表面和界面现象
物理化学中的表面现象和界面反应
物理化学中的表面现象和界面反应表面现象和界面反应是物理化学领域中的重要课题，涉及到物质与界面的相互作用、表面结构、表面能量等方面。
本文将以此为主题，介绍表面现象和界面反应的基本概念、研究方法以及在生物、化工等领域的应用。
一、表面现象的基本概念表面现象是指物质与界面之间的相互作用过程，包括液体-气体界面和固体-气体界面。
液体-气体界面的表面现象包括液体表面张力和液滴形成，固体-气体界面的表面现象包括液体在固体表面的吸附、界面活性剂的作用等。
表面现象有其固有的特点，例如，液体分子在液体-气体界面上受到复杂的吸附相互作用，导致液滴形成；而在固体-气体界面上，固体表面原子和分子的排列方式与体相有所不同，表现出特定的性质。
二、研究表面现象的方法研究表面现象的方法主要包括表面张力测定、界面活性剂的表面吸附等实验手段。
例如，通过在液体-气体界面加压，测定液滴的半径变化来确定液体表面的张力。
界面活性剂的表面吸附可以通过测定界面剂溶液的表面张力和浓度来推断。
此外，表面和界面的结构也可以通过许多表征手段进行研究，包括拉曼光谱、X光衍射、透射电子显微镜等技术。
这些方法可以直接或间接地揭示表面分子和原子的排列方式、键长、键角等信息。
三、界面反应的原理与应用界面反应是指液体-液体界面或者固体-液体界面上发生的化学反应。
在界面反应过程中，各相之间的相互作用和传递起着重要的作用。
界面反应在生物、化工等领域有广泛的应用。
例如，生物体内的很多生化反应发生在细胞膜界面上；某些化工过程中，通过控制液体-液体界面上的界面反应，可以实现组分之间的选择性分离和传递，提高反应效率。
四、表面化学在材料制备中的应用表面化学是指通过改变固体表面的结构和性质，来实现功能化、修饰和改进材料性能的一种方法。
例如，通过在金属表面形成一层氧化物薄膜，可以提高金属的耐腐蚀性和强度；通过在纳米颗粒表面修饰有机分子，可以实现药物的缓慢释放，用于肿瘤治疗。
除此之外，表面化学在光电子学、传感器等领域也有广泛的应用。
第十章界面现象解析
1 mol 饱和蒸气 (pr)
G2
pr p
Vm
(
g
)dp
RT
ln
pr p
p p
G p
Vm (l)dp
Vm (l)p
M 2 r
RT ln
pr p
Vm
2
r
M
2
r
开尔文公式
1. Kelvin公式可以表示为两种不同曲率半径的液滴或蒸 气泡的蒸气压之比
RT ln pr 2M 2Vm p r r
as As / m或as As /V
3. 多孔硅胶、分子筛、活性炭、纳米材料具有很 高的比表面积
分散度与比表面积
把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。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。
把边长为1cm的立方体1cm3逐渐分割成小立方体：
立方体边长(m)
10-2 10-4 10-6 10-8 10-9
p大气
h
p
产生过热液体示意图
p 2 11780kPa
r
在实验中,为防止液体的过热现 象,常在液体中投入一些素烧瓷 片或毛细管等物,因为这些多孔 性物质的孔中储存有气体,它们 成为新相的种子,使液体的过热 程度大大降低
过冷液体
过冷液体:应当凝固而未凝固的液体 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。
p
C
O’ O
.A‘ A
0
Tf’ Tf
t
产生过冷液体现象示意图
在过冷液体中,加入小晶体作为 新晶种,则能使液体迅速凝固
过饱和溶液
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.
