界面现象及其调控

液体的表面张力
F 2l
表面功
W F d x 2 l d x d A
W/dA
在恒温恒压下，可逆非体积功即为 吉布斯函数变
WdGT,pdA
G A
T , p
图4 皂膜的拉伸
表面张力
表面张力是垂直通过液体表面上任意单位长度， 与液体表面相切的收缩其表面的力。 注意
1.表面张力是作用在单位长度线段上的力，量纲为Ｎ·m-1。 2.注意区分表面张力产生原因与表面张力的表现。 3.σ也可看作是系统增加单位面积的表面吉布斯函数变，
9
表面张力
从表面现象的微观成因， 我们还可以得出一个结论： 表面相分子密度较液相分子 低，因而表面相分子间存在 较大吸引力。
从宏观层面来看，液体表 面仿佛存在一层紧绷的液 膜，在膜内处处存在的使 膜紧绷的力即为表面张力。
图3 表面分子紧绷液膜
表面张力的存在解释了别针和蚊子 为什么可以漂在水面上。
表面张力
④ Δp永远指向球心。
四个基本定律
二、开尔文(Kelven)公式——液体表面曲率与蒸汽压
足够长的时间
图9 液滴曲率与蒸汽压关系实验
RTlnpr = 2sM＝2sVm ——Kelvin公式 p rr r
由Kelvin公式可知：r 越小，pr 越大。
四个基本定律
三、吉布斯(Gibbs)公式——溶液的表面吸附
c d
RT dc
Γ——溶质在单位面积的表面层中的吸附量(molm-2)(在 单位面积的表面层中所含溶质的物质的量与同量 溶剂在本体中所含溶质的物质的量的差值，亦称 表面过剩)。
气
液—液界面
液
固—液界面
固
固—气界面
固—固界面
界面：所有两相的接触面。
界面现象
表面张力
界面并不是两相接触的几 何面，它有一定的厚度，一 般约几个分子厚，故有时又 将界面称为“界面相”。
界面的结构和性质与相邻 两侧的体相都不相同。
图1 界面相示意图
表面张力
表1 与界面性质有关的界面现象与相关技术
界面
对离子型表面活性剂，有无 机盐存在时，可大大减少表面 张力时间效应。
碳链小于8的醇类，时间效应 极小，1s以内即达平衡。
图6 葵醇水溶液的表面张力-时间关系
四个基本定律
ps
水
水在毛细管中为 什么会上升？
四个基本定律
一、拉普拉斯(Laplace)公式——弯曲液面附加压力
右图下为球形液滴的某一球缺，凸液
表面张力
(4) 与压力的关系。
一般：P↑1 MPa, σ↓1 mN/m。eg:
表2 水的压力与表面张力关系
0.1 MPa H2O = 72.8 mN/m
1 MPa
H2O = 71.8 mN/m
表面张力
三、溶液的表面张力——组成的影响
Ⅰ：无机盐、蔗糖、甘醇等多羟基
有机物等c，，称为表面惰
性物质。在表面发生负吸附。
所以称为表面吉布斯函数单位J·m-2。
表面张力
2.表面张力的影响因素
（1）与物质的本性有关——分子间相互作用力 越大，σ越大。
（2） 与接触相的性质有关。
例：气－液界面： σ(金属键) > σ (离子键) > σ (极性键) > σ (非极性键)
（3） 温度的影响：温度升高，界面张力下降。 极限情况：T→Tc时， σ →0。 T ↑，分子动能↑，分子间吸引力↓ ，σ↓ 对 Cd, Fe, Cu 合金及一些硅酸盐液体，T↑，σ↑。
p 2 r
——Laplace方程
pg 图8 凹页面的附加压力
四个基本定律
讨论
① 该形式的Laplace公式只适用于球形液面。若为任意曲 面，类似推导可得
p ( 1 1 )
r1 r2 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）
图7 平液面和球形液滴的附加压力
四个基本定律
球形液滴(凸液面)，附加压力为： p p 内 p 外 p l p g 液体中的气泡(凹液面)，附加压力: p p 内 p 外 p g p l
这样定义的p总是一个正值，方向
指向凹面曲率半径中心。
Δp pl
p所做功做功等于表面自由能的 变化。可得
界面现象
液气 云、雾、雨、露、泡沫、毛 细作用等
有关的工艺、技术举例 蒸发、蒸馏、吸收、冷凝、泡沫分离
液液 牛奶、豆浆、乳液聚合、液 液铺展等
萃取、液膜分离、乳化、破乳
固液 润湿、吸着与吸附、胶体溶 催化、电泳、电渗析、电解、吸附、溶 液、动电现象、电极过程等 解、结晶、沉淀、浮选、铺展、侵取
固气 尘、烟（气溶胶）、升华、 吸附、催化等
气固催化反应、气体吸附升华
固固 固相反应、粘附、摩擦等
渗混、筛分、球磨、制动
表面张力
二、表（界）面张力
1.纯液体的表面张力
表面相分子受力不均匀，其分 子有被拉入液相的趋势。
这种受力不均匀性是表面现象 产生的微观成因。
液体的表面积因而有自发收缩 的趋势。
这解释了为什么液滴会以球形的 形态存在。
图2 表面张力的产生
Ⅱ：低碳链的醇、醛、酮、胺类
有机物c， 。在表面发生
正吸附。
Ⅲ：表面活性剂(8C以上的有机酸
盐、胺等)， c， 。在表
面发生正吸附。
图5 表面张力曲线的类型
Ⅱ 、 Ⅲ 类物质均可称为表面活性物质
15
表面张力
四、动态ຫໍສະໝຸດ Baidu面张力
纯液体无时间效应，当加入溶质
后：
表3 硬脂酸钠的动态表面张力
时间（寿命），s 表面张力，mN/m
目录
概述
涉及界面现象的难定量 因素，采用效率、传质 系数、垢层系数等
从分子水平的微观尺度 看待各种新老分离技术
无法揭示传质 的实质
更完善地解决化 学工程技术问题
表面张力
水滴为什么是圆 形而不是方形？
表面张力
它们为什么可以 漂在水面上？
表面张力
一、界面与界面现象 自然界中物质的存在状态
气—液界面
t=0时，其表面张力定义为纯动
10
71.9
表面张力。
60
58.2
120
54.4
t=T时，表面张力达到平衡值，
1800
39.2
定义为静态表面张力。
从0到T的时间内，表面张力随 时间的变化值称为动态表面张力。
表面张力
A、B、C、D四点之后的表 面张力值为静表面张力值。
浓度越大，表面张力随时间 下降越多，达到平衡的时间越 短。
pl
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
pg pl
pg
液滴表面相切。圆周线上表面张力合
力对凸液面下液体造成额外压力。将
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
pl Δp
Δp = p内－p外