第十章界面化学

合集下载

第10章界面化学

θ =0°—完全润湿； θ =180°—完全不润湿；
r
θ
R
θ
h
2σ cosθ h= ρ B gR
σ——液体表面张力； ρB——液体体积质量；
g——重力加速度。
亚稳状态液体的过热现象——定压下，当液体的温度高于该压力下的沸液体的过热现象点，而液体仍不沸腾的现象。液体的过冷现象——定压下，当液体的温度已低于该压力下液体的过冷现象液体的凝固点，而液体仍不凝固的现象。蒸气的过饱和现象——定温下，当蒸气分压超过该温度下的饱蒸气的过饱和现象和蒸气压，而蒸气仍不凝结的现象。溶液的过饱和现象——定温、定压下，当溶液中溶质的浓度溶液的过饱和现象已超过该温度、压力下的溶质的溶解度，而溶质仍不析出的现象。
p* 2σ M B ln r = ± p r ρ B RT
（“+”——球形液滴或毛细管中的凸液面；“-”——毛细管中的凹液面）
（3）液体对固体的润湿作用）
固体
沾附润湿
液体
∆Ga,w＝σ(s/l)－［σ(s/g)+σ(l/g)］
固体
浸渍润湿
液体
∆Gd,w＝σ(s/l)－σ(s/g) 铺展润湿
液体固体
溶液界面的热力学（1）溶液的表面张力）
Ⅰ
水中加无机酸、碱、盐等。
{σ} Ⅱ
水中加有机酸、醇、酯、醚、酮等。
Ⅲ
水中加入肥皂、合成洗涤剂等。
{c}
溶液的表面张力与浓度的关系
（2）表面活性剂及其结构特征）表面活性剂定义：表面活性剂定义：把能显著降低液体表面张力的物质称为该液体的表面活性剂。表面活性剂。表面活性剂表面活性剂结构：表面活性剂结构：一般水的表面活性剂都是由亲水性的极性基团（亲水基）和憎水性的非极性基团（亲油基）两部分构成。

10 第十章界面现象习题解

第十章界面化学课后作业题解10.3 计算373.15K 时，下列情况下弯曲液面承受的附加压力。

已知373.15K 时水的表面张力为58.91×10-3N.m -1。

（1）水中存在的半径为0.1μm 的小气泡；（2）空气中存在的半径为0.1μm 的小液滴；（3）空气中存在的半径为0.1μm 的小气泡。

解：10.4 在298.15K 时，将直径为0.1mm 的玻璃毛细管插入乙醇中。

问需要在管内加多大的压力才能防止液面上升？若不加任何压力，平衡后毛细管内液面的高度为多少？已知该温度下乙醇的表面张力为22.3×10-3N.m -1，密度为789.4 kg.m -3 ，重力加速度为9.8m.s -2。

设乙醇能很好地润湿玻璃。

解：乙醇能很好地润湿玻璃，可看作cos θ=0，所以r=r 1(曲率半径与毛细管半径相等)需要在管内加892 Pa 的压力才能防止液面上升。

若不加任何压力，平衡后毛细管内液面的高度为0.115m 。

kPa 2356Pa 2356400101091584r 4p 3kPa 1178Pa 1178200101091582r 2p 217373==⨯⨯=γ=∆==⨯⨯=γ=∆----..）（））（（Pa 892100.051022.32r 2p 33=⨯⨯⨯=γ=∆--m 1150100.0589789.41022.32gr 2h 33..=⨯⨯⨯⨯⨯=ργ=--10.9 已知在273.15K 时，用活性炭吸附CHCl 3，其饱和吸附量为93.8dm 3.kg -1，若CHCl 3的分压力为13.375 kPa ，其平衡吸附量为82.5 dm 3.kg -1。

试求：（1）朗缪尔吸附等温式中的b 值；（2）CHCl 3的分压为6.6672 kPa 时，平衡吸附量为若干？解：（1）朗缪尔吸附等温式（2）根据朗缪尔吸附等温式10.14 293.15K 时，水的表面张力为72.75mN.m -1，汞的表面张力为486.5mN.m -1，而汞和水之间的界面张力为375mN.m -1，试判断：（1）水能否在汞的表面上铺展开？（2）汞能否在水的表面上铺展开？解：（1）水能在汞的表面上铺展（2）汞不能在水的表面上铺展bp 1bp V V m +=b 375131b 37513893582....+=0m 38.75mN 72.75-375-486.5--S -1->⋅==γγγ=水水汞汞0m -788.75mN 486.5-375-72.75--S -1-<⋅==γγγ=汞水汞水1-3m kg 73.58dm 6.66720.54591 6.66720.545993.8bp 1bp V V ⋅=⨯+⨯⨯=+=1kPa 545901-82.593.8375131b -=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=..10.17 292.15K 时，丁酸水溶液的表面张力可以表示为)bc 1(a -0+γ=γln ，式中0γ为纯水的表面张力，a 和b 皆为常数。

