物理化学第十章 界面现象资料
物理化学 第十章 界面现象
4. 热力学基本公式
考虑了表面功，热力学基本公式中应相应增加一项，即：
dU TdS pdV
dn
B
B
dAS
B
dH TdS VdP
dn
B
B
dAS
B
dA SdT pdV
dn
B
B
dAS
B
dG SdT VdP
dn
B
B
dAS
B
由此可得:
( U AS
Ga 0 1800 任何液体与固体间都能粘湿
在等温等压条件下，单位面积的液固界面分开产生液体表面与固体表 面所需的功称为粘附功。粘附功越 大，液体越能润湿固体，液-固结合 得越牢。
Wa Ga gl (cos 1 )
Wa o
（2）浸湿(work of immersion)
浸湿:固体浸入液体,固体表面消失，液-固界面产生的润湿过程。
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。
对具有巨大表面积的分散体系，界面分子的 特殊性对体系性质的巨大影响不能忽略
界面与表面：是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区 （界面相），若其中一相为气体，这种界面通常称为表 面。
Langmuir吸附等温式的缺点：
1.假设吸附是单分子层的，与事实不符。 2.假设表面是均匀的，其实大部分表面是不均匀的。
3.在覆盖度 较大时，Langmuir吸附等温式不适用。
§ 10.4 液—固界面
接触角 粘附功 浸湿功 铺展系数
1 接触角(contact angle)和Young equation
物理化学界面现象知识点
物理化学界面现象知识点物理化学是一门研究物质与能量转化关系的学科，其中关于界面现象的研究成为其重要组成部分。
界面现象指的是两种或两种以上物质的交界处，这些物质可以是固体、液体或气体。
本文将介绍物理化学界面现象的几个重要知识点。
一、表面张力表面张力是指液体分子表面上分子间相互吸引的力所产生的效应。
液体分子在表面形成一个较为稳定的薄层，使得液体表面呈现收缩的趋势。
表面张力的大小与液体的性质有关，与温度、溶质浓度等因素也有关系。
表面张力有许多重要应用，如测定液体的粘度、浮力现象和昆虫在水面行走等。
二、润湿性润湿性是指液体在与固体接触时的扩展性和均匀性。
润湿性好的液体可以在固体表面均匀地展开，与固体取得较大的接触面积。
润湿性的研究对于表面活性剂、涂层材料等的开发具有重要意义。
润湿性与液体与固体之间的相互作用力有关，主要分为两种类型：强烈吸附型润湿和胶状薄膜型润湿。
三、界面电荷界面电荷是指存在于两相接触处的电荷分布。
在液体与固体、液体与气体的接触处，由于电离、化学吸附等作用，使得界面处出现电荷分布不均匀的现象。
界面电荷的存在对于溶液的稳定性、沉降速度以及电化学反应的进行产生重要影响。
四、界面传质界面传质是指物质在两相接触处的传输过程。
传质可以是从一个相向另一个相的扩散，也可以是通过界面传递。
界面传质是许多重要现象的基础，如大气污染、化工过程中的传质现象等。
界面传质与各相之间的浓度差、物质的扩散系数等因素相关。
五、胶束和微乳液胶束和微乳液是由表面活性剂分子在溶液中自组装形成的具有特殊性质的结构。
胶束是由表面活性剂分子聚集形成的球状结构，具有封闭的疏水核心和亲水外壳。
微乳液是由表面活性剂分子聚集形成的亲水和疏水两相共存的稳定结构。
胶束和微乳液的形成与溶液中表面活性剂浓度、温度等因素密切相关，对于药剂的输送、催化剂的设计等方面具有重要意义。
综上所述，物理化学界面现象是物质与能量转化过程中的重要组成部分。
表面张力、润湿性、界面电荷、界面传质以及胶束和微乳液等知识点对于理解和应用界面现象有着重要作用。
(物理化学D(下))第10章 界面现象
是由于当物质被高度分散时，界面的质量与体相相比不可 忽略，界面的作用很明显。
10nm 的
球型小水滴
圆球形小液滴
分成 1018个
表面积： 3.1416cm2
表面积相 总表面积 314.16m2 差 106倍
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。
2020/7/9
2. 热力学公式
d G S d T V d P d A s B dB n
B
恒T、p、 、恒组分 下积分，有： Gs A s
全微分得： d G T s,pd A s A sd
可知自发降低表面自由焓有两种途径——降低表面积 降低表面张力
dT ,pG s < 0
2020/7/9
2020/7/9
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 。
物理化学电子教案—第十章
2020/7/9
界面不是接触两相间的几何平面！界面有一定的厚 度，所以有时又称界面为界面相 。
A
相
相
界
面
B 相
2020/7/9
特征：几个分子厚、 结构与性质与两侧 体相均不同
