北科物理化学考研课件第七章

北科物理化学考研课件第七章第一页，共四十页，编辑于2023年，星期五界面与表面界面（interface）：密切接触的两相之间的过渡区（约几个分子的厚度），通常有液－气、液－固、液－液、固－气、固－液等界面。表面（surface）：如果其中一相为气体的界面。第二页，共四十页，编辑于2023年，星期五思考1.相界面对系统性质是否有影响?2.如果有，为什么前面几章没有考虑界面的影响？

1.同一种物质,若质量相同,但界面积不同,则性质不同。

2.分散度很大时,界面对体系性质的影响不可忽略。界面相：界面层的模型化。描述界面相的状态函数有温度、界面张力、界面面积、界面过剩量等。第三页，共四十页，编辑于2023年，星期五发展历程1805Young方程，气液固界面接触角1806Laplace公式，弯曲界面的界面张力1869Dupre，润湿和粘附现象1871Kelvin方程，弯曲界面的蒸气压1878Gibbs等温吸附方程，界面过剩量1893VanderWaals,统计力学理论研究界面现象1950-理论研究与实验手段的改进，研究固体表面第四页，共四十页，编辑于2023年，星期五1cm3边长(arris)表面积(surfacearea)表面原子%(surfaceatom)1cm6cm2310-8

1m6104

cm2

301nm6107

cm299107Fe991nm第五页，共四十页，编辑于2023年，星期五比表面specificsurface

表示多相分散体系的分散程度,定义为：单位体积（也有用单位质量的）的物质所具有的表面积。A0=A/V

高分散体系具有巨大的表面积,往往产生明显的界面效应，因此必须充分考虑界面效应对系统性质的影响。第六页，共四十页，编辑于2023年，星期五碳纳米管(carbonnanotube)[*]单层石墨(graphene)第七页，共四十页，编辑于2023年，星期五AssemblyofH8Si8O12ClustersonGoldMicroelectronicdevicescontinuetoshrinkinsize.Forexample,gateoxidesarenowbeingmadethatareonly30-50Åthick.Atthesedimensions,themicroelectronicdevicesarealmostentirelyinterfacialinnatureandthepropertiesofthematerialsarenolongerbestunderstoodfrommeasurementsmadeonbulksamples.X-rayphotoemission

InfraredStudies

第八页，共四十页，编辑于2023年，星期五固体表面物理化学国家重点实验室（厦门大学）孙世刚教授及其合作者于5月4日在国际权威学术杂志《Science》上发表研究论文。该项研究采用一种新的电化学方法，首次制备出具有高表面能的二十四面体铂纳米晶粒催化剂，显著提高了铂纳米催化剂的活性和稳定性，在能源、催化、材料、化工等领域具有重大的意义和应用价值。《Science》杂志的三位评审人对该工作的原创性和重要性给予高度的评价，认为这一科研成果不仅指明了一种控制纳米粒子生长使高指数晶面暴露在外的新思路和新方法，而且将导致异相催化中的新发现。Science

316(2008),699.[DOI:10.1126/science.1143093]

Synthesisoftetrahexahedralplatinumnanocrystalswithhigh-indexfacetsandhighelectro-oxidationactivity第九页，共四十页，编辑于2023年，星期五7.1

界面热力学(ThermodynamicsofInterface)界面张力（interfacetension）热力学基本方程界面张力的影响因素界面热力学的一般讨论第十页，共四十页，编辑于2023年，星期五

7.1.1界面原子的特殊性

（Particularityofsurfaceatoms）处于界面或靠近界面的物质原子与体相的物质原子状态不同.以纯液体物质的表面（简称液体的表面）为研究对象。第十一页，共四十页，编辑于2023年，星期五F=0F0气相（gasphase）液相（liquidphase）界面原子受力不均匀表面收缩

(shrinkageofsurface)第十二页，共四十页，编辑于2023年，星期五演示实验界面原子比体相原子的能量高。第十三页，共四十页，编辑于2023年，星期五SlidelSoapfilm第十四页，共四十页，编辑于2023年，星期五

