7章-表面化学与胶体化学分析PPT课件
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dGT,p = dGs =σdAs+ Asdσ≤0平衡
体系中各相组成（ni）恒定，σ确定，则： d表G面s =积σd不As能自≤平动0改衡，变表时面，积d减G小s =为As自dσ动自平≤动0过衡，程；微物 σ减小为自动过程，吸附，润湿等表面过程。
注意：表面自由能与表面张力的代表符相同，均为σ，量纲相
通，但两者的概念不同！！
表面自由能是单位表面积的能量，标量；
表面张力是单位长度上的力，矢量。
讨论：dU =TdS – pdV +σdAs+Σidni dH =TdS + Vdp +σdAs+Σidni dA =-SdT –pdV +σdAs+Σidni dG =-SdT +Vdp +σdAs+Σidni
一般：温度升高,σ↓；温度升高到临界温度Tc时， σ→0
★ 与接触相的性质有关 接触相相同,σ固体＞σ液体
★ 与压强有关
一般：压强升高,σ↓；
★ 其它：分散度 ,运动情况等
二、比表面Gibbs自由能与表面Gibbs自由能
表面分子具有比内部分子高的能量
例如：一滴水（1克水），比表面积A0=4.85cm2·g-1
2. 界面现象和表面现象： 在相的界面上发生的行为 。
如： 露珠为球形 微小液滴易蒸发 水在毛细管中会自动上升
3. 比表面A0
A0
A V
单位（量纲）：长度-1
或
A Ao m
例如：有边长为 l
l 分割成边长为 10
单位（量纲）：面积·质量-1
的立方体，
A0
6l2 l3Fra Baidu bibliotek
的小立方体， A0 ' 10 A0
As
0
T ,P,ni
0
dAs Wr '
得：Wr ' GT , p,ni As Gs 则：σ= Gs/As= Wr’/As
σ：（比）表面Gibbs自由能，表面自由能。也表示恒
T，p，ni下，增加单位面积所必须对体系作的非体积功，
又称比表面功。
单位量纲：J·m-2 J·m-2 = N·m·m-2 = N·m-1
胶体：粒子粒径在1nm—100nm间的高度分散 的多相体系。
胶体粒子的比表面积极大，表面效应极为显著。
➢界面性质的应用： ▪轻工业(日化、造纸、涂料、橡胶); ▪催化化工; ▪材料制备及加工； ▪採油、选矿及冶金； ▪生物医药； ▪环境治理等。
§2 表 面 热 力 学 性 质
一、表面张力及其影响
G As
T , p,ni
U As
S ,V
,ni
H As
S , p,ni
A As
T ,V
,ni
GT,p =σAs+Σini ，G’T,p =Σini
σ =（GT,p - G’T,p）/As = Gs/As
Gs：(比)表面过剩Gibbs自由能，表面过剩自由能
恒T，p下的表面过程有：
➢ 高的表面能必将引起特殊的表面性质。 ▪人脑的总表面积比猿脑大10倍； ▪绿叶具有大的质量表面，提高了光合作用的量子效率； ▪固体催化剂的催化作用，在于其高活性的表面； ▪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。
二、表面化学和胶体化学的关系
表面层粒子受力分析
表面相分子和体相分子 所具有的能量是不同的， 因它们所处的力场不同。 以气-液界面为例，如右 图所示，表面相分子处 于一个不对称
F≠0 F=0
的力场，因而其所受的合力不为0。在不对称的力场作 用下，表面相分子有钻向体相的趋势。所以液体都有 缩小表面而取球形的趋势。这就意味着若要把液体内 部分子移至表面（即扩大表面），就必须克服此力而 做功。
表面能约为4.85×72.8×10-7 = 3.5×10-5 J
r =10-7cm小水滴，比表面积 A0’=3.0×107 cm2·g-1
表面能达到 220J，是原有表面能的6.3×106倍。
恒T、P、恒组成、可逆过程，生成dAs新表面需环境 作功：dGT，p=δWr’=σdAs
积分：
dG GT ,P,ni
力的方向：与液面相切，与单位线段垂直。 力的类型：表面收缩力。 力的单位量纲：N·m-1 表面层分子受力不均匀 内压力 表面张力 体系的一种强度性质，受到多种因素的影响。
