界面现象--第1节：表面张力

1、1 瞬间瞬间(微秒级微秒级)存在的液体存在的液体“王冠王冠”第七章第七章 表面现象表面现象2我们身边的胶体界面现象我们身边的胶体界面现象 在界面现象这一章中，将应用物理化学的基本原理，对界在界面现象这一章中，将应用物理化学的基本原理，对界面的特殊性质及现象进行讨论和分析。面的特殊性质及现象进行讨论和分析。曙光晚霞曙光晚霞碧海蓝天碧海蓝天雨雨 滴滴露露 珠珠3第七章第七章 表面现象表面现象u 表面张力表面张力u 弯曲液面的附加压力及毛细现象弯曲液面的附加压力及毛细现象u 润湿现象润湿现象u 固体表面的吸附作用固体表面的吸附作用u溶液表面的吸附溶液表面的吸附u 表面活性物质表面活性物质4 表面和界

2、面表面和界面( (surface and interface) ) 界面是指两相接触的约界面是指两相接触的约几个分子厚度的几个分子厚度的过渡区过渡区，若其中一相为气体，这种界面通常称，若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。为表面。 常见的界面有：气常见的界面有：气- -液界面，气液界面，气- -固界面，固界面，液液- -液界面，液液界面，液- -固界面，固固界面，固- -固界面。固界面。5 表面和界面表面和界面( (surface and interface) )常见的界面有：1.1.气气- -液界面液界面6 表面和界面表面和界面( (surface and interface) )2.2.

3、气气- -固界面固界面（固体表面）（固体表面）7 表面和界面表面和界面( (surface and interface) )3.3.液液- -液界面液界面8 表面和界面表面和界面( (surface and interface) )4.4.液液- -固界面固界面9 表面和界面表面和界面( (surface and interface) )5.5.固固- -固界面固界面10 严格讲表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间严格讲表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间的界面，但习惯上把液体或固体与空气的界面称为液的界面，但习惯上把液体或固体与空气的界面称为液体或固体的表面。体或固体的表面。 界面现象是自然界中

4、普遍存在的基本现象界面现象是自然界中普遍存在的基本现象, 如如润湿润湿现现象象,毛细毛细现象现象, 过饱和过饱和(过冷过冷, 过热过热等等)现象现象, 吸附吸附现象等现象等.产生界面现象的主要原因是处于界面层中的分子与物产生界面现象的主要原因是处于界面层中的分子与物质内部的分子存在力场上的差异质内部的分子存在力场上的差异. 高度分散的物质具有巨大的界面积高度分散的物质具有巨大的界面积, 往往产生明显的往往产生明显的界面效应界面效应. 表面和界面表面和界面(surface and interface)11 比表面积比表面积 as :即单位质量的物质所具有的表面积即单位质量的物质所具有的表面积,

5、引引 言言 比表面比表面通常用来表示通常用来表示物质分散的程度物质分散的程度，有两种常用，有两种常用的表示方法：一种是单位质量的固体所具有的表面积；的表示方法：一种是单位质量的固体所具有的表面积；另一种是单位体积固体所具有的表面积。另一种是单位体积固体所具有的表面积。 即：即： as =As /m . 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。把一定大。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。小的物质分割得越小，则分散度越高，比表面也越大。12引引 言言球形水滴分散时总表面积和比表面积的变化球形水滴分散时总表面积和比表面积的变化半径半径r / m

6、液粒数液粒数As / m2as / m2 kg-110211.26 10 -33 10 -110310 31.26 10 -23 10 010510 91.26 10 03 10 210610 121.26 10 13 10 310810 181.26 10 33 10 510910 211.26 10 43 10 6 可见达到可见达到nm级的超细微粒具有巨大的比表面积级的超细微粒具有巨大的比表面积，因而，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。的研究热点。13 液体的表面张力、表面功及表面吉布斯函数液体的表面张力、表面功

7、及表面吉布斯函数液体表面层分子所受合力不为零液体表面层分子所受合力不为零, 而是受到一个指向液而是受到一个指向液体内部的拉力体内部的拉力, 导致导致液体表面有自动收缩液体表面有自动收缩的趋势的趋势, 如下图所如下图所示。示。表面张力的作用表面张力的作用 液体内部分子所受的力可以抵销，但表面分子受到液体内部分子所受的力可以抵销，但表面分子受到体相分子的拉力大，受到气相分子的拉力小（因为气体相分子的拉力大，受到气相分子的拉力小（因为气相密度低），相密度低），所以表面分子受到被拉入体相的作用力。所以表面分子受到被拉入体相的作用力。这个作用力有把表面层分子拉入液体内部的趋势。这个作用力有把表面层分子拉

