界面现象--第1节：表面张力
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5.固-固界面
9
表面和界面(surface and interface)
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。 界面现象是自然界中普遍存在的基本现象, 如润湿现 象,毛细现象, 过饱和(过冷, 过热等)现象, 吸附现象等. • 产生界面现象的主要原因是处于界面层中的分子与物 质内部的分子存在力场上的差异. • 高度分散的物质具有巨大的界面积, 往往产生明显的 界面效应.
第七章
表面现象
• 瞬间(微秒级)存在的液体“王冠”
1
我们身边的胶体界Hale Waihona Puke Baidu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。
2
第七章
表面现象
表面张力
弯曲液面的附加压力及毛细现象
润湿现象 固体表面的吸附作用
溶液表面的吸附
F 2 l
14
液体的表面功
图示液膜面积可逆增加dAs = 2l dx ,由于表面层分子的 受力情况与本体中不同，因此如果要把分子从内部移到界 面，或可逆的增加表面积，就必须克服系统内部分子之间 的作用力，所以环境需对系统做功。
dx
l F=2 l Famb=F + dF
温度、压力和组成恒定 时，可逆使表面积增加dA 所需要对系统作的功，称 为表面功。用公式表示为：
22
3 10 -1 3 10 0 3 10 2 3 10 3 3 10 5 3 10 6
可见达到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。
12
液体的表面张力、表面功及表面吉布斯函数
液体表面层分子所受合力不为零, 而是受到一个指向液 体内部的拉力, 导致液体表面有自动收缩的趋势, 如下图所 示。
保持温度、压力和组成不变，每增加单位表面积
时，Gibbs函数的增加值称为表面吉布斯函数，或简
称表面能，用符号σ 或γ 表示，单位为J· m-2。
16
热力学公式
若将表面积 As 列为系统状态参数之一, 则状态函数G 表示为: G = f (T, p, As , n1 , n2 , n3 , …) (仅一个界面积发生变化的情况)
dG = -SdT + Vdp + a B BdnB(a) + gdAs
dU = TdS - pdV + aBBdnB(a) + gdAs dH = TdS + Vdp + aB BdnB(a) + gdAs
dA = -SdT - pdV + aB BdnB(a) + gdAs
在恒温恒压恒组成下, dG = dAs , 当 不变时积分, 得
G s = As
18
热力学公式
根据吉布斯函数判据, 在恒温恒压不作非体积功的 条件下, 系统总的表面吉布斯函数减少的过程是自发的, 如液滴自动收缩以减小表面积, 气体在固体表面吸附以 降低固体的表面张力等.
• 水滴成球形以使其表面 积最小
11
引
半径r / m 液粒数
言
As / m2 as / m2kg-1
• 球形水滴分散时总表面积和比表面积的变化
10－2 10－3 10－5 10－6 10－8 10－9
1 10 3 10 9 10 12 10 18 10 21
1.26 10 -3 1.26 10 -2 1.26 10 0 1.26 10 1 1.26 10 3 1.26 10 4
表面活性物质
3
表面和界面(surface and interface)
界面是指两相接触的约几个分子厚度的
过渡区，若其中一相为气体，这种界面通常称
为表面。 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。
4
表面和界面(surface and interface)
常见的界面有：
G G dG dT p T p ,nB , As G B n B ( ) dp T ,nB , As dAs T , p ,nB
G dnB A s T , p ,nC , As
Fdx 2ldx dAs WR
• 做表面功示意图
表面功 : 增加液体单位面积所需作的最小功 (Jm-2 ).
15
表面吉布斯函数
表面吉布斯函数 :系统增加单位面积时所增加的吉 布斯函数.
/dAs (G / As )T , p F / 2l WR
1.气-液界面
5
表面和界面(surface and interface)
2.气-固界面（固体表面）
6
表面和界面(surface and interface)
3.液-液界面
7
表面和界面(surface and interface)
4.液-固界面
8
表面和界面(surface and interface)
气相中分子密度↑ 液相中分子距离↑
↓ （有例外）
0 ( 1 - T / Tc )
n
其中：0与n为经验常数。
20
界面张力及其影响因素
（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, ↓ c．气体分子溶于液相
↓
一般：p↑10atm, 结果是 ↓1mN/m，例:
17
热力学公式
G U A A s T,p,nB（） s S ,V ,nB( ) H A A A s S , p ,nB( ) s T ,V ,nB( )
•表面张力的作用
液体内部分子所受的力可以抵销，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。 这个作用力有把表面层分子拉入液体内部的趋势。
13
液体的表面张力
在两相(特别是气-液)界 面上，处处存在着一种张力， 它垂直与表面的边界，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γ 表示，单位是 N· m-1。 这时
• 汞在玻璃表面的形状. 小汞滴成 几乎完美的球形, 而大的汞滴成 扁平状 19
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) > (非极
性键)
（2） 与分散度有关。
（3） 温度的影响：温度升高，界面张力下降。 极限情况：T→Tc时， →0。 T↑
10
引
言
比表面积 as :即单位质量的物质所具有的表面积, 比表面通常用来表示物质分散的程度，有两种常用 的表示方法：一种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： as =As /m .
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。
1 atm 10 atm
H2O = 72.8 mN/m H2O = 71.8 mN/m
21
界面张力及其影响因素
• 人 脑
• 叶绿素
物质比表面越大, 活性质点越多. • 人脑总表面积约是猿脑10倍. 爱因斯坦大脑面积较常人 大得多. • 叶绿素也具有较大比表面积, 从而提高光合作用的效率. • 固体催化剂的催化活性的评价指标之一是其比表面大 小. 纳米活性氧化锌可作为隐型飞机的表面涂层.