2. 影响表面张力的因素
★ 与物质本性有关 分子间的作用力越大，σ越大：
σ金属键＞σ离子键＞σ极性键＞σ非极性键,
★ 与温度有关
例：记 f g(m1 m2 )，金属丝移动
到一定位置时，可以保持不再滑动
δW ' ∝ dAs 2ldx
δW ' dAs fdx
——表面张力
f
2l
l
σ
m1
m2
f
1. 表面张力 表面层粒子受力不均匀，产生内压力。 表面有自动缩小的趋势，产生表面收缩力。
表面张力：垂直作用于单位长度相界面上，与表 面平行（平面）或相切（曲面）的收 缩力。
6 l
60 l
将边长为10-2m的立方体逐渐分割成小立方体时，表面积将发生
很大的变化，当边长为10-9m时，总表面积达6000m2。这样巨大
的表面，其表面效应就不能忽略了。
可见：体系的分散程度越高，比表面积越大。
表面（界面）现象的形成： 处于表面(界面)的分子具有比其内部分子过剩的能量。系
统分散度愈大过剩能量愈大。 ➢分散度的度量—比表面：单位质量(或体积)的物质的表面积。
第七章 表面化学和胶体化学
§1 引 言
➢ 界面无处不在，没有界面的世界是无法想象的。
➢ 界面(表面)现象随处可见 ▪ 球型的液滴和气泡、它们碰撞后的自动聚集长大； ▪ 桌面上水滴与汞滴的不同、及在玻璃管中呈凹和凸 液面； ▪ 液体的过热、过冷，溶液的过饱和； ▪ 活性炭的脱色、多孔硅胶的吸水干燥功能等。
一、几个概念 表面化学：研究物质相界面上发生的现象的规律。
1. 界面和表面 界面（interface）：密切接触的两相间的过渡区， 约10-9—10 -8 m， 有几个分子层厚。相界面的性质与 相邻两个相的性质不同，通常又将相界面称为表面 相，而将相邻两个相称为体相。表面相的分子和体 相的分子是有差异的。正是由于这种差异而在各种 相界面上发生一系列表面现象。
由于人们看不到气相，故常将气-液和气-固界面称为表 面，而把其余的相界面称为界面。实质上都是相间界面。 五类界面：气(g)-液(l),气(g)- 固(s),
液(l)- 固(s) ，液(l1)-液(l2) ，固(s1)- 固(s2) 表面（surface）：
若其中的一相为气相（习惯）。如l-g，s-g。
dGT,p = dGs =σdAs+ Asdσ≤0平衡
体系中各相组成（ni）恒定，σ确定，则： d表G面s =积σd不As能自≤平动0改衡，变表时面，积d减G小s =为As自dσ动自平≤动0过衡，程；微物 σ减小为自动过程，吸附，润湿等表面过程。
注意：表面自由能与表面张力的代表符相同，均为σ，量纲相
通，但两者的概念不同！！
表面自由能是单位表面积的能量，标量；
表面张力是单位长度上的力，矢量。
讨论：dU =TdS – pdV +σdAs+Σidni dH =TdS + Vdp +σdAs+Σidni dA =-SdT –pdV +σdAs+Σidni dG =-SdT +Vdp +σdAs+Σidni
一般：温度升高,σ↓；温度升高到临界温度Tc时， σ→0
★ 与接触相的性质有关 接触相相同,σ固体＞σ液体
★ 与压强有关
一般：压强升高,σ↓；
★ 其它：分散度 ,运动情况等
二、比表面Gibbs自由能与表面Gibbs自由能
表面分子具有比内部分子高的能量
例如：一滴水（1克水），比表面积A0=4.85cm2·g-1
2. 界面现象和表面现象： 在相的界面上发生的行为 。
如： 露珠为球形 微小液滴易蒸发 水在毛细管中会自动上升
3. 比表面A0
A0
A V
单位（量纲）：长度-1
或
A Ao m
例如：有边长为 l
l 分割成边长为 10
单位（量纲）：面积·质量-1
的立方体，
A0
6l2 l3Fra Baidu bibliotek
的小立方体， A0 ' 10 A0
As
0
T ,P,ni
0
dAs Wr '
得：Wr ' GT , p,ni As Gs 则：σ= Gs/As= Wr’/As
σ：（比）表面Gibbs自由能，表面自由能。也表示恒
T，p，ni下，增加单位面积所必须对体系作的非体积功，
又称比表面功。
单位量纲：J·m-2 J·m-2 = N·m·m-2 = N·m-1
胶体：粒子粒径在1nm—100nm间的高度分散 的多相体系。
