第九章界面现象

1、1第九章第九章 界面现象界面现象1 1 界面现象研究的内容界面现象研究的内容2 2 表面张力与单位表面吉布斯函数表面张力与单位表面吉布斯函数3 3 液体的界面现象液体的界面现象5 5 固体表面对气体的吸附固体表面对气体的吸附4 4 溶液界面上的吸附溶液界面上的吸附2界面：两相的接触面。界面：两相的接触面。气液界面固气界面液液界面固液界面固固界面表面现象气、液、固气、液、固表面：固、液相与气相的接触面。表面：固、液相与气相的接触面。界面现象研究的内容界面现象研究的内容3常见的界面有常见的界面有：1.气-液界面42.气-固界面53.液-液界面64.液-固界面75.固-固界面8B相相A相相界界面面相

2、相特征：几个分子厚、特征：几个分子厚、结构与性质与两侧结构与性质与两侧体相均不同体相均不同 界面界面不是不是接触两相间的接触两相间的几何平面几何平面！界面有一！界面有一定的厚度，所以有时又称界面为定的厚度，所以有时又称界面为界面相界面相 。9 phase phase10 日常自然界中许多现象与界面的特殊性质有关日常自然界中许多现象与界面的特殊性质有关: :汞在光滑的玻璃上呈球形，在玻璃管中呈凸形。汞在光滑的玻璃上呈球形，在玻璃管中呈凸形。水在光滑的玻璃上完全铺展，在玻璃管中上升，呈凹形。水在光滑的玻璃上完全铺展，在玻璃管中上升，呈凹形。固体表面会自动吸附其它物质。固体表面会自动吸附其它物质。微

3、小液滴更易于蒸发。微小液滴更易于蒸发。产生表面（界面）现象的原因产生表面（界面）现象的原因 11 与一般系统相比，小颗粒的分散系统有很大的与一般系统相比，小颗粒的分散系统有很大的表面积，它对系统性质的影响绝对不可忽略。表面积，它对系统性质的影响绝对不可忽略。 例：例：总表面积总表面积 314.16m2表面积相表面积相差差 10106 6倍倍直径直径10nm的的圆球形小液滴圆球形小液滴分成分成 1018个个直径为直径为 1cm的的球型小水滴球型小水滴表面积：表面积： 3.1416cm21213把物质分散成细小微粒的程度，称为把物质分散成细小微粒的程度，称为分散度分散度。 通常采用通常采用体积比表

4、面体积比表面或或质量比表面质量比表面来表示分散度的来表示分散度的大小，其定义为：单位体积或单位质量的物质所具有大小，其定义为：单位体积或单位质量的物质所具有的表面积。的表面积。体积比表面体积比表面VAAsVdef质量比表面质量比表面mAAsmdefA As s、V V、m m分别为物质的总表面积、体积和质量。分别为物质的总表面积、体积和质量。14 高的表面能必将引起特殊的表面性质。高的表面能必将引起特殊的表面性质。人脑的总表面积比猿脑大人脑的总表面积比猿脑大1010倍；倍；绿叶具有大的质量表面，提高了光合作用的量子绿叶具有大的质量表面，提高了光合作用的量子效率；效率；固体催化剂的催化作用，在于

5、其高活性的表面；固体催化剂的催化作用，在于其高活性的表面；达到达到nm级的超细微粒具有巨大的比表面积，因而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。化方面的研究热点。15立方体边长l/m粒子数 总表面积As/m2体积表面AVm-110-21610-4610210-3103610-3610310-4106610-2610410-5109610-1610510-610126100610610-710156101610710-810186102610810-9102161036109表表 1cm1cm3

6、3立方体分散为小立方体时体积表面的变化立方体分散为小立方体时体积表面的变化16 1.1.表面张力表面张力 物质表面层的分子与体相中分子所处的力场是不同物质表面层的分子与体相中分子所处的力场是不同的。以气的。以气- -液表面分子与内部分子受力情况为例，如左下液表面分子与内部分子受力情况为例，如左下图。图。 液体内部的任一分子，皆处于液体内部的任一分子，皆处于同类分子的包围之中，平均来看，同类分子的包围之中，平均来看，该分子与周围分子间的吸引力是球该分子与周围分子间的吸引力是球形对称的，各个方向上的力彼此抵形对称的，各个方向上的力彼此抵消，其合力为零。然而表面层的分消，其合力为零。然而表面层的分子

