天大简明版物化八界面现象PPT课件

1、第八章界面现象、物理化学、学习要求：理解界面张力的定义、物理意义和测量方法；掌握拉普拉斯方程和开尔文方程及其应用；亚稳态和新相形成的热力学：固体表面的吸附集中在朗缪尔单层吸附等温线公式；掌握接触角和润湿效应，杨氏方程及其应用；掌握界面吸附、表面剩余和吉布斯吸附的等温方程及其应用；了解表面活性剂的结构特征和应用。7.1界面张力，7.2曲面下的附加压力及其后果，7.3固体表面，7.4液-固界面，7.5溶液表面，第8章界面现象，介绍，介绍，界面是指所有两相的接触面。通常，与气体接触的界面称为表面。界面不是两相接触的几何表面，它有一定的厚度，一般约几个分子厚，所以有时称为“界面相”。界面的结构和性质不

2、同于相邻边的结构和性质。物质的分散程度通常可以用比表面积来表示。常用的方法有两种：一种是单位质量固体的表面积；另一个是单位体积的固体表面积。即：7.1界面张力1。液体的表面张力、表面功和表面吉布斯函数。与内部分子相比，表面分子处于不同的力场中：液体内部分子周围作用在同一分子上的力是球形对称的，各个方向的力相互抵消；但是表面层中的分子处于具有不对称力场的环境中。液体内部分子对表面层分子的吸引力远远大于液体表面上蒸汽分子的吸引力，因此表面层分子不断被拉向液体内部，表现出独特的性质。对于单组分体系，这一特性主要来自同一物质在不同相中的不同密度；对于多组分体系，其特点是界面层的组成不同于任何相的组成。

3、最简单的例子是由液体及其蒸汽组成的表面。作用在液体中的分子上的力可以相互抵消，但是表面分子被主体分子拉得比气体分子更强(因为气相的密度低)，所以表面分子被拉进主体相。这个力使表面自动收缩到最小，并使表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、过饱和等。在两相(尤其是气液两相)的界面上，到处都有一个张力，这个张力可以看作是导致液体表面收缩的每单位长度的力，指向液体的方向并与液体表面相切。作用在单位边界线上的力称为表面张力，用g表示，单位为Nm-1。表面张力：将一个带有活动框架的金属丝框架放入肥皂溶液中，然后取出，用下面的活动边缘将其悬挂，会发生什么情况？l是滑动边缘的长度。因为膜

4、有两个面，边界的总长度是2l，这是作用在单元边界上的表面张力。如果一个线圈被绑在电线框架的中间，把它浸入肥皂溶液中，然后把它拿出来在上面形成一层液体薄膜。(a)、(b)，因为以线圈为边界的两侧表面张力大小相等，方向相反，线圈可以在液膜上以任何形状移动，如图(a)所示。如果线圈中心的液膜被刺破，线圈的内部张力消失，外表面张力立即将线圈拉伸成圆形，如图(b)所示，这清楚地表明表面张力的存在。在恒温恒压条件下，环境为了增加液体的单位表面积而需要对系统做的可逆的非体积功称为表面功。公式为：表面功：由于表层分子的受力情况与体内不同，如果要将分子从内部移动到界面或可逆地增加表面积，就必须克服系统中分子之间

5、的力，为系统作功。在Jm2中称为表面工作。(IUPAC用它来定义表面张力)。恒温恒压下可逆的无体积功等于三者的物理意义不同，但值和维数相等，单位可以转化为Nm1，即考虑表面功，基本热力学公式应加dAs，即热力学公式应积分，当系统中有多个界面时，界面的Gibbs函数在恒温恒压下趋于自发下降，这是许多界面现象的热力学原因。在恒温恒压下，体系的吉布斯函数因相界面面积的变化而变化。3.界面张力及其影响因素。(1)界面张力与物质的性质有关。不同物质之间形成的化学键能不同，这对界面上的分子有不同的影响。(金属键)(离子键)(极性共价键)(非极性共价键)。两种液体之间的界面张力介于两种液体的表面张力之间。(

6、2)温度对界面张力的影响。随着温度的升高，体积增大，分子间距增大，相互作用减弱，因此界面张力一般随着温度的升高而降低。在临界温度下，相界面消失，表面张力约为0。(3)在压力等因素的影响下，压力增加，气相密度增加，表面分子的力不均匀性改善，总表面张力降低。7.2弯曲液面的附加压力及其后果1。弯曲液面附加压力的拉普拉斯方程，一般来说，液面是水平的，液面以下液体的压力是外压。球形液滴(凸面)，附加压力是液体中的气泡(凹面)，而附加压力是，所以p总是正值，并且它的方向指向凹面曲率半径的中心。表面张力的方向与液体表面相切，并垂直于两部分之间的边界。如果液面是平的，表面张力就在这个平面上。如果液体表面是曲