物理化学中的表面现象与界面反应
物理化学中的表面现象与界面反应表面现象是指在物质的表面上出现的各种物理和化学现象。
物质表面与外部环境之间存在一个界面，即物质界面，它是物质内部与外部之间的接触面。
在界面上，物质的性质和结构发生改变，出现了许多特殊的现象，如：界面张力、表面活性、润湿和粘附等。
这些现象的研究是物理化学的重要内容。
一、表面张力表面张力是指作用于单位长度的表面力。
它是由于表面层的分子流动相互作用力而产生的，是表面层中分子间的相互吸引力所造成的。
在液体表面上，分子间相互吸引，使分子排列紧密并减少对表面外侧的吸引，形成了表面张力。
表面张力的大小与表面层的分子结构及温度、压强等因素有关。
二、表面活性表面活性是指某种物质在其水溶液或油溶液中，能够降低界面张力、提高界面活性和增强润湿性的一种特殊的物理化学现象。
表面活性物质分子结构多样，但一般具有亲水性头部和疏水性尾部。
它们在水溶液中通常以胶束的形式存在，胶束内部的疏水尾部朝向内部，亲水头部朝外面与水相接触，从而降低了水的表面张力。
三、润湿现象润湿是指液滴在固体平面上的表现。
液滴的表面张力使它尽量减少表面积，因此，液滴在平面上呈现出高度凸起的形状。
但当液态物质的表面张力小于或等于固体表面的吸引力时，会出现润湿现象。
液态物质能够在固体表面自由流动且无限制地扩散，这是因为在液态物质和固体表面之间形成了一层“滑动层”，如果在固体表面上形成了一个无透性层，则不能发生润湿现象。
润湿现象在实际应用中很常见，如涂装、工业表面处理等。
四、粘附现象粘附是一种介于吸附和润湿之间的现象。
即在两种物质的接触面上，发生一种相互吸引的力，使物质结合紧密，难以分离。
粘附现象常出现在固体表面和模具、工具等接触的磨损、过热等现象中。
粘附强度与粘附面积、表面结构、粘接物质量等因素有关。
五、界面反应界面反应是指在两种物质的界面处发生的各种化学反应。
它与表面化学、电化学等密切相关，并在制药、冶金、电子、材料等领域具有广泛的应用。
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/A1.6 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。
化学物理中的界面现象与表面反应
化学物理中的界面现象与表面反应在化学物理学中，界面现象与表面反应是研究物质与界面、表面之间相互作用的重要领域。
界面现象是指物质与界面之间产生的物理现象，如表面张力、接触角等；而表面反应则是指发生在物质表面的化学反应。
一、界面现象1.表面张力表面张力是液体表面各点之间的相互作用力。
具体来说，液体表面各处的分子组成不同，内部的分子仍然受到液体内部的相互作用力，而表面上的分子只能受到一侧的相互作用力，这就导致表面上的分子有向下的趋势，而这种向下的趋势就是表面张力。
例如，我们把一根干净的细棒插入一杯水中，可以发现水面会稍稍上升，这就是水分子在表面张力的作用下向外抬起细棒。
表面张力影响着液体的形态，使得液体在排斥进一步收缩形态，从而使得液滴成为尽可能球形的形状。
同时，在界面上的物质转移以及表面活性剂的作用下，表面张力也起到了重要的作用。
2.接触角接触角是表面张力和性质的一个体现，是形成于固体表面和液体之间的，已知液体的表面张力和固体表面对该液体不感性的程度。
按照定义，接触角α 角为液体和固体表面接触在一个贯穿液面和固体交界面的线上时，线上端点所扫过的角度。
易受环境因素影响的表面现象还有溶液表面的吸附现象。
溶液中的赖屯分子聚集在其表面，使表面张力增加，造成液面凹陷，称为溶液的表面凹陷。
二、表面反应表面反应指的是在物质表面发生的化学反应。
表面反应的机制有两种：“电化学反应”和“理化反应”。
1.电化学反应在电化学反应中，化学反应的发生是通过在电极上加电而引起表面电荷变化，从而促使反应发生。
电化学反应常常结合了电化学过程、动力学和反应热力学三个方面来研究。
在电化学反应中，电势的变化是关键参数之一。
在反应过程中电势变化并不是线性的，而是富含非线性项，这对于预测和解释表面反应的活性和选择性是非常具有挑战性的。
2.理化反应与电化学反应相比，理化反应是更加广泛的表面反应机制，其中包括了表面化学、液固相化学、气固相化学等多种机制。
材料科学中的表面与界面现象
材料科学中的表面与界面现象引言表面与界面现象是材料科学中一个极为重要的研究领域。
无论是在材料的合成、加工、性能研究还是应用开发中，表面和界面都扮演着至关重要的角色。
本文将从表面与界面的定义、表面和界面的性质以及表面与界面的应用等方面进行探讨，希望能够对读者对材料科学中的表面与界面现象有一个全面的了解。
表面与界面的定义在材料科学中，表面是指材料与外界相接触的边界部分，它是材料与外界进行物质和能量交换的重要场所。
表面能够直接反映材料的性质和特征，并且表面的性质往往与材料的体积相差较大。
