第七章界面现象分析
物理化学第七章
粗分散物系
>10-7m
混浊泥水，牛 奶，豆浆
3、胶体四大特征：（同溶液相比较）
①聚结不稳定性（热不稳自发聚沉）②多相不均匀性 聚结不稳定性 ②多相不均匀性（一相分散 于另一相，有相界面）③高分散性 ③高分散性（颗粒大小及胶团量不相同） 结构组成不确定性（受添加剂或添加物影响） ④结构组成不确定性 （真溶液：热稳，均相物系，组成，结构，分子量恒定） 4、胶体化学研究内容：表面现象，分散物系及高分子溶液 5、表面：物体处于真空或与本身饱和蒸气达平衡的面。 6、界面：物体与空气或其他物体相接触的面（存在于两相之间 几个nm厚度薄层） 7、表面现象（Surface phenomenon）：凡物质处于凝聚状态时， 其界面上发生的一切物理化学现象。（包括s-g,s-l,l-g,ss,l-l等统称表面）严格讲为界面现象，如：毛细现象，润湿 作用，液体过热，蒸气过饱和，吸附作用等统称界面现象 AS Sο (Interface phenomenon)。
（1）按分散相和分散介质的聚集状态分类
分散相 分散介质 名称 气 泡沫 液 液 乳状液 固 悬浮体，溶液胶 气 液 固 固溶胶 固 气 液 气 气溶胶 固
实例 肥皂泡沫 牛奶 泥浆，金溶胶 浮石，泡沫玻璃 珍珠，某些矿石 某些合金 雾 烟
（2）按分散相的分散度分类
类型 低分子 分散物系 分散相粒子半 径 <10-9m 分散相 原子 离子,小分子 性质 均相，热力学稳定物 系，扩散快，能透过 半透膜，形成真溶液 均相，热力学稳定物 系，扩散慢，不能透 过半透膜，形成真溶 液 举例 NaCI、蔗糖的 水溶液，混合 气体等 聚乙烯醇水溶 液
之一)：当毛细管插入润湿性液体水中时，管内液面呈凹面, △P背向 液面，使液体受到向上提升力而沿管内壁上升,当液柱产生的静压 力ρgh=△P时达平衡停止移动；反之，当毛细管插入非润湿性液体 汞中时产生管内凸液面，因△P向下,使管内液面下降至ρgh=△P 达平衡时停止，此为毛细现象。
界面现象
第九章 界面现象讲解：日常生活和生产中，有很多现象和界面有关。
如：水在玻璃细管中会上升，这叫毛细现象；水可以在桌面上铺开，水银却成球状等。
通常把气液和气固界面成为表面。
第一节 表面张力和表面吉布斯函数一、表面现象及其本质 1.界面层的定义界面的5种类型：g-l,g-s,l-l,l-s,s-s. 其中g-l 和g-s 界面也叫表面。
界面分子和内部分子的区别：内部分子受力对称，界面分子受力不对称，不均匀。
液体自发使表面积缩小。
讲解：测定液体蒸气压，不能有空气存在，液体表面指纯液体与其纯蒸气之间的过渡层，只有几个分子厚。
日常生活中讲的液体表面，是指液体与空气之间的界面，其中空气被液体蒸气饱和。
2.系统的比表面（分散度）单位质量具有的表面积，或单位体积具有的表面积。
def defS S m V A AA A m V==质量表面积体积表面积例：一个边长为0.01米的立方体表面积是多少？把这个立方体分成10-9m 的小立方体，求其总面积。
解：边长为0.01米的立方体表面积 2-421=60.01=610m A ⨯⨯()321390.011010-=小立方体的个数为-92213226(10)10610m A =⨯⨯=⨯小立方体总面积物体被分散后的体积变化，请看358页表9.1。
二、表面张力、表面功、表面吉布斯函数 在等温等压条件下者3个概念是一回事。
讲解：吉布斯函数变就是等温等压条件下可逆过程得体积功。
:γ等温等压下可逆地增加单位表面积所需的功。
B,,S T p n G A γ⎛⎫∂=⎪∂⎝⎭ 表面张力就是表面功表面张力F:表面上，每米长度所受的收缩力，垂直于表面切线方向。
-2-2-1J m N m m N m⋅=⋅⋅=⋅单位： 表面功 表面张力2F l γ= 2Flγ= 影响表面张力的因素 （1）物质的本性()()s l γγ>一般相同聚集态时(γγγγ>>>金属键）（离子键）（极性共价键）（非极性共价键）讲解：可以看出键的极性越强，σ越大，因为非极性共价键组成的非极性分子之间只有色散力，极性分子间有色散力、取向力、诱导力。
物理化学界面现象教案中的界面界面扩散与界面反应
物理化学界面现象教案中的界面界面扩散与界面反应物理化学界面现象教案中的界面扩散与界面反应界面现象在物理化学中占据着重要的地位，它不仅涉及到物质的传输和反应，还与许多实际应用息息相关。
在本篇文章中，我们将重点讨论物理化学界面现象教案中的界面扩散与界面反应。
一、界面扩散在界面扩散中，我们可以观察到物质在界面上的传输过程。
