界面现象及其调控
物理化学-第十章 界面现象
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2015/11/20
分散度与比表面
把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。
把一定大小的物质分割得越小，则分散度越高， 比表面也越大。
例如，把边长为1cm的立方体1cm3逐渐分割 成小立方体时，比表面增长情况列于下表：
1805年Young-Laplace导出了附加压力与曲率半 径之间的关系式：
一般式：
p g ( 1 1 )
特殊式（对球面）：
r1 r2
2g
p
r
根据数学上规定，凸面的曲率半径取正值，凹
面的曲率半径取负值。所以，凸面的附加压力指向
液体，凹面的附加压力指向气体，即附加压力总是
指向球面的球心。
B
dG SdT VdP gdAs BdnB
B
g
(
U A
)
S
,V
,nB
(
H A
)
S
,P,nB
(
F A
)T
,V
,nB
(
G A
)T
,P,nB
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2015/11/20
2. 热力学公式
dG SdT VdP gdAs BdnB
物理化学—第十章 界面现象
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2015/11/20
第十章 界面现象
10.1 界面张力 10.2 弯曲表面下的附加压力及其后果 10.3 固体表面 10.4 液-固界面现象 10.5 溶液表面
物理化学08界面现象
界面现象
界面现象
•雨滴、露珠； •碳粉脱色；硅胶吸水、塑料防水； •玻璃毛细管内水面上升、汞面下降； •肥皂、牙膏起泡去污； •牛奶、豆浆成乳状液而稳定存在； •豆浆可破乳制作豆腐；
•水过冷而不结冰；液体过热而不沸腾；
•溶液过饱和而不结晶；
引
1、界面与表面
言
界面：任意两相的接触面
表面：物质与真空、本身的饱和蒸气或 含饱和蒸气的空气之间的接触面
液体/空气 水 表面能/ J· 2 m 72.75103 液体/液体 苯/水 表面能/ J· 2 m 35.0103
苯
乙醇 乙二醇 甘油 液体石蜡 汞
28.88103
22.27103 46.0103 63.0103 33.1103 484103
四氯化碳/水
橄榄油/水 液体石蜡/水 乙醚/水 正丁醇/水 水/汞
凹液面： p = pg – pl
定义：弯曲液面凹面一侧压力为p内； 凸面一侧压力为p外
附加压力p = p内 – p外
弯曲液面附加压力
弯曲液面附加压力
二、拉普拉斯(Laplace )方程
pg
凸液面球缺处
r'
r
F 2r cos
'
p F
r '
2
r' 2r ' r p
G γ A s T,p
单位：J· -2 m
二、热力学公式
dU TdS pdV B dnB dA
dH TdS Vdp B dnB dA
dA SdT pdV B dnB dA
dG SdT Vdp B dnB dA
材料学中的界面现象与控制技术
材料学中的界面现象与控制技术材料领域中的界面现象和控制技术一直是一个备受关注的研究领域。
材料的性能和结构常常取决于界面上的相互作用。
因此，对材料的制备和处理过程中的界面现象进行深入研究，对于材料的性能的改善以及新型材料的开发具有重要的意义。
一、界面现象界面在材料学中是指材料间的分界面，如晶界、相界、塑性流界面等。
界面现象是指在材料的表面及其内部分界面周围发生的现象，例如晶体生长、相变、结晶失稳等。
1. 晶体生长晶体生长是在已有晶体基底上连续生长新晶须的过程。
晶体生长过程中，晶界行进速度的大小在很大程度上决定了晶体的质量和形态。
在材料制备的过程中，通过控制晶界的运动行为，可以获得质量更好、形状更合适的晶体。
2. 相变相变是材料中物理性质及其结构的突变。
在材料的熔融、凝固、固态反应等过程中，相变是相当重要的一个问题。
例如，利用相变可以实现合金的调控和纯化。
控制相变过程中的界面现象，对于材料结构和性能的改善和控制，有重要的意义。