第十章界面化学思考题答案(1)

第十章界面化学思考题答案1.已知水在两块玻璃间形成凹液面，而在两块石蜡板间形成凸液面。

试解释为什么两块玻璃间放一点水后很难拉开，而两块石蜡板间放一点水后很容易拉开？答：水在两玻璃和两石蜡板间的状态如下图。

水能润湿玻璃，在两块玻璃之间的水层两端液面呈凹形，故其附加压力方向指向空气，使水层内的压强小于外部大气压强，两者相差2γ/r，即相当于两块玻璃板外受到2γ/r的压力作用，所以要把它们分开很费力。

且两板越靠近，此压力差越大，使两板难以拉开。

石蜡板的情况相反，液体压力p大于外压力，易于拉开。

2.如下图所示，在一玻璃管两端各有一大小不等的肥皂泡。

当开启活塞使两泡相通时，试问两泡体积将如何变化？为什么？2图3图答：开启活塞后，大泡将变大，小泡将变小。

活塞关闭时，由于肥皂泡膜产生附加压力，Δp=p内－p外＝４γ/r.泡的半径r越小，附加压力越大，而大、小泡的p外是相同的，故小泡内空气压力大于大泡内空气压力。

因此打开活塞后，小泡内空气就流向大泡，导致小泡变成更小。

当小泡收缩至其半径等于玻璃管口半径时的r最小，若再收缩，其曲率半径反而增大。

所以当小泡收缩至其曲率半径与大泡半径相等时，停止收缩。

3.如上图所示，玻璃毛细管A插入水中后，水面上升高度应能超过h，因此推断水会从弯口B处不断流出，于是便可构成第一类永动机，如此推想是否合理？为什么？答：不合理，由于毛细管上方弯曲，当液面上升到顶端后，又沿弯曲管下降到弯口B处，液面下降时，由于弯曲部分液体受到重力作用，使凹液面的曲率半径由r增大到r',故附加压力也相应减小到Δp'＝2γ/r ' 。

到B处，Δp'与B处高度的静压力达到平衡，曲率不再变化（仍是凹液面）。

故水滴不会落下。

4.一定量的小麦，用火柴点燃并不易着火。

若将它磨成极细的面粉，并使之分散在一定容积的空气中，却很容易着火，甚至会引起爆炸。

这是为什么？答：这有两方面原因。

磨成极细的面粉后，比表面积大大增加，磨得越细，其表面能越高，所处的状态就越不稳定，其化学活性也越大，因而容易着火。

天津大学物理化学第十章界面现象

4. 亚稳态及新相生成
系统分散度增大、粒径减小引起液滴和固
体颗粒的饱和蒸气压大于普通液体、固体的情
况，只有在粒径很小时才需要考虑。在蒸气冷凝、液体凝固和沸腾、溶液结晶等过程中，新相从无到有，最初尺寸极其微小，比表面积和表面吉布斯函数都很大，新相的产
生非常困难，会出现一些特殊的状态——亚稳
态(介安态)。
dG dA 8πr dr
pr 4πr 2 (dr ) pr dG (dn) RT ln RT ln p M p
dG dA 8πr dr
pr 2 M RT ln p r
开尔文公式
由Kelvin公式可知：凸液面 r 越小pr 越大 p 2 M 对于凹液面： RT ln pr r 比较饱和蒸气压： p凸> p平> p凹
吸附等温线:
Va
Ⅰ
Va
Ⅱ
0
Va
Ⅲ
p/p*
Ⅳ
1
0 Va
p/p*
Ⅴ
1
Va
0p/p*ຫໍສະໝຸດ 10p/p*
1
0
p/p*
1
p: 达平衡时的吸附压力； p*: 该温度下吸附气体的饱和蒸气压。
2. 吸附经验式——弗罗因德利希公式
Freundlich用指数方程描述型吸附等温线
V a kpn
n、k 是两个经验参数，均是 T 的函数。 k: 单位压力时的吸附量。一般T ，k； n ：介于0~1之间，反映 p 对V a 影响的强弱。直线式： lgV
§10.4 液 - 固界面
固体表面力场不对称，存在润湿和吸附 1. 接触角与杨氏方程
平衡时
cos
s ls lg

第十章__界面现象2005.11.20

有等于系统增加单位面积时所增加的吉布斯函数，
所以也称为表面吉布斯函数
9
例：
20 ℃时汞的表面张力 =4.85×10
-1
N· m
-1
，若在此温度
及101.325 kPa 时，将半径r1 = 1 mm的汞滴分散成半径为 r2 =10-5 mm 的微小液滴时，请计算环境所做的最小功。解：因为T，p 恒定，所以为常数，环境所做的最小功为可逆过程表面功W’，
6
此实验证明，液体表面层存在着一个平行于液面，垂直于分界线的力，此力使表面收缩 —— 表面张力。

