第六章表面化学.ppt

一、什麽是表面化学,表面化学：在分子（原子）尺度上研究两相之间界面上发生的物理化学过程的科学。,按两相物理状态不同可将两相界面分为5种类型，如果两相中有一相为气相，则通常称为表面（surface)，但表面与界面（interface)无严格区分，常通用。,液体气体固体气体,表面,液体液体液体固体固体固体,界面,引言,1.气-液界面,常见的界面有：,2.气-固界面,3.液-液界面,3.液-液界面,4.液-固界面,5.固-固界面,G,L,两相界面处的分子具有特殊的性质,比表面,比表面通常用来表示物质分散的程度。A总：体系的总表面积，V：体系的体积，m：体系的质量。目前常用的测定表面积的方法有BET法和色谱法。,对具有巨大表面积的分散体系，界面分子的特殊性对体系性质的巨大影响不能忽略。,把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。把一定大小的物质分割得越小，则分散度越高，比表面也越大。,例如，把边长为1cm的立方体1cm3逐渐分割成小立方体时，比表面增长情况列于下表：,从表上可以看出，当将边长为10-2m的立方体分割成10-9m的小立方体时，比表面增长了一千万倍。,可见达到nm级的超细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方面的研究热点。,二、表面化学与其他学科的联系,表面化学,生命科学（生物膜及膜模拟化学）,能源科学（三次采油、煤的液化、化学电源）,材料科学（超细材料、材料的表面改型）,信息科学（LB膜，微电子器件）,三、界面化学的发展和现状,1805T.Young提出界面张力概念1806P.S.Laplase表面张力与曲率半径关系1878Gibbs表面吸附方程1916Langmuir固体吸附等温方程式,表面与界面化学虽是物理化学的传统研究领域，但由于电子能谱、扫描隧道显微镜等新的实验技术的出现，使得表面、界面效应及粒子尺寸效应的知识呈指数上升式的积累，提出了在分子水平上进行基础研究的要求。当前涉及这一领域的研究已成为催化、电化学、胶体化学的前沿课题，并与生命科学、材料科学、环境科学、膜技术及医药学密切相关，是这些相关学科要研究和解决的核心课题之一。,6.1表面Gibbs函数,（1）表面分子的受力和能量状态,GL,液体表面的分子受到指向液体内部的合力作用。,液体表面分子比内部分子具有更高的能量。,1.比表面Gibbs函数,A,B,在等温等压及组成恒定的条件下,可逆地增加单位表面积所做的功,称为表面功。,：在等温等压且体系所含物质的量不变的条件下，增加单位表面积所引起体系Gibbs函数的增量-比表面Gibbs函数（比表面自由能）单位：J/m2,(2)表面功,表面功为非体积功,2.表面张力,液体表面层的分子受到一个指向液体内部并垂直于液面的引力，因而使表面具有自动收缩的趋势。,表面张力：指平行于表面且垂直作用于表面上单位长度线段上的表面紧缩力。用表示，=力/总长度，单位：N/m,比表面Gibbs函数和表面张力在数值上是相等，且量纲相同。但物理意义不一样，是从不同角度反映体系的表面特征。,注意：,当讨论界面热力学性质时，作为比表面Gibbs函数使用，当讨论界面间的相互作用及平衡关系时，作为表面张力使用。,3.影响表面张力的因素,(1)物质结构的影响,(2)接触相的性质的影响,/(Nm-1)水-正庚烷0.0502苯0.0350汞0.415,纯液体的表面张力是指与饱和了其本身蒸汽的空气之间的界面张力。,表面张力是物质分子间相互作用力的结果，作用力愈大，相应的表面张力愈大。如：极性液体比非极性液体大，固体比液体大。,(3)温度的影响,对于大多数物质，表面张力随温度升高而减小,即：,R-S方程:,Tc：临界温度Vm：液体的摩尔体积k：经验参数，对非缔合的非极性液体k2.210-7JK-1,拉姆齐（Ramsay)-希尔茨（Shields),注意：对Cd,Fe,Cu合金及一些硅酸盐液体，T。,dG=-SdT+Vdp+BdnB+dA+Ad,对于一个高度分散的体系：,G总=G体+G表=G体+A,当体系温度、压力、组成及总量不变时，G体为一常数，则：,6.2纯物质的表面热力学,讨论：,（1）当一定时，dG=dA,当dA0时，dG0,体系趋于稳定状态。,表明：缩小表面积的过程是自发过程。,（2）当A一定(即分散度不变）时，dG=Ad,欲使dG0，0090o，能够润湿,（3）s-g90o,不能润湿。当=1800，完全不润湿。,2.润湿的三种形式:,润湿可分为：附着（粘附）、铺展和浸入润湿。,(a)附着（粘附）润湿,润湿功：指拆开单位面积润湿着的界面所需的功。润湿功愈大，固液界面结合愈牢，润湿愈好。,(b)铺展润湿,(C)浸入（浸渍）润湿,（1）附着润湿,附着润湿：恒温恒压可逆条件下，将气-液与气-固界面转变为液-固界面。,（2）铺展润湿,铺展润湿过程是以固-液界面及液-气界面代替原来的