物理化学第8章表面物理化学ppt课件

1、O返回第第8 8章章 表面物理化学表面物理化学 Chapter 8Chapter 8Surface Physical Surface Physical ChemistryChemistry88guogan/88guogan/O返回8.1 表面吉布斯自由能 8.2 弯曲液面的特性 8.3 溶液表面吸附 8.4 表面膜 8.5 表面活性物质 O返回8.6 胶束 8.7 气-固界面吸附 8.8 液-固界面吸附8.9 润湿作用 O返回 比表面比表面 比表面自由能和表面张力比表面自由能和表面张力 O返回 两相界面是指相邻两相间极薄的边界层，厚度可以是单分子层或几个分子层。液体气体液体气体固体气体固体气体

2、外表外表surface)surface)液体液体液体液体液体固体液体固体固体固体固体固体界面界面interface)interface)O返回 比表面通常用来表示物质分散的程度，有两种比表面通常用来表示物质分散的程度，有两种常用的表示方法：常用的表示方法： 单位质量的物体所具有的表面积；单位质量的物体所具有的表面积； 单位体积的物体所具有的表面积。单位体积的物体所具有的表面积。 00mASVAS 或或（8-18-1） 把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。把一定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。大小的物质分割得越小，则分散度越高，比表

3、面也越大。O返回图图8-1 8-1 分子在液体内部分子在液体内部和表面受力情况和表面受力情况 液体内部分子：受力彼此液体内部分子：受力彼此抵消，所受合力为零。抵消，所受合力为零。 表面层分子：因气、液两表面层分子：因气、液两相密度差别较大，受到一指相密度差别较大，受到一指向液体内部的合力。向液体内部的合力。 温度、压力和组成恒定时，温度、压力和组成恒定时，可逆增加表面积，环境对体系可逆增加表面积，环境对体系所做的表面功所做的表面功W W与体系表面与体系表面积的增加积的增加dAdA成正比成正比 为比例常数为比例常数 W = dA （8-28-2）O返回,dGW W = dA （8-28-2） 的

4、物理意义是当的物理意义是当T、p及组成恒定时及组成恒定时,增加单位表增加单位表面积所引起的吉布斯自由能的增量面积所引起的吉布斯自由能的增量. npTAG,)( （8-38-3） 称为比表面自由称为比表面自由能能,单位单位Jm-2 为体系的强度性质。为体系的强度性质。值与共存的两相性质、值与共存的两相性质、T T等等有关。有关。常见物质的常见物质的可从手册查得。可从手册查得。O返回 在相表面的切面上，垂直作用于表面上任意单位长度切线上的表面紧缩力表面张力，亦用 表示：Nm-1一般一般T升高，液体分子间引力减弱，升高，液体分子间引力减弱， 值减小。值减小。O返回 弯曲液面的附加压力弯曲液面的附加压

5、力 弯曲液面的蒸气压弯曲液面的蒸气压 亚稳态亚稳态 O返回prABp0凸面凸面ABprp0凹面凹面图图8-2 8-2 弯曲液面的附加压力弯曲液面的附加压力 （8-48-4）O返回334rV rrVd4d224 rA rrp0prp图图8-3 体积功与体积功与表面吉布斯自由表面吉布斯自由能能VpVppVpVpWd)d(dd0r0rrrrrpd8d42rp2 （8-5）rrAd8d,AGWdd AVpddO返回rp4 rp2（8-5） 对平面：r = 对凸面:)11(21rrpO返回图图8-4 毛细管现象毛细管现象 (a) 液体在毛细管中上升液体在毛细管中上升h(b) 液体在毛细管中下降液体在毛细

6、管中下降hO返回 土壤间隙被认为是一些毛细管，水在其中呈凹土壤间隙被认为是一些毛细管，水在其中呈凹液面。天旱无雨时，农民通过锄地来保持土壤水分，液面。天旱无雨时，农民通过锄地来保持土壤水分，因为锄地可切断地表的土壤间孔隙因为锄地可切断地表的土壤间孔隙(即毛细管即毛细管)，以，以防止土壤中水分沿毛细管进一步上升蒸发。防止土壤中水分沿毛细管进一步上升蒸发。图图8-5 8-5 锄地保墒原理示意图锄地保墒原理示意图O返回在无外力场影响时，自由的液滴或气泡常呈球形。在无外力场影响时，自由的液滴或气泡常呈球形。图图8-6 8-6 不规则形状液滴上各点的附加压力方向不规则形状液滴上各点的附加压力方向O返回,