这种传输过程可以通过物质的扩散来实现。
界面扩散的速率与物质的浓度梯度、温度、界面特性等因素密切相关。
扩散现象在自然界中广泛存在，例如气体和液体之间的扩散以及固体表面的扩散等。
界面扩散的机理可以通过菲克定律来解释。
根据菲克定律，扩散速率正比于浓度梯度，并且与扩散系数、面积相关。
界面扩散常常与另一个重要现象相关——质量传递。
质量传递通常指的是物质在不同相之间的传递，它与界面扩散有着密切的联系。
二、界面反应界面反应指的是两相之间的化学反应。
在这种反应中，反应物和产物被分隔在不同的相中，并且通过界面进行反应。
界面反应的速率通常受到内部传质以及反应速率的限制。
在界面反应中，界面扩散也起到了重要的作用。
如果界面扩散速率很慢，将会限制整个反应的速率。
界面反应可以通过接触理论来解释。
接触理论认为，只有当反应物在界面上发生接触并形成活化复合物时，才能发生反应。
界面反应常见的例子包括气体吸附、电化学反应和催化反应等。
三、实际应用界面扩散与界面反应在许多行业中都有着广泛的应用。
例如，在化工工艺中，界面反应可以用于催化剂的设计和废水处理等；在电子工业中，界面扩散可以用于半导体材料的制备和集成电路的制造。
此外，在环境科学领域，界面现象的研究对于理解大气和海洋中的物质传输以及污染物的迁移有着重要的意义。
界面现象的深入研究也可以为分子生物学和药物研发等领域提供有益的指导。
总结：在物理化学界面现象教案中，界面扩散与界面反应是两个重要的内容。
界面扩散与扩散系数、浓度梯度、温度等密切相关，可以通过菲克定律来解释。
界面反应与接触理论有关，反应速率受到界面扩散的限制。
专题讲解 界面现象 胶体化学
表面吉布斯自由能和表面张力1、界面：密切接触的两相之间的过渡区（约几个分子的厚度）称为界面（interface），通常有液－气、液－固、液－液、固－气、固－液等界面，如果其中一相为气体，这种界面称为表面（surface）。
2、界面现象：由于界面两侧的环境不同，因此表面层的分子与液体内的分子受力不同：1.液体内部分子的吸引力是对称的，各个方向的引力彼此抵销，总的受力效果是合力为零；2.处在表面层的分子受周围分子的引力是不均匀的，不对称的。
由于气相分子对表面层分子的引力小于液体内部分子对表面层分子的引力，所以液体表面层分子受到一个指向液体内部的拉力，力图把表面层分子拉入内部，因此液体表面有自动收缩的趋势；同时，由于界面上有不对称力场的存在，使表面层分子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。
由于有上述两种趋势的存在，在表面会发生许多现象，如毛细现象、润湿作用、液体过热、蒸气过饱和、吸附作用等，统界面现象。
3、比表面（Ao）表示多相分散体系的分散程度，定义为：单位体积（也有用单位质量的）的物质所具有的表面积。
用数学表达式，即为：A0=A/V高分散体系具有巨大的表面积。
下表是把一立方厘米的立方体逐渐分割成小立方体时，比表面的增长情况。
高度分散体系具有巨大表面积的物质系统，往往产生明显的界面效应，因此必须充分考虑界面效应对系统性质的影响。
4、表面功在温度、压力和组成恒定时，可逆地使表面积增加dA所需要对体系做的功，称为表面功（ω’）。
-δω’=γdA(γ:表面吉布斯自由能，单位：J.m-²)5、表面张力观察界面现象，特别是气-液界面的一些现象，可以觉察到界面上处处存在着一种张力，称为界面张力（interface tension）或表面张力（surface tension）。
它作用在表面的边界面上，垂直于边界面向着表面的中心并与表面相切，或者是作用在液体表面上任一条线两侧，垂直于该线沿着液面拉向两侧。
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
太原理工大学物理化学第八章界面现象界面是指相互接触的两相的交界面。
自然界中的物质一般以三种聚集状态存在，三种相态相互接触可 以形成五种界面：液-气、固-气、液-固、液-液和固-固界面。
习惯上将液-气和固-气界面称为表面；而其余 的相界面都称为界面。
由于历史的原因， “表面”和“界面”这两个词经常混用。
界面并不是一个几何平 面，它是从一个相到另一个相的过渡层，有一定的厚度，通常称为界面相或界面层，与界面层相邻的两相 称为体相。
界面现象就是在相界面上所发生的物理化学现象。
许多自然现象、生理现象、工农业生产以至日常生 活上的许多问题都与界面现象有密切的关系，如：液滴呈球形、活性炭能脱色、粉尘容易爆炸等都与界面 现象有关。