7、处于不对称的环境中。子处于不对称的环境中。17为什么小液滴总是呈球形为什么小液滴总是呈球形因为球形表面积最小因为球形表面积最小，肥皂泡要用力吹才能变大肥皂泡要用力吹才能变大扩大表面积需要对系统扩大表面积需要对系统作功。作功。 液体内部分子对它的吸引力，液体内部分子对它的吸引力，远远大于液面上蒸气分子对于它的远远大于液面上蒸气分子对于它的吸引力。使表面层分子受到指向液吸引力。使表面层分子受到指向液体内部的合力。体内部的合力。 因而液体表面的分子总是趋向因而液体表面的分子总是趋向移往液体内部，移往液体内部，力图缩小表面积力图缩小表面积。18dAs，srdAWBnPTsrdAW,）（表面功表面功19

8、 表面张力表面张力的作用方向的作用方向 缩小表面积缩小表面积 力力 若想若想维持膜维持膜大小不变，加相反的外力大小不变，加相反的外力F，与，与 l 成正比成正比, 比例系数比例系数 lF图图9-2 表面功示意图表面功示意图表面膜表面膜dx 表面张力表面张力引起液体表面收缩的引起液体表面收缩的单位长度单位长度上的力；上的力； 方向方向 垂直于单位长度的边界、与表面相切并指向液体方向。垂直于单位长度的边界、与表面相切并指向液体方向。F=2 l = F/(2l)单位单位： Nm-1 2液膜有两个面。液膜有两个面。 204.4.影响表面张力的因素影响表面张力的因素表面张力与物质的本性有关,分子之间的作

9、用力越大则表面张力也越大. (金属) (离子)(极性)(非极性)与接触相的性质有关温度增加,分子之间的作用力减弱,所以大多数物质的表面张力也都将减小与溶液的组成有关21液面液面分为分为 水平液面水平液面 弯曲液面弯曲液面 凸液面凸液面(气相中的液滴气相中的液滴)，凹液面，凹液面(液体液体中的气泡中的气泡)液面与压力液面与压力 一定外压，水平液面下的液体承受的压一定外压，水平液面下的液体承受的压力力 = = p外外； 凸液面下的液体承受的凸液面下的液体承受的压力压力= = p外外+ p (弯曲弯曲液面产生的液面产生的附加压力附加压力)(1)弯曲液面的附加压力弯曲液面的附加压力 p 9.3 9.3

10、 液体的界面现象液体的界面现象1 弯曲液面的附加压力弯曲液面的附加压力拉普拉斯方程拉普拉斯方程22 弯曲液面的附加压力弯曲液面的附加压力 pgplpgpl p pg ppl pl =pgpl pgpl pg , pl = pg+ p 凸凸液面的附加压力液面的附加压力 压力压力表示表示 p内内 弯曲液面凹面一侧的压力弯曲液面凹面一侧的压力(pl )； p外外 弯曲液面凸面一侧的压力弯曲液面凸面一侧的压力(pg)附加压力附加压力 = 弯曲液面内外的压力差弯曲液面内外的压力差 p。附加压力附加压力定义定义： p= p内内-p外外 方向方向指向曲率半径中心指向曲率半径中心 液珠液珠(凸液面凸液面) p

11、= p内内-p外外= pl - pg 液体中气泡液体中气泡(凹液面凹液面) p= p内内-p外外= pg - pl p总是总是024（2） 拉普拉斯方程拉普拉斯方程2Prr: 弯曲液面的曲率半径附加压力与曲率半径成反比,其方向指向曲率中心当r一定时, P与成正比凸形液面: r0, P0， PlPg，指向液体 凹形液面: r0,P 0， Pl0, Pr P （半径越小蒸汽压越大）凹形液面:r0, PrP(平面)P(凹形液面)（半径越小偏离程度越大）实验表明，微小液滴的饱和蒸气压高于平面液体的饱和蒸气实验表明，微小液滴的饱和蒸气压高于平面液体的饱和蒸气压，这说明，蒸气压不但与温度，压力与物质本性有