界面是指两个或多个不同材料之间的接触面，它是不同材料之间相互作用的场所。
界面处的物理和化学变化可以导致材料的性能发生显著的变化，因此对界面的研究在材料科学中具有重要意义。
表面和界面的性质表面的性质材料表面的性质主要包括表面能、表面形貌和表面化学组成等。
表面能是指材料表面上的内能与外界的能量之间的交换能力，它直接反映了材料与外界的相互作用强度。
表面形貌则是指材料表面的形状和结构特征，它影响着材料的摩擦、磨损、光学和电子等性能。
表面化学组成是指材料表面元素的种类和分布情况，它决定着材料的表面反应活性和化学稳定性。
界面的性质界面的性质主要包括界面能、界面形貌和界面化学组成等。
界面能是指两个不同材料的接触面上的内能与外界能量之间的交换能力。
界面形貌则是指不同材料接触面的形状和结构特征，它对表面应力、界面强度和界面位错等起着重要作用。
界面化学组成是指两个不同材料接触面上化学元素的种类和分布情况，它决定了界面反应的速率和界面附着力。
表面与界面的应用表面与界面的性质在材料科学中具有广泛的应用价值。
以下将介绍几个常见的应用领域。
表面涂层技术表面涂层技术是指将附加层覆盖在材料表面上，以提高材料的性能和增加其使用寿命。
表面涂层技术广泛应用于防腐、耐磨、导热、导电等方面。
例如，汽车制造中常用的喷涂技术可以在汽车外部覆盖一层防腐、防划伤的漆膜，提高汽车的耐用性和外观质量。
材料物理学中的表面和界面现象
材料物理学中的表面和界面现象材料物理学是研究物质的性质及其与外界相互作用的学科，而表面和界面现象则是材料物理学中一个重要的研究领域。
表面和界面现象的研究对于理解材料的性质和开发新型材料具有重要意义。
本文将从表面和界面的定义、性质以及应用等方面进行探讨。
表面是物质与外界相接触的部分，它通常与内部相比具有较高的能量。
表面现象是指物质的表面所表现出的特殊性质和现象。
表面现象的研究对象包括表面能、表面张力、表面活性等。
表面能是表征物质表面能量的物理量，它是单位面积的表面所具有的能量。
表面张力是指液体表面上的分子间相互作用力，它使液体表面趋向于收缩，形成一个尽可能小的表面积。
表面活性则是指物质在界面上的吸附现象，使界面上的分子排列有序，形成一层分子膜。
界面是两种不同物质之间的接触面，它具有特殊的物理和化学性质。
界面现象是指两种不同物质接触时所表现出的特殊性质和现象。
界面现象的研究对象包括界面能、界面电荷、界面扩散等。
界面能是指两种不同物质接触时所产生的能量变化，它决定了物质在界面上的吸附和反应行为。
界面电荷是指界面上的电荷分布情况，它对于界面的电荷传递和电子转移等过程起着重要作用。
界面扩散是指两种不同物质在界面上的扩散过程，它影响着物质的相互渗透和传输。
表面和界面现象在材料科学和工程中具有广泛的应用价值。
首先，表面和界面现象对于材料的界面反应和界面控制具有重要意义。
在材料加工和制备过程中，界面反应和界面控制是实现材料性能优化的关键环节。
通过研究表面和界面现象，可以有效地控制材料的界面结构和界面性质，从而改善材料的性能和功能。
其次，表面和界面现象在材料的粘附和润湿等方面也具有重要应用。
例如，在涂层材料中，表面张力的控制可以实现涂层的均匀覆盖和附着力的增强；在生物医学领域，通过改变材料表面的亲水性或疏水性，可以实现对生物体的粘附或排斥。
此外，表面和界面现象还在材料的电子输运、热传导和光学性能等方面有着重要的应用。
表面与界面知识点总结 -回复
表面与界面知识点总结 -回复
表面与界面知识点总结：
1. 表面现象：由于固体表面分子的结构不同于其内部，故表面分子有一些特殊的性质，如表面张力、表面能、界面张力等。
2. 表面张力：由于表面分子受到相邻分子的吸引力而对内聚性较强。
表面张力可由液滴的形态及表面积变化计算出来。
3. 表面能：由表面分子吸引而形成的表面存在着一定能量，该能量称为表面能。
表面能越大，表面张力越强。
4. 界面张力：液体与气体、液体与固体之间的接触面上会形成界面张力。
液体-气体界面张力使液体产生球形，液体-固体界面张力使液滴变成半球形。
5. 单层分子膜：将一种分子吸附在固体表面上形成的单层分子膜，具有一定的表面活性和润湿性。
6. 表面增强拉曼散射（SERS）：将分子吸附在纳米金属表面上，可在表面增强的作用下使与特定振动光谱相关的光谱峰增强数千倍。
7. 多相反应催化剂：多相反应催化剂是将催化剂固定在固体表面上，可在多相催化反应中提高反应速率和选择性。
8. 界面化学：研究不同相之间的相互作用及二者之间的交换现
象的学科，包括了表面化学、胶体化学等方面的研究。
9. 分散体系：由于存在各种散体而形成的体系，如泡沫、乳液等。
在这些分散体系中，表面的性质是十分重要的。
物理化学中的表面性质与界面现象
物理化学中的表面性质与界面现象在物理化学领域中，表面性质与界面现象是一项重要的研究内容，它涉及到物质的各种表面现象及其在界面上的行为。