9
表面和界面(surface and interface)
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。 界面现象是自然界中普遍存在的基本现象, 如润湿现 象,毛细现象, 过饱和(过冷, 过热等)现象, 吸附现象等. • 产生界面现象的主要原因是处于界面层中的分子与物 质内部的分子存在力场上的差异. • 高度分散的物质具有巨大的界面积, 往往产生明显的 界面效应.
第七章
表面现象
• 瞬间(微秒级)存在的液体“王冠”
1
我们身边的胶体界Hale Waihona Puke Baidu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。
2
第七章
表面现象
表面张力
弯曲液面的附加压力及毛细现象
润湿现象 固体表面的吸附作用
溶液表面的吸附
F 2 l
14
液体的表面功
图示液膜面积可逆增加dAs = 2l dx ,由于表面层分子的 受力情况与本体中不同，因此如果要把分子从内部移到界 面，或可逆的增加表面积，就必须克服系统内部分子之间 的作用力，所以环境需对系统做功。
dx
l F=2 l Famb=F + dF
温度、压力和组成恒定 时，可逆使表面积增加dA 所需要对系统作的功，称 为表面功。用公式表示为：
22
3 10 -1 3 10 0 3 10 2 3 10 3 3 10 5 3 10 6
可见达到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。
12
液体的表面张力、表面功及表面吉布斯函数
液体表面层分子所受合力不为零, 而是受到一个指向液 体内部的拉力, 导致液体表面有自动收缩的趋势, 如下图所 示。
保持温度、压力和组成不变，每增加单位表面积
时，Gibbs函数的增加值称为表面吉布斯函数，或简
称表面能，用符号σ 或γ 表示，单位为J· m-2。
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热力学公式
若将表面积 As 列为系统状态参数之一, 则状态函数G 表示为: G = f (T, p, As , n1 , n2 , n3 , …) (仅一个界面积发生变化的情况)
dG = -SdT + Vdp + a B BdnB(a) + gdAs
dU = TdS - pdV + aBBdnB(a) + gdAs dH = TdS + Vdp + aB BdnB(a) + gdAs
dA = -SdT - pdV + aB BdnB(a) + gdAs
在恒温恒压恒组成下, dG = dAs , 当 不变时积分, 得
G s = As
18
热力学公式
根据吉布斯函数判据, 在恒温恒压不作非体积功的 条件下, 系统总的表面吉布斯函数减少的过程是自发的, 如液滴自动收缩以减小表面积, 气体在固体表面吸附以 降低固体的表面张力等.
• 水滴成球形以使其表面 积最小
11
引
半径r / m 液粒数
言
As / m2 as / m2kg-1
• 球形水滴分散时总表面积和比表面积的变化
10－2 10－3 10－5 10－6 10－8 10－9
1 10 3 10 9 10 12 10 18 10 21
1.26 10 -3 1.26 10 -2 1.26 10 0 1.26 10 1 1.26 10 3 1.26 10 4
表面活性物质
3
表面和界面(surface and interface)
界面是指两相接触的约几个分子厚度的
过渡区，若其中一相为气体，这种界面通常称
为表面。 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。
4
表面和界面(surface and interface)
常见的界面有：
G G dG dT p T p ,nB , As G B n B ( ) dp T ,nB , As dAs T , p ,nB
G dnB A s T , p ,nC , As
Fdx 2ldx dAs WR
• 做表面功示意图
表面功 : 增加液体单位面积所需作的最小功 (Jm-2 ).
15
表面吉布斯函数
表面吉布斯函数 :系统增加单位面积时所增加的吉 布斯函数.
/dAs (G / As )T , p F / 2l WR
1.气-液界面
5
表面和界面(surface and interface)
2.气-固界面（固体表面）
6
表面和界面(surface and interface)
3.液-液界面
7
表面和界面(surface and interface)
4.液-固界面
8
表面和界面(surface and interface)
气相中分子密度↑ 液相中分子距离↑
↓ （有例外）
0 ( 1 - T / Tc )
n
其中：0与n为经验常数。
20
界面张力及其影响因素
（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, ↓ c．气体分子溶于液相
↓
一般：p↑10atm, 结果是 ↓1mN/m，例:
17
热力学公式
G U A A s T,p,nB（） s S ,V ,nB( ) H A A A s S , p ,nB( ) s T ,V ,nB( )
•表面张力的作用
液体内部分子所受的力可以抵销，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。 这个作用力有把表面层分子拉入液体内部的趋势。
13
液体的表面张力
在两相(特别是气-液)界 面上，处处存在着一种张力， 它垂直与表面的边界，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γ 表示，单位是 N· m-1。 这时
• 汞在玻璃表面的形状. 小汞滴成 几乎完美的球形, 而大的汞滴成 扁平状 19
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) > (非极
性键)
（2） 与分散度有关。
（3） 温度的影响：温度升高，界面张力下降。 极限情况：T→Tc时， →0。 T↑
10
引
言
比表面积 as :即单位质量的物质所具有的表面积, 比表面通常用来表示物质分散的程度，有两种常用 的表示方法：一种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： as =As /m .
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。
1 atm 10 atm
H2O = 72.8 mN/m H2O = 71.8 mN/m
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界面张力及其影响因素
• 人 脑
• 叶绿素
物质比表面越大, 活性质点越多. • 人脑总表面积约是猿脑10倍. 爱因斯坦大脑面积较常人 大得多. • 叶绿素也具有较大比表面积, 从而提高光合作用的效率. • 固体催化剂的催化活性的评价指标之一是其比表面大 小. 纳米活性氧化锌可作为隐型飞机的表面涂层.