物理化学界面现象知识点

界面现象

1. 表面张力、表面功及表面吉布斯函数

表面张力γ：引起液体或固体表面收缩的单位长度上的力，单位为N·m -1。

表面功：'δ/d r s W A ，使系统增加单位表面所需的可逆功，单位为J·m -2。

表面吉布斯函数：B ,,()(/)s T p n G A α∂∂，恒温恒压下系统增加单位表面时所增加的吉布斯

函数，单位为J·m -2。

表面吉布斯函数的广义定义：

B()B()B()B(),,,,,,,,(

)()()()S V n S p n T V n T p n s s s s U H A G A A A A ααααγ∂∂∂∂====∂∂∂∂ ',r s T p s W dA dG dA γδ==

表面张力是从力的角度描述系统表面的某强度性质，而表面功及表面吉布斯函数则是从能量角度和热力学角度描述系统表面的某一性质。三者虽为不同的物理量，但它们的数值及量纲等同的，均可化为N·m -1。

在一定温度、压力下，若系统有多个界面，其总界面吉布斯函数：

s i i

s i G A γ=∑

2. 弯曲液面的附加压力、拉普拉斯方程

附加压力：Δp =p 内-p 外 拉普拉斯方程：2p r

γ∆= 规定弯曲液面凹面一侧压力位p 内，凸面一侧压力位p 外；γ为表面张力；r 为弯曲液面的曲率半径，△p 一律取正值；附加压力方向总指向凹面曲率半径中心。

3. 毛细现象

毛细管内液体上升或下降的高度

2cos h r g

γθρ= 式中：γ为表面张力；ρ为液体密度；g 为重力加速度；θ为接触角；r 为毛细管半径。当液体不能润湿管壁，θ>90°即0cos θ<时，h 为负值，表示管内凸液体下降的深度。

4. 微小液滴的饱和蒸汽压——开尔文公式

m 22ln r p V M RT p r r

γγρ== r 为弯曲液面的曲率半径，无论凸凹液面，均取正值；p r 为气泡的饱和蒸汽压；p 为平液面的饱和蒸汽压；ρ为液体密度，M 为液体的摩尔质量，γ为液体的表面张力。

在一定温度下，液滴越小，饱和蒸气压越大；凹液面的曲率半径越小，饱和蒸气压越小。

5. 弗罗因德利希等温吸附经验式

a n V kp =； k 和n 是两个经验常数，是温度的函数。

6. 朗缪尔吸附等温式

1bp bp

θ=+； θ为覆盖率；b 为吸附作用的平衡常数，又称吸附系数；p 为吸附平衡时的气液平衡压力。实际计算时，朗格缪尔吸附等温式还可以写成

b 1b a a m V p V p

=+ 式中a m V 表示吸附达饱和时的吸附量；a V 则表示覆盖率为θ时的平衡吸附量。

朗格缪尔吸附等温式只适用于单分子层吸附。

7. 吸附焓Δads H 的计算

122ads 211

ln RTT p H T T p ∆=-- 公式中，p 1与p 2分别为温度T 1与T 2下，达到相同的平衡吸附量时对应的平衡压力。

8. 杨氏方程

s-g l-s l-g cos γγγθ=+

公式中s-g γ，l-s γ，l-g γ分别表示在一定温度下的固-气。固-液，气-液之间的表（界）面张力；θ为接触角。

9. 沾湿功、浸湿功和铺展功

沾湿 'a W =l-s l-g s-g l-g a (cos 1)0G γγγγθ∆=--=-+< 或θ＜180° 为自发过程

浸湿 'i W =l-s s-g l-g i cos 0G γγγθ∆=-=-< 或θ＜90° 为自发过程

铺展 l -s l -g s -g l -g s (c o s 1)S G γγγγθ-=∆=+-=-- θ=0°或不存在 过程可自动进行 S 为铺展系数，若0S <则不能铺展。

习惯上θ＜90°称为润湿，θ＞90°称为不润湿，θ=0°或不存在时称为完全润湿，θ=180°时称为完全不润湿。

10. 吉布斯吸附等温式

c d ΓRT dc

γ=-⋅ 公式中d c γ为浓度c 时γ随c 的变化率，此公式适用于稀溶液中溶质在溶液表面层中吸附量Г（也称表面过剩）的计算。在一定温度下，当d d 0c γ<时，0Γ>，在溶液表面发生正吸附，该溶质称为表面活性物质。

思考题

1. 比表面吉布斯函数和表面张力的物理意义，单位？ 答：比表面吉布斯函数()

B ,,()T p n s G A αγ∂=∂为恒温恒压及恒定组成下，可逆的增大单位表面时，系统增加的吉布斯函数，单位J· m -2。表面张力为沿液体表面，垂直作用于单位长度上的紧缩力，单位N·m -1 = J· m -2。

2. 纯液体、溶液和固体各采用什么方法来降低表面吉布斯函数以达到稳定状态？

答：液体尽可能缩小表面积，液滴、气泡都是球型；溶液除收缩表面积外，还调节表面浓度(表面吸附)以降低表面吉布斯函数；固体主要靠吸附来降低表面吉布斯函数。

3. 请根据物理化学原理简要说明锄地保墒的科学道理。

答：土壤有很多毛细管，土层中的水可沿毛细管上升到地表被蒸发掉，锄地时，可破坏大量毛细管，防止水分大量蒸发，因而能保墒。

4. 什么叫接触角？

答：在气、液、固三相会合点，液-固界面的水平线和气-液界面切线之间通过液体内部的夹角θ，称为接触角，当θ>90°时，固体不被液体所浸湿。

5. 两块平板玻璃在干燥时，叠放在一起很容易分开，若在其间放些水，再叠放在一起，使之分开就很费劲，为什么？

答：因水能润湿玻璃，在两块玻璃之间的水层呈凹液面，

凹液面产生指向空气的附加压力，将两块玻璃之间的空气赶出，使两块玻璃内外两侧受力