12、关，还压，这说明，蒸气压不但与温度，压力与物质本性有关，还与液滴的大小，即其曲率半径有关。与液滴的大小，即其曲率半径有关。BBrRTrMpp2ln263.3.液体对固体的润湿作用液体对固体的润湿作用 润湿润湿是指：固体表面上的气体是指：固体表面上的气体( (或液体或液体) )被液体被液体( (或另一种液体或另一种液体) )取代的现象。取代的现象。 润湿类型可分为：沾附润湿、浸渍润湿、铺展润湿润湿类型可分为：沾附润湿、浸渍润湿、铺展润湿 润湿的三种类型(a)沾湿固体液体固体液体(b)浸渍润湿(c)铺展润湿固体液体271. 沾附润湿沾附润湿: 气气- -固界面和气固界面和气- -液界面被液界面被液

13、液- -固界面所取代的过程固界面所取代的过程. 沾湿过程沾湿过程(动画动画)2. 浸湿润湿浸湿润湿: 固体浸入液体时气固体浸入液体时气- -固界面固界面完全被液完全被液- -固界面所取代的过程固界面所取代的过程.浸湿过程浸湿过程(动画动画)28s3.铺展铺展: 少量液体在光滑固少量液体在光滑固(或液或液)体表面展体表面展开成薄膜的过程（液体则不互溶）开成薄膜的过程（液体则不互溶）.29SL-g界面可忽略界面可忽略Sg界面界面SSL界面界面Lg界面界面铺展过程铺展过程30铺展系数铺展系数(spreading coefficient)-s -gl -s - lgsAG当当 G0时，铺展过程可以自发

14、进行时，铺展过程可以自发进行SAGs- -g- ll - sg- s31润湿作用应用润湿作用应用1.1.增加润湿作用增加润湿作用2.2.降低润湿作用降低润湿作用3.3.矿物浮选矿物浮选321 农药喷洒农药喷洒.由于大多农药水溶性差由于大多农药水溶性差,对植物的对植物的茎叶茎叶润润湿不好湿不好,一是滚落浪费一是滚落浪费,二是不能展开而杀虫效果差二是不能展开而杀虫效果差,此此时就要用到表面活性剂时就要用到表面活性剂surface active agent-SAA,加入表面活性剂加入表面活性剂,提高润湿程度提高润湿程度,即可大大提高药效即可大大提高药效.2另一类也是利用表面活性剂另一类也是利用表面活

15、性剂,但作用正相反但作用正相反,使某些物使某些物质本是润湿的变成不润湿质本是润湿的变成不润湿去润湿作用去润湿作用.原理是用表原理是用表面活性物质的极性部分选择性吸附面活性物质的极性部分选择性吸附,非极性部分向外呈非极性部分向外呈憎水性憎水性.典型的就是矿石的浮选典型的就是矿石的浮选,富集矿物富集矿物. 一次性抽血器中盛血的玻璃管一次性抽血器中盛血的玻璃管(定量的定量的),内壁要疏内壁要疏水化水化,使用的是硅偶联剂使用的是硅偶联剂,使血液在管内不残留使血液在管内不残留. 33浮游选矿浮游选矿 首先将粗矿磨碎，倾入浮选池中。在池水中加入首先将粗矿磨碎，倾入浮选池中。在池水中加入捕集剂和起泡剂捕集剂

16、和起泡剂等表面活性剂。等表面活性剂。 搅拌并从池底鼓气，带有有效矿粉的气泡聚集表搅拌并从池底鼓气，带有有效矿粉的气泡聚集表面，收集并灭泡浓缩，从而达到了富集的目的。面，收集并灭泡浓缩，从而达到了富集的目的。 不含矿石的泥砂、岩石留在池底，定时清除。不含矿石的泥砂、岩石留在池底，定时清除。34浮游选矿浮游选矿浮游选矿的原理图 选择合适的捕集剂，使它的亲水基团只吸在矿砂的表面，憎水基朝向水。 当矿砂表面有5%被捕集剂覆盖时，就使表面产生憎水性，它会附在气泡上一起升到液面，便于收集。35接触角接触角(contact angle)接触角的示意图：接触角的示意图：润湿润湿亲液性固体亲液性固体lsgANM