3. 结晶失稳结晶失稳是指晶体长大过程中因运动过程中的断裂或者基底结构的不稳定而产生晶界扭曲、生长势头不稳定等现象。
这种现象对于晶体结构和性能的影响也是不可忽视的。
研究结晶失稳的机理，可以指导不同材料的合理处理以及材料的掺杂成分及其处理条件的选择。
二、控制技术在材料学中，通过对界面现象的控制，可以实现材料的结构和性能的提高。
由此，一些控制技术应运而生。
1. 界面工程界面工程是材料学中一种重要的技术手段，其主要目的是改善材料的界面性能。
例如，可以通过形成定向和稳定的晶界，以实现材料的优化、增强材料界面的密附性并提高渗透和热回收效率。
还可以通过控制晶界的数量和尺寸，改变材料的性质，从而实现多种性能的组合。
2. 界面改性改性技术是指通过改变材料界面的组成和结构，达到控制和改善材料的性质和结构的目的。
例如，通过控制合金固液界面的亲和力，可以实现合金的纯化和配置。
通过改变聚合物间界面构成，可以实现聚合物的强度、韧性、硬度等基本性能的改善。
第十二部分界面现象
1 T
Qr dA
0
一般地，增加表面积 dA 0，体系吸热
Q 0，即：
( T)P
1 T
Qr dA
0
结论：温度增高，液体的表面张力下降。
分子运动论解释：
• 温度 T↗，分子动能↗，分子间吸引力就 会被部分克服 1）气相中分子密度增加； 2）液相分子迁移到表面相的几率增大。
可以用同一符号 “ ” 来表示表面自由 能或表面张力。
见书P888，表 12.2 给出了一些物质的表 面张力，其中液态金属（如常温下的 Hg）的 较大。
三、表面自由能与表面张力的异同点
异：物理概念、意义不同：
1）表面自由能表示形成单位新表面使体系 自由能的增加，可表示为：
Gs，单位：J / m2，erg / cm2
一、表面自由能
• 如前分析，V-L 表面相分子受到垂直指向 液体内部的吸引力，即表相分子比本体相 分子具有额外的（表面）势能。
• 要使表面积增加，即把分子从体相拉到表 相，外界必须作功。
表面功：在恒温恒压（组成不变）下可逆 地使表面积增加dA所需对体系做 的功叫表面功（可逆非体积功）。
环境对体系作功：
W GS dA ( A )T,P,ni 单位：J / m 2；或 erg / cm 2
二、表面张力
从前面的讨论得知：“液体表面具有表 面自由能。”
由于体系能量越低越稳定，所以其表面 具有自动收缩，以减少表面积的趋势。
可以将这种收缩趋势理解为由表面分子 之间相互吸引导致的结果。
P0 为外部大气压力； Ps 为（由曲面造成的）附加压力； 平衡时，表面下液体分子受到的压力
为：P0 + Ps
物理化学中的界面现象
物理化学中的界面现象物理化学作为研究物质和能量相互作用的学科，广泛关注物质的界面现象。
界面现象是指不同相（例如气相、液相、固相）之间的交界处所表现出的一系列特殊性质和现象。
本文将对物理化学中的界面现象进行探讨，包括界面张力、胶溶体和表面活性剂等方面。
首先，我们来讨论界面张力。
界面张力是界面上单位长度所具有的能量。
液体的界面张力是由分子间吸引力和排斥力所引起的。
分子间吸引力导致液体分子之间靠近，而分子间排斥力使液体分子远离界面。
这种分子间的不均匀排布导致了界面张力的存在。
界面张力使得水滴在平面上形成球状，也使得液体能够在毛细管中上升。
接下来，我们将讨论胶溶体。
胶溶体是由固体分散在液体中形成的混合物。
在胶溶体中，固体颗粒通过与液体分子的相互作用形成一个三维网络结构。
这种网络结构赋予了胶溶体特殊的物理性质，如黏度的增加和凝胶的形成。
在生活中，我们可以看到许多胶溶体的运用，比如胶水、果冻和凝胶电池等。
最后，我们来探讨表面活性剂。
表面活性剂是一类具有亲水性头部和疏水性尾部的分子。
在液体表面，表面活性剂的头部与水分子相互作用，而尾部则与空气或其他非极性物质相互作用。
这种分子的不均匀性导致表面活性剂在液体表面形成一个稳定的单分子层，称为胶束。
表面活性剂的存在使液体的表面张力减小，也可以使油与水相溶。
这种特性使得表面活性剂广泛应用于洗涤剂、乳化剂和泡沫剂等领域。
总而言之，物理化学中的界面现象涵盖了界面张力、胶溶体和表面活性剂等方面。
这些现象的研究不仅可以深化我们对物质相互作用的理解，也为许多实际应用提供了基础。
