界面现象
界面现象
第九章 界面现象讲解：日常生活和生产中，有很多现象和界面有关。
如：水在玻璃细管中会上升，这叫毛细现象；水可以在桌面上铺开，水银却成球状等。
通常把气液和气固界面成为表面。
第一节 表面张力和表面吉布斯函数一、表面现象及其本质 1.界面层的定义界面的5种类型：g-l,g-s,l-l,l-s,s-s. 其中g-l 和g-s 界面也叫表面。
界面分子和内部分子的区别：内部分子受力对称，界面分子受力不对称，不均匀。
液体自发使表面积缩小。
讲解：测定液体蒸气压，不能有空气存在，液体表面指纯液体与其纯蒸气之间的过渡层，只有几个分子厚。
日常生活中讲的液体表面，是指液体与空气之间的界面，其中空气被液体蒸气饱和。
2.系统的比表面（分散度）单位质量具有的表面积，或单位体积具有的表面积。
def defS S m V A AA A m V==质量表面积体积表面积例：一个边长为0.01米的立方体表面积是多少？把这个立方体分成10-9m 的小立方体，求其总面积。
解：边长为0.01米的立方体表面积 2-421=60.01=610m A ⨯⨯()321390.011010-=小立方体的个数为-92213226(10)10610m A =⨯⨯=⨯小立方体总面积物体被分散后的体积变化，请看358页表9.1。
二、表面张力、表面功、表面吉布斯函数 在等温等压条件下者3个概念是一回事。
讲解：吉布斯函数变就是等温等压条件下可逆过程得体积功。
:γ等温等压下可逆地增加单位表面积所需的功。
B,,S T p n G A γ⎛⎫∂=⎪∂⎝⎭ 表面张力就是表面功表面张力F:表面上，每米长度所受的收缩力，垂直于表面切线方向。
-2-2-1J m N m m N m⋅=⋅⋅=⋅单位： 表面功 表面张力2F l γ= 2Flγ= 影响表面张力的因素 （1）物质的本性()()s l γγ>一般相同聚集态时(γγγγ>>>金属键）（离子键）（极性共价键）（非极性共价键）讲解：可以看出键的极性越强，σ越大，因为非极性共价键组成的非极性分子之间只有色散力，极性分子间有色散力、取向力、诱导力。
专题讲解 界面现象 胶体化学
表面吉布斯自由能和表面张力1、界面：密切接触的两相之间的过渡区（约几个分子的厚度）称为界面（interface），通常有液－气、液－固、液－液、固－气、固－液等界面，如果其中一相为气体，这种界面称为表面（surface）。
2、界面现象：由于界面两侧的环境不同，因此表面层的分子与液体内的分子受力不同：1.液体内部分子的吸引力是对称的，各个方向的引力彼此抵销，总的受力效果是合力为零；2.处在表面层的分子受周围分子的引力是不均匀的，不对称的。
由于气相分子对表面层分子的引力小于液体内部分子对表面层分子的引力，所以液体表面层分子受到一个指向液体内部的拉力，力图把表面层分子拉入内部，因此液体表面有自动收缩的趋势；同时，由于界面上有不对称力场的存在，使表面层分子有自发与外来分子发生化学或物理结合的趋势，借以补偿力场的不对称性。
由于有上述两种趋势的存在，在表面会发生许多现象，如毛细现象、润湿作用、液体过热、蒸气过饱和、吸附作用等，统界面现象。
3、比表面（Ao）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。
用数学表达式，即为：A0=A/V高分散体系具有巨大的表面积。
下表是把一立方厘米的立方体逐渐分割成小立方体时，比表面的增长情况。
高度分散体系具有巨大表面积的物质系统，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。
4、表面功在温度、压力和组成恒定时，可逆地使表面积增加dA所需要对体系做的功，称为表面功（ω’）。
-δω’=γdA(γ:表面吉布斯自由能，单位：J.m-²)5、表面张力观察界面现象，特别是气-液界面的一些现象，可以觉察到界面上处处存在着一种张力，称为界面张力（interface tension）或表面张力（surface tension）。
它作用在表面的边界面上，垂直于边界面向着表面的中心并与表面相切，或者是作用在液体表面上任一条线两侧，垂直于该线沿着液面拉向两侧。
第10章_界面现象-wfz-1
