物理化学界面现象分析解析
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于表面张力作用，肥皂膜会自动收缩，
活动边会被向上拉，如在活动边上挂一
重物，使重物质量W2与边框质量W1所 产生的重力F=（W1+W2）g与总的表面 张力大小相等，则金属丝不再滑动。
这时
F 2 l
（膜有两个面，边界总长度为2l）
即 F
2l
表面功（surface work）
增加液体的单位表面时所需的可逆 非体积功。
Chapter10 界面现象
界面现象的本质
表面层分子与内部分子相比，它们所处的环境 不同。体相内部分子所受四周邻近相同分子的 作用力是对称的，各个方向的力彼此抵销.
但是处在界面层的分子，一方面受到体相内 相同物质分子的作用，另一方面受到性质不同 的另一相中物质分子的作用，其作用力未必能 相互抵销，因此，界面层会显示出一些独特的 性质。
G
( AS
)T , p
单位：J. m –2
2. 热力学公式
当系统的相界面面积有变化时：
dU = TdS－pdV ＋ΣμBdnB + γdAs dH = TdS + Vdp ＋ΣμBdnB + γdAs dA = - SdT－pdV＋ΣμBdnB +γdAs dG = - SdT + Vdp＋ΣμBdnB +γdAs
(wenku.baidu.comA AS
)T ,V
,n( B )
( G AS
)T ,P,n(B)
( U AS
) S ,V ,n( B )
( H AS
) S ,P,n( B)
γ：恒温、恒压、恒组成下, 增加单位
界面面积时系统所增加的吉布斯函数。
或 ：恒熵、恒容、恒组成下, 增加单位
界面面积时系统所增加的内能。
在定温、定压、定组成下，
这种作用力使表面有自动收缩到 最小的趋势，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。
1、基本概念
（1）界面(interface)是指两相接触的约几个分子厚
度的过渡区。
（2）表面( surface) 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
§10.1 界面张力
由于界面两侧分子间的作用力不同,表面分子受 到一指向体相内部的作用力。 ①液体表面有自动收缩的 趋势。 ②有自发与外来分子发生 化学或物理结合的趋势， 借以补偿力场的不对称性。 （吸附外来分子）
刺破线圈中央的液 膜，线圈内侧张力 消失，外侧表面张 力立即将线圈绷成 一个圆形，(b)图清 楚显示出表面张力 的存在。
dG T,P,n (B) = γ dAs dG T,P,n (B) < 0 是自发过程 产生表面现象的热力学原因:
定温、定压下凡是使As变小(表面收缩)或使界 面张力下降(吸附外来分子)的过程都会自发进 行。
界面张力及其影响因素
1）分子间力的影响 分子间的相互作用力越大，表面张力越大。
γ固态＞γ液态 ，γ极性物质＞γ非极性物质
（2）温度的影响 表面张力一般随温度增加而降低。
纯液体： γ = γ0(1－T/ Tc)n Tc 为临界温度，n 及 γ0为经验常数
临界温度时， =？ 液气界面消失， 0
（3）压力的影响
表面张力一般随压力的增加而下降。
压力增加，气相密度增加，表面分子受力不均 匀性略有好转。另外，若是气相中有别的物质， 则压力增加，促使表面吸附增加，气体溶解度增 加，也使表面张力下降。
一定大小的物质分割得越小，则分散度 越高，比表面也越大。
把边长为1cm的立方体逐渐分割成小立 方体时，比表面增长情况如下：
边长/m
1×10-2 1×10-3 1×10-5 1×10-7 1×10-9
立方体数
1 103 109 1015 1021
比表面Av /（m2/m3） 6 ×102 6 ×103 6 ×105 6 ×107 6 ×109
当边长为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。
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。
纳米材料特性
特殊的光学性质 当黄金被细分到小于光波波长的尺寸
时，即失去原有的富贵光泽而呈黑色。 所有金属在超微颗粒状态下，都呈现 为黑色。金属超微颗粒对光的反射率 很低，通常低于1%，仅几微米的厚度 就能完全消光。
对于单组分体系，这种特性主要来自于同 一物质在不同相中的密度不同；对于多 组分体系，则特性来自于界面层的组成 与任一相的组成均不相同。
最简单的例子是液体及其蒸气组成的表面。
液体内部分子所受的力可以 彼此抵销，但表面分子受到体相 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体相的作 用力。
要使液膜面积增加dAS，外界需作 可逆非体积功
δWr’=Fdx=2γldx=γdAS 则γ = δWr’ /dAS称为表面功.