通过进一步研究和探索界面现象，我们可以更好地理解和应用物理化学的知识。
界面现象——精选推荐
第11章界面现象两个相的接触面即为界面。
根据相互接触的两个相的聚集状态，界面可分为气－液、气—固、液－液、液—固和固－固五种类型，其中气－液、气－固界面通常称为表面，也是最重要的两种界面。
界面是密切接触的两相之间的过渡区，厚度一般为纳米级，相当于几个分子的直径。
界面现象是指界面上所发生的物理化学行为，是由于界面上的分子受力不均衡而产生的。
当系统内界面面积不大时，界面现象所起的作用很小，常可略而不计，前面讨论的相平衡就属于这种情况。
但当系统内物质的分散程度较大时，则必须考虑界面现象的作用。
界面现象的知识在多相催化、吸附、表面膜、新相生成、泡沫乳状液、摩擦与润滑、去垢、选矿等许多方面都有广泛的应用。
§11.1 界面吉布斯自由能与界面张力在界面上，分子的处境与相内部的分子不同。
相内部的分子受到周围分子的作用力从统计平均来说是对称的，可以相互抵消，合力为零。
界面上的分子受到两相分子不同的作用，受力是不对称的，不能相互抵消，有剩余的作用力，称为净吸力。
净吸力垂直于界面而指向引力较大的一相的内部，即界面上的分子受到指向引力较大的一相内部的拉力。
如图11－1，在气－液界面上，分子受到指向液相内部的拉力,因此界面上的分子有离开界面进入相内的自发趋势，它的宏观表现就是界面自动收缩至具有最小面积。
液滴、气泡一般呈球形就是这个原因。
相反地，若要扩展界面的面积，即把一些分子由相内部移到界面上来，则需要克服这些分子所受图11－1 分子在液体内部及表面受力状况的指向相内的拉力而做功。
此功称为界面功。
由于系统体积不变，所以这种功属于非体积功。
当分子由相内部移到界面后，界面功转化为界面分子的能量，因此界面上的分子比相内部的分子具有更高的能量。
这种界面分子比相内分子多出的能量称为界面能。
在一定的温度、压力和组成下，可逆地增加系统的界面所作的非体积功δW ’，应与增加的界面积dA 成正比。
若以σ表示比例系数，则δWr ’＝σdA(11.1－1)因等温等压可逆过程中dG ＝δWr’，故上式又可表示为dG ＝σdA或σ＝(∂G/∂A)T,P,X(11.1－2)σ称为比界面吉布斯自由能，单位是J.m －2。
第十章 界面现象讲稿
F 2 l
2 lW
1
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。
W2 W2
恒温恒压下增加肥皂膜面积dA时，力F需对体系所作 的最小功（可逆非体积功）：
w Fdx 2 ldx dAs dG r
w / dAs G / As T , p r
AB为凸液面
弯曲表面上的附加压力
在凹面上
研究以AB为弦长 的一个球形凹面上的 环作为边界。由于环 上每点两边的表面张 力都与凹形的液面相 切，大小相等，但不 在同一平面上，所以 会产生一个向上的合 力。
Pg
Pl
弯曲表面上的附加压力 所有的点产生的向 上的合力为⊿P，称为 附加压力。凹面上的总 压力为： Pl =Pg-⊿P， 所以凹面上所受的压力 Pl 比平面上小。
W dA
'
式中 为比例系数，它在数值上等于当T，P及组 成恒定的条件下，增加单位表面积时所必须对体 系做的可逆非膨胀功。
4.表面自由能(surface free energy)
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 dA dn
U H γ ( ) S,V ,n ( ) S,P ,n A A
B
B
F G ( ) T ,V ,n ( ) T ,P ,n A A
B
B
广义的表面自由能定义： 保持相应的特征变量不变，每增加单位表面积时， 相应热力学函数的增值。 狭义的表面自由能定义：
保持温度、压力和组成不变，每增加单位表面积 时，Gibbs自由能的增加值称为表面Gibbs自由能， 或简称表面自由能或表面能，用符号 或 表示，单位为J· -2。 m
生物大分子的界面现象及其研究
生物大分子的界面现象及其研究生物大分子是指在生命活动中起着重要作用的大分子，比如蛋白质、核酸、多糖等等。