弯曲液面附加压力Δp 与液面曲率半径之间关系的推导： 水平分力相互平衡， 垂直分力指向液体内部 其单位周长的垂直分力为cos 球缺底面圆周长为2r1 ，得垂直分力在圆周上的合力为： F=2r1 cos 因cos = r1/ r ，球缺底面面积为 r12 ， 故弯曲液面对于单位水平面上的附加压力 p 整理后得：
表10.1.1 某些液态物质的表面张力
物 质 t / °C
/ mN m-1
18.4 21.8 22.3 26.43 72.75 113.8 137.8 250 582 700 878.5 1300 1800
正己烷 正辛醇 乙醇 乙醚 H2O NaCl LiCl Na2SiO3(水玻璃) FeO Al2O3 Ag Cu Pt
\ dn = - 4p r 2 (dr ) r / M
/mNm-1
1670 1140 685 527 12010 1000 905 4500 1030
Cu Ag Sn 苯 冰 氧化镁 氧化铝 云母 石英(1010晶面)
17
（2） 与接触相的性质有关。
两种互不混溶的液体形成液-液界面时，界面层分子所处力场取 决于两种液体。所以不同液-液对界面张力不同。
18
（3） 温度的影响
T↑ 气相中分子密度↑ 液相中分子距离↑
↓ （有例外）
（表10.1.4) 不同温度下液体的表面张力 0 液体 水 乙醇 甲醇 CCl4 丙酮 甲苯 苯 75.64 24.05 24.5 26.2 30.74 31.6 72.75 22.27 22.6 26.8 23.7 28.43 28.9 69.58 20.60 20.9 24.3 21.2 26.13 26.3 66.18 19.01 21.9 18.6 23.81 23.7 62.61 16.2 21.53 21.3 58.85 15.7 19.39 20 40 60 80 100
界面现象的名词解释
界面现象的名词解释界面现象是指两种不同介质之间形成的边界区域，这个区域具有特殊的物理、化学或生物性质。
界面现象在我们的日常生活中无处不在，而且在科学和工程领域中也起着重要的作用。
本文将对界面现象进行详细解释。
首先，我们来了解一下界面现象的起因。
当两种不同的物质相遇时，它们之间的相互作用形成了一个界面。
这个界面上的物理和化学性质与两种物质本身有着明显的差异。
例如，当水和油相遇时，它们在界面上会形成一个不相溶的薄层，这是由于它们的分子之间的排斥力大于吸引力所致。
界面现象涉及了许多重要的概念和现象。
其中之一是表面张力。
表面张力是液体表面上的一种内聚力，导致液体表面呈现出收缩的趋势。
这可以用一个简单的实验来演示：取一张干净的硬纸币，轻轻放在水面上，可以观察到纸币不会立刻下沉，而是浮在水面上。
这是因为水分子之间存在着相互吸引的力量，使得水的表面呈现出收缩的特性。
除了表面张力，另一个重要的界面现象是浸润性。
浸润性描述了液体对固体的渗透能力。
当一滴液体滴在固体表面上时，它的形状取决于液体和固体之间的相互作用。
如果液体能够充分地渗透进入固体材料中，我们称之为良好的浸润性。
这一现象在涂料、油墨以及润滑剂等领域中具有重要的应用。
此外，界面现象还涉及到界面活性剂的使用。
界面活性剂是一种能在两种不同介质的界面上降低表面张力的物质。
它们能够将不能互溶的物质混合在一起，并形成稳定的乳状液体。
这在食品、日化和医药等行业中被广泛应用。
例如，洗涤剂中的表面活性剂能够使油污和水混合，达到清洁的效果。
界面现象的研究对于解决一些现实生活中的问题非常重要。
例如，界面现象对于研究海洋环境中的表面活性物质分布、油水分离技术的改进以及水处理等方面都具有重要意义。
此外，界面现象还在材料科学、能源储存和转换等领域中发挥着关键作用。
通过研究、理解和利用界面现象，我们可以开发出更高效、更环保的技术和材料。
在总结上述内容之前，值得一提的是生物界面现象。
物理化学第十章界面现象
第十章界面现象10.1 界面张力界面：两相的接触面。
五种界面：气—液、气—固、液—液、液—固、固—固界面。
（一般常把与气体接触的界面称为表面，气—液界面=液体表面，气—固界面=固体表面。
）界面不是接触两相间的几何平面！界面有一定的厚度，有时又称界面为界面相(层）。