单位：J. m –2
表面吉布斯函数
恒温、恒压下增加液体的单位表面时，系统所增加的 吉布斯函数.
因在恒温、恒压时，外界对系统所作的非体积功等于
其吉布斯函数变 δ Wr’ = dGT,P = γdAS
（3）分散度：把物质分散成细小微粒的程度。 比表面（specific surface area） ：单位体积或单
位质量的物质所具有的表面积。
av = As /V （单位: m2 / m3） am=As /m （单位: m2/kg）
高度分散物质系统具有巨大的表面积。
活性炭的比表面达 106~2×106 m2/kg
(b)
1. 液体的表面张力 表面功及 表面吉布斯函数
表面张力（surface tension） 在两相界面上，垂直作用于表面任意单位长度上 的紧缩力。
F 单位：N. m –1
21
对水平液面，表面张力方向与液面平行， 对弯曲液面，表面张力方向为液面的切线方向。
公式推导
一有肥皂膜的框架（有一活动边）由
特殊的热学性质
固态物质在其形态为大尺寸时，其熔 点是固定的，当颗粒细微化后其熔点 降低，颗粒越细，熔点降低越显著， 当颗粒小于l0nm量级时尤为显著。
特殊的力学性质
陶瓷材料在通常情况下呈脆性，而纳米陶 瓷材料却具有良好的韧性。因纳米材料具 有巨大的界面，界面的原子排列相当混乱， 原子在外力的作用下很容易迁移，因此表 现出甚佳的韧性和一定的延展性。（氟化 钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不 断裂）
活动边会被向上拉，如在活动边上挂一
重物，使重物质量W2与边框质量W1所 产生的重力F=（W1+W2）g与总的表面 张力大小相等，则金属丝不再滑动。
这时
F 2 l
（膜有两个面，边界总长度为2l）
即 F
2l
表面功（surface work）
增加液体的单位表面时所需的可逆 非体积功。
Chapter10 界面现象
界面现象的本质
表面层分子与内部分子相比，它们所处的环境 不同。体相内部分子所受四周邻近相同分子的 作用力是对称的，各个方向的力彼此抵销.
但是处在界面层的分子，一方面受到体相内 相同物质分子的作用，另一方面受到性质不同 的另一相中物质分子的作用，其作用力未必能 相互抵销，因此，界面层会显示出一些独特的 性质。
G
( AS
)T , p
单位：J. m –2
2. 热力学公式
当系统的相界面面积有变化时：
dU = TdS－pdV ＋ΣμBdnB + γdAs dH = TdS + Vdp ＋ΣμBdnB + γdAs dA = - SdT－pdV＋ΣμBdnB +γdAs dG = - SdT + Vdp＋ΣμBdnB +γdAs
(wenku.baidu.comA AS
)T ,V
,n( B )
( G AS
)T ,P,n(B)
( U AS
) S ,V ,n( B )
( H AS
) S ,P,n( B)
γ：恒温、恒压、恒组成下, 增加单位
界面面积时系统所增加的吉布斯函数。
或 ：恒熵、恒容、恒组成下, 增加单位
界面面积时系统所增加的内能。
在定温、定压、定组成下，
这种作用力使表面有自动收缩到 最小的趋势，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。
1、基本概念
（1）界面(interface)是指两相接触的约几个分子厚
度的过渡区。
（2）表面( surface) 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
§10.1 界面张力
由于界面两侧分子间的作用力不同,表面分子受 到一指向体相内部的作用力。 ①液体表面有自动收缩的 趋势。 ②有自发与外来分子发生 化学或物理结合的趋势， 借以补偿力场的不对称性。 （吸附外来分子）
刺破线圈中央的液 膜，线圈内侧张力 消失，外侧表面张 力立即将线圈绷成 一个圆形，(b)图清 楚显示出表面张力 的存在。