对于弯曲液面，表面张力则与液面相切。

表面张力
7
2. 表面功与表面张力表面吉布斯函数：
dx
当T、p、n不变的条件下，若把 MN移动dx，
F外

l
则增加面积dA=2l· dx，
此时外界必反抗表面张力做功。 WR' F外 dl 在可逆条件下：F外=F表+dF≌F表
15
5. 影响表面张力的因素
（1）表面张力和物质性质有关和它接触的另一相的性质有关。（i）和空气接触时，液体和固体中的分子间作用力越大表面张力越大。一般：
(金属键)＞ (离子键)＞ (极性共价键)＞ (非极性共价键)
（ii）同一种物质和不同性质的其它物质接触时，界面层中分子所处的力场不同，界面张力出现明显差异。（看下表数据）
16
某些液体、固体的表面张力和液/液界面张力
物质水(溶液) 乙醇(液)
/（10-3
N· -1） m 72.75 22.75
T/K 293 293
物质 W(固) Fe(固)

第十章界面化学欢迎莅临烟台大学化学生物理工学院.pptx

• 14、Thank you very much for taking me with you on that splendid outing to London. It was the first time that I had seen the Tower or any of the other fam ous sights. If I'd gone alone, I couldn't have seen nearly as much, because I wouldn't have known my way about.
溶液的过饱和现象——定温、定压下，当溶液中溶质的浓度已超过该温度、压力下的溶质的溶解度，而溶质仍不析出的现象。
溶液界面的热力学（1）溶液的表面张力
Ⅰ 水中加无机酸、碱、盐等。
{}
Ⅱ 水中加有机酸、醇、酯、醚、酮等。
Ⅲ 水中加入肥皂、合成洗涤剂等。
{c}
溶液的表面张力与浓度的关系
（2）表面活性剂及其结构特征表面活性剂定义：
把能显著降低液体表面张力的物质称为该液体的表面活性剂。表面活性剂结构：
一般水的表面活性剂都是由亲水性的极性基团（亲水基）和憎水性的非极性基团（亲油基）两部分构成。
CH3(CH2)7=CH(CH2)7 COO- H+
油酸表面活性剂的结构特征
表面过剩物质的量
Γ def nB
B
As
吉布斯方程
Γ B
aB RT
A
B
k2
*
*
（表面反应控制）
9、春去春又回，新桃换旧符。在那桃花盛开的地方，在这醉人芬芳的季节，愿你生活像春天一样阳光，心情像桃花一样美丽，日子像桃子一样甜蜜。20.10.2 020.10.20Tuesday, October 20, 2020 10、人的志向通常和他们的能力成正比例。08:12:5508:12:5508:1210/20/2020 8:12:55 AM 11、夫学须志也，才须学也，非学无以广才，非志无以成学。20.10.2008:12:5508:12Oct-2020-Oct-20 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。08:12:5508:12:5508:12Tuesday, October 20, 2020 13、志不立，天下无可成之事。20.10.2020.10.2008:12:5508:12:55October 20, 2020

第十章界面化学

产生表面（界面）现象的原因是什么？
§10.1界面张力
§10.1界面张力
1、表面张力、表面功及表面吉布斯函数表面分子及内部分子的受力分析
表面分子受到一个向内的力。使液体分子总是向液体内部移动，力图缩小表面积。内部分子所受到的力在各个方向的力相等，其合力为零。
用金属丝制成的框架上涂有肥皂泡其受力情况如图：
r1
2 r
2
eg: ①小液滴 ②液体中的气泡
p pl pg
2 r
p pg pl
2 r
③肥皂泡
p p i p o ( p g ,i p l ) ( p l p g ,o )
2 r2 rFra bibliotek4 r
⑤ ④毛细管连通的大小不等的气泡
T↑
气相中分子密度降低液相中分子距离↑ 极限情况：T→Tc时，γ→0
γ↓ （有例外）
④压力的影响。 a．表面分子受力不对称的程度 ↓
P↑
b．气体分子可被表面吸附，改变γ, ↓
c．气体分子溶于液相一般：p↑10atm, γ ↓1mN/m。eg:
γ↓
1atm
10atm
γH2O = 72.8 mN/m
T
露点：T小< T正常
（ 2）实验中加热为何加沸石，加晶种？铝壶底为
何做成波纹状？
p大气压 Δp
静液压p静
pi
∵pi = p静+p大气压+Δp ∴液体内部产生气泡所需的温度Ti＞T正常，产生暴沸。
（3）对固体也适用。
4.过饱和溶液
在一定温度下，溶液浓度超过了饱和浓度，而未析出晶体的现象，该溶液称为过饱和溶液
G