7、面，表面张力在这个曲面的切面上。应该注意的是，如果在液体表面上任意画出一条分界线，将液体表面分成两部分，即A部分和B部分表面层中分子的吸引力必须等于B部分对A部分的吸引力，这两部分的吸引力大小相等，方向相反。表面层的任何两个部分之间的相互吸引导致液体表面收缩。由于表面张力的存在，液体表面趋向于尽可能地收缩，并且微小的液滴趋向于球形，正是因为在相同的体积下球形面积最小。1.弯曲液面附加压力的拉普拉斯方程。为了推导曲面液体表面的附加压力p与曲面液体表面曲率半径之间的关系，存在一个凸曲面液体表面AB，其具有一个球形中心O，一个球形半径R，一个球形底部中心O1，一个底部半径r1和一个液体表面张力维。垂

8、直于球隙底面圆周的表面张力分为水平分量和垂直分量，水平分量相互平衡，垂直分量指向液体内部，单位圆周的垂直分量为cos。曲面液面p与液面曲率半径的关系。1.曲面液体表面附加压力的拉普拉斯方程是表面张力和垂直分量之间的夹角。因为球形缺陷底面的周长是2r1，所以圆周上垂直分量的合力是：F=2r1cos因为cos=r1/r，球形缺陷的底面面积为r12，所以弯曲液面在单位水平面上的附加压力F/A(压力)为：这称为拉普拉斯方程。拉普拉方程表明，弯曲液面的附加压力与液体的表面张力成正比，与曲率半径成反比。曲率半径越小，附加压力越大。毛细现象：当接触角为90时，液体在毛细管中滴落。最大气泡压力法用于测量液体的

9、表面张力。将毛细管垂直插入液体至深度h。气体从上端引入，并在毛细管的下端以小气泡的形式释放，然后液体在30万时的表面张力是多少？微小液滴饱和蒸气压的开尔文公式，饱和蒸气压与液滴曲率半径之间关系的推导：具有dn的微小液体被转移到微小液滴表面，微小液滴的面积为a: 4r24 (r dr) 2，面积增量为dA=8rdr，dG=dA=8rdr，这可以从开尔文公式中得知：(1) (2) p凸，P平，P凹，例如，水在298.15K的饱和蒸气压为2337.8Pa，密度7510-3Nm-1。请计算不同半径为10-510-9m的球形液滴和气泡的饱和蒸汽压pr/p之比。所谓的毛细凝聚现象是指，如果通过毛细孔中的吸

10、附可以形成凹入的液体表面，与液体表面平衡的蒸气压p将小于相同温度下平坦液体表面的饱和蒸气压p0。当毛细孔的直径较小时，凹面液体表面的曲率半径将较小，与之平衡的蒸气压将较低。换句话说，当毛细孔的直径较小时，在较低的p/p0压力下，可以在孔中形成冷凝。毛细凝聚现象，即微小晶体的溶解度，是由于微小晶体表面上的吉布斯函数较大，所以与它平衡的溶液的化学势应该较高，所以相应的溶解度也较大。亚稳态在热力学上是不稳定的，而在动力学上可以暂时稳定的状态称为亚稳态(或亚稳态)。由于小颗粒表面的特殊性，很难形成新相，从而形成四种不稳定状态(亚稳态):过饱和蒸汽、过热液体、过冷液体、过饱和溶液。亚稳态和新相的形成，(

11、1)过饱和蒸汽：蒸汽过饱和现象示意图。在t0温度下，蒸汽压力缓慢增加到点A，对于普通液体，但对于微小液滴，蒸汽已经达到饱和状态p0。这种在正常相平衡条件下应该冷凝但没有冷凝的蒸汽称为过饱和蒸汽。只有当蒸汽压继续增加到B点并达到小液滴的饱和蒸汽压P时，微小的液滴才能冷凝。因为新生成的液滴比表面大，具有更大的化学势，并且高于一般的饱和蒸汽，当蒸汽压力超过饱和蒸汽压力时，没有液滴凝结出来。g、饱和、l、平坦、g、饱和l、平坦、l、微g、饱和l、平坦。众所周知，水在25时的表面张力维为0.0725Nm1。当过饱和蒸汽压是水的平衡蒸汽压的4倍时，第一个形成的水滴的半径是多少？这个水滴包含多少水分子？解决