日常自然界中许多现象与界面的特殊性质有关，例如： 1.汞在光滑的玻璃上呈球形，在玻璃管中呈凸形。 2.水在光滑的玻璃上完全铺展，在玻璃管中上升，呈凹形。 3. 固体表面会自动吸附其它物质。 4. 微小液滴更易于蒸发。
物化界面现象知识点总结
物化界面现象知识点总结物化界面现象是指两种或两种以上不同物质（或不同物质的两种物理状态）之间相互接触、相互影响的表面现象。
这些现象在日常生活中无处不在，比如水珠在玻璃表面的现象、油和水的不相溶性现象、以及固体表面的粗糙程度对摩擦力的影响等等。
在工业生产、科学研究、生活实践等方面，物化界面现象都起到了重要的作用。
因此，了解和掌握物化界面现象的知识是十分重要的。
在这里，我将对物化界面现象的相关知识点进行总结，包括表面张力、接触角、浸润性、毛细现象、界面活性剂等内容。
一、表面张力表面张力是液体表面上的一种由分子间相互作用力引起的力。
在液体表面处，分子受到的作用力来自两个方向：一方面来自于液体表面上的临近分子，另一方面来自于表面下方的那些分子。
这两个方向上的作用力不平衡，因此液体分子呈现出对表面内部的收缩趋势，这种趋势可以看作是表面张力的体现。
表面张力的大小与液体的性质有关，通常用表面张力系数σ来描述。
它的大小与液体的特性、温度、压力等因素有关。
表面张力的表现形式主要有两种：一是使液体表面成为弹性膜的现象，比如肥皂泡；二是使液体内部呈现出平设置立体的现象，比如水银在玻璃板上的现象。
二、接触角接触角是指三个相互接触的介质在接触点上所形成的角。
常见的接触角有两种：一种是固体与液体之间的接触角，另一种是气体与固体之间的接触角。
固体与液体之间的接触角是由固液表面张力和液体表面张力所共同决定的，它决定着液体在固体表面上的浸润性。
当接触角小于90度时，称为润湿；当接触角大于90度时，称为不润湿。
接触角的大小与物质的性质、表面形貌、温度、压力等因素有关。
气体与固体之间的接触角也受到相似的因素的影响，它反映了气体对固体表面的浸润性。
当接触角小于90度时，称为亲水性；当接触角大于90度时，称为疏水性。
三、浸润性浸润性是物体固体表面和液体之间相互作用的结果。
当液滴接触到固体表面时，有两种可能的结果：一是液滴可以完全浸润固体表面，称为完全浸润；另一种是液滴无法完全浸入固体表面，称为不完全浸润。
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。
材料物理化学：10界面现象
§10 界面现象在有关固体催化反应动力学一章中，我们已经简单地讨论了固体物质表面上的一些现象——吸附。
本章将讨论的重点放在液体的界面上。
举例有关界面现象：密切接触的两相之间的过渡区称为界面（interface），约有几个分子的厚度。
实际上，当两个不同的物相之间表现了与两个本体中的不同性质的现象就称为界面现象。
界面的相接触有：s-s，s-l，s-g，l-l，l-g。
界面现象的出现是因为界面层的分子所受到的分子-分子之间的作用力与相本体中的分子所受到作用力不一样，在相本体中的分子受到的作用力是对称的、均匀的，而界面层的分子受到两个不同相中不同分子的相互作用，而作用力是不对称的、不均匀的。
因此界面层的性质与相本体的性质不同。
作用力大的那一相有自动收缩其界面到最小值的趋势。
对于固体物质的界面就表现为对气体或液体物质的吸附。
对于一个体系而言，界面现象（界面性质）所表现的显著程度，取决于体系的相对界面积大小，相对界面积的大小可以用比表面来表示：A o ＝V A或 A o ＝mA 比表面小的体系，界面现象表现不显著，常常可以忽略；比表面大的体系，表现出很显著的界面现象。
表13.1为相同体积（或质量）不同尺寸时界面积的大小。
●§10.1表面Gibbs 自由能和表面张力 ● §10.1.1表面Gibbs 自由能和表面张力的概念由于表面上的分子所受到的力与相本体中分子所受到的力不同，所以如果将一个分子从相本体中移到表面成为表面分子（或者说扩大表面积），就必须克服体系内部的分子间作用力而对体系做功。
在等温、等压和组成不变时，可逆地使表面积增加dA 所需要对体系做的功，称为表面功：－δw ’＝γdA γ＝dAw 'δ- γ为比例系数。
它在数值上等于当等温、等压及组成不变的条件下，增加单位表面积时必须对体系做的可逆非膨胀功。
将表面功引入到热力学中，得到：dU= TdS ―pdV ＋γdA ＋∑BμB dn BdH= TdS ＋Vdp ＋γdA ＋∑BμB dn BdF ＝―S dT ―pdV ＋γdA ＋∑BμB dn Bd Ｇ＝―S dT ＋Vdp ＋γdA ＋∑BμB dn Bγ＝(A U ∂∂)S ，V ，n B ＝(A H ∂∂)S ，p ，n B ＝(A F ∂∂)T ，V ，n B ＝(AG ∂∂)T ，p ，n B 从能量的角度上看：γ就是等温、等压及组成不变的条件下，每增加单位表面积时所引起的Gibbs 自由能变化，所以可以称为表面Gibbs 自由能。