产生界面现象的根本原因是由于界面相中的分子与体相中的分子所处的力场不同，因此界面相 的性质和两个体相的性质就会不一样。
在一般情况下，系统所具有的比表面积相当小，表面上的物质、能 量都比体相小得多， 故表面的特殊性质可不考虑。
但当系统的表面积很大时，表面分子所占的比例就很大， 它的特殊性质就成为矛盾的主要方面而表现出各种界面现象。
为了便于比较不同物质的表面性质，提出了比表面积的概念。
比表面积（as）是指单位质量或单位体 积的物质所具有的表面积，用公式表示为： as = As / m 或 as = As / V通常用比表面积来表示物质的分散程度，即分散度。
比表面积越大，分散度越高，表面效应就越明显， 这必然对系统的物理化学性质产生影响，此时就必须考虑界面的特殊性。
这种特殊性反映出的宏观现象就 是人们观察到的界面现象，其具体体现就是界面张力。
§ 8.11．液体的表面吉布斯函数和表面功界面张力界面现象产生的根本原因是由于两相界面上的分子与体相分子所 处环境不同引起的，以液-气界面为例说明之。
如图 8.1.1 所示，处于液 体内部的分子，受周围各分子对它的作用力是对称的，可以相互抵消， 这些分子在液体内部运动时无须对它做功。
物理化学 界面现象
二、润湿角
当液滴在固体表面达流动平衡时
σl-g
σl-g
l
σs-g
s σs-l
l
σs-g
σs-l s
：接触角 Contact angle，0o ≤ ＜ 180o
σs-g = σl-gcos + σs-l Young 方程
σ：比表面吉布斯函数（J.m-2） 表面张力（N.m-1）
2、表面热力学
G s As dG s dAs Asd
（1）σ一定时， dG s dAs＜0， ∵σ＞0，∴dAs＜0，即缩小表面
积过程是自发过程。 （2）当As一定时，dG s Asd ＜0， ∵As＞0，∴d σ ＜0，表面张力
积过程是自发过程。
（2）当As一定时，dG s Asd ＜0， ∵As＞0，∴d σ ＜0，表面张力 减小的过程是自发过程—固体表面具有吸附作用。
（3）σ和As均变—润湿现象
三、影响表面张力的因素 1、与物质的本性有关：
σ(金属键)＞ σ(离子键)＞ σ(极性共价键)＞ σ(非极性共价键) 2、与所接触邻相的性质有关。 3、与温度有关，通常随温度升高而降低，即d σ /dT＜0。
σ方向：与液面相切使液面收缩的力
说明：①力的作用是均匀分布的，力的方向与液面相切；
②液面收缩至最小。
总结：
G s As Gs
As
Gs—表面吉布斯函数
σ：比表面吉布斯函数（J.m-2） 表面张力（N.m-1）
二、表面热力学
对于需要考虑表面功的系统 G=f(T, p, As, n1, n2, n3, …, nk)
凹液面的曲率半径越小，与其平衡的气体饱 和蒸汽压越小。 （4） p凸 ＞ p平 ＞ p凹
物理化学界面现象与胶体
况下)数据如下:
兰格缪尔吸附等温式基本假设如下:
(1)外表是匀称的,吸附剂外表原子力场有剩余价力,能吸附气体分子 P(kP)0.5241.7313.0584.5347.49710.327V(cm3)0.9873.0435.0827.0471
物质的浓度，或分压与它在体相中不同的现象称为吸附。
示。
2.吸附剂:在气-固界面上发生吸附时，固体是起吸附作用的物质，称
或
为吸附剂；
1.弗仑德利希(Freundlich)公式：
3.吸附质:气体是被吸附的物质，称为吸附质。
弗仑德利希依据试验,总结出吸附的阅历公式:
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或
肯定温度下，弯曲液面的附加压力与液体的外表张力成正比，与曲率
半径成反比，其关系为：Δp = 2γ/r
上式为杨氏方程。
此式称为拉普拉斯方程。式中，r 为液面的曲率半径。
肯定温度与压力下，接触角与润湿程度有如下关系：
二.液体对固体的润湿作用
(1) 若液-固界面张力大于气-固外表张力，则,。此时不润湿。当时，
由于凹液面的附加压力Δp 0，使管内液面所受的压力小于管外平液面所 层单分子层或多分子层单分子层
受的压力，因此管外的液体将自动流入管内，导致管内液柱上升，直到上
吸附速率
升的液柱，高度为 h，所产生的静压力ρgh 等于附加压力Δp 时，系统到
较快，不受温度影响，一般不需要活化能较慢，随温度升高速率加快，
1.润湿
则为完全不润湿。
润湿是指当液体接触固体时，原有的气-固外表或气-液外表自动地被
(2) 若液-固界面张力小于气-固外表张力，，。此种状况称为润湿。
北京航空航天大学物理化学第七章界面现象
§7-1 表面吉布斯函数和表面张力
