第七章-表面现象(2010).ppt

1、第七章表 面 现 象,2,目 录, 7-1 表面张力 7-2 润湿现象 7-3 弯曲液面的附加压力与毛细现象 7-4 亚稳状态与新相生成 7-5 固体表面的吸附作用 7-6 等温吸附 7-7 溶液表面的吸附 7-8 表面活性物质（自学）,3,基 本 要 求,表面张力和表面Gibbs函数的概念。 弯曲液面附加压力概念和拉普拉斯方程。 接触角和杨氏方程、润湿、铺展和铺展系数 开尔文公式及其应用。 物理吸附和化学吸附的含义和区别。 兰格缪尔吸附模型和吸附等温式。 了解溶液界面吸附和表面活性物质的作用。,4,界面：任意两相的接触面称为界面。（界面非几何平面，是约有几分子厚度的薄层。） 表面：物质与真空

2、、与本身的饱和蒸气或与被蒸气饱和了的空气相接触的面称为表面。 表面现象：相界面上发生的物理化学现象 。,分散度(比表面(As)：单位体积的物质所具有的表面积： A s = A / V 松散聚集体或多孔性物质的比表面常以Aw 表示： 比表面(Aw)：单位质量的物质所具有的表面积： Aw=A / m,5,1. 表面张力()： 在与液面相切的方向上，垂直作用于单位长度线段上的紧缩力。N m -1 方向：弯曲液面：与液面相切，促使其表面积缩小的方向。 平液面：与液面平行。,7-1 表 面 张 力,液体表面分子受力示意图 表面张力的作用,物质表面层分子与其相内分子所处力场不同。,6,2. 表面功与表面吉

3、布斯函数,比表面吉布斯函数：恒温恒压下液体增加单位表面积时系统吉布斯函数的增量。单位：Jm 2,比表面功：增加液体单位表面积时系统所得到的可逆非体积功。 单位：J m 2,7, 表面张力、比表面功和比表面吉布斯函数虽为不同物理量，但数值和量纲相等： 1 N m 1 1 J m 2, dA 0, dG 0。 恒温恒压下，液体表面积减小的过程是自发过程。,其他界面（固体表面、液液、液固界面等）也存在界面张力。,8,3. 影响表面张力的因素,9,在三相交点处，固液界面水平线与气液界面的切线之间通过液体内部的夹角，称为润湿角（或接触角）。,液滴在光滑固体表面上可出现如下三种情况：,7-2 润 湿 现

4、象,10,在一定T、p下： ，液体对固体表面润湿。 趋于零度时，液体对固体表面完全润湿。, ，液体对固体表面不润湿, 趋于180时，液体对固体表面完全不润湿。,1. 杨氏方程,(杨氏方程）,三相交点处达到力平衡时：,11,2.铺 展,铺展: 液固界面取代气固界面, 同时使气液界面扩大的过程。,铺展系数 ：,杨氏方程的适用范围：,液体在固体表面上铺展的必要条件：,12,pg：大气压，pl：弯曲液面内液体所受的压力。 附加压力( p)：弯曲液面内外的压力差。p=p1-pg,7-3 弯曲液面的附加压力与毛细现象,1. 弯曲液面附加压力的产生,13,截面AB： 圆心O1,半径r1 , 表面张力的垂直分

5、力 cos 截面周界线周长： l = 2 r1 垂直分力的合力：F = 2 r1 cos AB 截面积：S = r1 2,(拉普拉斯方程）,2 拉普拉斯方程,弯曲液面垂直作用于单位截面上的附加压力：,14, 附加压力的方向：指向弯曲液面曲率半径的中心。 凸液面：r0, p = pl pg0, 方向指向液体。 凹液面：r0, p=pl pg0, 方向指向气体。 平液面：r =, p= 0。,15,毛细管中液面呈凹形，p指向大气，液面下液体所受压力小于大气压，液体被压入管直至上升液柱的静压力与附加压力相等。,液体能润湿管壁：凹液面,3. 毛细管现象,液体不能润湿管壁：凸液面,16,7-4 亚稳状态

6、与新相生成,1. 微小液滴的饱和蒸气压开尔文公式,途径a： Ga= G1 + G2 + G3 恒温恒压可逆相变：G1=0 理想气体恒温变压： 恒温恒压可逆相变：G3=0,途径b：,17,p： 平面液体的饱和蒸气压 pr：半径r的微小圆球形液滴的饱和蒸气压.(P338表) 凸液面：0, ln(pr/p)0 , pr p 凹液面：0, ln(pr/p)0 , prp (应用：毛细管内的凝结现象。最小的r为多少？) 开尔文公式也可用于气-固界面的计算。,（开尔文公式),18, 过饱和蒸气 虚线：微小液滴饱和蒸气压曲线; 实线：通常液体饱和蒸气压曲线.,2. 亚稳定状态：,过饱和蒸气, 过热液体, 过