物理化学知识点chap 10
Pa
2.356
103
kPa
【10.5】水蒸气迅速冷却至298.15K时可达到过饱和状态。已
知该温度下水的表面张力为71.97×10-3 N·m -1 ，密度为997
kg·m-3。 当过饱和水蒸气压力为平液面水的饱和蒸气压的4
倍时，计算： （1）开始形成水滴的半径；（2）每个水滴中
所含水分子的个数。
m
= 7.569 ? 10- 10m
（2）每个水滴的体积
( ) V 水滴=
4 3
pr
3
=
4 创3.14 3
7.569 ? 10- 10 3 m 3
1.815 ? 10- 27m 3
每个水分子的体积
V 水分子=
M rL
=
骣 琪 琪 琪 桫997
创
0.018 6.022
m 3 = 3.00 ? 10- 29m 3 1023
分析： 利用拉普拉斯方程
p 2
r
解： （1）和（2）两种情况下均只存在一个气-液界面， 其附加压力相同。根据拉普拉斯方程
p
2
r
2 58.91103 0.1106
Pa
1.178
103
kPa
（3）空气中存在的气泡，有两个气-液界面，其附加压力 为
p
4
r
4
58.91103 0.1106
•
pg
••
•
气
•
p
• •
pl
(a)
pg
• 气 p • •
液•
pl (b)
附加压力方向示意图
•
•
气•
•
•
• •
p=• 0
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。
物化 第十章 界面现象
δWr' γ = dAs
γ ：使液体增加单位表面时环境所需作的可逆功， 使液体增加单位表面时环境所需作的可逆功， 单位表面时环境所需作的可逆功
单位： 单位：J·m-2
表面吉布斯函数: 表面吉布斯函数
恒温、 恒温、恒压下的可逆非体积功等于系统的 吉布斯函数变： 吉布斯函数变： δWr' ∂G ' γ = = δWr = dGT , p = γ dAs dAs ∂As T , p
Freundlich用指数方程描述 Ι 型吸附等温线 用指数方程描述
a
V
= kp
n
n、k 是两个经验参数，均是 T 的函数。 、 是两个经验参数， 的函数。 k: 单位压力时的吸附量。一般 ↑，k↓； 单位压力时的吸附量。一般T ↓ n ：介于 介于0~1之间，反映 p 对V a 影响的强弱。 之间， 影响的强弱。 之间 直线式： lgV 直线式
毛细现象
2γ ∆p = = ρ gh r1 2γ cos θ h= rρ g
θ < 90o , h > 0 液体在毛细管中上升
r = r1 cos θ
θ > 90o , h < 0 液体在毛细管中下降
3. 开尔文公式（微小液滴的饱和蒸气压） 开尔文公式（
微小液滴的饱和蒸气压不仅与物质的本性、 微小液滴的饱和蒸气压不仅与物质的本性、 温度及外压有关，还与液滴的大小有关。 温度及外压有关，还与液滴的大小有关。 pr p dn r + dr l dG 小液滴面积 ： dn液体由 p→pr : 液体由 → pr 4πr 2 → 4π( r + dr )2 dG = (dn) RT ln
界面是系统中的特殊部分
在高度分散系统中界面效应不可忽视
物理化学第十章表面现象
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第十章表面现象日常自然界中许多现象与界面的特殊性质有关，例如： 1.汞在光滑的玻璃上呈球形，在玻璃管中呈凸形。
2.水在光滑的玻璃上完全铺展，在玻璃管中上升，呈凹形。
3. 固体表面会自动吸附其它物质。
4. 微小液滴更易于蒸发。
表面现象：发生在相界面上的物理化学现象产生表面现象的主要原因：就是处于表面层中物质的分子与系统内部物质的分子在力场上存在差异；或从能量的角度来看，也可以解释成为处于表面层的分子比内部分子具有较高的能量。
比表面：就是指每单位体积的物质所具有的表面积，用比表面Αs来表示 A 即：As=V§10.1表面张力一、液体的表面张力，表面功及表面吉布斯函数物质表面层的分子与体相中分子所处的力场是不同的。
以气-液表面分子与内部分子受力情况为例，液体内部的任一分子，皆处于同类分子的包围之中，平均来看，该分子与周围分子间的吸引力是球形对称的，各个方向上的力彼此抵消，其合力为零。
然而表面层的分子处于不对称的环境中。
液体内部分子对它的吸引力，远远大于液面上蒸气分子对于它的吸引力。
使表面层分子受到指向液体内部的合力。
因而液体表面的分子总是趋向移往液体内部，力图缩小表面积。
§10.1表面张力在宏观上表面张力表现:（a）(b)图10－2表面张力的作用图10－3表面功示意图§10.1表面张力为了准确地讨论表面张力的物理意义，人们又理想化设计了一个模型，比表面功δWr' = γ dA γ可理解为：使液体增加单位表面时环境所需作的可逆功，称比表面功。