它们广泛存在于生物体内，是构成生命体的基本组成部分。
生物大分子的表面是生物体与外界环境进行交换的重要界面，其中的界面现象对于生物体的基本功能十分关键。
本文将深入探讨生物大分子的界面现象及其研究。
一、生物大分子的界面现象生物大分子与周围环境的相互作用主要是通过它们的表面进行的。
在这个表面上，生物大分子会表现出一些非常特殊的性质。
这些性质被称为生物大分子的界面现象，包括以下几个方面：1、表面张力生物大分子表面的张力决定了其在水体中的表现形式，比如蛋白质会在水体中形成胶体，因为其表面的张力比较大，形成了类似于微型颗粒的水合层。
2、界面活性生物大分子表面的分子吸附能力被称为界面活性。
比如，胶原蛋白就是一种界面活性物质，它能够将相互不相容的物质包裹在其表面上，起到稳定、乳化等作用。
3、识别分子生物大分子表面的特异性决定了其与其他分子的识别能力。
比如酶的表面上有许多活性位点，能够识别并催化特定的分子反应。
二、生物大分子界面现象的研究方法生物大分子界面现象的研究需要一些特殊的工具和手段。
以下是几种常用的研究方法：1、表面等电聚焦技术表面等电聚焦技术是一种将溶液中的生物大分子根据其等电点进行分离的技术。
在一定的电场下，生物大分子会在电泳板上被分离出来，产生一些不同点的印迹，从而可以对其进行分析。
2、表面等分子量检测表面等分子量检测是一种通过测量生物大分子在表面的吸附量来确定其分子量的技术。
通过在一定浓度下将生物大分子悬浮在特定溶液中，然后将其吸附在表面上，再通过测量吸附量来确定其分子量和亲水性程度。
3、原子力显微镜原子力显微镜是一种使用针尖排除力将生物大分子表面的形态进行高分辨率检测的技术。
由于针尖可以精确地感知表面的形态和力学特性，而且可以快速地检测生物大分子表面的具体结构，因此在生物大分子界面现象的研究中非常重要。
《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
化学矿石的界面现象与界面反应
润湿现象
定义：液体在固体表面铺展的能力
Hale Waihona Puke 影响因素：液体性质、固体性质、温度、压力等
润湿角：衡量润湿程度的参数，小于90度为润湿，大于90度为不润湿
润湿现象在化学矿石界面反应中的应用：影响化学反应速率和产物分布
吸附现象
定义：化学矿石表面对气体、液体或固体的吸附
密度泛函理论：通过密度泛函理论来研究界面现象与反应
蒙特卡罗模拟：通过随机抽样来研究界面现象与反应
微观结构表征技术
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X射线衍射技术：分析化学矿石的晶体结构
电子显微镜技术：观察化学矿石的微观结构
拉曼光谱技术：检测化学矿石的振动模式
电子探针技术：分析化学矿石的元素组成和化学键类型
界面吸附：影响化学反应速率和产物
界面现象与反应的应用
PART 03
在采矿工程中的应用
界面现象与反应在采矿过程中的应用实例
界面现象与反应在采矿工程中的发展趋势与挑战
界面现象与反应在采矿工程中的重要性
界面现象与反应对采矿效率的影响
在矿物加工中的应用
矿物浮选：利用界面现象实现矿物与杂质的分离
矿物冶炼：利用界面现象和反应提高金属回收率
界面反应的模拟与预测：利用计算机模拟和预测界面反应的过程和结果，为实验提供指导
界面反应的应用：将界面反应应用于实际生产中，如催化剂的制备、材料的合成等
界面现象与反应的理论模型建立
理论模型的重要性：为理解和预测界面现象与反应提供基础
理论模型的发展历程：从简单的经验模型到复杂的物理化学模型
理论模型的应用：在材料科学、环境科学等领域的应用
《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
23
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。
22
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
13
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。
第九章 界面现象.