第五版物理化学第十章习题答案

第十章界面现象请回答下列问题：（1）常见的亚稳定状态有哪些？为什么会产生亚稳定状态？如何防止亚稳定状态的产生？解：常见的亚稳定状态有：过饱和蒸汽、过热或过冷液体和过饱和溶液等。

产生亚稳定状态的原因是新相种子难生成。

如在蒸气冷凝、液体凝固和沸腾以及溶液结晶等过程中，由于要从无到有生产新相，故而最初生成的新相，故而最初生成的新相的颗粒是极其微小的，其表面积和吉布斯函数都很大，因此在系统中产生新相极其困难，进而会产生过饱和蒸气、过热或过冷液体和过饱和溶液等这些亚稳定状态，为防止亚稳定态的产生，可预先在系统中加入少量将要产生的新相种子。

（2）在一个封闭的钟罩内，有大小不等的两个球形液滴，问长时间恒温放置后，会出现什么现象？解：若钟罩内还有该液体的蒸气存在，则长时间恒温放置后，出现大液滴越来越大，小液滴越来越小，并不在变化为止。

其原因在于一定温度下，液滴的半径不同，其对应的饱和蒸汽压不同，液滴越小，其对应的饱和蒸汽压越大。

当钟罩内液体的蒸汽压达到大液滴的饱和蒸汽压时。

该蒸汽压对小液滴尚未达到饱和，小液滴会继续蒸发，则蒸气就会在大液滴上凝结，因此出现了上述现象。

（3）物理吸附和化学吸附最本质的区别是什么？解：物理吸附与化学吸附最本质的区别是固体与气体之间的吸附作用力不同。

物理吸附是固体表面上的分子与气体分子之间的作用力为范德华力，化学吸附是固体表面上的分子与气体分子之间的作用力为化学键力。

（4）在一定温度、压力下，为什么物理吸附都是放热过程？解：在一定温度、压力下，物理吸附过程是一个自发过程，由热力学原理可知，此过程系统的ΔG<0。

同时气体分子吸附在固体表面，有三维运动表为二维运动，系统的混乱度减小，故此过程的ΔS<0。

根据ΔG=ΔH-TΔS可得，物理吸附过程的ΔH<0。

在一定的压力下，吸附焓就是吸附热，故物理吸附过程都是放热过程。

在K及下，把半径为1×10-3m的汞滴分散成半径为1×10-9m小汞滴，试求此过程系统的表面吉布斯函数变为多少？已知汞的表面张力为·m-1。

10-物理化学第十章界面现象

ln
Pr Ps
2 M r RT
凸（液滴）~ “+” 凹（气泡）~ “–”
凸（液滴，固体粉末 or r > 0）— Pr＞Ps 凹（气泡 or r < 0 ）— Pr＜Ps
水平液面（r→∞）— Pr=Ps
❖ 亚稳状态和新相的生成 ——分散度对系统性质的影响
亚稳状态
——热力学不稳定态，一定条件下能相对稳定的存在。
杨氏方程
cos
s l
sl
润湿条件 s sl 铺展条件 s sl l
❖ 应用
毛细管内液面
凹：润湿
凸：不润湿
§10–3 弯曲液面下的附加压
由此产生毛细现象，并影响饱和蒸气压
10·3·1 弯曲液面产生附加压
附加压 △P= P心－P外
➢ 杨-拉普拉斯方程
曲面— P 2 膜— P 4
第十章界面现象
讨论界面性质对系统的影响
新的系统—多相，小颗粒系统
非体积功—表面功
❖ 需考虑界面影响的系统界面所占比例大的系统
比表面——
aS
AS m
❖ 本章内容表面张力
① 表面现象的成因表面现象的总成因
与AS↓有关 ② 各类现象分析
与γ↓有关
§10–1 表面现象的成因 10·1·1 表面张力 ❖ 表面张力 γ 定义—作用于单位边界上的表面紧缩力方向—总指向使表面积减小的方向
为降低表面张力而产生吸附剂 —— 起吸附作用的吸附质 —— 被吸附的
§10–4 固体表面的吸附固体对气体的吸附
10·4·1 吸附的产生
固体特点—有大的比表面，不稳定。通过吸附其它分子间力较小的物质，形成新的表面能较低的界面。
两个相对的过程——吸附和解吸吸附量——一定T、P下，吸附和解吸达平衡时，吸附气体的量。