特征：几个分子厚，结构与性质与两侧体相均不同比表面积：αs=A s/m（单位：㎡·㎏-¹）对于一定量的物质而言，分散度越高，其表面积就越大，表面效应也就越明显，物质的分散度可用比表面积αs来表示。
与一般体系相比，小颗粒的分散体系有很大的表面积，它对系统性质的影响不可忽略。
1. 表面张力，比表面功及比表面吉布斯函数物质表面层的分子与体相中分子所处的力场是不同的——所有表面现象的根本原因！表面的分子总是趋向移往内部，力图缩小表面积。
液体表面如同一层绷紧了的富有弹性的橡皮膜。
称为表面张力：作用于单位界面长度上的紧缩力。
单位：N/m,方向：表面（平面、曲面）的切线方向γ可理解为：增加单位表面时环境所需作的可逆功，称比表面功。
单位：J · m-2。
恒温恒压：所以：γ等于恒温、恒压下系统可逆增加单位面积时，吉布斯函数的增加，所以，γ也称为比表面吉布斯函数或比表面能。
单位J · m-2表面张力、比表面功、比表面吉布斯函数三者的数值、量纲和符号等同，但物理意义不同，是从不同角度说明同一问题。
(1J=1N·m故1J·m-2=1N·m-1，三者单位皆可化成N·m-1)推论：所有界面——液体表面、固体表面、液-液界面、液-固界面等，由于界面层分子受力不对称，都存在界面张力。
2. 不同体系的热力学公式对一般多组分体系，未考虑相界面面积时：当体系作表面功时，G 还是面积A的函数在恒温、恒压、组成不变的情况下，使面积减小或表面张力减小，致系统总界面吉布斯函数减小的表面过程可以自发进行。
界面现象
而处在表面上的 分子则不同，一方面 受到体相分子的作用， 另一方面又受到性质 不同的另一相中物质 分子的作用，使得表 面层分子受到不对称 的作用力。
3
如将内部分子移至 表面，必须对所移动的 分子施加外力、做功， 表面层的分子受到指向 物体内部并垂直于表面 的作用力(合力)，使物 体表面有自动缩小的趋 势，表面能量较物体内 部大。因而产生各种表 面现象。
48
弗罗因德利希(Freundlich)方程适用范围： 中等压力范围内气体在固体表面上的吸附。 弗罗因德利希(Freundlich)方程如应用于 溶液中溶质的吸附，则其形式为：
物理吸附
吸附类型 化学吸附
40
物理吸附
吸附力 吸附热 选择性
分子间力(范德华力)
较小，近于液体热 ，约为 几百-几千焦耳每摩尔 无选择性 不稳定，易解吸
吸附稳定性 分子层
吸附速率
单分子层或多分子层
较快，不受温度影响，故 一般不需要活化能。
41
化学吸附
吸附力 吸附热 选择性
化学鍵力
较大，近于化学反应热 ， 一般大于几万焦耳每摩尔 有选择性 稳定，不易解吸
(1) 液面为水平面时， r，pr = p。 液面为凸面(液滴)时， r > 0， pr > p 。 液面为凹面时(如液体内气泡)， r < 0， p r < p 。 (2) 液滴越小，其饱和蒸气压越大。 (3) 应用，如毛细管凝结现象、人工降雨、 过冷、过热、暴沸等现象。
29
毛细管凝结现象：水在玻璃 毛细管内形成凹面， r < 0， pr < p 。对平面未饱和的蒸气，在毛 细管内可能已达饱和或过饱和， 导致蒸气在毛细管内凝结。如硅 胶吸水等。 人工降雨：AgI等微小粒子作成核中心。
界面现象
太原理工大学物理化学第八章界面现象界面是指相互接触的两相的交界面。
自然界中的物质一般以三种聚集状态存在，三种相态相互接触可 以形成五种界面：液-气、固-气、液-固、液-液和固-固界面。
习惯上将液-气和固-气界面称为表面；而其余 的相界面都称为界面。
由于历史的原因， “表面”和“界面”这两个词经常混用。
界面并不是一个几何平 面，它是从一个相到另一个相的过渡层，有一定的厚度，通常称为界面相或界面层，与界面层相邻的两相 称为体相。
界面现象就是在相界面上所发生的物理化学现象。
许多自然现象、生理现象、工农业生产以至日常生 活上的许多问题都与界面现象有密切的关系，如：液滴呈球形、活性炭能脱色、粉尘容易爆炸等都与界面 现象有关。
产生界面现象的根本原因是由于界面相中的分子与体相中的分子所处的力场不同，因此界面相 的性质和两个体相的性质就会不一样。