7、ddgl ppRTd pRTpVdlndlm, r0r0dlndlm,PPpppRTpV0r0rlm,ln)(ppRTppV,lm, MV pVddlm,lpVTSGddddmmmpVddgm,g pRTdln ,20rrppprRTMpp12ln0r(8-6) (8-6) O返回rRTMpp12ln0r(8-6) (8-6) O返回O返回过饱和蒸气、过冷液体、过饱和溶液等过饱和蒸气、过冷液体、过饱和溶液等亚稳态亚稳态rRTMccs12lnls0r （8-78-7）O返回 溶液的表面张力溶液的表面张力 吉布斯吸附定温式吉布斯吸附定温式 吸附层上分子的定向排列吸附层上分子的定向排列 O返回cII

8、IIII图图8-7 8-7 溶液表面张力与溶液表面张力与浓度的关系浓度的关系O返回TcRTc O返回TcRTc Tc)( 0 Tc 0 Tc ，0，称为正吸附。表面活性剂Tc O返回c=m图图8-8 8-8 吸附量与浓度的关系吸附量与浓度的关系图图8-9 8-9 表面吸附层分子状态表面吸附层分子状态LAm1 （8-98-9）O返回 不溶性单分子膜不溶性单分子膜 生物膜生物膜 O返回 在纯水表面放一很薄的浮片，在浮片的一边滴油，在纯水表面放一很薄的浮片，在浮片的一边滴油，由于油滴在水面上铺展，会推动浮片移向纯水一边。由于油滴在水面上铺展，会推动浮片移向纯水一边。铺展的膜在表面上对单位长度浮片的推

9、动力称为表铺展的膜在表面上对单位长度浮片的推动力称为表面压面压surface pressure)。O返回RTaMm 将一定质量将一定质量m样品铺成单分子气态膜，测出其面积样品铺成单分子气态膜，测出其面积a和表面压和表面压 ，可计算样品的摩尔质量，可计算样品的摩尔质量M。amRTM RTna （8-108-10）O返回细胞的表面膜和内膜系统细胞的表面膜和内膜系统生物膜生物膜 生物膜结构是细胞结构的组织形式，也是生命生物膜结构是细胞结构的组织形式，也是生命活动的主要结构基础。活动的主要结构基础。 许多基本的生命过程，如能量转换、物质运送许多基本的生命过程，如能量转换、物质运送、信息识别与传递等都与

10、生物膜有密切的关系。、信息识别与传递等都与生物膜有密切的关系。 人们从生物膜的成分、结构和功能的研究中得人们从生物膜的成分、结构和功能的研究中得到启示，开发合成的人工膜，如反渗透膜、超滤膜到启示，开发合成的人工膜，如反渗透膜、超滤膜，可应用于废水处理、物质的提纯和气体的分离，可应用于废水处理、物质的提纯和气体的分离，在化学工业有广阔的前景。在化学工业有广阔的前景。 O返回 表面活性物质表面活性物质 表面活性物质的表面活性物质的HLBHLB值值 O返回 表面活性物质的结构特点：具有双亲结构，表面活性物质的结构特点：具有双亲结构， 同一分子含有亲水基和亲油基同一分子含有亲水基和亲油基表面表面活性活

11、性剂的剂的类型类型离离子子型型非离非离子型子型阴离子型阴离子型RCOOM,RSO3M,ROSO3M,ROPO3M阳离子型：阳离子型：X,RNH3 ,X)(CHNR33 NR X两两 性性 型：型： COOCH)(CHNR,COOCHCHNR22322等等HO)CHRCOO(CHH,O)CHRO(CHn22n22O返回HLB愈大，亲水性越强，疏水性越弱。愈大，亲水性越强，疏水性越弱。规定：石蜡：规定：石蜡：HLB=0；十二烷基硫酸钠：；十二烷基硫酸钠：HLB=40表面活性剂表面活性剂HLB：040HLB值值 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 | | | | | | 石蜡石蜡

12、 W/O乳化剂乳化剂 润湿剂润湿剂 洗涤剂洗涤剂 增溶剂增溶剂 | | 聚乙二醇聚乙二醇 O/W乳化剂乳化剂O返回 表面活性物质的临界胶束浓度表面活性物质的临界胶束浓度 增溶作用增溶作用 O返回图图8-10 8-10 胶束的形状胶束的形状图图8-11表面活性剂溶液性质表面活性剂溶液性质浓度示意图浓度示意图O返回O返回 固体表面特性固体表面特性 吸附作用吸附作用 吸附理论吸附理论 吸附作用的应用吸附作用的应用 O返回固体表面不均匀固体表面不均匀固体表面分子、原子或离子较难移动固体表面分子、原子或离子较难移动固体表面层的组成与体相组成不同固体表面层的组成与体相组成不同O返回mn , mol kg-