界面化学第10.11章

3）量子尺寸效应）
对于纳米微笑，能带变化不是连续的，当热能、电能、磁能、光电子能量或超导态的凝聚能比平均的能级间距还小时，纳米微粒会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特征，称之为量量子尺寸效应。子尺寸效应。
4）量子隧道效应）
电子既有粒子性又具有波动性，它的运动范围可以超过经典力学所限制的范围，这种超过是穿过势垒，而不是翻越势垒，这就是量子力学量子力学中所说的隧道效应。中所说的隧道效应。
5）小尺寸效应）
当超细微粒尺寸不断减小，与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，引起材料的电、磁、光和热等特性呈现新的小尺寸效应。例如： a. 陶瓷器件在通常情况下呈脆性，纳米陶瓷材料有良好的韧性 b. 特殊的光学性质，当金被制成纳米微粒时，会失去原有的光泽而呈现黑色。
光催化氧化就是光照射到纳米材料后，光催化氧化电子被激发到材料的表面态被捕获，满带电子跃迁到空带，满带的空穴把周围环境中羟基的电子夺去，使之变成自由基。即
h++OH-→·OH
仿生纳米化学生物体系中的许多结构单元及结构的尺寸都在纳米范围。生物膜厚度约610nm，血红蛋白直径为6.8nm，DNA 直径约为2nm，这些都是天然的纳米材料。仿照生物分子通过分子之间非共价弱相互作用，形成具有特定功能的多分子聚集体。
2.纳米材料的分类纳米材料的分类
零维纳米材料
三维纳米材料
按形态
一维纳米材料
二维纳米材料
2.纳米材料的分类纳米材料的分类
纳米结构材料按作用纳米功能材料
按纳米材料的种类
有机纳米材料无机纳米材料药物纳米材料生物纳米材料

物理化学第十章界面现象

27
饱和蒸气压与液滴曲率半径关系的推导：
dn的微量液体转移到小液滴表面小液滴面积A：4r2 4(r+dr)2 面积的增量：dA = 8rdr dG =dA= 8r dr 又：dn液体由p pr： dG = (dn)RTln(pr/p)
p = 8 p g r dr
2 d n = 4 p r (dr )r / M 由于
24
毛细现象：
当接触角θ<90o时，液体在毛细管中上升；当接触角θ>90o时，液体在毛细管中下降。当接触角θ=0时，r曲面= r毛细管= r 2
r 由流体静力学有： p g p l gh p p g p l
h
r pg pl pg
液体在毛细管中的上升高度为： 2 h r g
球形，正是因为相同体积下球形面积最小。
22
弯曲液面附加压力Δp 与液面曲率半径之间关系的推导：水平分力相互平衡，垂直分力指向液体内部，其单位周长的垂直分力为 cos 球缺底面圆周长为2 r1 ，得垂直分力在圆周上的合力为： F=2r1 cos 因cos = r1/ r ，球缺底面面积为 r12，故弯曲液面对于单位水平面上的附加压力 p 整理后得：
B
B( )
d n B( ) dA s
A G U H A A A A s s s s T , p,n B( ) S,V ,n B( ) S, p,n B( ) T ,V ,n B( )
11
(1)表面张力（surface tension）
液体表面的最基本的特性是趋向于收缩。由于表面层分子的受力不均衡，液滴趋向于呈球
形，水银珠和荷叶上的水珠也收缩为球形。

物理化学第六版第十章界面现象课后思考题

物理化学第六版第十章界面现象课后思考题摘要：1.物理化学第六版第十章界面现象概述2.课后思考题解答正文：一、物理化学第六版第十章界面现象概述物理化学第六版第十章主要讲述了界面现象，这是物理化学中的一个重要内容。