单位：J m-2 δWr' γ=仅仅是用来增加系统的表面积: δW ' = f dx rdA δWr' = dG的物理意义：等温等压下增加单位表面积所引起的系统吉布斯函数的变化。
γ有两种意义 :既是表面张力又是比表面吉布斯函数γG γ = A T , P , N§10.1表面张力二、界面的热力学方程dU = TdS pdV + δWr' + Σ B dnBdH = TdS + Vdp + δWr' + Σ B dnBdA = SdT pdV + δWr' + Σ B dnBdG = SdT + Vdp + δWr' + Σ B dnBδ W r' = γ dAU γ = A S ,V , NH A G γ = = = A S , p , N A T ,V , N A T , p , N§10.1 表面张力三、影响表面张力的因素：（1）表面张力与物质的本性有关表面张力是分子之间相互作用的结果，不同的物质其分子间的作用力不同，表面张力也不相同。
物理化学第10章界面现象ppt课件
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。
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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。
物理化学第10章界面现象
表面张力(Surface Tension)
请同学们用表面张力的知识思考图中的现象
24
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拉，直至顶部。
25
2222222222222222 llllllllllllllll
T . Young P.S. Laplase Gibbs Langmuir
提出界面张力概念 表面张力与曲率半径关系 表面吸附方程 固体吸附等温方程式 19
表面与界面化学虽是物理化学的传统研 究领域，但由于电子能谱、扫描隧道显微镜 等新的实验技术的出现，使得表面、界面效 应及粒子尺寸效应的知识呈指数上升式的积 累，提出了在分子水平上进行基础研究的要 求。当前涉及这一领域的研究已成为催化、 电化学、胶体化学的前沿课题，并与生命科 学、材料科学、环境科学、膜技术及医药学 密切相关，是这些相关学科要研究和解决的 核心课题之一。
29
三、表面热力学基本关系式
根据多组分热力学的基本公式
dU TdS pdV BdnB U U S,V , nB
B
对需要考虑表面层的系统，由于多了一个表 面相，在体积功之外，还要增加表面功，则基本 公式为
dU TdS pdV dAs BdnB
B
U U S,V , As, nB
37
(3) 与温度有关
对绝大多数液体 T↑,γ↓ 对 Cd, Fe, Cu 合金及一些硅酸盐液体，T↑γ↑。
dG SdT Vdp BdnB dA
dp=0, dnB=0时，dG=-SdT+dA, 由全微分性质，
第10章 界面性质
液面为球面时公式的推导
O1 r1
α
r
O
cos r1
• 定义：ΔP= P内－P外 > 0
P外 P内
凸液面ΔP= Pl－Pg 凹液面ΔP= Pg－ Pl
凸液面
凹液面
液面为球面时： P P内 P外 2
r
平面、凸面、凹面的液内受力情况分析
P外
P外
γ
γγ
γ γ
△P
P内=P外
P内=P外+ △P
附加压γ
P内=P外－ △P
• 表面张力一般随温度增加而降低。
• 纯物体： γ = γ0(1－T/ Tc)n • （3）压力的影响：
• 表面张力一般随压增加而降低。
§10.2 弯曲液面的附加压力及其后果
• （1） 弯曲液面的附加压力：拉普拉斯方程
• 液面 有凸液面和凹液面两种。
• 弯曲液面的附加压力: 由于表面张力的作用,弯 曲液面的两侧存在一个压力差ΔP 。
§10.1 界面张力
• 1、表面张力
外
• 表面功及表面张力
力
• 表面功：将体相中的分子称到液体的表面以扩大液 体的表面，则必须由环境对系统作功。
•
δ Wr‘ = dGT,p = γdA
故:
•γ •
单位面积的表面功 单位面积的表面吉布斯函数
( G AS
)T , p
• 表面张力 ： 作用在表面单位长度上的力。
10－3
109
6× 10－1 6× 105 0.44×10－1
10－4
1012
6
6× 106
0.44
10－5
1015
6× 101 6× 107 0.44×101
《物理化学教学课件》第十章界面现象
界面现象的基本原理
表面张力
表面张力是物质表面分子或离子间的吸引力，使得物质表 面尽可能收缩。表面张力的大小与物质种类和温度有关。
润湿
润湿是指液体在固体表面铺展或被固体表面吸附的现象。 润湿与固体的表面能、液体的表面张力以及固体与液体之 间的相互作用力有关。
吸附
吸附是指物质在界面上的富集现象。吸附可以分为物理吸 附和化学吸附，物理吸附主要与物质在界面上的范德华力 有关，化学吸附则涉及到化学键的形成。