dG T,P,n (B) = γ dAs dG T,P,n (B) < 0 是自发过程 产生表面现象的热力学原因:
定温、定压下凡是使As变小(表面收缩)或使界 面张力下降(吸附外来分子)的过程都会自发进 行。
界面张力及其影响因素
1）分子间力的影响 分子间的相互作用力越大，表面张力越大。
γ固态＞γ液态 ，γ极性物质＞γ非极性物质
（2）温度的影响 表面张力一般随温度增加而降低。
纯液体： γ = γ0(1－T/ Tc)n Tc 为临界温度，n 及 γ0为经验常数
临界温度时， =？ 液气界面消失， 0
（3）压力的影响
表面张力一般随压力的增加而下降。
压力增加，气相密度增加，表面分子受力不均 匀性略有好转。另外，若是气相中有别的物质， 则压力增加，促使表面吸附增加，气体溶解度增 加，也使表面张力下降。
一定大小的物质分割得越小，则分散度 越高，比表面也越大。
把边长为1cm的立方体逐渐分割成小立 方体时，比表面增长情况如下：
边长/m
1×10-2 1×10-3 1×10-5 1×10-7 1×10-9
立方体数
1 103 109 1015 1021
比表面Av /（m2/m3） 6 ×102 6 ×103 6 ×105 6 ×107 6 ×109
当边长为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。
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。
纳米材料特性
特殊的光学性质 当黄金被细分到小于光波波长的尺寸
时，即失去原有的富贵光泽而呈黑色。 所有金属在超微颗粒状态下，都呈现 为黑色。金属超微颗粒对光的反射率 很低，通常低于1%，仅几微米的厚度 就能完全消光。
对于单组分体系，这种特性主要来自于同 一物质在不同相中的密度不同；对于多 组分体系，则特性来自于界面层的组成 与任一相的组成均不相同。
最简单的例子是液体及其蒸气组成的表面。
液体内部分子所受的力可以 彼此抵销，但表面分子受到体相 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体相的作 用力。
要使液膜面积增加dAS，外界需作 可逆非体积功
δWr’=Fdx=2γldx=γdAS 则γ = δWr’ /dAS称为表面功.
单位：J. m –2
表面吉布斯函数
恒温、恒压下增加液体的单位表面时，系统所增加的 吉布斯函数.
因在恒温、恒压时，外界对系统所作的非体积功等于
其吉布斯函数变 δ Wr’ = dGT,P = γdAS
（3）分散度：把物质分散成细小微粒的程度。 比表面（specific surface area） ：单位体积或单
位质量的物质所具有的表面积。
av = As /V （单位: m2 / m3） am=As /m （单位: m2/kg）
高度分散物质系统具有巨大的表面积。
活性炭的比表面达 106~2×106 m2/kg
(b)
1. 液体的表面张力 表面功及 表面吉布斯函数
表面张力（surface tension） 在两相界面上，垂直作用于表面任意单位长度上 的紧缩力。
F 单位：N. m –1
21
对水平液面，表面张力方向与液面平行， 对弯曲液面，表面张力方向为液面的切线方向。
公式推导
一有肥皂膜的框架（有一活动边）由
特殊的热学性质
固态物质在其形态为大尺寸时，其熔 点是固定的，当颗粒细微化后其熔点 降低，颗粒越细，熔点降低越显著， 当颗粒小于l0nm量级时尤为显著。
特殊的力学性质
陶瓷材料在通常情况下呈脆性，而纳米陶 瓷材料却具有良好的韧性。因纳米材料具 有巨大的界面，界面的原子排列相当混乱， 原子在外力的作用下很容易迁移，因此表 现出甚佳的韧性和一定的延展性。（氟化 钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不 断裂）