界面现象是指两种或多种物质相互接触时，由于它们之间的相互作用力不同，会发生的一系列现象。

这些现象包括表面张力、接触角、界面电荷等。

本章主要通过讲述这些现象，使读者了解并掌握界面现象的基本概念和相关知识。

二、课后思考题解答1.问题一：请简述表面张力的概念及其产生原因。

答：表面张力是指液体分子之间的相互作用力。

当液体与气体接触时，液体表面层的分子受到气体分子的吸引，使液体表面层的分子间距大于液体内部分子间距，从而使液体表面形成一个收缩的趋势。

这种使液体表面有收缩趋势的力称为表面张力。

2.问题二：请解释接触角的概念，并举例说明。

答：接触角是指液体与固体接触时，液体与固体的界面形成的角度。

接触角可以用来判断液体与固体的亲水性或疏水性。

当接触角小于90°时，液体与固体呈亲水性；当接触角大于90°时，液体与固体呈疏水性。

例如，水滴在玻璃板上时，水滴与玻璃板接触角大于90°，说明水与玻璃呈疏水性。

3.问题三：请简述界面电荷的概念及其产生原因。

答：界面电荷是指在两种介质接触的界面上，由于介质的极性不同，会产生电荷分布的现象。

当两种介质接触时，如果它们的极性不同，就会在接触界面上产生正负电荷。

这些电荷称为界面电荷。

例如，当金属与非金属接触时，由于金属表面的电子与非金属表面的电子互相转移，会在接触界面上产生界面电荷。

通过以上解答，我们可以更好地理解物理化学第六版第十章界面现象的相关知识。

界面化学

Ⅰ
水中加无机酸、碱、盐等。
{σ} Ⅱ
水中加有机酸、醇、酯、醚、酮等。
Ⅲ
水中加入肥皂、合成洗涤剂等。
{c}
图10-7 溶液的表面张力与浓度的关系通常，把能显著降低液体表面张力的物质称为该液体的表面表面活性剂。一般水的表面活性剂都是由亲水性的极性基团（亲水活性剂基）和憎水性的非极性基团（亲油基）两部分构成。
* r
* pr (毛细管中凹液面)
对液体中的气泡其饱和蒸气压与平面液体的饱和蒸气压相对大小关系比较复杂，这里不多加论述。
（3）液体对固体的润湿作用润湿是指：固体表面上的气体(或液体)被液体(或另一种液体) 润湿取代的现象。润湿类型可分为：沾附润湿浸渍润湿铺展润湿沾附润湿、浸渍润湿铺展润湿（见图9 沾附润湿浸渍润湿、铺展润湿－3）
(3)高度分散系统的热力学基本方程高度分散系统具有巨大的表面积，所以具有巨大的表面能高度分散系统表面能。表面能因此从热力学角度不能不考虑它所产生的表面效应。于是，对高度分散系统，其热力学基本方程变为： dU=TdS－pdV+σdAs+∑µBdnB dH=TdS+Vdp+σdAs+∑µBdnB dA=－SdT－pdV+σdAs+∑µBdnB dG=－SdT+Vdp+σdAs+∑µBdnB 于是有
Γ= V m ，Ｖ，m为被吸附气体的体积（吸附温度
Ｔ、p下），m为吸附剂质量。
如以θ＝Γ/Γ∞表示（Γ∞为吸附剂吸满一层气体分子的吸附量），则上式可改写为
p
Γ bΓ ∞
=
1
+
p
Γ ∞
(3)BET多分子层吸附定温式

第十章界面化学

理解开尔文公式的推导及含义，会用其解释人工降雨、毛细凝聚等常见的亚稳平衡现象。
5、理解吉布斯等温方程式中各项的物理意义，会用其作简单计算，会用其解释正吸附、负吸附等界面现象。
6、什么叫表面活性物质，了解表面活性剂的大致分类及它的几种重要作用。
7、了解液－液、液－固界面润湿性能的热力学
基础。
pg
0
pg
Vm (l)[ pl pl ] RT ln
pg
0 pg
2γ p pl pl ' R
0
Vm (l)
M
2M RT ln 0 ' pg R ——Kelvin公式 pg
pg p
pg
0

讨论：
① 凸液面
0 g
凸液面（如液滴）上方的饱和蒸气压比平液面大；凹液面
B
dG SdT Vdp γdA BdnB
B
利用全微分性质可知
S γ A V ,T ,nB T V , A,nB
S γ A T , p,nB T A, p,nB
1 1 p γ ( ' ' ) ——杨—拉普拉斯方程 R1 R2
对于球面，
R R R
' 1 ' 2
'
水平液面：
R , p 0
'
2γ p ' R
p 0
对凸液面，曲率中心在液体内部，
曲面下液体多承受△P 力作用对凹液面，曲率中心在液体外部，曲面下液体少承受△P 力作用
δ WR,f Fdx
F dx
表面张力：与界面相切，垂直于边界并指向液体收缩方向的力。

物理化学第10章界面现象ppt课件

他还导出了联系吸附量和界面张力随体相浓度变化的普遍关系式即著名的吉布斯吸附等温式。1859年，开尔文（Kelvin）将界面扩展时伴随的热效应与界面张力随温度的变化联系起来。后来，他又导出蒸汽压随界面曲率的变化的方程即著名的开尔文方程。
在1913—1942年期间，美国科学家Langmuir在界面科学领域做出了杰出的贡献，特别是对吸附、单分子膜的研究尤为突出。他于1932年获诺贝尔奖，被誉为界面化学的开拓者。界面化学的统计力学研究是从范德华开始的。1893年，范德华认识到在界面层中密度实际上是连续变化的。他应用了局部
与一般体系相比，小颗粒的分散体系有很大的表面积，它对系统性质的影响绝对不可忽略。
首页刚看的页上一页下一页结束
物质的分散度用比表面积 as 表示，它的定义为物质的表面
积 As 与质量 m 的比：
as
As m
10.0.1 单位：m2·kg-1
对于以上水滴的例子，若近似认为其在室温下密度为 1g ·cm-3，则以上两种情况，比表面积 as 分别约为：6 cm2 ·g1 及600 m2 ·g-1 。
αB
4.2.7
首页刚看的页上一页下一页结束
dU TdS pdV μB (α)dnB (α) 4.2.8
αB
dH TdS Vdp μB (α)dnB (α) 4.2.9
αB
dA SdT pdV μB (α)dnB (α) 4.2.10
αB
当体系作表面功时，G 还是面积A的函数
界面现象是自然界普遍存在的现象。胶体指的是具有很大比表面的分散体系。对胶体和界面现象的研究是物理化学基本原理的拓展和应用。从历史角度看，界面化学是胶体化学的一个最重要的分支，两者间关系密切。而随着科学的发展，现今界面化学已独立成一门科学，有关“界面现象” 或“胶体与界面现象”的专著在国内外已有多种版本。本课程主要介绍与界面现象有关的物理化学原理及应用。它包括各种相界面和表面活性剂的相关特性，界面上的各种物理化学作用，实验的和理论的研究方法及其重要应用。对于准备考研的同学，还应将其作为物理化学课程的一部分。