在一般情况下，系统所具有的比表面积相当小，表面上的物质、能 量都比体相小得多， 故表面的特殊性质可不考虑。
但当系统的表面积很大时，表面分子所占的比例就很大， 它的特殊性质就成为矛盾的主要方面而表现出各种界面现象。
为了便于比较不同物质的表面性质，提出了比表面积的概念。
比表面积（as）是指单位质量或单位体 积的物质所具有的表面积，用公式表示为： as = As / m 或 as = As / V通常用比表面积来表示物质的分散程度，即分散度。
比表面积越大，分散度越高，表面效应就越明显， 这必然对系统的物理化学性质产生影响，此时就必须考虑界面的特殊性。
这种特殊性反映出的宏观现象就 是人们观察到的界面现象，其具体体现就是界面张力。
§ 8.11．液体的表面吉布斯函数和表面功界面张力界面现象产生的根本原因是由于两相界面上的分子与体相分子所 处环境不同引起的，以液-气界面为例说明之。
如图 8.1.1 所示，处于液 体内部的分子，受周围各分子对它的作用力是对称的，可以相互抵消， 这些分子在液体内部运动时无须对它做功。
第十章 界面现象
在恒温恒压、各相组成和量不变时：
dG dAs
dG称为表面吉布斯函数变化dGs。
当界面面积自0到As变化时：Gs=As
在恒温恒压下，系统的自发过程总是 朝着表面吉布斯函数减小的方向进行。
3.影响表面张力的因素 （1）物质的本性
不同物质其分子间作用力不同，表面 张力也不同。分子间作用力大，其表面张 力也大。 同一物质： (固)>(液)>(气)
kc
n
（c为被吸附物质浓度）
Freundlich公式不能说明吸附作用的机理， 公式中n和k没有明确的物理意义。
6.单分子层吸附理论（Langmuir吸附理论） （1）理论要点（基本假设）
表面层分子、 内部分子所处 的力场不同。
表面层的分子受到指向物体内部并垂直 于表面的作用力，使物体表面有自动缩小 的趋势。若将内部分子移至表面，必须对 所移动的分子施加外力（做功）。 产生界面现象的原因：物质表面层分子 与内部分子所具有的能量、作用力不相同。
（2）表面张力(surface tension)
而 r1=r/cos
2 cos 则有： h r g
当液体不能湿润管壁时,>90,cos<0, h为负值，表示管内凸液面下降深度。 毛细现象应用之一：锄地可破坏土壤毛 细管，以减少水分蒸发。
（4）表面张力测定方法
最大气泡法、毛细管法等。 机械、自动、全自动表面张力仪。
2.微小液滴的饱和蒸气压—开尔文公式
对于一定的吸附剂与吸附质的体系，达到吸附
平衡时：
=f (T,P)
通常固定一个变量，求出另外两个变量之间的关系：
(1)T=常数， = f (p)，得吸附等温线。 (2)p=常数， = f (T)，得吸附等压线。 (3) =常数，P = f (T)，得吸附等量线。
界面现象 化学理论
界面现象化学理论
界面理论包括在相界面上的各种物理、化学过程而引起的现象。
它既涉及界面区内物质的化学组成、物理结构和电子状态，又与界面两边的主体相物质的性质有关。
界面现象是研究各种不同界面的性质，随着分散度的增加，体系的比表面也相应增大，胶体的各种性质与比表面密切相关，所以对界面现象的研究就成为胶体化学的主要内容之一。
界面理论的示例：
大自然中，早晚所见到的曙光和晚霞、雨后的彩虹和光环等；日常生活中，所用的肥皂和洗衣粉的去污过程就是一种典型的界面现象，有时我们还会碰到水温低于冰点而不结冰的过冷现象、高于沸点而不沸腾的过热现象。
而在工业生产中，也常碰到废气的吸收，结晶制糖、制盐，纺织印染等许多过程，就是借助界面所具有的独特性质而得以进行的。
由于这些现象均与界面性质有关，一般又总称为界面现象。
界面现象
3 8
ΔG = ×ΔAS = ×N×4πr
3 10 r
J
=3.04J
3
483 10 3 10
3
3
13.6 10 3 5 10
由基本方程可知，在等温、等压和组成不变的条件下，当↓ 和As↓， dG = dAs ≤ 0 ，过程都可自发进行，这就是表面现象 产生的热力学原因。
( )T , p ,n , G As
dG d ( As ) dAs As d
dG d ( As ) dAs As d