胶体粒子的比表面积极大，表面效应极为显著。
➢界面性质的应用： ▪轻工业(日化、造纸、涂料、橡胶); ▪催化化工; ▪材料制备及加工； ▪採油、选矿及冶金； ▪生物医药； ▪环境治理等。
§2 表 面 热 力 学 性 质
一、表面张力及其影响
G As
T , p,ni
U As
S ,V
,ni
H As
S , p,ni
A As
T ,V
,ni
GT,p =σAs+Σini ，G’T,p =Σini
σ =（GT,p - G’T,p）/As = Gs/As
Gs：(比)表面过剩Gibbs自由能，表面过剩自由能
恒T，p下的表面过程有：
➢ 高的表面能必将引起特殊的表面性质。 ▪人脑的总表面积比猿脑大10倍； ▪绿叶具有大的质量表面，提高了光合作用的量子效率； ▪固体催化剂的催化作用，在于其高活性的表面； ▪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。
二、表面化学和胶体化学的关系
表面层粒子受力分析
表面相分子和体相分子 所具有的能量是不同的， 因它们所处的力场不同。 以气-液界面为例，如右 图所示，表面相分子处 于一个不对称
F≠0 F=0
的力场，因而其所受的合力不为0。在不对称的力场作 用下，表面相分子有钻向体相的趋势。所以液体都有 缩小表面而取球形的趋势。这就意味着若要把液体内 部分子移至表面（即扩大表面），就必须克服此力而 做功。
表面能约为4.85×72.8×10-7 = 3.5×10-5 J
r =10-7cm小水滴，比表面积 A0’=3.0×107 cm2·g-1
表面能达到 220J，是原有表面能的6.3×106倍。
恒T、P、恒组成、可逆过程，生成dAs新表面需环境 作功：dGT，p=δWr’=σdAs
积分：
dG GT ,P,ni
力的方向：与液面相切，与单位线段垂直。 力的类型：表面收缩力。 力的单位量纲：N·m-1 表面层分子受力不均匀 内压力 表面张力 体系的一种强度性质，受到多种因素的影响。
2. 影响表面张力的因素
★ 与物质本性有关 分子间的作用力越大，σ越大：
σ金属键＞σ离子键＞σ极性键＞σ非极性键,
★ 与温度有关
例：记 f g(m1 m2 )，金属丝移动
到一定位置时，可以保持不再滑动
δW ' ∝ dAs 2ldx
δW ' dAs fdx
——表面张力
f
2l
l
σ
m1
m2
f
1. 表面张力 表面层粒子受力不均匀，产生内压力。 表面有自动缩小的趋势，产生表面收缩力。
表面张力：垂直作用于单位长度相界面上，与表 面平行（平面）或相切（曲面）的收 缩力。
6 l
60 l
将边长为10-2m的立方体逐渐分割成小立方体时，表面积将发生
很大的变化，当边长为10-9m时，总表面积达6000m2。这样巨大
的表面，其表面效应就不能忽略了。
可见：体系的分散程度越高，比表面积越大。
表面（界面）现象的形成： 处于表面(界面)的分子具有比其内部分子过剩的能量。系
统分散度愈大过剩能量愈大。 ➢分散度的度量—比表面：单位质量(或体积)的物质的表面积。
第七章 表面化学和胶体化学
§1 引 言
➢ 界面无处不在，没有界面的世界是无法想象的。
➢ 界面(表面)现象随处可见 ▪ 球型的液滴和气泡、它们碰撞后的自动聚集长大； ▪ 桌面上水滴与汞滴的不同、及在玻璃管中呈凹和凸 液面； ▪ 液体的过热、过冷，溶液的过饱和； ▪ 活性炭的脱色、多孔硅胶的吸水干燥功能等。
一、几个概念 表面化学：研究物质相界面上发生的现象的规律。
1. 界面和表面 界面（interface）：密切接触的两相间的过渡区， 约10-9—10 -8 m， 有几个分子层厚。相界面的性质与 相邻两个相的性质不同，通常又将相界面称为表面 相，而将相邻两个相称为体相。表面相的分子和体 相的分子是有差异的。正是由于这种差异而在各种 相界面上发生一系列表面现象。
由于人们看不到气相，故常将气-液和气-固界面称为表 面，而把其余的相界面称为界面。实质上都是相间界面。 五类界面：气(g)-液(l),气(g)- 固(s),
液(l)- 固(s) ，液(l1)-液(l2) ，固(s1)- 固(s2) 表面（surface）：
若其中的一相为气相（习惯）。如l-g，s-g。