物理化学界面第9章 表面现象总结

第9章表面现象和胶体化学

1 基本概念

1.1界面和表面

不同物质或同种物质的密切接触的两个相之间的过渡区叫界面，如液态水和冰的接触面，水蒸气和玻璃的接触面等等。

表面是指固体对真空或固体和液体物质与其自身的蒸气相接触的面。显然，表面包括在界面的概念之内，但通常并没严格区别两者，“表面”和“界面”互相通用。

1.2 表面能、表面函数和表面功

表面上的物质微粒比他们处于体相内部时多出的能量叫表面能或总表面能。

由于表面的变化通常在等温等压条件下进行，因此这时的表面能实际上就是表面吉布斯函数。

在等温等压下且组成不变的条件下以可逆方式增加体系的表面积时所做的非体积功叫表面功，它在量值上等于表面吉布斯函数。

1.03 表面张力（比表面能）

简单的说，表面张力就是单位面积上的表面能量，即比表面能，因为它与力有相同的量纲，故叫表面张力。实际上，表面张力是表面层的分子垂直作用在单位长度的线段或边界上且与表面平行或相切的收缩力。

1.04 附加压力

弯曲液面下的附加压力是指液面内部承受的压力与外界压力之差，其方向指向曲面球心。

1.5 铺展和铺展系数

某一种液滴在另一种不相溶的液体表面上自行展开形成一层液膜的现象叫铺展，也叫展开。

铺展系数就是某液滴B在液体A的表面上铺展时比表面吉布斯函数的变化值，常用符号为S B/A

1.6 湿润

凡是液体沾湿在固体表面上的现象都叫润湿，其中又分为铺展润湿（液体在固体表面上完全展开），沾湿湿润（液体在固体表面形成平凹透镜）和浸没湿润（固体完全浸渍在液体中），三种湿润程度的差别是：浸没湿润〉铺展湿润〉沾湿湿润

1.7 沾湿功和湿润功

在定温定压下，将单位面积的固-液界面分开时外界所做的可逆功叫沾湿功。这一概念对完全不相溶的两种液体间的界面也适用。

结合功是指定温定压下，将单位面积的液柱拉开时外界所做的可逆功，又叫内聚功。它是同种分子相互吸引能力的量度。

1.08 接触角

液体在固体表面达到平衡时，过三相接触点的切线与固-液界面所夹的最大角叫平衡接触角或润湿角，常用符号θ。例如，

1.09 表面活性物质（表面活性剂）

由亲水的极性基团和亲油的非极性基团组成的能显著降低表面张力的物质叫表面活性物质，又叫表面活性剂，它分离子型和非离子型两大类型，其中离子型表面活性剂又分阴离子型、阳离子型、和两性型三种。1.10 增溶作用

在一种溶剂中加入表面活性物质后，能明显增加原来不溶或微溶于该溶剂的物质的溶解度，这种现象叫增溶作用。如苯不溶于水，加入肥皂后，苯的溶解度大大增加。增溶不同于真正的溶解，主要是促进胶束形成。这种体系是热力学稳定体系。