一、(比)表面吉布斯函数
考查一个与蒸气平衡的纯液体，其内部及表面分子的受力情况：
由于有：ρ g << ρ l，则表面分子受到指向液体内部的拉力。 表面功：克服内部引力形成新表面所做的功。为非体积功。
显然 W ： ' dA S
对于定温定压、可逆过程：
dG T,pW r' dA S
lnppr*R 2M T1 r2R Vm T1 r (6-3-2)
液滴或凸液面，r > 0，pr > p*
气泡或凹液面，r < 0，pr < p*
二、亚稳状态与新相生成
亚稳状态（介安状态、介稳状态） p
Gm,rGm * RTlnppr*
pe
p凸 p* p凹
过饱和蒸气现象： pr (液滴)> p* G(微液滴)>G(大液滴)
p g p e p 或 p p g p e
dV
pe
推动活塞对气泡做压缩 -dV：δW1 pgdV 气泡膨胀dV： δW2pedV
pg Δp Δp r
净功：δ W δ W 1 δ W 2 (p g p e ) d V d A S
d V d 4 3r ( 3 ) 4r 2 d r ;d A S d 4 r ( 2 ) 8 r d r dV
lnpr2 2M(1 1) pr1 RT r2 r1
Kelvin方程 (7-3-1)
对于确定的液体，一定温度下，液滴的饱和蒸汽压是r 的函数。
一、分散度对液体饱和蒸汽压的影响
对lnpr2 2M(11)的讨论： pr1 RT r2 r1
当r1 →∞时，即为平面液体，则pr1 →p*
07章_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。
温度、压力和组成恒定时，可逆使表面积增加dA所 需要对体系作的功，称为表面功。用公式表示为：
W dA
σ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。
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2020/10/10
表面自由能(surface free energy)
界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区， 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。
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。
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2020/10/10
是：单位质量的固体所具有的表面积；另一种： 是单位体积固体所具有的表面积。即：
a
s
A m
或
av
A V
式中，m和V分别为固体的质量和体积，A为其表 面积。目前常用的测定表面积的方法有BET法和 色谱法。
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2020/10/10
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：
物理化学 第七章胶体
使一定量溶胶在一定时间内明显聚沉所需的外加电解质的最小浓度 称为此电解质的聚沉值或凝结值。常用的单位是: mol•m-3或 mmol•d
m-3
电解质的聚沉值越小，其聚沉能力越大。故定义聚沉值的倒数为电 解质的聚沉能力。电解质对溶胶聚沉的影响有如下经验规律： 1. 电解质中主要起聚沉作用的是与胶粒所带电荷电性相反的离子 （即反离子），且反离子的价数越高，聚沉能力越大。一、二、三 价离子的聚沉能力之比为： 1 : 26 : 36 。此规律称叔采-哈迪价数 规则。 2. 价数相同的离子其聚沉能力相近但有差别，部分一价离子的聚沉 能力大小顺序为：H+ >Cs+ >Rb+ >NH4+ >K+ >Na+ >Li+ F- >IO3- >H2PO4- >BrO3 ->Cl- >ClO3- > Br->I->CNS 3.有机离子的聚沉能力很强，如高分子凝结剂。
(2) 若液-固界面张力小于气-固表面张力， cosθ ＞
0, θ＜ 90°, 此种情况称为润湿。当θ=0°时，则为
完全润湿，即发生铺展。
3.毛细现象 毛细现象是指具有细微缝隙的固体与液体接触时，液体 沿缝隙上升或下降的现象。例如：将一玻璃毛细管插入水 中，管内液面升得比管外液面高，如下图7.5 (a)所示； 而将一玻璃毛细管插入汞中，管内液面降得比管外液面 低，如下图7.5 (b)所示.