8、入液体内部的趋势。 14 液体的表面张力液体的表面张力 在两相在两相( (特别是气特别是气- -液液) )界界面上，处处存在着一种张力，面上，处处存在着一种张力，它垂直与表面的边界，指向液它垂直与表面的边界，指向液体方向并与表面相切。体方向并与表面相切。 把作用于单位边界线把作用于单位边界线上的这种力称为表面张上的这种力称为表面张力，用力，用 表示，单位是表示，单位是Nm-1。 这时 2Fl15液体的表面功液体的表面功 做表面功示意图做表面功示意图lF=2 lFamb=F + dFdx 图示液膜面积图示液膜面积可逆可逆增加增加dAs = 2l dx ,由于表面层分子由于表面层分子的受力情况与本

9、体中不同，因此如果要把分子从内部移到的受力情况与本体中不同，因此如果要把分子从内部移到界面，或可逆的增加表面积，就必须克服系统内部分子之界面，或可逆的增加表面积，就必须克服系统内部分子之间的作用力，所以间的作用力，所以环境需对系统做功。环境需对系统做功。 温度、压力和组成恒定温度、压力和组成恒定时，可逆使表面积增加时，可逆使表面积增加d dA A所需要对系统作的功，称所需要对系统作的功，称为表面功。用公式表示为：为表面功。用公式表示为：sRdd2dAxlxFW 表面功表面功 : : 增加液体单位面积所需作的最小功增加液体单位面积所需作的最小功 ( (J m-2-2 ). ).16表面吉布斯函数

10、表面吉布斯函数pTAGAWlF,ssR)/(/d2/ 表面吉布斯函数表面吉布斯函数 :系统增加单位面积时所增加的吉系统增加单位面积时所增加的吉布斯函数布斯函数. 保持温度、压力和组成不变，每增加单位表面积保持温度、压力和组成不变，每增加单位表面积时，时，Gibbs函数的增加值称为表面吉布斯函数，或简函数的增加值称为表面吉布斯函数，或简称表面能，用符号称表面能，用符号 或或 表示，单位为表示，单位为Jm-2。17热力学公式热力学公式若将表面积若将表面积 As 列为系统状态参数之一列为系统状态参数之一, 则状态函数则状态函数G 表示为表示为:G = f (T, p, As , n1 , n2 ,

11、n3 , ) (仅一个界面积发生变化的情况仅一个界面积发生变化的情况)ssBB)B(dddddBsCsBsBAAGnnGppGTTGGn,p,TA,n,p,TA,n,TA,n,p dG = -SdT + Vdp + a B BdnB(a) + gdAs dU = TdS - pdV + a B BdnB(a) + gdAs dH = TdS + Vdp + a B BdnB(a) + gdAs dA = -SdT - pdV + a B BdnB(a) + gdAs18热力学公式热力学公式)B()B()B(,s,s,ss nVTnpSnVST,p,nAAAHAUAGB ）（在恒温恒压恒组成下在

12、恒温恒压恒组成下, dG = dAs , 当当 不变时积分不变时积分, 得得 G s = As 19热力学公式热力学公式根据吉布斯函数判据根据吉布斯函数判据, , 在恒温恒压不作非体积功的在恒温恒压不作非体积功的条件下条件下, , 系统总的表面吉布斯函数减少的过程是自发的系统总的表面吉布斯函数减少的过程是自发的, , 如液滴自动收缩以减小表面积如液滴自动收缩以减小表面积, , 气体在固体表面吸附以气体在固体表面吸附以降低固体的表面张力等降低固体的表面张力等. . 水滴成球形以使其表面水滴成球形以使其表面 积最小积最小 汞在玻璃表面的形状汞在玻璃表面的形状. 小汞滴成小汞滴成几乎完美的球形几乎完

13、美的球形, 而大的汞滴成而大的汞滴成扁平状扁平状 20表面张力及其影响因素表面张力及其影响因素 （3） 温度的影响：温度升高，界面张力下降。温度的影响：温度升高，界面张力下降。 极限情况：极限情况：TTc时，时， 0。（1）与物质的本性有关）与物质的本性有关分子间相互作用力越大，分子间相互作用力越大， 越大。越大。 例：例：气液界面：气液界面： (金属键金属键) (离子键离子键) (极性键极性键) (非极非极性键性键)（2） 与分散度有关。与分散度有关。T气相中分子密度气相中分子密度 液相中分子距离液相中分子距离 （有例外）（有例外） 其中：其中： 0与与n为经验常数。为经验常数。( () )0 01 1n nc cT T / /T T - -21（4）压力的影响。）压力的影响。 Pa表面分子受力不对称的程度表面分子受力不对称的程度 b气体分子可被表面吸附，改变气体分子可被表面吸附，改变 , c气体分子溶于液相气体分子溶于液相 1 atm H2O = 72.8 mN/m10 atm H2O = 71.8 mN/m一般：一般：p10atm, 结果是结果是 1mN/m，例，例:界面张力及其影响因素界面张力及其影响因素 22界面张力及其影响因素界面张力及其影响因素 人人 脑脑 叶绿素叶绿素物质比表面越大