（1）当γ一定时，dG = γ dAs 要 dG < 0，则 dAs < 0。 所以，缩小表面积的过程为自发过程。 液体表面处处存在着一种使液面绷紧的张力。
参考文献
1. Hiemeng PC and Rajagopalan, Principles of Colloid and Surface Chemistry, 3rd ed. New York: Marcel Dekker Inc. 1997 2. Adamson AW and Gast AP, Physical Chemistry of Surface, 6th ed. New York: John Wiley and Sons., 1997 3. 江龙，胶体化学概论，北京：科学出版社，2002 4. 沈钟，王果庭，胶体与表面化学（第三版），北京：化学工业出版社， 2004 5. 顾惕人，朱步瑶等，表面化学，北京：科学出版社，1999 6. 朱步瑶，赵振国，界面化学基础，北京：化学工业出版社，1996。 7. 傅献彩，沈文霞，姚天扬，物理化学（第四版）（下册），北京：高等 教育出版社，1995 8. 周祖康，顾惕人，马季铭，胶体化学基础(第二版)，北京：北京大学出 版社， 1997 9. 陈宗淇，王光信, 徐桂英，胶体与界面化学，北京：高等教育出版社， 2001 10. 赵国玺，朱步瑶，表面活性剂作用原理，北京：中国轻工业出版社， 2003 11. 赵国玺，表面活性剂物理化学，北京：北京大学出版社， 1991 12. 肖进新， 赵振国，表面活性剂原理，北京：化学工业出版社， 2003 13. 赵振国，胶体与界面化学——概要、演算与习题，北京：化学工业出版 社，2004
第十章界面现象物理化学
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 液体或固体的表面。
常见的界面有：气-液界面，气-固界面，液-液 界面，液-固界面，固-固界面。
表面和界面(surface and interface)
表面张力（surface tension）
如果在金属线框中间系一线圈，
一起浸入肥皂液中，然后取出，上
面形成一液膜。
(a)
由于以线圈为边界的两边表面张 力大小相等方向相反，所以线圈成 任意形状可在液膜上移动，见(a)图。
如果刺破线圈中央的液膜，线 圈内侧张力消失，外侧表面张力立 (b) 即将线圈绷成一个圆形，见(b)图， 清楚的显示出表面张力的存在。
剖 面 图
附加压力示意图
杨-拉普拉斯公式
1805年Young-Laplace导出了附加压力与曲率半 径之间的关系式：
根据数学上规定，凸面的曲率半径取正值，凹 面的曲率半径取负值。所以，凸面的附加压力指向 液体，凹面的附加压力指向气体，即附加压力总是 指向球面的球心。
附加压力与毛细管中液面高度的关系
表面张力（surface tension）
如果在活动边框上挂一重物，
使重物质量W2与边框质量W1所产生 的重力F（F=（W1+W2）g）与总的 表面张力大小相等方向相反，则金 属丝不再滑动。
这时
F 2g l
l是滑动边的长度，因膜有两个
面，所以边界总长度为2l，g 就是作
用最小的趋势，并 使表面层显示出一些独特性质，如表面张力、表面吸 附、毛细现象、过饱和状态等。
比表面（specific surface area）
界面现象
§10-2 弯曲液面的附加压力及其后果
1. 液面附加压力的产生 (1)平液面 对一小面积 AB ， 沿 AB 的四周
p0
f
A
每点的两边都存在表面张力，大 小相等，方向相反。因此，水平 液面下液体所受压力即为外界压 力。 所以平液面没有附加压力。
B
f
p0
(2)凸液面 例如：一个液滴悬浮在它的饱和蒸汽中，呈球状，液面为凸面。 由于液面是弯曲的，则沿AB的周 界上的表面张力不在一个平面上， 无法对消，于是产生了一个指向 球心的合力，称为附加压力，用 Δp表示。
——Kelvin公式
（2）kelven公式
凸液面（液滴）：
2g M pr R T ln = p rr
——Kelvin公式
pr：弯曲液面的饱和蒸汽压 p：水平液面的饱和蒸汽压
凹液面（气泡、毛细管凹面）：
2g M pr R T ln = p rr
——Kelvin公式
