表面现象12-1

1、表面现象表面现象物理化学电子教案物理化学电子教案第十二章第十二章 表面现象是普遍存在的，从工农业生产到人们的日常生活，几乎是到处都涉及表面现象。比如：人工降雨、过冷水、过饱和蒸汽、过饱和溶液等，都与表面现象有关。 另外，表面现象在科学研究领域：如材料物理、生命科学、液体体系的交叉的研究与应用都起着非常重要的作用。现代表面科学能在分子和原子层次上揭示诸多交叉科学中的科学本质。 在不远的将来，表面科学可能会在材料科学、生命科学、天体物理学、环境科学等方面出现新的突破。第十二章第十二章表面现象表面现象2007年诺贝尔化学奖获得者是来自德国马普弗利兹-哈伯研究所的格哈特埃尔特（Gerhard Ertl

2、）。他是因在固体表面的化学过程研究中所作出的开拓性贡献独得该奖。格哈特埃尔特（Gerhard Ertl）第十二章第十二章表面现象表面现象 格哈特埃特尔是首批发现新技术潜力的科学家之一。他逐步建立表面化学的研究方法，向人们展示不同实验过程产生表面反应的全貌。这门科学需要先进的真空实验设备，以观察金属上原子和分子层次如何运作，确定何种物质被置入系统。 他应用哈伯-博施法可以从空气中提取氮，这一点具有重要的经济意义。埃特尔还对铂催化剂上一氧化碳氧化反应进行研究，这种化学反应主要发生在汽车催化剂中，以过滤汽车产生的废气。第十二章第十二章表面现象表面现象12.1 表面自由能和表面张力12.2 弯曲液面的

3、附加压力和蒸汽压12.3 溶液的表面吸附12.4 表面膜12.5 润湿与铺展12.6 表面活性剂及其应用12.7 固体表面的吸附第十二章第十二章表面现象表面现象 表面现象及其本质 表面自由能 表面张力 表面张力与体系的热力学性质12.1 表面自由能和表面张力什么是表面? 凝聚态(液态、固态)物质与其饱和蒸气或空气达成平衡时，在两相紧密接触、约有几个分子厚度的过渡区，称为该凝聚态的表面（surface）。什么是界面? 不同相态之间，两相紧密接触、约有几个分子厚度的过渡区，称为该两相的界面（interface）。12.1.1 表面现象及其本质 常见的界面有： 气-液界面 但没有气-气界面，不同气体

4、接触总是很快就混合均匀。气-固界面液-液界面液-固界面固-固界面12.1.1 表面现象及其本质气-液界面空气空气4CuSO溶液气气- -液液界面界面12.1.1 表面现象及其本质气-固界面气气- -固界面固界面气气- -固界面固界面12.1.1 表面现象及其本质液-液界面2H OHg液-液界面12.1.1 表面现象及其本质液-固界面玻璃板玻璃板Hg2H O液液- -固界面固界面12.1.1 表面现象及其本质固-固界面铁管铁管CrCr镀层镀层固固- -固界面固界面12.1.1 表面现象及其本质表面现象的本质 表面层分子与内部分子相比，它们所处的环境不同，受力不等。 体相内部分子所受四周邻近相同分

5、子的作用力是对称的，各个方向的力彼此抵销，受力总和为零。如红色球所示。12.1.1 表面现象及其本质因为处在界面层的分子，由于两相密度不等，其作用力不能相互抵销，如兰色球所示。正由于这剩余价力的存在，使界面层显示出一些独特的性质。如：表面张力表面吸附毛细现象润湿与铺展等等。12.1.1 表面现象及其本质什么是表面功?式中 为比例系数 在温度、压力和组成恒定时，可逆地使表面积增加 dA 所需要环境对体系做的功，称为表面功。用公式表示为： 在数值上等于在等T，等p及组成恒定的条件下，增加单位表面积时环境对系统做的表面功。.df RWA12.1.2 表面自由能 在等温、等压和组成不变的条件下，环境对

6、系统做的可逆表面功就等于系统自由能的增加值Bs, ,T p nGA 物理意义： 保持温度、压力和组成不变，每增加单位表面积时，Gibbs自由能的增加值称为表面Gibbs自由能，或简称表面自由能或表面能。则表面自由能为：单位为2J m. f RWdGSdAdG.12.1.2 表面自由能 在等温、等压和组成不变的条件下，系统总的表面自由能都有自发向减小的方向变化的趋势。 所以液体都有自动收缩，来降低自身表面积的这种特性。 为什么小液滴、小气泡都呈球形？ 相同体积的物质，构成球形时表面积最小，具有的总表面自由能最低。12.1.2 表面自由能mNJ.11 又因为1.mN的单位又可化作（牛顿.米-1）由

7、于牛顿是力的单位，所以在物理学上又叫“又叫表面张力”。 12.1.3 表面张力从能量的角度叫表面自由能从力的角度叫表面张力二者都是强度性质，数值相同，量纲相同，单位不同，物理意义不同。2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l 将一含有一个活动边框的金属线框架放在肥皂液中，然后取出悬挂，活动边在下面。 去掉活动边插销，由于金属框上的肥皂膜的表面张力作用，可滑动的边会被向上拉，直至顶部。 12.1.3 表面张力如果在活动边框上挂一重物这时 12()Fmmg l 是滑动边的长度，因膜有两个面，所以边界总长度为2l2 l2m使重物质量m2与