7.1.2界面能、界面Gibbs自由能(interfaceenergy,interfaceGibbsfreeenergy)第十五页，共四十页，编辑于2023年，星期五：比界面Gibbs自由能(specificinterfaceGibbsfreeenergy)即单位界面所具有的Gibbs自由能比界面Gibbs自由能也可以看作是作用于单位长度相界面上的力。常被称为表面张力(surfacetension)。表面张力的方向如何呢？？用热力学原理和方法处理具有普遍意义。第十六页，共四十页，编辑于2023年，星期五表面张力的方向可见表面张力作用在表面上，沿着表面切面，使表面积缩小。第十七页，共四十页，编辑于2023年，星期五界面热力学基本方程第十八页，共四十页，编辑于2023年，星期五用热力学函数表示的表面张力第十九页，共四十页，编辑于2023年，星期五表面→熵的变化等温等压下，增加液体的表面积使得熵增大。第二十页，共四十页，编辑于2023年，星期五7.1.3

界面张力的影响因素1)温度（mN·m-1）T/oCH2OC6H6CH3OHC2H5OH075.6431.629.524.02571.9428.227.121.85067.9125.024.619.87063.521.922.0第二十一页，共四十页，编辑于2023年，星期五2)与接触物质有关Table1Surfacetensionofwaterat20oCcontactingwithdifferentliquids.（mN·m-1）水蒸气(vapor)戊烷(Pentane)苯(benzene)丁醇（butanol）72.849.632.66.87.1.3

界面张力的影响因素第二十二页，共四十页，编辑于2023年，星期五3)物质本性Hg/(20oC)486.5乙醇/(293K)22.4Fe/m.p.1880苯/(293K)28.9NaNO3/581K116.6O2/(77K)16.5NaCl/900K400N2/(75K)9.41（mN·m-1）7.1.3

界面张力的影响因素第二十三页，共四十页，编辑于2023年，星期五7.1.4界面热力学的一般讨论（Discussionofinterfacethermodynamics）积分G=·A第二十四页，共四十页，编辑于2023年，星期五黑色圆：表面原子；蓝色圆：体相原子.纳米粒子表面活性高第二十五页，共四十页，编辑于2023年，星期五气相（gas）固体（solid）固体吸附气体(adsorption)表面原子(surfaceatom)被吸附原子(adsorbedatom)第二十六页，共四十页，编辑于2023年，星期五界面G=·A界面原子能量高界面原子受力不均匀性界面Gibbs自由能比界面Gibbs自由能（界面张力）小结第二十七页，共四十页，编辑于2023年，星期五1．下列叙述不正确的是：(A)

比表面自由能的物理意义是，在定温定压下，可逆地增加单位表面积引起系统吉布斯自由能的增量；(B)

表面张力的物理意义是，在相表面的功面上，垂直作用于表面上任意单位长度功线的表面紧缩力；(C)

比表面自由能与表面张力量纲相同，单位不同；(D)

比表面自由能单位为J·m-2，表面张力单位为N·m-1时，两者数值不同。

练习题第二十八页，共四十页，编辑于2023年，星期五7.2弯曲液面与附加压力(curvedsurfaceandadditionalpressure)弯曲液面与附加压力的产生附加压力与曲率半径应用第二十九页，共四十页，编辑于2023年，星期五液滴气泡

弯曲液面凸液面凹液面空气中液面下液面弯曲的程度影响液体性质！第三十页，共四十页，编辑于2023年，星期五附加压力，记为ps(additionalpressure)凸面p(l)p(g)psσσ附加压力方向指向曲率中心p(g)不在同一平面上第三十一页，共四十页，编辑于2023年，星期五凹面ps液体气泡附加压力方向指向曲率中心σσ第三十二页，共四十页，编辑于2023年，星期五小结：各种液面下的附加压力Ps>0ps<<0ps=0附加压力产生的原因是液体存在表面张力。第三十三页，共四十页，编辑于2023年，星期五状态变化：恒温恒容下系统平衡：附加压力与曲率半径第三十四页，共四十页，编辑于2023年，星期五Laplace方程液滴讨论（1）：或第三十五页，共四十页，编辑于2023年，星期五气泡

Laplace方程讨论（2）：或第三十六页，共四十页，编辑于2023年，星期五凸面：r>0,ps>0,指向液体内部；液滴愈小，附加压力愈大。凹面：r<0,ps

<0,指向气相;平面：r