在讲界面现象之前，让我们先看看日常生活的有关现象：
荷叶上的水珠会自动成球形。 荷
叶 上
玻
璃 上
毛细现象
物理化学 课件
第九章 界面现象
微小液滴易挥发（小颗粒晶体易溶解）
活性碳脱色 橘子皮为什么可除去冰箱中的臭味 金属粉末在空气中可自燃 。粉尘爆炸。 纳米材料为什么会呈现强烈的表面效应等等。 以上现象皆与物质的界（表）面有关。
地保墑。 墑情好的土壤中存在丰富的毛细管，
锄地可以切断地面的毛细管，防止土壤
中的水分沿毛细管上升到表面而挥发；
物理化学 课件
第九章 界面现象
§9.2 弯曲液面的附加压力及其后果 另一方面，由于液态水在毛细管中呈凹面，饱和蒸地表和土壤深处毛细管的同时， 还有利于大气中水汽在土壤毛细管中凝结，增加土壤水分，这就是 锄地保墑的科学原理。 此外，硅胶作为干燥剂同样是利用毛细管现象，请读者自己理
通过毛细管与位于管端的半径为r的
小液滴相连接。 液滴所承受的外压为p0和弯曲液面的附加压力p之和p+ p0， 平面液面上活塞施加的压力为p。
物理化学 课件
第九章 界面现象
§9.2 弯曲液面的附加压力及其后果 例9.2 已知20℃时水的表面张力为0.0728Nm-1，如果把水分散成小 水珠，试计算当水珠半径分别为1.00×10-3、1.00×10-4、1.00×10-5 cm时, 曲面下的附加压力为多少？
由图可知，毛细管半径R与弯曲液面的
曲率半径R的关系为R=Rcos，结合上式可
得液体在毛细管中上升的高度为
2 cos θ h R( - ) g
（9 - 20）
由上式可知，在一定的温度下，毛细管越细，液体对毛细管润
《界面现象》课件
界面现象在其他领域的应用
界面现象在其他领域也具有广泛的应 用，如能源、材料和电子等。在能源 领域中，利用界面现象可以提高燃料 的燃烧效率和减少污染物排放。
VS
在材料领域中，利用界面现象可以制 备功能材料和复合材料，提高材料的 性能和功能。在电子领域中，利用界 面现象可以制备电子器件和集成电路 ，实现电子设备的微型化和高效化。
分子模拟方法
总结词
利用计算机模拟分子间的相互作用和运动， 预测界面现象。
详细描述
分子模拟方法是利用计算机模拟分子间的相 互作用和运动，从而预测界面现象的一种方 法。这种方法可以对分子间的相互作用进行 详细的模拟，从而深入理解界面现象的微观 机制。分子模拟方法需要具备较高的计算机 编程和数值计算能力，并且需要选择合适的 模拟算法和力场参数。
表面能
表面能是表面分子所具有的能量 ，它反映了表面分子间的相互吸
引力。
表面能的大小决定了物质表面的 稳定性，如液体的蒸发速度、晶
体表面的生长速度等。
表面能的应用包括表面改性、涂 层技术、纳米材料制备等领域。
表面活性剂
表面活性剂是一种能够显著降低 表面张力或界面张力的物质。
表面活性剂分子通常具有亲水基 团和疏水基团，能够在界面上形
计算机仿真方法
总结词
通过模拟系统整体行为，预测界面现象。
详细描述
计算机仿真方法是利用计算机模拟系统的整体行为，从而预测界面现象的一种方法。这 种方法可以对系统整体行为进行模拟，从而提供对界面现象的整体认识。计算机仿真方 法需要建立合理的仿真模型，选择合适的仿真算法和参数，并对仿真结果进行科学分析
。
交叉学科
此外，界面现象还与生物学、医学、环境科学等交叉学科密切相关。通 过跨学科的研究，可以拓展界面现象的应用领域，推动相关领域的发展 。
生物界面现象的基础理论和应用研究
生物界面现象的基础理论和应用研究生物界面现象是指在生物体内外相互接触的界面上发生的现象，包括生物体内外的分子和离子的传递、信号传导、细胞间相互作用等一系列过程。
生物界面现象的研究对于深入理解生物体功能、疾病发生机制以及开发生物医药等方面具有重要意义。
以下是生物界面现象的基础理论和应用研究的主要内容。
一、基础理论研究：1.分子在生物界面上的吸附、扩散和反应动力学：研究生物界面上分子的吸附行为、扩散过程以及在界面上的反应动力学，揭示分子在界面上的行为规律以及影响因素，为生物界面上的其他现象提供基础理论支持。
2.细胞-细胞间相互作用的机制：研究细胞膜之间的相互作用机制，包括细胞黏附、细胞间信号传递和细胞间的物质交换等，揭示细胞间相互作用的分子机制，对于理解细胞的结构和功能具有重要意义。
3.细胞外基质的功能和作用机制：研究细胞外基质在细胞外界面上的组成、结构和功能，包括其对细胞黏附、迁移、增殖等过程的调控作用，为理解细胞外基质在组织形成和重建中的作用机制提供基础。
二、应用研究：1.药物输送系统的设计和优化：根据生物界面现象的基础理论研究成果，设计和开发针对靶细胞的药物载体和输送系统，实现药物的靶向输送和释放，提高药物的疗效和减少不良反应。
