面分布即：c表c体，B发生正吸附(如、)(2)增大，B则趋向于在溶液内部分布即：c表c体，B发生负吸附(如)；,定温定压定组成条件下，溶质B溶入溶剂A后：,无机酸碱盐及多羟基化合物,醇、醛、羧酸、酯,皂类、8个碳以上的直链有机酸的碱金属盐、高碳直链烷基磺酸盐或苯磺酸盐表面活性剂,7-5吸附现象,43,二、溶液表面吸附和表面活性物质,Gibbs吸附等温式,Gibbs由热力学推导得到B与、cB(或aB)间的关系：,:0,表面活性剂,7-5吸附现象,44,二、溶液表面吸附和表面活性物质,表面活性剂及其作用,加入后使溶液表面张力显著降低的物质,结构特征双亲结构,培乐多泥,形成胶束,表面定向排列,表面活性剂在培乐多泥表面的润滑作用,临界胶束浓度,7-5吸附现象,45,二、溶液表面吸附和表面活性物质,表面活性剂及其作用,胶棒,层状胶束,胶束,随cB，样态发展为：小胶束球状胶束棒状胶束层状胶束，进而还可形成超微液滴。,临界胶束浓度,7-5吸附现象,46,二、溶液表面吸附和表面活性物质,表面活性剂及其作用,7-5吸附现象,47,二、溶液表面吸附和表面活性物质,表面活性剂及其作用,鲸蜡醇十六烷基醇，CH3(CH3)15OH是常用试剂。减少水库中水的蒸发速率。形成胶束后，使不易溶解物质，因进入胶束溶解度。进而形成胶体范畴的(1000nm以内)乳状液、悬浮液、微乳和泡沫等。,由饱和吸附量可计算表面活性物质的分子截面积：,与表面活性物质分子在界面上的定向作用密切相关,第七章界面现象,48,学习要求及重点：,理解概念及界