表面性质与界面现象的研究对于理解和掌握物质的特性及其应用具有重要意义。
本文将介绍表面性质与界面现象的相关概念、表面张力、胶体稳定性和浸润现象等方面内容。
一、表面性质的概念与研究方法表面性质是指物质在固液、液气等相接触的界面上表现出的特性和行为。
它与物质内部性质的差异密切相关，表面性质的研究对于理解物质的特性和改性以及应用具有重要意义。
研究表面性质的方法主要有表面张力测量、接触角测量、X射线光电子能谱（XPS）等。
二、表面张力的概念与测量表面张力是指液体分子表面层与内部层之间由于分子间相互作用力引起的表面收缩现象。
表面张力决定了液体的形状和质点受力，表现为液滴的定型和液体的流动性质。
表面张力的测量方法主要有浸渍法、半球法和沉降法等。
三、胶体稳定性的研究胶体是由微细颗粒悬浮于连续介质中所形成的系统。
胶体稳定性是指胶体系统中颗粒与连续介质之间的相互作用所表现出的稳定性。
胶体稳定性的研究是物理化学中一个重要的研究领域，涉及到胶体的形成、稳定机制以及其在生物、医药领域的应用等。
常见的胶体稳定机制包括电双层排斥、溶剂化和吸附等。
四、浸润现象的原理与应用浸润是指固体表面与液体接触时，在界面处发生的物理化学现象。
它与表面能、接触角以及界面张力等相关。
浸润现象在材料加工、润湿性研究以及生物医用材料等领域有着广泛的应用，对于材料表面特性及其性能改善具有重要意义。
总结：物理化学中的表面性质与界面现象是一门重要的学科，涉及到物质在界面上的各种行为和特性。
研究表面性质与界面现象对于理解物质的性质、设计新材料以及改善现有材料的性能具有重要意义。
本文简要介绍了表面性质与界面现象的相关概念，包括表面张力、胶体稳定性和浸润现象等方面的内容。
深入研究和应用表面性质与界面现象将会对未来的科学发展和技术创新产生深远的影响。
第3章 表面与界面现象及应用基本原理
平衡条件下, G = 0,因此:
γSG－γSL＝γLGcosθ
17
杨氏方程拓展：
结合前面的定义，则有:
黏附功
Wa SG SL LG LG (cosq 1)
浸润功 铺展系数
当 q 180o 时，Wa 0
Wi SG SL LG cosq
当 q 90o 时，Wi 0
SL/G SG LG SL LG (cosq 1)
当 q 0o 或不存在时，S 0
原则上说，测定了液体表面张力和接触角即可得到粘附 功、浸润功和铺展系数的数值，从而解决了应用各种润
湿判据的困难。
例如: 为什么光滑玻璃或棉布上受到油垢玷污时
不易被水润湿？
第3章 表面与界面现象及应用基本原理
3.1 润湿现象 3.2 固体表面的吸附现象 3.3 界面光电现象
1
3.1 润湿现象
2
落汤鸡
落汤鸭？？
3
• 宏观上，润湿是指一种流体被另一种流体从固体 表面或固－液界面所取代的过程；微观上，润湿 固体的流体，在置换原来在固体表面上的流体后， 本身与固体表面是在分子水平上的接触，它们之 间无被置换相的分子。
杨氏方程的应用条件是理想表面，即指固体表面是组成均
匀、平滑、不变形(在液体表面张力的垂直分量的作用下)
和各向同性的。
16
热力学推导杨氏方程：
设停于固体表面上的液滴在平衡条件下扩大固液界面面 积dA，相应的气液界面面积的增值为dAcos(qdq)，体 系自由能变化为:
G = γSGdA－γSLdA－γLGdAcos(θ-dθ)
式中，γSG、γSL和γLG分别为气－固、气－液和液－固界面 的界面张力。
第二章表面与界面现象
properties of solid surface
• surface roughness: uneven Surface roughness is defined as the ratio of real surface area to the plan area, and it is larger than 1 for all practical surfaces.
当我们用“表面”这个词的时候，是用来指某个“单相”的物理边界， 比如固体表面和液体表面等。
Interface and surface
In reality, we deal with an interface in all cases other than absolute vacuum conditions for solids, since every single phase is in contact with another phase such as solid–air,liquid–air contacts.
Adsorption and absorption
The term sorption encompasses both processes(adsorption and absorption), while desorption is the reverse of it. Adsorption is a surface phenomenon.