7、冷液体, 过饱和溶液。,过饱和蒸气：按相平衡条件，应当凝结而未凝结的蒸气。,19,在101.325 kPa, 100 纯水中，0.02 m深处存在 r =10 nm 小气泡。 已知：p = 11.77103 kPa (对凹液面下液体为负，但对气体应为正值） p静 =g h = 0.1878 kPa 气泡内气体应反抗的压力： p = p大气 + p静 + p = 11.87103 kPa 小气泡产生条件： p 11.87103 kPa, 过热液体,产生过热液体示意图,过热液体：按相平衡条件应沸腾而不沸腾的液体。,20,原因: 一定温度下，微小晶体的饱和蒸气压大于普通晶体的饱和蒸气压。 BC: 平

8、面液体饱和蒸气压曲线 AB: 普通晶体饱和蒸气压曲线 AB: 微小晶体饱和蒸气压曲线 tf：普通晶体熔点 tf ：微小晶体熔点,过冷液体,过冷液体：按相平衡条件应当凝固而未凝固的液体。,21, 过饱和溶液,AB：普通晶体饱和蒸气压曲线 CD：微小晶体饱和蒸气压曲线 1, 2：不同浓度下溶质饱和蒸气压与 温度关系曲线（c1c2）,过饱和溶液：按相平衡条件应有晶体析出而未析出的溶液。,22,吸附：一定条件下，一种物质的分子、原子或离子自动附着在某固体表面上的现象。,7-5 固体表面的吸附作用,吸附剂(基质)：具有吸附能力的物质。 吸附质：被吸附的物质。 解吸作用：被吸附物质脱离吸附层回到原介质的过

9、程。 1.吸附是表面效应，被吸附物质只停留在固体表面。 2.吸附作用可发生在各种不同的相界面上。,23,物理吸附与化学吸附的区别,固体吸附分类,低温下一般以物理吸附为主，高温下一般以化学吸附为主。,24,1. 吸附等温线 吸附平衡：吸附速率等于解吸速率时对应的状态。 吸附量()：吸附平衡时的吸附量。,7-6 等温吸附,吸附量表示方法： a. 单位质量吸附剂所吸附气体的物质的量： n/m (molkg-1 ) b.单位质量吸附剂所吸附气体在标准状态（0 , 101.325 kPa）下占 有的体积： = V/m (m3kg-1) 气体吸附量为压力和温度的函数：= f (T, p)。,吸附等温线：一

10、定温度下吸附量与平衡压力的关系曲线,25,饱和吸附量()：吸附达饱和状态时对应的吸附量。,26,(1). 固气表面单分子层吸附理论的基本假设： 单分子层吸附：吸附力场作用范围约为分子直径大小气体分子只能发生单分子层吸附。 固体表面均匀：固体表面各晶格位置的吸附能力相同，吸附热不随覆盖程度的大小而变化。 被吸附分子间无相互作用力：分子吸附与解吸难易程度与周围分子无关。 吸附平衡是动态平衡：吸附速率与解吸速率相等时达到吸附平衡。,2. 兰格缪尔单分子层吸附理论,27,解吸速率：与固体表面被覆盖的吸附位置数成正比：,(2) 兰格缪尔吸附等温式,吸附平衡：,吸附速率：与吸附质在气相中的压力及固体表面的

11、空位数 成正比：,k1 ：吸附速率常数; : 覆盖度; 1-：固体表面上空白面积的分数。 N：吸附位置数 (固体表面具有吸附能力的总晶格位置数)。,k-1：解吸速率常数。,28,b=k1/k-1：吸附系数，单位：Pa-1，大小与吸附剂、吸附质本性及温度有关。 饱和吸附量()：吸附质有效挤满固体表面的吸附量。 : 覆盖度为 的吸附量。,(兰格缪尔吸附等温式),吸附平衡：,1/1/p 呈直线关系，由直线斜率和截距可计算b和。,29,兰格缪尔吸附等温式适用范围：单分子层吸附。 压力很小或吸附很弱时：b p1, =，吸附达饱和，吸附量达最大值。 压力适中：与p呈曲线关系。,吸附剂的比表面： As=LA

12、 ：饱和吸附量，单位：molkg-1 ; L：阿伏加德罗常数 A：被吸附气体分子的截面积； As：m2kg-1,3. 兰格缪尔吸附等温式的应用,30,吸附等温线类型 兰格缪尔吸附等温式只符合(I)型的等温线。图中，p*是饱和蒸气压。为什么p/p*最大为1？,31,表面惰性物质：能使溶液表面张力增加的物质。 表面活性物质：能使溶液表面张力降低的物质。 表面活性剂活性的大小可用 表示，其值越大， 表明溶质浓度对溶液表面张力影响的越大。,7-7 溶液表面的吸附,1. 溶液表面的吸附,若溶质加入溶剂后溶液表面张力增加，溶质将自动离开表面层进入本体溶液，而扩散作用使溶液本体及表面层中溶质浓度趋于一致。 两种作用达平衡时，若表面层中溶质浓度小于溶液本体中的浓度，则称为负吸附，反之称为正