2.组织工程和再生医学的研究：利用生物界面现象的原理，设计和开发生物材料和支架，用于组织工程和再生医学的应用，包括组织修复、器官移植和人工器官的构建等，促进组织的生长和修复。
3.病原体侵入机制和抗菌技术研究：通过研究生物界面现象的基础理论，揭示病原体侵入宿主细胞的机制，以及生物体对病原体的防御机制，开发新型的抗菌技术和药物，用于治疗感染和预防疾病的发生。
总之，生物界面现象的基础理论和应用研究对于深入理解生物体的功能和疾病发生机制，以及开发生物医药等方面具有重要意义。
随着相关技术和研究方法的不断发展，相信生物界面现象的研究将会为生物医学领域的发展带来更多的突破和进展。
界面现象及其调控
-D G a=W a ¢ >0自动进行
粘湿功
四个基本定律
2.浸湿（immersional wetting） D G i =ssl- ss=-W i¢ 气
-D G i=W i¢ >0自动进行
浸湿功
3.铺展（spreading wetting）
固
液
固液
图12 浸湿
气
液
当小液滴的表面积与铺展后的表
面积相比可忽略不计时
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
① d/dc＞0，Γ＜0，负吸附
，表面惰性物质，Ⅰ类曲线；
② d/dc＜0，ຫໍສະໝຸດ ＞0，正吸附，表面活性物质，Ⅱ、Ⅲ类曲线 ；
③ d/dc = 0，Γ= 0，不再吸
附，Ⅳ类曲线；
④ 求Γ。（= f(c)）→d/dc
→Γ）
图5 表面张力曲线的类型
四个基本定律
四、杨(Young)公式——接触角与润湿
润湿角（或接触角）：固液界面的水平线与气液界面在O点 的切线之间 的夹角θ。
②要使cosθ＞0，(或θ＜90º)，须满足s-l＜s-g,降低s-l。
四个基本定律
润湿：固体表面上原来的气体被液体取代。 接触过程的 △G＜0。Gibbs函数降低越多，越易润湿。
1.沾湿（adhesional wetting）
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→Γ）
图5 表面张力曲线的类型
四个基本定律
四、杨(Young)公式——接触角与润湿
润湿角（或接触角）：固液界面的水平线与气液界面在O点 的切线之间 的夹角θ。
rl-g
rs-g
rs-l
rl-g
rs-g
rs-l
图10 接触角<90°与 90°<接触角<180°液滴受力图
平衡时
sg
s l
lg
cos
——杨氏方程（润湿方程）
四个基本定律
由于θ可测，习惯上用接触角来衡量润湿程度。
0º
90º
180º
完全润湿
完全不润湿
结论
①θ的大小用来判断润湿与否，θ角越小润湿效果越好。
②要使cosθ＞0，(或θ＜90º)，须满足s-l＜s-g,降低s-l。
四个基本定律
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
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
表 面 活 性 剂 溶 液 的 性 质
c
图17 CMC附近表面活性剂性质的变化
表面活性物质
三、表面活性剂的HLB值
HLB —— 亲水亲油平衡 (hydrophile-lipophile balance)
表4 HLB值范围及应用
HLB值 1-3 3-6 7-9 8-18
13-15 15-18
应用 消泡剂 W/O乳化剂 润湿剂 O/W乳化剂 洗涤剂 增溶剂
界面阻力与表面湍动
一、界面阻力
系统总阻力
总传质系数
1 1 1 H KG kG kIG kL
界面传质系数
能克服障碍穿过界面的具有足够能量的分子所占摩尔分率
称为适应系数。
exp( E )
RT
克服表面阻力 所需活化能
界面阻力与表面湍动
界面传质系数kI
kI
ucT 6
u ——组分的分子均方根速度，m/s。
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↑。
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
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
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。
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