若AB为凸液面，则周围液体的表面张力方向与AB 面相切，合力向下，表现为指向液体内部的附加压力。
若AB为凹液面，那么周围液体的表面张力方向仍 与AB面相切，表现为指向液体外部的附加压力。
二.液体对固体的润湿作用
表面化学
H2O分子有氢键，σ 较大。 分子有氢键， 较大。 分子有氢键 一般来说：金属键＞离子键＞极性键＞ 一般来说：金属键＞离子键＞极性键＞非极性键 分子量大， 极性相似 ，分子量大，σ 大。
A am = m 2 kg 1 m 下面举例说明随着分散程度的增大，比表面增大的情况。 下面举例说明随着分散程度的增大，比表面增大的情况。
as
1
A m = V
(
)
(
)
4
将边长为1cm的立方体加以切割 的立方体加以切割 将边长为
立方体边长（ 立方体边长（cm) 分割而得立方体 数 总表面积（ 总表面积（cm2) 比表面（ 比表面（cm-1)
3
三. 分散度和比表面 由于界面分子与内部所处的状态不同， 由于界面分子与内部所处的状态不同，就引起一系列的 表面性质。 表面性质。 例如：多组分体系，界面的组成与内部组成不同 例如：多组分体系，界面的组成与内部组成不同…… 我们以比表面积（ 来描述体系的分散程度。 我们以比表面积（specific surface area)来描述体系的分散程度。 来描述体系的分散程度 比表面：单位体积（或质量）物质所具有的表面积。 比表面：单位体积（或质量）物质所具有的表面积。
7
由热力学原理： 由热力学原理： 在等温、等压的过程中， 在等温、等压的过程中，体系吉布斯自由能的 减少= 体系所作最大非体积功。 减少 体系所作最大非体积功。
∴ dG
T P
= δ W ' R = σ dA
表面与胶体化学—第七章表面吸附
第七章 固气界面上的吸附作用
第一节 吸附作用
吸附作用是一种最为重要的界面现象， 当互不相溶的两相接触时，两体相内的某 种或几种组分的浓度与其在两相界面上的 浓度不同的现象称为吸附 吸附。 吸附 在界面上被吸附的物质称为吸附质， 能有效吸附吸附质的物质称为吸附剂。
固体表面层的物质粒子受到指向内部 的拉力，这种不平衡力场的存在导致表面 吉布斯函数的产生。固体物质不能象液体 那样可通过收缩表面来降低系统的表面吉 布斯函数，但它可以利用表面上的剩余力， 从周围的介质中捕获其它的物质粒子，使 其不平衡力场得到某种程度的补偿，从而 导致表面吉布斯函数的降低。
吸附滞后
Zigmondy对吸附滞后的解释是吸附时 液态吸附质润湿孔壁的过程，接触角是前 进角；脱附是液体从一润湿的表面上退出 的过程，接触角是后退角。而前进角一般 总是大于后退角。因而脱附时平衡相对压 力小于吸附时的。
吸附滞后圈的形状与孔结构
吸附滞后环的起始点与吸附质的性质 有关，与吸附剂性质关系不大。吸附等温 线、滞后环的形状与孔的形状、孔径大小 有关。
1.Van der Waals 力 固体表面原子和吸附质分子间相互接 近时都有色散力产生，当吸附质分子或固 体表面原子具有极性或有极性基团时，它 们之间可以有静电力或诱导力的作用。但 是，色散力比静电力、诱导力都大。
这种吸附属于物理吸附。
2.电性作用力 固体表面可因多种原因带有某种电荷。 固体表面带电有时会对吸附产生影响。 当固体表面有以离子键结合的原子或基 团时，它们可与某些溶质（吸附质）发生 交换作用—离子交换。
（2）杂质和吸附平衡时间的影响 杂质可能极大地影响溶质的吸附结果； 对于有些体系，液相吸附达到平衡时间长。
（3）液相吸附的吸附量
《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 。
7界面现象
Wf ,r dA
Wf ,r dA
式中，γ是比例系数，A代表表面积，其物理意义是增加单 位表面积环境对系统所做的表面功。根据热力学基本原理， 在等温、等压、组成不变、可逆条件下，环境对系统所作 的非体积功等于系统Gibbs自由能的增加值，即
