界面现象PPT课件

第十章 界面现象
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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
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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。
例：水滴分散成微小水滴
即为外界压力。
Δp = p内－p外
弯曲液面的附加压力
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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。
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弯曲液面附加压力Δp 与液面曲率半径之间关系的推导：
（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
W r d G T ,pd A s 即：
G
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。
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： Gf(T,p,nB,nC )
由流体静力学有： pgpl gh
pg
液体在毛细管中的上升高度为：
h
2 r g
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2. 微小液滴的饱和蒸汽压－kelven公式
足够长的时间
原因： p 小 水 滴 p 大 水 滴
饱和蒸气压p*反比于液滴的曲率半径
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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
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 ,A s,n B ,n C )
d G S d T V d p B ( ) d n B ( ) d A s B
G U H A
A s T , p , n B ( ) A s S , V , n B ( ) A s S , p , n B ( ) A s T , V , n B ( )
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2r1 ，得垂直分力在圆周上的合
力为：
F=2r1 cos
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r2
因cos = r1/ r ，球缺底面面积为 1 ，
故弯曲液面对于单位水平面上的附加压力 p
2r1 r1 /r r12
整理后得：
p
2
r
——Laplace方程
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§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
所以液体表面有自动收缩的倾向，扩展表面要作功。
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（1） 液体的表面张力
实验：
l
若使膜维持不变，需在金属丝上加一力F，其大
小与金属丝长度 l 成正比，比例系数 。因膜有
两个表面，故有：
F2l 即： F/2l
ppg
pl
2
r1
由流体静力学有： pgpl gh
液体在毛细管中的上升高度为：
h
2 r1g
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当接触角0 < < 90o
r r1
cos
h
2 cos rg
90o,h0 液体在毛细管中上升 90o,h0液体在毛细管中下降
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当接触角θ=0时，r曲面= r毛细管=
r pg
r
ppgpl 2r
pl h
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。
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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。
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恒T、p、 、恒组分 下积分，有： G s A s
全微分得： d G T s,pd A s A s d
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
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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)
分为1018个
界面相示意图
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
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
单位为m2kg-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。
：引起表面收缩的单位长度上的力，单位：N·m-1。
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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。
W F d x 2 ld x d A
即：
W r 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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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
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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
一般情况下，液体表面是水
pl
平的，水平液面下液体所受压力
> (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。
气相中分子密度↑
T↑
液相中分子距离↑
↓
01 T / T cn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, ↓
讨论：① 该形式的Laplace公式只适用于球形液面。 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）
④ Δp永远指向球心。
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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பைடு நூலகம் 毛细管中下降。