8、边框质量m1所产生的重力F与总的表面张力大小相等方向相反，则金属丝不再滑动。2Fl 就是作用于单位边界上的表面收缩力。 12.1.3 表面张力什么是表面张力？ 在表面上，表面张力无处不在，只是在液体表面中间，任意边界两边的表面张力对消,看不出来罢了。表面张力的单位是： 在一定温度和压力下，在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着一种张力垂直作用于边界单位长度线段上的表面收缩力，称为表面张力。这种力垂直于单位长度的边界，指向液体内部并与表面相切。1N m 12.1.3 表面张力 在金属线框中间系一线圈，一起浸入肥皂液中，然后取出，上面形成一液膜。 若刺破线圈中央的液膜，线圈内侧张力消失，外侧表面

9、张力立即将线圈绷成一个圆形，如图，清楚的显示出表面张力的存在。 由于以线圈为边界的两边表面张力大小相等方向相反，故线圈成任意形状可在液膜上移动。(a)(b) 12.1.3 表面张力 12.1.3 表面张力温度升高，表面张力下降 表面张力与温度的有关当达到临界温度Tc时，表面张力趋向于零。这是因为温度升高后（1）分子振动加剧，彼此作用力减弱（2）气相与液相的密度差下降，表面层分子的剩余价力变小。 到达临界温度时气相与液相的密度相同，气-液界面消失，表面张力趋向于零。影响表面张力的因素 12.1.3 表面张力表面张力是物质本身的特性，不同的物质表面张力是不等的对纯液体或纯固体，表面张力的大小决定于

10、分子间相互作用能的强弱。一般化学键越强，表面张力越大。 表面张力与物质的种类有关 表面张力与共存的另一相有关如水与空气相接触 20(.0728. 01mN）水与汞相接触）20(.375. 01mN 12.1.3 表面张力dUTdSPdVdAdHTdSVdPdAdASdTPdVdAdGSdTVdpdA .()()()S VS PT VUHAAAA表面张力与热力学性质 根据热力学一、二定律联合公式，对纯物质的可逆过程,在相应特征变量恒定的条件下，可得到：PTAG.)( 12.1.3 表面张力在等温等压下：.dGdA.dGSdTdA 在等压下：.,.()()()()()()P A T PT PT P

11、P AT PP AP AGSATASATGTAT STHGSTGHATTAAP.)(.AG.ATSAP.)(.ATTHAP)(.ATTSTQAPR.)( 12.1.3 表面张力解：GW/.WAATSAP.)(.22214 .4 .Anrrn和r1未知，需要求解。331110 104.3Vr3224.3Vnr可求出r1V1=V2 可求出n代入上边的式子求出A = 60m2W= 0.432JG0.432J例1：在101.3Ka，室温下测得水的表面张力随温度的变化关系式为：（J.m-2)=7.971041.57105 T，求298K、101.3Kpa下，将1滴质量为10g的水雾化为粒径为1m 的水雾

12、时，最小需做功多少？并求系统的S、G. 12.1.3 表面张力()rsAT 52121.57 10.60J mKm42. 914.10KJ(a) (a) 当拉线或拉环时当拉线或拉环时思考题：当外力作用时，对应的表面张力的方向如何？（b b） 在重力作用下的悬滴在重力作用下的悬滴12.2 弯曲液面的附加压力作业：399，12. 常压下水的比表面能（J.m-2）与温度的关系为：（7.551021.4104 t/）J.m-2。若在10时保持水的总体积不变而改变其表面积，试求：（1）使水的表面积可逆增加1.00cm2,必须做多少功？（2）上述过程中的U、 H、 A、 G以及吸收的热各为多少？12.2

13、弯曲液面的附加压力1. 弯曲液面的附加压力2. Young-Laplace 公式3. 毛细管现象12.2 弯曲液面的附加压力12.2.1 弯曲液面的附加压力12.2 弯曲液面的附加压力 研究液面任意小圆圈A周围的受力情况，由于边界上每点的两边都存在表面张力，大小相等，方向相反，所以没有附加压力。 设向下的大气压力为po，向上的反作用力也为po ，附加压力ps等于零。s000ppp液面正面图水平液面12.2 弯曲液面的附加压力0spp凸液面 在液滴球面上A小圈周围的受力情况,由于每点两边的表面张力都与液面相切,大小相等，但不在同一平面上,不能相消,会产生一个向下的合力。这合力称为附加压力,指向圆

14、心所有点产生的合力之和为sp球面上受的总压力为：sp12.2 弯曲液面的附加压力凹液面0spp这合力称为附加压力,指向圆心所有点产生的合力之和为sp气泡内壁受的总压力为： 在气泡内壁上A小圈周围的受力情况,由于每点两边的表面张力都与内壁相切,大小相等，但不在同一平面上,不能相消,会产生一个向圆心的合力。spAsp0p溶液12.2 弯曲液面的附加压力 1805年Young-Laplace 导出了附加压力与曲率半径之间的关系式.为简便起见,只考虑球形 在毛细管内充满液体，管端有半径为R 的球状液滴与之平衡。 外压为 p0 ，附加压力为 ps ,液滴所受总压为：0sppspR0p12.2.2 YoungLaplace公式12.2 弯曲液面的附加压力 对活塞稍加压力，将毛细管内液体压出少许，使液滴体积增加dV，相应地其表面积增加dA。R0psp 这时克服附加压力ps环境所作的体积功应等于可逆增加表面积环境所作的表面功（Gibbs自由能）。ssddp VA12.2 弯曲液面的附加压力s2pR34 3VR代入24AR2 d4dVRRd8dAR Rssddp VA得这就是Young