润湿是指液体在固体表面铺展并覆盖住表面的现象，而不润湿则是指液体不能在固体表面 铺展的现象。
润湿与不润湿产生的原因
润湿与不润湿现象的产生与液体和固体表面的分子间相互作用有关，当液体分子与固体表 面分子间的相互作用力大于液体分子间的内聚力时，就会产生润湿现象；反之则产生不润 湿现象。
润湿与不润湿的应用
能源
能源的储存与转化过程中涉及大量界面现象，如电池、燃料电池等，深入研究 界面现象有助于提高能源利用效率和降低环境污染。
环保
污水处理、大气污染控制等领域涉及大量界面现象，通过优化界面现象可实现 更高效的环保技术。
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毛细现象
毛细现象定义
毛细现象是指由于液体的表面张力作用，使得液体会在细管中上 升或下降的现象。
毛细现象产生的原因
由于液体的表面张力作用，使得液体会在细管中产生向上的附加压 力，从而使液体在细管中上升。
毛细现象的应用
毛细现象在自然界和日常生活中广泛存在，如植物的吸水、毛细血 管等。
润湿与不润湿
润湿与不润湿定义
04
界面现象的实验研究方法
表面张力测量方法
表面张力是液体表面所受到的垂 直于表面方向的力与表面每单位
物理化学第十章
当玻璃管插入水中
2.微小液滴的饱和蒸气压—开尔文(Kelvin)公式
在一定温度与外压下，纯液体有一定的饱和蒸气压， 但这“饱和蒸气压”指的是平面液体的。 实验表明，微小液滴的饱和蒸气压高于平面液体的饱和 蒸气压，这说明，蒸气压不但与温度，压力及物质本性 有关，还与液滴的大小，即其曲率半径有关。其推导方 法如下: 设半径为R球型大液滴,其体积为VR ,表面积为AR; 半径为 r 球型小液滴, 其体积为Vr, 表面积为Ar. 在恒温下,将1mol液体从大液滴转移至小液滴,转移过程 按两条途径进行: Ⅰ:直接从大液滴上取出质量为dg的液体加到小液滴上,则 该小液滴的表面积和体积增加分别为: 表面积: dAs=4π(r+dr)2-4πr2=8πrdr; 体积增加: dVr=4/3π(r+dr)3-4/3πr3=4πr2dr
r
r1
h
gh = ΔP
2γ Δp ρ gh r1
(10.2.3)
接触角 与毛细管半径 , r 液面曲率半径 有如下关系：
r1
r cosθ r1
则液体在毛细管中上升高度为：
2γ cosθ h rρ g
(10.2.4)
当液体不能润湿管壁时， > 90°,cos < 0 , h < 0， 表明管内凸液面下降的深度。例如玻璃毛细管插入汞内， 则呈现毛细管内水银面下降的现象。
肥皂膜
F
δ' W Fdx 2γ l dx γ dAs
' r
δW γ dAs
' r
10.1.3
γ的意义：使液体增加单位表面时环境所需作的可逆功， 称表面功。 单位：J · -2。 m ' 表面功-用公式表示为： s
十界面现象物理化学
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 '
《物理化学教学》第十章 界面现象
由于 dn
2
M2 r＝
Vm r
4 r 2(dr ) / M
——Kelvin公式
由Kelvin公式可知： 1) r 越小，pr 越大;
2) p凸> p平> p凹
整理ppt
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3. 亚稳态及新相生成
(1) 过饱和蒸气
在t0温度下缓慢提高蒸 气的压力 (如在气缸内缓慢 压缩)至A点，蒸气对通常 液体已达到饱和状态p0， 但对微小液滴却未达到饱 和状态，所以蒸气在A点 不能凝结出微小液滴。要 继续提高蒸气的压力至B 点，达到小液滴的饱和蒸 气压p 时，才可能凝结出 微小液滴。
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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= 8rdr
又：dn液体由p pr：
所以有 (dn)RT ln pr p
可导出：
RT
ln
pr p
dG = (dn)RTln(pr/p)
8 rdr
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
Δp = p内－p外
整理ppt
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球形液滴(凸液面)，附加压力为： p p内 p外 pl pg
液体中的气泡(凹液面)，附加压力: p p内 p外 pg pl
这样定义的p总是一个正值，而力的方向指向凹面曲率半 径中心。
这种在正常相平衡条件下应该凝结而未凝结的蒸气，
称为过饱和蒸气。
整理ppt
24
(2) 过热液体
液体内部产生气泡所需压力：