Wettability and repellency
Water droplet immersed in oil and resting on a brass surface
Same fluids as above, but resting on a glass surface
表面活性剂与界面现象
表面活性剂的分子自组装
谢 谢！
O(C2H4O)yH
(4)多元醇OH 型 主要是失水山梨醇的脂肪酸酯及其聚氧乙烯加成物
Span类 及 Tween类表面活性剂即属此类 具有低毒的特点，广泛用于医药工业、食品工业以及生化实验
常用表面活性剂
Gemini表面活性剂
在Gemini表面活性剂中,两个离子头基是靠联接基团通过化 学键而连接的,由此造成了两个表面活性剂单体离子相当紧密的 连接,致使其碳氢链间更容易产生强相互作用,即加强了碳氢链间 的疏水结合力,而且离子头基间的排斥倾向受制于化学键力而被 大大削弱这就是 Gemini 表面活性剂和单链单头基表面活性剂相 比较,具有高表面活性的根本原因。
表面活性剂
表面活性剂的重要作用
表面活性剂的用途极广，主要有五个方面：
1.润湿作用 2.起泡作用 3.乳化作用 4.增溶作用 5.洗涤作用
表面活性剂的分类
表面活性剂通常采用其极性基团的结构来分类，
表面活性剂
离子型
阳离子型 阴离子型 两性型
非离子型
阳离子型和阴离子型的表面活性剂不能混用， 否则可能会发生沉淀而失去活性作用。
常见的界面:
1.气-液界面 2.气-固界面 3.液-液界面
4.液-固界面
5.固-固界面
界面研究
界面现象（interface phenomenan）：
凡是在相界面上所发生的一切物理化学现象统称为界面 现象或表面现象（surface phenomenan）。
界面特性：
处于任何相态的任何物质的表面与其体相比较, 二者在 组成、结构、分子所处的能量状态和受力情况等方面均 有差别。 系统界面增加会影响系统性质而呈现出特殊现象。
洗涤性能良好，常作为特殊洗涤剂
材料科学中的表面和界面现象
材料科学中的表面和界面现象表面和界面现象是材料科学领域中最重要的研究方向之一。
在材料工程、物理、化学等领域中，表面和界面现象的研究是其中的核心内容。
表面和界面现象涉及到材料表面和界面的结构、性质、热力学和动力学等方面的内容。
本文将介绍表面和界面现象的基本概念，探究其在材料科学中的重要性，并从多个角度阐述表面和界面现象在材料科学中的应用。
一、表面和界面现象的基本概念表面是指材料与周围环境相接触的部分，是材料的最外层。
表面现象是指固体表面的物理和化学性质与固体本身不同的性质，包括表面能、表面物理化学反应和表面反应动力学等。
界面是指两个物质相互接触的界面，由于接触必然引起界面区域的变化，所以界面现象与表面现象有许多相似之处。
界面现象包括表面张力、粘附力、润湿性等。
表面张力是指基于表面吸附机理，类似于薄膜的张力作用。
粘附力则是由表面间的物理吸附和化学反应产生的相互吸引力，常常涉及界面界面的剪切方面或接触角等方面。
表面和界面现象是由材料表面或界面上的分子作用产生的，其中动力学因素如扩散和迁移等也是相当重要的。
扩散是物质分子的自发移动，在固体表面和界面处的扩散通常比在体积中会大得多。
在材料科学中，表面和界面现象可以用于改良材料的性质和性能。
二、表面和界面现象在材料科学中的重要性表面和界面现象在许多材料科学领域中都有着广泛的应用。
例如，这些现象可以用来控制材料的力学性能、光学性能、热学性能，以及用作催化剂、杀菌剂等方面。
用于工程材料的粘附剂、涂层技术以及材料加工中的冶金技术通常都涉及到表面和界面现象的应用。
表面状态和化学特性对于颗粒物和纳米结构材料的制备和应用有着重要的影响。
表面和界面现象也成为创新材料设计的基础，包括涂层材料的设计、减小接触角的材料（如超疏水、超疏油材料）的制备、双氧水气泡杀菌、合金制备、新催化剂的研究等。
另外，表面和界面现象在电子器件中也起着重要的作用，像皮肤感应器、高分子材料、太阳能电池、传感器、LED材料等。
材料物理化学-第五章 表面与界面
us
ub—破坏化学键所需能量 us—表面能 ⑵离子晶体的表面能
0
1 2
ub
L sU N
0
(1
n is n ib
)
r0—0K时的表面能； LS—1m2表面上的原子数； nis、nib—分别表示第i个原子在晶体表面和晶体体内最邻近的原子数; Uo—晶格能； N—为阿佛加德罗常数。 说明： 实际表面能比理想表面能的值低，原因可能为： (1)可能是表面层的结构与晶体内部相比发生了改变，表面被可极化的氧离子所屏 蔽，减少 了表面上的原子数。 (2)可能是自由表面不是理想的平面，而是由许多原子尺度的阶梯构成，使真实面积比理论 面积大。
材料物理化学
湖南工学院