13、1mV O返回 吸附类型O返回),(pTf )( pfT 一一定定：)(Tfp 一一定定：)(Tfp 一一定定：O返回/n1kp (8-11) pnkln1lnln O返回O返回 2d1a)1(kr;pkr 吸附平衡时：吸附平衡时： 21da)1(;kpkrr ,pkkpk121 21kkb 令令,bpbp 1 ,m m饱和吸附量bpbp 1m（8-128-12）O返回bpbp 1m（8-128-12）bpm ， p呈直线；p=m图图8.12 朗缪尔吸附定温线朗缪尔吸附定温线O返回bpbp 1m（8-128-12）bppmm11 pp m O返回 吸附可以是多分子层的。第一层吸附为固体表面分子

14、与气体分子间的相互作用；第二层以后的吸附为气体分子与已吸附气体分子间的相互作用。 第一层吸附热Q1对一定体系为一常数；第二层以后的吸附热QL均相同，接近于气体的凝聚热。p/p)C()pp(Cp*m11 (8-13) BET公式公式O返回/)1(1)(*mppCppCp (8-13) O返回*p/pCCC)pp(pmm11 )kgm:(113m 标标截距截距斜率斜率 2mN02240AL.S O返回 溶液中吸附量的测定溶液中吸附量的测定 稀溶液中溶质分子的吸附稀溶液中溶质分子的吸附 电解质溶液中离子的吸附电解质溶液中离子的吸附O返回mccVmx)(0 (8-14) 式中式中m m是吸附剂的质量；

15、是吸附剂的质量；c1c1和和c2c2分别是溶液起分别是溶液起始与平衡的浓度始与平衡的浓度(mo1.dm-3)(mo1.dm-3)；V V是溶液的体积是溶液的体积(dm3)(dm3)，x x是被是被m m克吸附剂所吸附溶质的量克吸附剂所吸附溶质的量(mol)(mol)O返回 吸附定温线nkcmx1 cnklg1lglg 以以lg对对lgc作直线作直线,从直线的斜率和截距可求出从直线的斜率和截距可求出n和和k。bcbc 1mbccmm1 cc1mkgmol1 斜率斜率 S0=mLA, A为溶质分子截面积。为溶质分子截面积。O返回影响吸附的因素影响吸附的因素 （1极性的影响极性的影响 一般来说，遵循

16、一般来说，遵循相似相吸的原则。相似相吸的原则。 （2溶质溶解度的影响溶质溶解度的影响 溶质的溶溶质的溶解度小，越易被吸附。解度小，越易被吸附。 （3温度的影响温度的影响 吸附是放热过程，吸附是放热过程，温度升高，吸附量下降。温度升高，吸附量下降。O返回 晶体总是选择吸附与其晶格相同或相似的离子或能与其形成难溶盐的离子，这种现象称为离子的选择性吸附。 (AgI)m+AgNO3 (AgI)m Ag+ + NO3- (AgI)m+KI(Ag)m I-+K+O返回O返回 润湿现象润湿现象 接触角与润湿作用接触角与润湿作用 O返回 当液体与固体接触时，液体能在固体表面上铺开，即原来的气-固界面被液-固界

17、面代替的过程叫润湿。 润湿可分为沾湿、浸湿和铺展三种情况。O返回 沾湿沾湿 沾湿是指气沾湿是指气-液与气液与气-固界面转变为液固界面转变为液-固界面。固界面。该过程吉布斯自由能的变化值为该过程吉布斯自由能的变化值为 G= l-s g-s g-l （8-15）体系所做的最大功为体系所做的最大功为Wa=l-s g-s g-l（8-168-16） Wa为黏附功， Wa0是液体沾湿固体的条件。O返回浸湿浸湿 浸湿是指固体浸入液体的过程。浸湿是指固体浸入液体的过程。该过程吉布斯自由能的变化值为该过程吉布斯自由能的变化值为 G= l-s g-s（8-17）体系所做的最大功为体系所做的最大功为Wi=l-s

18、g-s（8-188-18） Wi为浸湿功， Wi0是液体浸湿固体的条件。O返回铺展铺展铺展是指液体在固体表面展开的过程。铺展是指液体在固体表面展开的过程。该过程吉布斯自由能的变化值为该过程吉布斯自由能的变化值为 G= l-s+ l-g s-g （8-19）体系所做的最大功为体系所做的最大功为S=l-s+ l-g s-g（8-208-20） S为铺展系数， S0是液体可以在固体表面自动铺展。O返回 对于同一体系，对于同一体系，S Wi Wa ， 如果液体能在固体表面上铺展，它一定能如果液体能在固体表面上铺展，它一定能沾湿和浸湿固体，铺展是润湿的最高条件。沾湿和浸湿固体，铺展是润湿的最高条件。Wa=l-s g-s g-l（8-168-16）Wi=l-s g-s（8