表面现象

第十章界面化学引言界面：密切接触的两相之间的过渡区（约几个分子的厚度）称为界面，有五类界面，其中一相是气体时也可称为表面。

处于表面的分子和处于体相的分子的差异使界面表现出一些独特的性质，在前边的体系的讨论中，由于界面的物质的量和体相比较，微乎其微，所以表面性质的差异对整个体系性质的影响也微不足道，可以不予考虑。

但在下面将要研究的体系中，当分散程度增大时，表面性质对体系将起一定的作用，有必要进行专门的讨论。

界面科学是化学物理生物材料和信息等学科之间相互交叉和渗透的一门重要的边缘科学，是当前三大科学技术（生命科学，材料科学和信息科学）前沿领域的桥梁。

界面化学是在原子或分子尺度上探讨两相界面上发生的化学过程以及化学前驱的一些物理过程。

分散程度和表面积的关系：a s =A s /m 。

由于在界面上分子的处境特殊，有许多特殊的物理化学和化学性质，随着表面张力，毛细现象和润湿现象等逐渐被发现，并赋予了科学的解释。

随着工业生产的发展，与界面现象有关的应用也越来越多，从而建立了界面化学（或表面化学）这一学科分支。

表面化学是一门既有广泛实际应用又与多门学科密切联系的交叉学科，它既有传统，唯象的，比较成熟的规律和理论，又有现代分子水平的研究方法和不断出现的新发现。

§10.1 界面张力1.液体的表面张力、表面功及表面吉布斯函数液体表面张力存在的两个实验：（1）金属园环内肥皂膜的破裂过程。

（2）U 型框架皂膜的扩大过程。

在皂膜的边缘，存在着一种力，趋向使表面收缩的力，称为表面张力γ（单位：1-⋅m N 。

表面张力：作用于表面的边缘，并且和边缘相切，使表面收缩的力。

表面张力是体系的性质，和体相的种类，温度，压力，组成以及与其共存的另一相的性质有关。

当共存的加一相是非气相时，称为界面张力。

表面张力产生原因：表面层分子相对体相分子是受力不均的，体相分子对表面层分子的引力有使表面缩小的趋势，因此若使系统的表面积增加（即表层分子增多），外界需要做功（表面功）。

十界面现象物理化学

Klvin公式
弯曲表面下的附加压力
1.在平面上研究以AB为直径的一个环作
为边界，由于环上每点的两边都存在表面张力，大小相等，方向相反，所以没有附加压力。
设向下的大气压力为Po，向上的反作用力也为Po ，附加压力Ps等于零。
Ps = Po - Po =0
剖面图液面正面图
弯曲表面下的附加压力
气压曲线
Tf < Tf T
一定外压下，温度低于正常凝固点还不凝固的液体称为过冷液体。
过饱和溶液
• 一定温度下，溶液浓度已超过饱和浓度而仍未析出晶体的溶液称为过饱和溶液。
产生原因：同样温度下，小颗粒的溶解度大于普通晶
体的溶解度。消除：结晶操作中，溶液过饱和程度大会生成
细小的晶粒，不利于后续操作。常采用投入晶体种子的方法，获得较大颗粒的晶体。
比表面Av/（m2/m3） 6 ×102
6 ×103 6 ×105 6 ×107
6 ×109
分散度与比表面
从表上可以看出，当将边长为10-2m的立方体分割成10-9m的小立方体时，比表面增长了一千万倍。
可见达到nm级的超细微粒具有巨大的比表面积，因而具有许多独特的表面效应，成为新材料和多相催化方面的研究热点。
影响表面张力的因素
（1）分子间相互作用力的影响对纯液体或纯固体，表面张力决定于分子间形成
的化学键能的大小，一般化学键越强，表面张力越大。
g (金属键)>g (离子键)> g g (极性共价键)> (非极性共价键)
两种液体间的界面张力，界于两种液体表面张力之间。
（2）温度的影响温度升高，表面张力下降。
2g R'
RTln(p p0)g2gR Vm '(l)2r gR M '