由Kelvin公式可知： 1）p凸> p平> p凹 2）在一定温度下，液滴越小，其饱和蒸汽压越大； 气泡越小，泡内（毛细管内）液体的饱和蒸汽压越小。 简答： 请利用Kelvin公式解释毛细管凝结现象。
。
2）空气中的小气泡，其内外气体的压力差在数值上 等于 。
3）在室温、大气压力下，于肥皂水内吹入一个半径为r的空气 泡，该空气泡的压力为p1。若用该肥皂水在空气中吹一同样为r 的气泡，其泡内压力为p2，则两气泡内压力的关系为p2 p1。 设肥皂水的静压力可忽略不计。 (A)>； (B) <； (C) =； （D）二者大小无一定的关系。
三种情况：
①润湿：液滴在固体表面上呈单面凸透镜形。
②不润湿：液滴呈扁球形。
第8章 界面现象
3、比表面
对于一定量的物质而言，分 散程度越高，其表面积就越大， 表面效应就越突出。 • 常用物质的比表面(specific surface area)来表示物 质的分散度(dispersion degree)： A ① 单位质量物质所具有表面积：a S S（m 2 kg 1 ） m ② 单位体积物质所具有表面积：a AS（m 1 ） V V
•实例分析：沸石止沸
３、亚稳状态及新相的生成
③ 过冷液体
•定义： 按照相平衡条件应该凝固而未凝固的液体。
•产生原因：
ps
O' O 微小晶体 T0
gl
普通晶体
T
•实例分析：
Tr
纯净的水有时冷却到-40℃仍不结冰。若加入 小晶体做新相种子，则过冷液体可迅速凝固。
３、亚稳状态及新相的生成
④ 过饱和溶液 按相平衡条件应该析出晶体而未析晶的溶液。 •定义： •产生原因：
Wr dGT , P dAs
G A s
T , P
即为恒温恒压下使液体增加单位表面积时所增加 的吉布斯函数，称为表面吉布斯函数 ，单位J.m-2。
１、表面张力、表面功、表面吉布斯函数
F / 2l
相同点
Wr / dAs
G A s T , P
2 l
g —l
o
s —l
l
s
１、表面张力、表面功、表面吉布斯函数
讨论
表面张力的方向如何判断？
你能解释下面的实验现象吗？
(a)
(b)
１、表面张力、表面功、表面吉布斯函数
从能量角度分析
若将体相中分子移到表面以扩大液 体表面积，则必须由环境对系统做功：
《界面现象》课件
界面现象在其他领域的应用
界面现象在其他领域也具有广泛的应 用，如能源、材料和电子等。在能源 领域中，利用界面现象可以提高燃料 的燃烧效率和减少污染物排放。
VS
在材料领域中，利用界面现象可以制 备功能材料和复合材料，提高材料的 性能和功能。在电子领域中，利用界 面现象可以制备电子器件和集成电路 ，实现电子设备的微型化和高效化。
分子模拟方法
总结词
利用计算机模拟分子间的相互作用和运动， 预测界面现象。
详细描述
分子模拟方法是利用计算机模拟分子间的相 互作用和运动，从而预测界面现象的一种方 法。这种方法可以对分子间的相互作用进行 详细的模拟，从而深入理解界面现象的微观 机制。分子模拟方法需要具备较高的计算机 编程和数值计算能力，并且需要选择合适的 模拟算法和力场参数。
表面能
表面能是表面分子所具有的能量 ，它反映了表面分子间的相互吸
引力。
表面能的大小决定了物质表面的 稳定性，如液体的蒸发速度、晶
体表面的生长速度等。
表面能的应用包括表面改性、涂 层技术、纳米材料制备等领域。
表面活性剂
表面活性剂是一种能够显著降低 表面张力或界面张力的物质。
表面活性剂分子通常具有亲水基 团和疏水基团，能够在界面上形
计算机仿真方法
总结词
通过模拟系统整体行为，预测界面现象。
详细描述
计算机仿真方法是利用计算机模拟系统的整体行为，从而预测界面现象的一种方法。这 种方法可以对系统整体行为进行模拟，从而提供对界面现象的整体认识。计算机仿真方 法需要建立合理的仿真模型，选择合适的仿真算法和参数，并对仿真结果进行科学分析
。
交叉学科
此外，界面现象还与生物学、医学、环境科学等交叉学科密切相关。通 过跨学科的研究，可以拓展界面现象的应用领域，推动相关领域的发展 。
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浓溶液
加入小晶种作为新相种子
小颗粒
O A A 大颗粒 O
稀溶液
t0