向都指向曲面的圆心。
凸面上受的总压力大于平面上的压力 凹面上受的总压力小于平面上的压力 附加压力的大小与曲率半径有关
例如，在毛细管内充满液体，管端有半径为R’ 的球状 液滴与之平衡。
外压为 p0 ，附加压力为 ps ，液滴所受总压为：
p总 p0 ps
对活塞稍加压力，将
毛细管内液体压出少许
使液滴体积增加dV 相应地其表面积增加dA 克服附加压力ps所作的功 等于可逆增加表面积的Gibbs自
表面张力
在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着一种
张力
把作用于单位边界线上的这种力称为表面张 力，用 表示。
表面张力的单位是：
Nm
1
表面张力和比表面自由能是两个不同的概念，一个是
作用在表面单位长度上的力，一个是单位表面上相同数量 的分子比液体内部多余的能量；一个是矢量，一个是标量； 单位也不同，从这个意义上应当区分，但两者数值却是一 样的，如水的表面张力为72.8×10-3 N· m-1，比表面自由能 为72.8×10-3 J· m-2，由于1J=1N· m，两者量纲也相同，因 此从符号上不再区分。近代表面化学家倾向于同时接受γ的
7 表面化学与胶体化学
表面化学就是把相界面作为研究对象，研究它的性质及
在相的界面上发生的一些现象，所以表面化学又叫界面化学。
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6）对于液泡， p = 4g /r
7-2 弯曲液面的表面现象
毛
Hg
细
现
象
H2O
p
2g
r1
gh
r r1
cos
90o , h 0
h
2g r1g
h
2g cos r g
液体在毛细管中下降
90o , h 0 液体在毛细管中上升
7-2 弯曲液面的表面现象 • 为什么自由液滴通常都呈球形？
固体表面上的分子、原子或离子与液体一样，受力也 是不对称的，所以固体表面上也有表面张力和表面能。
纯液体通过降低表面积降低表面吉布斯自由能。 固体表面积不易发生改变，如何降低表面吉布斯自由能？
固体表面会自发地将气体富集到其表面，减小表面分子 受力不对称程度，从而减小表面张力，降低表面吉布斯自 由能。
界面不是几何面，它有一定的厚度，一般 约为几个分子厚，又称界面相。
体相 界面相S
界面的结构和性质与相邻两侧的体相不同！！ β体相
7-1 界面张力
7-1 界面张力
结论：在液体表面上，处处存在着一种张力，它垂直 于表面的边界，指向液体方向并与表面相切。
把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用g
表示，单位N·m-1。
凹液面，小气泡, r＜0, pr＜p 此式也可用于晶体物质，微小晶体的饱和蒸气压恒大于普通晶体的,微小晶
体的溶解度较大
解释现象：1.人工降雨的基本原理
2.沸石的作用原理
3.硅胶干燥原理
7-2 弯曲液面的表面现象
7-2 弯曲液面的表面现象
下一节
7-2 弯曲液面的表面现象
7-3 气体在固体表面的吸附
垂直作用于单位截面积上的力 2）r愈小， p愈大
即为p
p = pl－ pg=F/πr12 =2πr12 g / rπr12
p = 2g /r
——Laplace equation
3）对于凸液面（小液滴），r＞0，
p= pl－pg＞0 p指向液体 4）对于凹液面（液体中的气泡），r＜0，
p = pl－pg＜0 p指向气体 5）对于平液面，r = ∞， p = pl－pg=0
直接途径 ： ΔG =∫Vmdp=Vmp=(M/)2g/r = 2g M/ r
RTln( pr/p ) = 2g M/r
开尔文公式
7-2 弯曲液面的表面现象
讨论：
RT ln pr 2gM 2gVm
p r
r
( )T某液态物质。T,M,γ, 一定，则r越小，pr与p相差越大；