第十章界面化学

上一内容
下一内容
回主目录
返回
（2）、表面功、表面吉布斯函数
• 由于恒温恒压下，可逆非体积功等于系统的吉布斯函数变，即： • δW|r = dGT,p = σdAs • ∴σ = (G/As)T,p • 可见： σ又等于系统增加单位面积时所增加的吉布斯函数，所以σ也称为表面吉布斯函数，单位为J· m-2 • 表面张力、单位面积的表面功、单位面积的表面吉布斯函数三者虽为不同的物理量但他们的数值和量纲是等同的。
上一内容
回主目录
返回
毛细管现象
• 由上式可见：在一定温度下，毛细管越细，液体的密度越小，液体对管壁润湿得越好，液体在毛细管中上升的越高。 • 当液体不能润湿管壁，θ＞90度，cos θ＜0时， h为负值，表示管内凸液面下降的深度。（如玻璃管插入汞内） • 可见：表面张力的存在是弯曲液面产生附加压力的根本原因，而毛细管现象则是弯曲液面附加压力的必然结果。 • 应用：（如农民锄地）
上一内容
下一内容
回主目录
返回
毛细管现象
r1 θ r θ h
毛细管现象
上一内容下一内容回主目录
返回
毛细管现象
• 由图中的几何关系可以看出： • Cosθ= r/r1 • 将此式代入（10.2.3），可得到液体在毛细管中上升的高度： • h=
2 cos rg
下一内容
(10.2.4)
界面张力的作用方向效果
dl

L

表面张力
(a) 平液面表面张力示意图
上一内容下一内容回主目录
球形液面表面张力示意图
返回
（2）、表面功、表面吉布斯函数

10章界面化学-2

上一内容
下一内容
回主目录
返回
2013-8-4
降低表面张力的溶质为正吸附，溶质在溶液表面的浓度大于其在溶液本体中的浓度。此溶质为表面活性物质增加表面张力的溶质为负吸附，溶质在溶液表面的浓度小于其在溶液本体中的浓度。此溶质为表面惰性物质。溶入少量就能显著降低表面张力的物质称表面活性剂。
表面过剩量Γ计算 ——吉布斯吸附等温式：
c d Γ RT dc
溶液的吸附也满足兰格缪尔吸附等温式，即
饱和吸附量
上一内容
下一内容
回主目录
返回
ห้องสมุดไป่ตู้
2013-8-4
当饱和吸附时，表面活性物质在溶液表面浓度达到最大，由于分子定向排列时在单位面积上分子数可以达到最大，所以饱和吸附时表面活性物质在溶液表面必然是定向排列。
返回
2013-8-4
1. 润湿现象 (1)沾湿(adhesion)
沾湿过程:单位面积 ΔGa = s-L – (s-g + L-g ) s-L: 固 - 液界面界面张力 s-g : 固 - 气界面界面张力 L-g : 液 - 气界面的界面张力 ΔG﹤0 越负，则沾湿过程越容易进行。
p为吸附质的压力)
在2.5nm以下微孔吸
附剂上的吸附等温线属
于这种类型。例如78K
时N2在活性炭上的吸附及水和苯蒸汽在分子筛上的吸附。
上一内容
下一内容
回主目录
返回
2013-8-4
ngmuir单分子层吸附理论及吸附等温式
Langmuir吸附等温式描述了吸附量与吸附质压力之间的定量关系。他在推导该公式的过程引入的重要假设： (1) 吸附是单分子层的； (2) 固体表面是均匀的； (3) 被吸附分子之间无相互作用； (4) 吸附平衡是动态平衡。A(g) +M(表面) ←→ AM 定义：表面覆盖率 q = 已被吸附质覆盖的固体表面积/固体总的表面积则空白表面为(1 - q )

第十章 界面化学

第10章 界面化学

10 第十章 界面现象习题解

第十章界面化学思考题答案(1)

天津大学物理化学第十章 界面现象

第十章__界面现象2005.11.20

第十章界面化学欢迎莅临烟台大学化学生物理工学院.pptx

第十章界面化学

第五版物理化学第十章习题答案

10-物理化学第十章 界面现象

界面化学第10.11章

物理化学第十章 界面现象

物理化学第六版第十章界面现象课后思考题

界面化学

第十章 界面化学

物理化学第10章界面现象ppt课件

表面现象

十界面现象物理化学

第十章 界面化学

10章界面化学-2

第十章界面化学

第10章界面化学

10 第十章界面现象习题解

天津大学物理化学第十章界面现象

10-物理化学第十章界面现象

物理化学第十章界面现象

第十章界面化学

第十章界面化学