pi = p大+ p静+Δp 由此所需的温度： Ti ＞T正常 因此很容易产生暴沸。
物理化学：第十章 界面现象4
Ga sg ls lg lg (cos 1) Gi sg ls lg cos Gs sg ls lg lg (cos 1)
＞0，θ＜180º ＞0，θ＜90º ≥0，θ＝0º
利用接触角 判断润湿
<90°, 润湿 >90°, 不润湿 =0°或不存在，完全润湿 =180°，完全不润湿
一液界面所交的角。
l-g M
l-g
M
g
s-g
A l
s
N
s-l
s-g
g
A
l
s
s-l
N
亲液性固体
憎液性固体
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1805年，Young指出，接触角是平面固体上 液滴受三个界面张力的作用，达到平衡时形成 的 ，应有下面关系
s ls lg cos
cos
s lg
ls
这就是著名的Young方程，也称润湿方程
吸附热沿DE线上升，合 成速率沿AB上升。
速率达到最高点B后，吸 附热继续上升，由于吸附 太强，合成速率反而下降。
对应B点的是第八族第 一列铁系元素。
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§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
将液滴（L）放在一理想平面（S）上），如果有一
相是气体，则接触角是气一液界面通过液体而与固
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固体自溶液中的吸附
吸附量 na V ( c0 c ) m
① 自稀溶液中的吸附
一般为 I 型等温线，可用Langmuir公式描述：
na nma bc 1 bc
b ：吸附系数，与溶剂、溶质的性质有关；
nma ：单分子层饱和吸附量；
亦可用弗罗因德利希吸附经验式： na kcn
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§10.2 弯曲液面的附加压力及其后果
1. 弯曲液面的附加压力——Laplace方程
pg pl
一般情况下，液体表面是水平的，水 平液面下液体所受压力即为外界压力。
弯曲液面的附加压力
图中为球形液滴的某一球缺，凸液面
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
dG S dT V d p
B( )d nB( ) dAs
B
G
U
H
A
As
T,p,nB( )
As
S,V,nB( )
As
S,p,nB( )
As
T,V,nB( )
恒T、p、、恒组分下积分，有： Gs As
全微分得： dGTs ,p dAs Asd
可知自发降低表面自由焓有两种途径——降低表面积 降低表面张力
单位：J·m-2。
三者物理意义不同，但量值和量纲等同，单位均可 化为： N·m-1
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2. 热力学公式
对一般多组分体系： G f (T , p, nB , nC )
当系统作表面功时，G 还是面积A的函数，若系统内只有
一个相界面，且两相T、p相同 ， G f (T, p, As, nB, nC )
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 边会被向上拉，直至顶部。
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2222222222222222 llllllllllllllll
F =(W1 W2 )g
= 2 l 22222222222 lllllllllllW1
dT ,pG s < 0
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3. 表面张力及其影响因素：
（1）与物质的本性有关——分子间相互作用力越大， 越大。 例：气－液界面： (金属键) > (离子键) > (极性键) > (非极性键)
（2） 与接触相的性质有关。
（3） 温度的影响：温度升高，界面张力下降。
极限情况：T→Tc时， →0。
这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势，扩展表面要作功。
并使表面层显示出一些独特性质，如表面张力、表面吸附、毛细现
象、过饱和状态等。
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(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。 从液膜自动收缩的实验，可以更好地认识这一现象。
第十章 界面现象
1
自然界中物质的存在状态：