17、 s-l s-g l-g 36不润湿不润湿憎液性固体憎液性固体lsgANM s-l s-g l-g 接触角接触角(contact angle)37 在气、液、固三相交界点，气-液与液-固界面张力之间的夹角称为接触角(contact angle)，通常用 表示。 若接触角大于90，说明液体不能润湿固体，如汞在玻璃表面； 若接触角小于90，液体能润湿固体，如水在洁净的玻璃表面。38接触角接触角(contact angle)cos)()()(lgslsgYoung方程方程: s-l s-g l-g )()()(coslgslsg-39接触角接触角(contact angle)YoungYoung方程

18、方程（1 1）完全润湿）完全润湿 液体可以在固体表面完全铺展开来；液体可以在固体表面完全铺展开来； cos1,0s gs ll g-时s gs ll g-（2 2）润湿）润湿 固体能为液体所润湿；固体能为液体所润湿； 0 1cos0,90s gs ll g-时，)()()(coslgslsg-40接触角接触角(contact angle)（3 3）不润湿）不润湿 固体不能为液体所润湿；固体不能为液体所润湿； cos0,90180s gs l-时，coss gs ll g-YoungYoung方程方程41毛细现象：毛细现象： 将一支半径一定的毛细管垂直插入将一支半径一定的毛细管垂直插入某液体中。

19、若某液体中。若 角角Tb才发生明显吸才发生明显吸附。附。性质性质602.2.等温吸附等温吸附 吸附量：当吸附平衡时，单位质量吸附剂，吸附的吸附量：当吸附平衡时，单位质量吸附剂，吸附的气体在标准状况（气体在标准状况（0 C ，100 kPa）下的体积）下的体积V。mV61 固体对气体的吸附量是温度与压力的函数。所以在研究固体对气体的吸附量是温度与压力的函数。所以在研究中常常固定一个变量，研究其它两个变量间的关系。经常中常常固定一个变量，研究其它两个变量间的关系。经常用的有三种方程：用的有三种方程： 1）压力压力（p）一定，吸附量与温度关系，一定，吸附量与温度关系，吸附等压线吸附等压线：2）吸附量

20、一定，平衡压力与温度关系，吸附量一定，平衡压力与温度关系，吸附等量线吸附等量线3）温度一定，吸附量与压力关系，）温度一定，吸附量与压力关系，吸附等温线吸附等温线62五种五种g-s吸附等温线：吸附等温线：p*为吸附质在测量温度下，实现液化的最小压力。为吸附质在测量温度下，实现液化的最小压力。V a01 01 01 0101p/p*(Langmuir型型)(S型型)单分子层单分子层多层多层(毛细毛细凝结凝结)无饱和无饱和弱吸附弱吸附+aBmV,吸附等温线吸附等温线63 对各种吸附等温线的说明及应用对各种吸附等温线的说明及应用：化学吸附及物理吸附中的微孔吸附：化学吸附及物理吸附中的微孔吸附(多层与毛细管凝结至多层与毛细管凝结至孔满孔满)。如：。如：O2在硅胶上的吸附；在硅胶上的吸附；NH3在在C上的吸附等。上的吸附等。：5nm以上的微孔吸附：当以上的微孔吸附：当p/p*为为0-0.1时，是单分子层吸附，时，是单分子层吸附，0.1-0.4时，为多分子层吸附；时，为多分子层吸附；0.4以上为毛细管凝结；最后为以上为毛细管凝结；最后为一般冷凝。孔径无上限，所以无饱和。如：低温一般冷凝。孔径无上限，所以无饱和。如：低温78K时，时，N2在在Si胶及胶及Fe催化剂上的吸附等。催化剂上的吸附等。：微孔径在：微孔径在2-20nm间，当间，当p/p*1时，大孔被填满