胶体化学第4章 表面张力 毛细作用和润湿作用

一、液-气界面
第一节 液体的表面张力
1、水滴为什么是 球形而不是方形
一、界面现象的微观本质
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— 净吸力。
在两相(特别是气-液)界面上，处 处存在着一种张力，它永远与表 面相切，而与静吸力相互垂直。
Nm
1
三、表面功（surface work）
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，可逆地增加表面积，就 必须克服体系内部分子之间的作用力，对体系做功。 温度、压力和组成恒定时，可逆地使表面积增加dA 所需对体系作的功，称为表面功。用公式表示为：
W g dA
狭义的表面吉布斯自由能：
G g ( ) p ,T ,nB A
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g 或 表示，单位为J· m-2。
等温、等压条件下，可逆的增加单位表面积时，环 境对体系所做的功转化为表面层分子的吉布斯自由能。
通常：表面张力一般随压力的增加而下降。
七、表面张力与物质属性的关系
1. 表面张力与分子间相互作用力的关系
对纯液体而言，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。
g (金属键)> g (离子键)> g(极性共价键)>g (非极性共价键)
2. 表面张力与分子极性关系 表面张力是由于分子间力而引起的净吸力所产生 ，因此极性分子物质的表面张力比非极性分子物质的 表面张力大。
γ0 ：常温时的表面张力 n ： 经验参数，对有机液体，n=11/9， 对金属， n≈1 但对 Cd, Fe, Cu 合金及一些硅酸盐液体， T↑g↑。
六、表面张力与压力关系——难定量






压力影响表面张力的原因： 改变气相分子的密度 气体分子在液体表面的吸附 气体分子溶解在液体内部等 结果：压力增加时所测得的表面张力包括了溶解、吸 附、压力等多因素的总和影响。 实验表明：通常每增加10 atm， 界面张力下降1 mN/m
第四章 表面张力、毛细作用和 润湿作用
附加压力 表面润湿 表面吸附
表面现象
蒸汽压
毛细现象
表面张力和表面能
ps
界定：界面和表面
什么是界面?
不同相态之间，两相紧密接触、约有几个分子厚度的 过渡区，称为该两相的界面（interface）。 常见的界面有： 气-液界面 气-固界面
液体 界面 性质
液-液界面 液-固界面 固-固界面
水（72.75mN/m）; 正己烷 (18.4mN/m);
八、溶液的表面张力与溶液浓度的关系
水的表面张力因加入溶质形成溶液而改变。 非表面活性物质 能使水的表面张力明显升高的溶质称为非表 面活性物质。如无机盐和不挥发的酸、碱等。 这些物质的离子有较强的水合作用，趋向于 被水分子拖入水相内部，非表面活性物质在表面
没有气-气界面，不同气体接触总是很快就混合均匀。
界定：界面和表面
什么是表面?
凝聚态(液态、固态)物质与其饱和蒸气达成平衡时， 在两相紧密接触、约有几个分子厚度的过渡区，称为该凝 聚态的表面（surface）。 通常将凝聚态物质与空气达成平衡时，在两相紧密接 触、约有几个分子厚度的过渡区，也称为该凝聚态的表面 ，严格讲那是气-液界面。
液体界面性质的研究内容
研究对象： 液-气界面性质; 液-固界面性质; 液-液界面 基本内容： 1、物体表面会发生怎样的物理化学现象 2、物体表面分子和内部有何不同 3、界面现象对体系性质的影响 前沿热点、实际应用：
1、超临界干燥技术 2、仿生材料——超疏水、超亲水材料 3、分子子组装膜；LB膜。。。。。。
关于表面张力与表面Gibbs自由能
（1）表面张力是由于处于表面层的分子受到“净吸 力”的作用而产生的与表面相切，与“净吸力” 相互垂直，引起液体表面自动收缩的力。 （2）表面张力与表面吉布斯自由能是同一数值的两 个不同概念，前者从力学角度，而后者从能量角 度讨论界面所存在现象 （3）表面张力是物质的自然属性，与物质的属性、 温度、压力、组成以及共存的另一相有关
对绝大多数液体 一些经验方程： T↑, γ↓
Ramsay-Shields 方程
g kVm
2
3
( Tc T 6 )
Tc ：临界温度
Vm ：液体的摩尔体积
k： 经验参数，对非缔合的非极性液体
k ≈ 2.2×10-7 J.K-1
Guggenheim 方程
T n g g 0 (1 ) Tc
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，如表面吸附、毛细现 象、过饱和状态等。
二 表面张力（surface tension）
请同学们用表面张力的知识思考图中的现象
表面张力
在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着一种
张力，这种力垂直于界面，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 或 表示。 表面张力的单位是：
的浓度低于其在本体的浓度。 如果要增加单位表面积，所作的功中还必须包
括克服静电引力所消耗的功，所以表面张力升高。 思考：矿泉水为何能浮起硬币？
八、溶液的表面张力与溶液浓度的关系
表面活性物质 加入后能使水的表面张力降低的溶质称为表面 活性物质。
（4）两者量纲相同
J N m N 2 2 m m m
影响表面张力的主要因素
五、表面张力与温度的关系
温度升高，表面张力下降。

温度升高，物质膨胀，分子间距增大，吸引 力减弱；温度升高，两相密度差异减小；因 此，表面张力降低。 特例： 超临界状态，表面张力消失


表面张力与温度的关系—经验方程（了解）
'
式中 g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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思考
从能量守恒的角度，环境对体系做了表面 功，体系获得了能量，该能量如何表现出 来？ ——表面能
四、表面自由能(surface free energy)
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。