第八章 界面化学

固体表面吸附
1.物理吸附与化学吸附
物理吸附时，吸附剂与吸附质之间以范 德华引力相互作用；而化学吸附时，吸附 剂与吸附质分间发生化学反应，以化学键 相结合。
物理吸附
1.吸附力是范德华引力，一般比较弱。 2.吸附热较小，接近于气体的液化热，一般在几个
kJ/mol以下。 3.吸附无选择性，任何固体可以吸附任何气体。 4.吸附稳定性不高，吸附与解吸速率都很快。 5.吸附可以是单分子层的，但也可以是多分子层的。
杨氏(YoungT)方程
2.润湿现象
润湿是固体表面上的气体被液体取代的过程。
润湿的分类 ：沾湿；浸湿；铺展。
习惯上人们更常用接触角来判断液体对固 体的润湿：
把θ＜90°的情形称为润湿； θ＞90°时称为不润湿； θ=0°或不存在时称为完全润湿。
典型题：
1.．若固体不能被液体润湿，
则相应的接触角θ（ ＞）90°。（选填 ＞，＝ 或 ＜）
V a f (T , p)
通常固定一个变量，求出另外两个变量之间的 关系，例如：
(1)T=常数，Va = f (p)，得吸附等温线。 (2)p=常数，Va = f (T)，得吸附等压线。
4.朗缪尔单分子层吸附理论及吸附等温式
单分子层吸附理论要点： （1）单分子层吸附； （2）固体表面是均匀的； （3）被吸附在固体表面上的分子相互之 间无作用力； （4）吸附平衡是动态平衡。
之间的夹角称为接触角(contact angle)，通常用q 表示。
若接触角大于 90°，说明液体不 能润湿固体，如汞 在玻璃表面；
若接触角小于 90°，液体能润湿 固体，如水在洁净 的玻璃表面。
杨氏(YoungT)方程
接触角的大小可以用实验测量，也可以用 公式计算：
cosq g s-g g l-s g l-g
式中γ为比例系数，它在数值上等于当T，p及组
成恒定的条件下，增加单位表面积时所必须对体系 做的可逆非膨胀功。
表面自由能：
g
(
G As
)T
,
p
保持温度、压力和组成不变，每增加单位表
面积时，Gibbs自由能的增加值称为表面Gibbs自
由能，或简称表面自由能或表面能，用符号 g
表示，单位为J·m-2。
表面张力、单位面积的表面功、单位面积的表面吉
（3）压力及其他因素对表面张力的影响 一般是使表面 张力下降。
弯曲液面的附加压力 —拉普拉斯方程
把弯曲液面内外的压力差称为附加压力。
p p内 p外
对球面： p 2g
r
附加压力总是指向球面的球心。
微小液滴的饱和蒸气压——开尔文公式
pl
pl0
ps
2g
r
RT
ln(
pr p
)g
2g
Vm (l) r
2.等温吸附
吸附量的大小，一般用单位质量吸附剂所 吸附气体的物理的量来表示
(1)单位质量的吸附剂所吸附气体的体积。
V a V / m 单位：m3 g-1
(2)单位质量的吸附剂所吸附气体物质的量。
na n / m 单位：mol g-1
对于一定的吸附剂与吸附质的体系，达到吸附 平衡时，吸附量是温度和吸附质压力的函数，即：
2．已知100℃时水的表面张力γ＝58.85mN·m-1，
则100℃水中半径为0.2μm的小气泡的附加压力Δp=（ ）。
3.溶液表面层对溶质B发生吸附，
固体表面会自发地将气体富集到其表面，使气 体在固体表面的浓度（或密度）不同于气相中的浓 度（或密度）。
在相界面上某种物质的浓度不同于体相浓度的 现象称为吸附(adsorbance)。具有吸附能力的固体物 质称为吸附剂(adsorbent)，被吸附的物质称为吸附 质(adsorbate)。
常用的吸附剂有：硅胶、分子筛、活性炭等。
2g M r
这就是Kelvin公式，式中ρ为密度，M 为摩尔质量。
§10.3
固体表面上的原子或分子与液体一样，表面层 分子受力是不对称的，而且不同于液体表面分子即 固体表面分子几乎是不可以移动的。
固体表面是不均匀的，即使从宏观上看似乎很 光滑，但从原子水平上看是凹凸不平的。
但固体可以从表面的外部空间吸引气体分子到 表面，以减小表面分子受力不对称的程度，降低表 面张力及表面吉布斯函数。
把作用于单位边界线上的这种力称为Байду номын сангаас面张力，
用g 表示，单位是N·m-1。
gF
2l
l是滑动边的长度，因膜有两个面，所以边界总长度
为2l，g 就是作用于单位边界上的表面张力。
表面功：
在温度、压力不变的条件下，为使液体增加
单位表面时环境所需要对体系作的可逆功，称为 表面功。用公式表示为：
δW ' g dAs
布斯函数的数值和量纲是等同的。
界面张力及其影响因素
（1）界面张力与物质的本性有关 不同的物质，分子之 间的作用力不同，对界面上的分子影响不同。
（2）温度对界面张力的影响 同一种物质的界面张力 因温度不同而异，当温度升高时物质的体积膨胀，分 子间的距离增加，分子之间的相互作用减弱，所以界 面张力一般随温度的升高而减小。
总之，物理吸附仅仅是一种物理作用，没有电 子转移，没有化学键的生成与破坏，也没有原子重 排等。
化学吸附
1.吸附力是化学键力，一般较强。 2.吸附热较高，接近于化学反应热，一般在 40kJ/mol 以上。 3.吸附有选择性。 4.吸附很稳定，一旦吸附，就不易解吸。 5.吸附是单分子层的。
总之，化学吸附相当与吸附剂表面分子与吸附 质分子发生了化学反应，在红外、紫外-可见光谱中 会出现新的特征吸收带。
讨论：q bp
1 bp
这公式称为 Langmuir吸附等温式，式中b称为吸附系数， 它的大小代表了固体表面吸附气体能力的强弱程度。
1.当p很小，或吸附很弱时，bp<<1，q = bp，q
与 p成线性关系。
2.当p很大，或吸附很强时，bp>>1，q =1，q
与 p无关，吸附已铺满单分子层。
在气、液、固三相交界点，气-液与液-固界面张力
第八章 界面现象
学习要求：
理解界面张力的定义、物理意义； 掌握Laplace方程和Kelvin方程及其应用； 固体表面的吸附重点掌握Langmuir单分子层吸附等 温式； 掌握接触角与润湿作用； 掌握界面吸附、表面过剩及其应用。
表面张力：
在两相（特别是气-液）界面上，处处存在着一种 张力，它可看成是引起液体表面收缩的单位长度上的力， 指向液体方向并与表面相切。