1.11 乳化作用

两种互不相溶的液体，其中一种以极小的液滴均匀分散到另一种液体里的过程叫乳化作用，这种系统叫乳状液，它是热力学不稳定体系。

1.12 洗涤作用

用表面活性剂（加机械作用）将固体表面的外来物质去掉的过程叫洗涤作用。表面活性剂在这里具体起润湿、乳化、增溶和起泡等综合作用。

1.13 吸附作用—物理吸附和化学吸附

固体和液体表面对气体或溶质的吸着现象叫吸附，起吸附作用的物质叫吸附剂，被吸附的物质叫吸附物或吸附质。吸附又分为物理吸附和化学吸附两类。

物理吸附—由范德华力作用产生的吸附现象。

化学吸附—由化学键力作用而产生的吸附现象。

实际的吸附过程往往同时存在着两种吸附。

1.14 吸附热

在定稳定压下，某吸附剂吸附1 mol 吸附质时所产生的热效应叫吸附质在指定吸附剂上的吸附热，也叫积分吸附热。

1.15 吸附等温式和吸附等温线

在定温下，吸附作用达到平衡时，吸附量与气体吸附质的压力（或溶解浓度）的关系式叫吸附等温式。描述吸附量与气体压力（或溶液浓度）关系的曲线叫吸附等温线。

1.16 吸附活化能

1 mol 吸附质由吸附剂和吸附质相互作用的势能为零的初态变为活化吸附状态所需的能量叫吸附活化能，其量值决定于吸附剂与吸附质的本性，物理吸附的活化能很小，化学吸附的活化能大

2重要公式及意义和使用条件

2.1 表面吉布斯函数变化与表面积的关系式

d G表=γd A（A为面积）(1)

意义：表面吉布斯函数变化与表面积变化成正比。

适用条件：等温等压且组成不变时以热力学可逆方式增加表面积。此式也可改写为

(2)

2.02 拉普拉斯（Laplace）公式

Δp= γ(1/r1+1/r2) (1)

意义：弯曲液面下的附加压力Δp与椭圆液滴的两个半径之倒数的和成正比。

适用条件：表面张力γ为常数，液滴为椭圆或球状。

Δp=2γ/r=Δ ρg h（2）

意义：弯曲液面下的附加压力与液滴或液体中气泡的半径成反比。

适用条件：圆形液滴或液体中的气泡且表面张力γ为常数。

Δp=4γ/r（3）

意义：弯曲液面下的附加压力与空气中球状液膜的半径成反比。

适用条件：表面张力γ为常数，空气中的圆球状液膜（它有内外两个表面）。

2.3开尔文（Kelvin）公式

(1)

意义：表示同种液体的两个液滴的饱和蒸气压与液滴曲率半径的关系。小液滴的曲率半径越小，其饱

和蒸气压P2越大，可解释小液滴比大液滴易蒸发的原因。

适用条件：温度、液体种类、密度和表面张力均不变。

(2)

意义：表示同种液体的液滴(r即r’2)和平面液体()的饱和蒸气压与其曲率半径的关系。液滴

的蒸气压总大于平面液体的蒸气压

适用条件：温度、液体种类、密度和表面张力均不变。

(3)

意义：表示物质的溶解度与其固体颗粒的大小的关系。物质颗粒半径越小，它的溶解度越大。

适用条件：温度一定，物质密度ρ、固—液界面张力γs均不变。

2．4吸附量计算式

（1）

（2）

意义：单位质量的吸附剂在定温下的吸附量与被吸附物的物质的量或气体体积成正比。

适用条件：吸附剂为固体，（1）式可用于任何吸附质，（2）式只用于气体吸附质。

(3)

意义：固体在溶液中的吸附量与溶液浓度差及溶液体积成正比。

适用条件：定温定压下固体在溶液中的吸附，吸附一定要达到平衡。

2.5 吸附热计算式

意义：定温下吸附热与气体平衡压力之对数对温度的偏微商成正比。

适用条件：化学吸附且各次的吸附量相等，故称等量吸附热。

注意：吸附过程中，放热取正值，这与化学反应不同。

2．6 吸附等温式

富兰特里希(Freundlich)等温式：

x/m =kp1/n (1)

意义：吸附量与吸附时平衡气体压力的1/n 次方成正比，n为特征常数，与温度和吸附体系有关。

适用条件：固体对气体的等温吸附。

x/m =kc1/n (2)

意义：吸附量x/m与吸附时溶液的平衡浓度的1/n 次方成正比，n为特征常数。

适用条件：固体在溶液中的等温吸附。

朗缪尔吸附等温式：

(1)

式中：θ=Γ/Γ∞=V/V∞

意义：覆盖θ（或吸附量Γ，或吸附的气体体积V）与吸附平衡压力的关系。K吸为吸附系数。