R T ln pr = 2s M ＝2s V 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。
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
润湿：固体表面上原来的气体被液体取代。 接触过程的 △G＜0。Gibbs函数降低越多，越易润湿。
1.沾湿（adhesional wetting）
液 气
液
固
固
图11 沾湿
D G a = s sl - s l - s s = W a¢ （改变单位面积）
- D G a = W a¢> 0 自动进行
粘湿功
分
——
离界
工面 现
程象
李俊宏
及 化学工程与技术
其
调
控
目录
概述 界面张力 四个基本定律 表面活性物质 界面阻力与表面湍动 界面调控
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？
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
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 pl pg 液体中的气泡(凹液面)，附加压力: p p内 p外 pg pl
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，所以
称为表面吉布斯函数单位J·m-2。
表面张力
c——溶质在溶液本体中的平衡浓度（或活度）。
四个基本定律
由Gibbs公式可知：当T一定时，
d/dc的正负决定了吸附类型。
① d/dc＞0，Γ＜0，负吸附
，表面惰性物质，Ⅰ类曲线；
② d/dc＜0，Γ＞0，正吸附
，表面活性物质，Ⅱ、Ⅲ类曲线 ；
③ d/dc = 0，Γ= 0，不再吸
附，Ⅳ类曲线；
图13 铺展
铺展系数： S = - D G s = s s－s sl - s l S ≥ 0 自动铺展
28
表面活性物质
一、概述
表面活性剂——加入量很少时即能显著降低溶剂的表面张 力的一类两亲性质的有机化合物。能定向 在液面上排列，在溶液内部能聚集形成胶束。
结构： 亲油的长链非极性基团 亲水的极性集团
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
液体的表面张力
表面功
F 2l
W Fdx 2ldx dA
W / dA
在恒温恒压下，可逆非体积功即为 吉布斯函数变
W dGT , p dA
G A
T
,
p
图4 皂膜的拉伸
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。
表5 HLB值范围与状态
HLB值 1-4 3-6 6-8 8-10
10-13 ＞13
在水中的状态 不能分散（不溶）
粗粒子分散 激烈搅拌呈乳状分散 呈稳定的乳状分手那
几乎透明的分散 透明分散（溶介）
表面活性物质
三、表面活性剂的作用
润湿、去污、助磨、乳化、破乳（消泡） 等等。 例: 去污作用
图18 表面活性剂的洗涤作用
1 dW
MP
A dt RT (r / D RI )
W——液滴质量 ，r ——液滴半径，M——分子量，
t ——时间，RI——界面阻力。
液滴越小，界面阻力所起作用越大，液滴的寿命越大。 对于小液滴，表面污染所造成的RI不可忽略。
界面阻力与表面湍动
怎么改善喷雾 除尘？
在喷成12m的微滴的水中预先添加少量十 六醇，使雾滴在矿内沾上矿尘后共同沉降 的时间少于雾滴蒸发的时间（寿命）。
可按在水中是否电离，分为离子型与非离子型的表面活性剂。
表面活性物质
图14 表面活性物质的分类
面活性物质
二、表面活性剂的性质
在水溶液表面吸附和形成胶束。
(a) 稀溶液 (b) 开始形成胶束 (c) 大于cmc的溶液
图15 表面活性剂胶束的形成
表面活性剂的两个重要参数： CMC和HLB。
表面活性物质
表面张力
(4) 与压力的关系。
a．表面分子受力不对称的程度 σ ↓ P↑ b．气体分子可被表面吸附，改变σ ↓ σ↓
c．气体分子溶于液相
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
界面阻力与表面湍动
二、表面湍动
紧靠界面的液体可能产生对流，而使传质系数有很大的增 加，这种现象叫做表面湍动。
液相内浓度或温度变化所造成的表面梯度。
原 因
化学吸收导致表面局部过浓，形成密度差。
液体微元的挤压和浮生效应。