气—液界面 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
2
表面和界面 (surface and interface)
界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区，若 其中一相为气体，这种界面通常称为表面。
严格讲表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间的界 面，但习惯上把液体或固体与空气的界面称为液体或固 体的表面。
界面的结构和性质与相邻两 侧的体相都不相同。
例：水滴分散成微小水滴
分为1018个
直径：1cm 表面积：3.1416 cm2
直径：10nm 表面积：314.16 m2
表面积是原来的106倍
界面相示意图
一些多孔物质如：硅胶、活性炭等，也具有很大的比表面积。
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物质的分散度可用比表面积as来表示，其定义为 as = As/m
常见的界面有：气-液界面，气-固界面，液-液界面， 液-固界面，固-固界面。
3
1.气-液界面
空气
CuSO4 溶液
气-液 界面
4
2.气-固界面
气-固界面
5
3.液-液界面
H2O
Hg
液-液 界面
6
5.固-固界面
Cr镀层 铁管
固-固界面
7
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”。
外液体对球缺表面张力 作用在圆周线上，
F =(W1 W2 )g
= 2 l 2 l
W1
W2
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表面张力
在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着一种张力， 这种力垂直于表面的边界，指向液体方向。
把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，
用 或 表示。
表面张力的单位是：
N m1
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（2）表面功
当用外力F 使皂膜 面积增大dA时，需克 服表面张力作可逆表 面功。
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我们身边的胶体界面现象
曙光晚霞
碧海蓝天
雨滴
露珠
在界面现象这一章中，将应用物理化学的基本原理，对界面的特殊性 质及现象进行讨论和分析。
10
§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
的由来：
表面分子受力不对称
液体内部分子所受的力可以彼此抵销，但表面分子受到液相分 子的拉力大，受到气相分子的拉力小（因为气相密度低），所以表 面分子受到被拉入液相的作用力。
气相中分子密度↑
T↑
液相中分子距离↑
↓ （有例外）
0 1 T/Tc n 其中：0与n为经验常数。
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（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, ↓
↓
c．气体分子溶于液相
一般：p↑10atm， ↓1mN/m，例:
1atm 10atm
H2O = 72.8 mN/m H2O = 71.8 mN/m
单位为m2·kg-1。
小颗粒的分散系统往往具有很大的比表面积，因此由 界面特殊性引起的系统特殊性十分突出。
人们把粒径在1～1000nm的粒子组成的分散系统称为 胶体(见第十二章)，由于其具有极高的分散度和很大的比 表面积，会产生特有的界面现象，所以经常把胶体与界面 现象一起来研究，称为胶体表面化学。
W Fdx 2ldx dA
即：
Wr dAs
：使系统增加单位表面所需的可逆功，称为表面功。
单位：J·m-2。 （IUPAC以此来定义表面张力）
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（3）表面吉布斯函数：
恒温、恒压下的可逆非体积功等于系统的吉布斯函数变
Wr dGT,p dAs
G
即：
As
T,p,N
：恒温恒压下，增加单位表面时系统所增加的Gibbs函数。
WW W W W W W W W W W W222222222222
13
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与总的表面张力大小相等方向 相反，则金属丝不再滑动。
这时
F 2 l
l 是滑动边的长度，因膜有两个面，
所以边界总长度为2l， 就是作用于
单位边界上的表面张力。