t / [t]
亚稳态及其产生原因
亚稳态：热力学上不稳定，但又能够在一定条 件下稳定存在的状态。 产生的原因：新相的种子难以生成。 消除亚稳态——加入新相的种子：沸石、晶种 利用亚稳态——金属淬火等（保持亚稳态 长期存在）
AV A / V
m和V分别为固体的质量和体积，A为其表面积。
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
目前常用的测定表面积的方法有BET法和色谱法
10.1 界面张力
1. 液体的表面张力
若使膜维持不变，需在金属丝上加一力F，其大小与金 属丝长度 l 成正比，比例系数 。因膜有两个表面，故有： 即： F / 2l F 2l
单层 近似等于化学反应热，较大 有选择性 不可逆 慢，不易达平衡
温度
低温（沸点附近或以下）
高温>>Tb才发生明显吸附。
2、等温吸附
吸附量的表示通常有两种方法:
(1)单位质量的吸附剂所吸附的吸附质的物质的量， 单位:mol.Kg-1
n n m
a
(2)单位质量的吸附剂所吸附气体在标准状态 下(0℃,101.325kpa)的体积。单位为m3.Kg-1
：引起表面收缩的单位长度上的力，指向液体方向并与表面
相切。单位：N· m-1。
2.表面功
当用外力F使皂膜面积增大dA时，需克服表面张力 作可逆表面功（把分子从内部移到界面，或可逆的增加 表面积，就必须对体系做功，称为表面功）：
δW F dx 2ldx dA
γ：使液体增加单位表面时 所需作的可逆功，称比表面功。 单位：J· m-2。
G γ As
全微分： dGT,p γ dAs Asdγ dT ,pG < 0
可知自发降低表面自由函数两种途径——降低表面积 降低表面张力
4、界面张力的影响因素
物质的本性 分子间相互作用力越大， 越大
(金属) > (离子键) > (极性键) > (非极性键) (水-汞) = 415 mN· m-1； (水-苯) = 35
表面覆盖度 = Va / Vma,则空白表面为(1 - )
r(吸附)=k1p( 1- ) N
r(脱附)=k-1N
N—总的吸附位置数
r(吸附)=k1p( 1- ) N=r(脱附)=k-1N k1p(1 - )=k-1 设b = k1/k-1,（吸附系数）
则：
bp 1 bp
Δp dV γ dA 有 ：
对球:
A 4πr 2 dA 8π rdr 4 3 V πr dV 4πr 2dr 3
2 Δp r
Laplace 公式
2 Δp r
Laplace 公式
注意：① 该形式的Laplace公式适用于球形液面。 ②曲面内（凹）的压力大于曲面外（凸）的压力 ，Δp＞0。 ③ r 越小，Δp越大；r越大，Δp越小。 平液面：r →∞，Δp→0，（并不是 = 0）
3、表面自由能
dU TdS PdV dA B dnB dH TdS VdP dA B dnB dA SdT PdV dA B dnB dG SdT VdP dA B dnB
B B B B
剖面图
Ps = Po - Po =0
液面正面图
2. 弯曲液面的附加压力——Laplace方程
pl
pg
pl
pg
pl
Δp
图中为球形液滴的某一球缺，凸液面 上方为气相，压力pg ；下方为液相，压力 pl ,底面与球形液滴相交处为一圆周。圆周 外液体对球缺表面张力 作用在圆周线上， 垂直于圆周线，而且与液滴表面相切。所 以圆周线上表面张力合力对凸液面下液体 造成额外压力。若凹液面一侧压力以p内表 示，凸液面一侧压力用p外表示，附加压力
式中的n和k是两个经验常数.与温度有关.k随温度的升高 而降低.n的数值一般在0—1之间 .
取对数得到:
lg V a lg k n lg p
上式表明:若以lgVa对lgp作图,可得到一直线,由 直线的斜率和截距求出n和k。 适用范围:中压
Langmuir 单分子层吸附理论及朗缪尔吸附等温式
由Kelvin公式可知：
Kelvin公式
1) 凸液面 r 越小，Pr 越大;凸面的曲率半径取正值，凹面的曲率半径取负值
2) p凸> p平> p凹
亚稳状态及新相的形成
过饱和蒸气: 应当凝结而未凝结的蒸气.(例如,0℃附近,水 蒸气有时要达到5倍的平衡压力,才开始自动凝结).