面，质点排列的周期重复性中断，使处于表面边界上的质点力场对称性破坏，表现出剩余的 键力， 称之为固体表面力。 （2）表面力的分类： 1.长程力：作用范围较范德华力大得多，两相分子间的分子引力，实质是范德华力。 2.范德华力：A-静电力（极性分子之间）；B 诱导力（极性与非极性分子）；C 色散力 （非极性分子之间） 5.1.2 晶体表面结构 晶体表面的成分和结构都不同于晶体内部，一般大约要经历4-6个原子层之后才与体内 基本相同，晶体表面实际上只有几个原子层范围。在晶体内部质点处在一个对称立场，但在 晶体表面表现出剩余的键力，即固体的表面力。液体通过改变表面的形状，力图形成球形表 面来降低系统的表面能；晶体质点不能自由流动，只能借助于晶体表面结构的改变来降低表 面能。 降低表面能一般有两种方法： 1.表面质点自行调整 ⑴将低表面能的晶体暴露在表面上 ⑵通过表面弛豫 ⑶通过表面重构 2.表面的成分偏析和表面对外来原子的的吸附以及这两种的相互作用 一、晶体表面的微观排列状态（维尔威结构学说） 1.弛豫过程：表面层负电子外侧不饱和，电子云将被拉向内侧正离子一方，极化变形，通过 电子云极化变形来降低表面能过程（瞬间完成改变表面层键性）。见P149 图5.4 2.重排过程：晶格必须稳定，作用力大，极化率小的正离子应处于稳定位置，正离子向内负 离子排斥向外——重排。见P149 图5.5 3.表面双电层：离子键逐渐过渡为共价键，表面为一层负离子所屏蔽——表面双电层。见 P149 图5.6和图5.7。 4.表面等负性：易吸附正离子。 5.双电层厚度由极化程度来决定，并影响表面能和硬度（极化变形大—表面能小—硬度 小）。 二、注意： (1)上述作用，随着向晶体内部深入而递减，对晶体而言，经过4~6层后，原子排列与晶体内 基本接近(晶格常数差小于0.1A)。 (2)与晶体内部相比，表面层离子排列有序度降低，键强数值分散。
表面和界面现象
乃至民国时期，西方制皂术传入我国，国人改用肥皂（当时 称为“洋胰子”）以前都一直在使用。 约在1890年上海才有了第一家生产肥皂的工厂。
5
表面张力和表面自由能 1. 界面： 物质相与相之间的分界面 包括气液、气固、液液、液固和固固 表面： 包含气相的界面(气液，气固)
20
表面和界面现象
表面张力和表面自由能 1. 界面：
21
表面和界面现象
1.2 表面张力和表面自由能 1. 界面：
22
表面和界面现象
将一含有一个活动边
框的金属线框架放在
肥皂液中，然后取出
悬挂，活动边在下面。
由于金属框上的肥
皂膜的表面张力作用，
可滑动的边会被向上
30
拉，直至顶部。
表面和界面现象
表面张力和表面自由能 2.表面张力 (3)液膜实验
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=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。
油的14%--20%，曾作为DDT乳油的乳化剂。 土耳其红油（Turkey Red Oil）又称为太古油、茜草油、红油、
渗透油CTH磺化蓖麻油，主要成份的化学名称为蓖麻酸硫酸 酯钠盐，分子式为C18H12O6Na2分子量为390.4。
8
表面和界面现象
1. 表面活性剂与洗涤剂 第一次世界大战期间， 德国油脂缺乏，需寻找非油
为解决这个问题，发展出第一个磺化油－土耳其红油。这是 蓖麻油与硫酸反应的产物。后来又发展了深度硫酸化技术， 改进产品质量。
第十章 界面现象
G A N 4 r 2 3m r 3 3 0.486 1.0 10 J 8 7 10 4 1.36 10 2
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。 水平液面：r →∞，Δp→0，（并不是 = 0） ④ Δp的方向永远指向球心。
p (
1 1 ) r1 r 2
广义—Laplace方程 石油化工学院
物理化学
思考题
空气中的肥皂泡
4 p r
§10.2 表面张力
二、影响表面张力的因素
（3）压力的影响 界面张力一般随压力的增加而下降。
物理化学
一般：p↑10 atm, ↓1 mN/m，例:
1 atm 10 atm
H2O = 72.8 mN/m H2O = 71.8 mN/m
石油化工学院
物理化学
例1 293K时，将1.0×10－3kg汞分散成直径为7.0×10－8m 的微粒，试求该过程的∆G。已知汞的密度为 1.36×104kg· m－3，该温度时汞的表面张力为0.486N· m－ 1。 解： 设质量为 m 的汞的体积用 V 表示，则分散成半径 为 r 的微粒数目 N 为：
一、表面张力