12、方案：根据开尔文公式，在此饱和蒸汽压下的液滴半径为：每个液滴的质量为：每个液滴中包含的分子数为：(2)过热液体根据相平衡条件，应该沸腾但没有沸腾的液体称为过热液体。当液体沸腾时，除了在液体表面蒸发之外，液体内部会自动产生微小的气泡。在液面以下h处形成小气泡的条件是，气泡必须能够承受33，360的压力，从而形成蒸汽过饱和示意图。Pi=大气压力p在正常沸点，其饱和蒸汽压p p0 mgh p不会形成小气泡，液体不会沸腾。所需温度：温度正常，所以容易产生沸腾。因为新产生的微气泡比表面大，具有较大的化学势，并且比一般沸点液体高，当液体温度超过沸点时，没有微气泡逸出。g，饱和，l，平坦，g，饱和l，平坦，

13、g，微g，饱和l，平坦，如果水只含有半径为1.00103 mm的气泡，那么水开始沸腾的温度是多少？众所周知，100以上水的表面张力维为0.0589 Nm1，汽化热为40.7 kJmol1。解决方案：气泡上的附加压力为p=2/R，当水沸腾时，气泡中的水蒸气压力至少等于pp，当水蒸气压力为pp时的平衡温度可以用克劳修斯克拉贝龙方方程计算。(3)过冷液体应该凝固如果温度不下降(当它仍处于正常的凝固点时)，液体中就不会形成小颗粒(种子)，晶体也不会沉淀。例如，纯水有时可以冷却到零下40度而不结冰。生成过冷液体示意图。由于新生成的微小晶体比表面大，化学势也比一般达到冰点的液体大，化学势也比一般达到冰点的

14、液体高，所以当液体温度达到冰点时，微小晶体不会凝聚。只有当温度降低时，微小晶体的化学势才能小于或等于液体的化学势。l，flat，s，flat，l，flat s，flat，s，micro l，flat s，flat，(4)过饱和溶液在一定温度下，溶液浓度已经超过了饱和浓度，但没有晶体沉淀的溶液称为过饱和溶液。这是因为晶体的溶解度与颗粒的大小有关。晶体颗粒越小，其溶解度越大，微晶达到饱和的可能性越小。也就是说，当溶液的浓度达到大晶体的饱和时，小晶粒可以继续溶解。也就是说，微小的颗粒不可能存在。由于新生成的微小晶体比达到饱和浓度的溶液表面积大、化学势大、化学势高，当溶液浓度达到饱和浓度时，没有微小晶

15、体析出。l、饱和、l、饱和s、平坦、s、微l、饱和s、平坦、s、平坦、s、平坦、7.3在固体表面上，固体表面上的原子或分子与液体相同，作用在表面层分子上的力是不对称的，这与液体表面分子不同，即固体表面分子几乎不能移动。固体表面是不均匀的，尽管从宏观上看它似乎是光滑的，但从原子水平上看它是不均匀的。然而，固体可以将气体分子从表面的外部空间吸引到表面，从而降低表面分子上的不对称力的程度，并降低表面张力和吉布斯函数。物质在相界面上的浓度不同于整体浓度的现象称为吸附。具有吸附能力的固体物质称为吸附剂，被吸附的物质称为吸附质。常用的吸附剂有硅胶、分子筛和活性炭。固体表面会自发地将气体富集到其表面，因此固

16、体表面上的气体浓度(或密度)与气相中的不同。1.物理吸附和化学吸附，在物理吸附中，吸附剂和被吸附物之间的相互作用是范德华引力；在化学吸附中，吸附剂和吸附质之间发生化学反应，通过化学键结合。物理吸附和化学吸附，物理吸附，1。吸附力是范德瓦尔斯引力，通常很弱。2.吸附热很小，接近气体的液化热，一般在几千焦/摩尔以下。3.吸附是非选择性的，任何固体都可以吸附任何气体。4.吸附稳定性不高，吸附和解吸速度快。吸附可以是单层的，但也可以是多层的。总之，物理吸附只是一种物理作用，没有电子转移、化学键形成和破坏以及原子重排。6.吸附不需要活化能，吸附速率不随温度的升高而增加。H2物理吸附在镍的表面，此时氢不离解，两个原子核之间的距离等于镍和氢的原子半径加上两者的范德华半径。释放的能量ea等于物理吸附热Qp，它相当于氢的液化热。在相互作用势能曲线上，随着H2分子接近镍表面，相互作用势能降低。当它到达点A时，势能最低，这是物理吸附的稳态。如果氢分子通过点A，它将更靠近镍表面，由于原子核之间的排斥，势能将沿着交流线上升。吸附力是吸附剂和吸附质分子之间化学键，通常很强。2.吸附热高，接近化学反应热，一般为40kJ/mol。3