p
OC：通常液体的饱和 蒸气压曲线 O´ C ´：微小液滴的饱 和蒸气压曲线 p0
1916年，适用于固体表面的气体吸附（Ⅰ型）
他在推导该公式的过程引入了四个重要假设： Ⅰ、气体在固体表面上单分子层吸附； Ⅱ、固体表面均匀（吸附热为常数，与覆盖率θ无关）； Ⅲ、固体表面上相邻的吸附分子间无作用力； Ⅳ、吸附和脱附呈动态平衡，吸附与脱附速率相等。
bp 1 bp
复盖率：θ=
被吸附质覆盖的固体表面积 固体总的表面积 （满饱和吸附）
接触相
mN· m-1
温度 一般随温度升高而减小。极限情况： T→Tc时， →0 。
压力、分散度
10.2 弯曲液面下的附加压力及其后果
1.在平面上
弯曲液面下的附加压力
2.在凸面上
Laplace公式 Kelvin公式 亚稳状态及新相的形成
3.在凹面上
1.在平面上
以AB为直径的一个环作为边界， 由于环上每点的两边都存在 表面张力，大小相等，方向相反， 所以没有附加压力。 附加压力Ps等于零。
④ Δp永远指向球心。
毛细管现象
2 p gh r1
2 cos h r g
90o , h 0 液体在毛细管中上升 90o , h 0 液体在毛细管中下降
r r1 cos
农民锄地，不仅可以铲除杂草，且可以破坏土壤中的毛细管， 防止植物根下的水分沿毛细管上升到地表面而蒸发。
Δp = p内－p外= pl - pg
Δp pg
凹液面上弯曲液面的 附加压力为： Δp = p内－p外 = pg – pl
pl
eg: 液体中的气泡
因此定义： Δp p内 p外
方向指向凹面曲率半径中心。
弯曲液面附加压力Δp 与液面曲率半径之间关系的推导：
例：
r
做功使液滴半径增大dr,
则表面积增加dA，体积增加dV。
主要原因:因为微小晶体的饱和蒸气压恒大于普通晶体的饱和蒸气压。
O´C：平面液体的饱和 蒸气压曲线 AO：普通晶体的饱和蒸 气压曲线 A´O´：微小晶体的饱和 蒸气压曲线
p*
A A
O
O
C
Tf < Tf
T
过饱和溶液: 在应当温度下,溶液的浓度已超过了饱和浓度,而仍未析出晶体 的溶液
主要原因:小晶体的溶解度大于 普通晶体的溶解度.
l
C´ C A
O´ O
g
T小 T正常 T
应用：喷洒微小 AgI 颗粒的人工降雨。
过热液体:应当正常沸点沸腾而不沸腾的液体.
p大气压 ∵pi = p静+p大+Δp
pi
静液压p静
∴液体内部产生气泡所需的温度Ti ＞T正
常
产生暴沸。
消除：投入沸石等。
过冷液体:应当凝固而未凝固的液体(如纯净的水可冷却到 -40℃,仍不结冰).
界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区，界 面现象讨论的是在界面上发生的一些行为。若其中
一相为气体，这种界面通常称为表面。
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体或固体的表面
常见的界面有：气-液界面，气-固界面，液-液 界面，液-固界面，固-固界面。
界面现象的本质
最简单的例子是液体及其蒸气组成的表面。
表面分子受到被拉入体相的作用 力。
这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势，并 使表面层显示出一些独特性质，如表面张力、表面吸 附、毛细现象、过饱和状态等。
把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。
比表面表示物质分散的程度，即：
Am A / m
或
常用的吸附剂有：硅胶、分子筛、活性炭等。
有吸附能力的物质——
常用的吸附质有：氮气、水蒸气、苯或环己烷的蒸汽等。
物理吸附与化学吸附：
物理吸附 化学吸附
吸附力
吸附层 吸附热 吸附选择性 吸附可逆性 吸附速率
范德华力
单层或多层 近似等于气体凝结热，较小 无选择性（吸附量可不同） 可逆 快，易达平衡
化学键力（多为共价键）
由此可得：
A G H U ( ) S ,V ,nB ( ) S , P ,n ( )T ,V ,nB ( )T , P ,nB A A A A
B
表面广义自由能定义： 保持相应的特征变量不变，每增加单位表面积 时，相应热力学特性函数的增值。
A G H U ( ) S ,V ,nB ( ) S , P ,n ( )T ,V ,nB ( )T , P ,nB A A A A G 表面自由能(表面吉布斯函数)定义： ( )T , p ,nB A
吸附等温线:
Ⅰ
Va Va Ⅱ Va
Ⅲ
0
p/p*
1
0
p/p*
1
0
p/p *
1
Ⅳ Va Va