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 (a) 形成一液膜。 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 (b) 内侧张力消失，外侧表面张力立即将 线圈绷成一个圆形，见(b)图，这清 楚地显示出表面张力的存在。
90o ,凹液面， h 0 液体在毛细管中上升
表面张力
发泡作用
6起泡和消泡作用
泡沫形成主要是合成洗涤剂中活性物定向 吸附作用，是气体-溶液两相界面张力所致， 泡沫产生对洗涤剂的洗涤效果一般影响不大， 但是泡沫对洗涤剂的携污作用，还是有帮助的 因为一部分污垢质点可以被洗涤剂的泡沫膜粘 附，随同泡沫漂浮到溶液表面，但泡沫过多或 泡沫经久不消除，对洗涤各种仪器是不利的， 尤其是洗衣机使用泡沫较多的洗涤剂不太受欢 迎。
水，水分子也含有氧，所以他们某
些物理性质比较相近。我们把 H2SO4硫酸、氨水（NH3.H2O）、 甲酸（HCOOH）都是亲水性的。COO基团（羧基）含有氧，具有具 有亲水性，所以叫做亲水基
•表面活性剂分子都是两亲分子
•亲油基使得表面活性剂分子有溶于油相 的倾向（汽油、煤油、动植物油、各种 脂肪烃芳烃化合物，一些不与水相容的 液体有机物等）
3乳化作用-乳液的类型和鉴别方法
2）混合法 乳状液容易分散到构成外相的液体中 将乳状液滴入水中，若能充分分散并 溶解于其中，则（O/W） 反之（W/O）
3乳化作用-乳液的类型和鉴别方法
3）滤纸润湿法 将乳状液滴在纸上，如液体能快速的 向四周渗入，最后在滤纸中心留一个小 油滴（O/W） 若液滴不能很快在滤纸上展开，而是 液体周围出现油渍（W/O）
2影响润湿作用因素 （）
• 固体表面的结构和粗糙程度 • 液体的粘度 • 电解质加入
3乳化作用
两种互不相容的液体混合后（如水和 煤油），经激烈振荡后，油层被粉碎成 细滴，互相混合，成为混合体；但停止 振荡，水和油又重新分为油层和水层。
乳化作用
3乳化作用
如果在水中加入少许表面活性剂，再 用力振荡，则油滴被分散成极细的液滴， 分散了的粒子间包覆一层吸附薄膜，可 防止粒子凝聚，而形成一种稳定的乳液， 这种现象称为乳化。
界面现象
V = (4/3)πr3 dV=4πr2dr
因此：
△P 2
r
适用于任意曲面的杨－拉普拉斯公式：
Pg r 附加压力与曲率半径的关系
△P ( 1 1 )
r1 r2
球形表面: 圆柱形曲面: 平液面:
r1=r2=r r1=∞ r1=r2=∞
ΔP = 2σ/r ΔP = σ/r ΔP = 0
F B B'
σ=F/l=F/2l′
表面张力示意图
σ：比例常数，是作用于液面上单位长度线段上的力,即表 面张力,单位是N.m-1.
3 影响表面吉布斯能的因素
a 表面张力的大小与液体或固体中的分子间力或化学键力 有关,一般：
σ(金属键) > σ(离子键) > σ(极性共价键) > σ(非极性共价键)
b 表面张力一般随温度升高而降低。这是由于随温度升 高分子动能增加，分子间相互作用力减弱，并且升高温度 会使液体与气体的密度差减小，使表面层分子受液体内部 分子的拉力减小，因而σ降低。
结论：a. 附加压力和曲率半径的大小成反比，液滴越小， 液体受到的附加压力越大。 b. 凹液面的曲率半径为负值，因此附加压力也是 负值，凹液面下的液体受到的压力比平液面下的 液体受到的压力小。 c. 附加压力的大小和表面张力有关，液体的表面 张力大，产生的附加压力也较大。
问题：用上述公式解释自由液滴和气泡都呈球形的原因？
2 固体表面的润湿 (1) 固体的润湿 润湿：指表面上一种流体被另一种流体所取代的过程。
分类：粘湿：固体和液体接触形成固液界面的过程。 浸湿：固体浸入液体形成固液界面的过程。
铺展润湿：液体铺展在固体表面而形成固液界面的过程。
粘湿
浸湿
铺展润湿
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
渗透油CTH磺化蓖麻油，主要成份的化学名称为蓖麻酸硫酸 酯钠盐，分子式为C18H12O6Na2分子量为390.4。
8
表面和界面现象
1. 表面活性剂与洗涤剂 第一次世界大战期间， 德国油脂缺乏，需寻找非油
表面活性剂与洗涤剂 20世纪80年代和90年代，国际表面活性剂和洗涤剂
行业有两个新潮。 ―为使用新型表面活性剂烷基多苷，它具有良好的
应用性能、生物相容性、环境相容性和原料可再生 性。而中国人用了上千年的皂角就属于这一类。 另一个新潮是使用多种酶制剂－脂肪酶、蛋白酶、 淀粉酶、纤维素酶等，以分解各种污物，达到前所 未有的洗涤效果。 我们的祖先在1000年以前就应用了这个原理，创造 出猪胰洗涤剂。
1. 表面活性剂与洗涤剂 人类认识表面活性剂是从洗涤剂开始的。
在历史上的一段时间内，洗涤剂，甚至皂，就作为 表面活性剂的同义词而使用。洗涤剂的起源已久远 得无法考证。最早使用的皂是羧酸的碱金属盐类。