对凸液面，如小液滴，r＞0, pr＞p，小液滴的饱和蒸气压＞平面液体的饱和 蒸气压。
g δWr'
dA
δWr' dGT ,p gdA
g
(
G A
)T、P、nB
表面张力
比表面功
比表面吉布斯函数 单位皆为N·m-1（J·m-2）
表面吉布斯函数G(表面) =γA ∴dT, pG(表面) = g dA + Adg 当dG(表面)＜0时，表面过程自发
7-1 界面张力
dA = 0时， dg ＜0的过程自发 dg = 0时， dA＜ 0的过程自发
物理化学
化工学院物理化学教研室
主讲教师：黄永清
7-1 界面张力
第七章-界面现象
1 界面张力 2 弯曲液面的表面现象 3 气体在固体表面的吸附 4 润湿现象 5 溶液表面的吸附 6 小结
7-1 界面张力
7-1 界面张力
7-1 界面张力
所有两相的接触面称为界面 聚集状态的不同
气液—体液的界表面 气固—体固的界表面 液—液界面 液—固界面 固—固界面
解
液滴
释
• 为什么天旱时要给土地表面松土？
现
象
如图，打开活塞，两 个液泡的大小有何变 化？
思 考 p = 4g /r
题
7-2 弯曲液面的表面现象
7-2 弯曲液面的表面现象
7-2 弯曲液面的表面现象
思 考 题
毛细管永动机能否成功？
7-2 弯曲液面的表面现象
3、曲率对蒸汽压的影响——开尔文公式 恒T, 恒外压p0下，将1mol液体(平液面)分散为半径为 r 的小液滴：
饱和蒸气(p)
饱和蒸气(pr)
ΔG2 ΔG1
ΔG3
液体(p0,平面)
ΔG
小液滴(p0+Δp, r)
三步途径为： (1) 恒温恒压可逆相变: ΔG1=0 (2) 恒温变压过程: ΔG2 = RTln( pr/ p ) (3) 恒温恒压可逆相变: ΔG3=0
7-2 弯曲液面的表面现象
整个过程： ΔG = ΔG1+ ΔG2+ ΔG3=RTln( pr / p )
-— — — — - —
—
pl
pl ＜ pg p = pl－ pg＜0
p 总是指向曲率半径的中心
7-2 弯曲液面的表面现象
2、拉普拉斯方程
f g cos
r1 γ
△p 液
γγ
r1θ θ
r
γ
f
g r1 / r
结论：
F 2 r1 f 2 r12g / r
1）此式适用于曲率半径 r为定值的小液 滴或液体中小气泡的附加压力的计算
7-1 界面张力
影响表面张力的因素有那些呢？
（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。 γ(金属键)> γ(离子键)> γ(极性共价键)> γ(非极性共价键)
两种液体间的界面张力，介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。
如果在活动边框上挂一重物，使重物质量与边框质量所产生的重 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。
F g 2l
gF
2l
g 就是作用于单位边界上的表面张力。
dx
F
γL
在力F作用下使金属丝缓慢 移动dx距离，忽略摩擦力， 这一过程可视为可逆d过x 程。
F
7-1 界面张力
δWr' Fdx 2lg dx g dA
（3）压力的影响 表面张力一般随压力的增加而下降。因为压力增加，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。
7-1 界面张力
将一个含有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。
7-2 弯曲液面的表面现象
7-2 弯曲液面的表面现象
1、弯曲液面的附加压力 p = pl－ pg
pg
gas
A
C
γ _ _ _B _ _ γ
_ liqui_d _ p_ _ _
_ pl
pl ＞pg
p = pl－ pg＞0
_
g_ _
gas
pg
p
_g
_
__
__
li_qu_id _A _ _B _ C_ _