据记载，幼发拉底河流域的苏美尔人早在公元前 2500年、腓(féi )尼基人在公元前600年就知道用羊油 和草木灰制造肥皂的方法——将两者共沸。
脂产品的洗涤剂。由于德国煤炭产量颇丰，于是转 向开发煤焦油衍生物，从而发展了短链烷基萘磺酸 盐类表面活性剂。 主要是丙基萘磺酸盐、丁基萘磺酸盐……癸基萘磺酸 盐，统称为Nekal。因其皆为固体粉末，而且水溶液 润湿性能较好，故中文译作拉开粉。 通常是1-3个烷基取代的萘磺酸盐混合物。
9
表面和界面现象
2
表面和界面现象
冰淇淋是我们最喜爱的食物；有了洗涤剂我们的生 活才能如此美好。若没有表面活性剂，这两样东西 都不会有。这真是太可悲了。
但是，如果真的没有了表面活性剂，也不会有人为 没有冰淇淋和洗涤剂而哭泣。因为没有表面活性剂， 人也没有了。
——英国著名界面化学家Clint
3
表面和界面现象
1.1 前言
同“浣”。 )，记录了前人用草木灰洗涤衣帽的实践。 到魏晋时期有了两种独特的洗涤剂:皂角和猪胰。 这两种洗涤剂在中华大地长期使用上千年，直到清朝末年、
乃至民国时期，西方制皂术传入我国，国人改用肥皂（当时 称为“洋胰子”）以前都一直在使用。 约在1890年上海才有了第一家生产肥皂的工厂。
5
表面和界面现象
为解决这个问题，发展出第一个磺化油－土耳其红油。这是 蓖麻油与硫酸反应的产物。后来又发展了深度硫酸化技术， 改进产品质量。
7
表面和界面现象
1. 表面活性剂与洗涤剂 土耳其红油（Sulfonated castor oil ）是由蓖麻油和浓硫酸在较
低的温度下反应，再经过氢氧化钠中和而成。 该物质具有一定程度的抗硬水能力，但用量较大，一般占乳
6
表面和界面现象
1. 表面活性剂与洗涤剂 从世界范围来说，直到1850年，肥皂一直是用手工方法大量
生产并使用的唯一表面活性剂。 正是在19世纪中叶，一方面肥皂开始实现工业化大生产，另
一方面也出现了化学合成的表面活性剂。实际上，这是由于 纺织工业的发展，在原料处理和染色过程中要求良好的洗涤 剂和润湿剂的结果。 应用中发现肥皂存在致命的弱点:不耐硬水、不耐酸。在天然 水中会产生皂垢、形成沉淀，影响使用效果。这使它不仅失 去洗绦和润湿功能，而且会粘在衣物上反而成了污物。
10
表面和界面现象
1. 表面活性剂与洗涤剂 近半个世纪中，随着生产和生活水平提高，对洗涤剂的要求
也越来越高。 例如，要求洗涤剂洗涤效率高，对皮肤和粘膜的剌激性小，
同时对织物和头发具有柔软功能，对环境不造成污染，易于 生物降解等等。 由此发展出多种类型的数百种表面活性剂商品。不仅如此， 表面活性剂科学与技术的发展加深了对表面活性剂性质和功 能的认识，表面活性剂的应用范围不断扩大。
11
表面和界面现象
Hale Waihona Puke 1. 表面活性剂与洗涤剂虽然现在洗涤剂仍然是表面活性剂的应用大户，但是洗涤剂 早已经不能作为表面活性剂的同义词。
从应用的角度来看，表面活性剂巳作为乳化剂、润湿剂、起 泡剂、加溶剂、分散剂、减水剂、织物柔软剂、催化剂、防 水剂、防污剂、润滑剂、防酸雾剂、防尘剂、防腐剂、铺展 剂、增稠剂、透膜剂、浮选剂、流平剂、防结块剂、抗静电 剂、表而改性剂等数十种功能试剂而应用于许许多多传统工 业和高新技术领域。
1. 表面活性剂与洗涤剂 20世纪30年代，长链烷基芳基(苯基)磺酸盐出现于美国。两
者皆有良好的洗涤性能。 第二次世界大战结束后，烷基苯磺酸盐几乎独占洗涤剂领域，
而烷基硫酸盐则主要用于香波和化妆品等个人卫生用品。 同时，从石油得到了廉价的乙烯，并发展了乙烯氧化生成环
氧乙烷和聚氧乙烯化技术，非离子表面活性剂的生产和应用 迅速发展，成为表而活性剂市场的重要角色，大大促进了液 体洗涤剂的发展。
表面和界面现象
1
表面和界面现象
表面活性剂是一大类有机化合物。它们的性质极具特 色，应用极为灵活，广泛，有很大的实用价值和理论 意义。可以说，它们古老而年轻。
表面活性剂一词来自英文surfactant。它实际上是 短语surface active agent的缩合词。在欧洲，特别是 有关的工业界和应用技术人员常用tenside来称呼此类 物质。
它们虽然并不是各工业产品的主体，但却能在各种产品的生
产中起到画龙点睛的作用。
12
表面和界面现象
2. 常用洗涤剂
13
表面和界面现象
2. 常用洗涤剂
14
表面和界面现象
2. 常用洗涤剂
15
表面和界面现象
2. 常用洗涤剂
16
表面和界面现象
2. 常用洗涤剂
在罗马时代的庞贝遗址中就发现了制皂的遗迹，还
有制成的仍可以使用的皂。到13世纪就出现了商品
肥皂。
4
表面和界面现象
表面活性剂与洗涤剂 我们中华民族有着独立的、辉煌的古代文明，同样也发展了
自己的早期洗涤剂。 最晚在周代(公元前800年左右)已经知道利用草木灰洗衣服，
并且有文字记载。 《礼记》中就写有“冠带垢和灰请漱，衣裳垢和灰请澣(huàn，