材料化学基本第五章
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
材料化学
朱光明 秦华宇 ຫໍສະໝຸດ Baidu编
第五章 表面现象与胶体分散体系
第一节 表面现象热力学 第二节 分散度对体系物性的影响 第三节 介稳状态和新相的生成 第四节 润湿现象 第五节 液体界面的性质 第六节 固体表面的吸附 第七节 表面现象在材料科学中的应用 第八节 分散体系 第九节 溶胶的性质 第十节 胶体的制备和净化 第十一节 溶胶-凝胶技术 第十二节 溶胶-凝胶技术在纳米材料制备中的应用
二、新相的生成
(一)液体的沸腾过程 (二)金属的结晶过程
(一)液体的沸腾过程
1.弯曲液面下的附加压力 2.液体的沸腾和过热现象
1.弯曲液面下的附加压力
1)液滴(或气泡)越小、曲率半径r越小，它所产生的附加压力则越 大。 2)若液面为凸形(如空气中液滴的界面)，曲率半径r为正值，则ps ＞0，附加压力的方向指向液体内部；若液面为凹形(如液体中悬 浮的气泡的界面)，曲率半径r为负值，所以ps＜0，附加压力的方 向指向液体外部；若液面为平面r=∞，故ps=0，即水平液面不存 在附加压力。 3)如果是空气中的气泡(如肥皂泡)，因有内外两个表面，均产生 指向曲率中心的附加压力，所以 4)对于不同液体，若曲率半径相同，表面张力越大，则附加压力 越大。
衡的力场所引起的，所以，当同一种物质与不同性质的其他物质
接触时，表面层分子所处的力场不同，致使表面张力有显著差异。
表5-2所列是20℃时不同物质相接触时的表面张力。
3.温度
表5-2 20℃时不同物质相接触时的表面张力
表5-3 不同温度下液体的表面张力σ(单位：1 N· )
四、表面现象基本规律
在以前各章中，研究一个体系的热力学性质如吉布斯自由能G时， 认为G只是温度、压力和组分的函数，而忽略了表面大小对它的 影响。对于体系是一个很大的连续相来说，这种忽略是可以的， 并不会影响所得的结论。但对高度分散的体系而言，因具有很大 的比表面积，表面吉布斯自由能之值相当可观，不但不可忽视， 甚至会对体系热力学性质的影响起着决定性的作用。例如水在10 1.325kPa下，温度超过373K而不沸腾；液态金属冷却到正常的凝 固温度时不结晶等现象，都是由于物质的表面性质所引起的结果， 因此了解表面现象的基本规律是很重要的。这里，先从表面热力 学着手进行探讨。
第一节 表面现象热力学
一、比表面吉布斯自由能 二、表面张力 三、影响表面张力的因素 四、表面现象基本规律
一、比表面吉布斯自由能
图5-1 分子在液体表面和内部受力示意图
二、表面张力
图5-2 表面张力示意图
三、影响表面张力的因素
1.物质的本性
表5-1 某些物质在液态时的表面张力
2.接触相的性质 由于表面张力是两相交界面上的分子受到不均
第二节 分散度对体系物性的影响
一、分散度对体系热力学函数的影响 二、分散度对蒸气压的影响 三、分散度对体系凝固点的影响和过冷现象 四、分散度对固体在液体中的溶解度的影响和溶液过饱和现象
一、分散度对体系热力学函数的影响
1.分散度对体系吉布斯自由能的影响 对于一个分散体系，随着 分散度A比的增加，由ΔG表=σΔA可知，若ΔA增加，则体系的表 面吉布斯自由能也随之增加。 2.分散度对体系熵的影响 忽略了温度变化对表面积的影响，认 为ΔA为一常数，由于温度升高，表面自由能降低,分散度增加， 体系的熵值增大 3.分散度对体系焓变的影响 增加分散度会使体系焓值增加。许 多物质的大晶体与细小晶粒的生成热不同，就是这个原因。 4.分散度对分解压的影响
2.液体的沸腾和过热现象
图5-8 液体的沸腾
(二)金属的结晶过程
1.金属结晶的热力学条件 2.晶核的形成与长大 3.晶核的临界尺寸与温度的关系 4.形成临界晶核时体系的吉布斯自由能变化
1.金属结晶的热力学条件
1)在两曲线的交点所对应的温度T0时，液、固两相的摩尔吉布斯 自由能相等，ΔGm=0，两相处于平衡状态。 2)在T＞T0时，Gm(固)＞Gm(液)，ΔGm=Gm(液)-Gm(固)＞0，此 时液相是相对稳定的。 3)在T＜T0时，Gm(固)＜Gm(液)，ΔGm＜0。
第三节 介稳状态和新相的生成
一、介稳状态 二、新相的生成
一、介稳状态
从热力学观点看，初生的新相均属微小颗粒，比表面很大，相应 的表面吉布斯自由能很高，因而新相难以生成。这种新相生成的 困难性，导致出现了过冷、过饱和等状态。介稳状态虽然是热力 学不稳定的状态，但由于新相难以生成，故这些状态仍可维持相 当长的时间不变，但一旦受到外界干扰时便会迅速消失。例如剧 烈的搅拌或用玻璃棒摩擦器壁常可破坏液体的过冷状态，介稳状 态有时需要保存，有时需要破坏。前已所述的钢高温淬火所得的 马氏体组织便是一种介稳状态，是热力学不稳定状态，但由于高 温下迅速冷却，阻止了它向更稳定的状态变化，因此能较长期存 在。与淬火相反的退火过程，则为消除介稳状态的一种手段，使 金属重新结晶而形成稳定组织。如将白口铸铁进行石墨化处理 (即渗碳体分解为石墨和铁)使成为可锻铸铁
图5-3 导出开尔文方程的示意图
二、分散度对蒸气压的影响
表5-4 水滴的半径大小与水平面饱和蒸气压的关系
三、分散度对体系凝固点的影响和过冷现象
表5-5 粒子直径对水杨酸苯酯凝固点的影响(理论凝固点为43℃)
图5-4 结晶过程的过冷现象
四、分散度对固体在液体中的溶解度的影响和溶液过饱 和现象
图5-5 溶液的过饱和现象
图5-9 固-液相摩尔吉布斯自由能 T的关系
2.晶核的形成与长大
图5-10 ΔG-T曲线
3.晶核的临界尺寸与温度的关系
图5-11 ΔG-l曲线
4.形成临界晶核时体系的吉布斯自由能变化
增加金属结晶时的过冷度，虽然可以减少形成临界晶核时体系的 吉布斯自由能的增加，但ΔG总仍然是正值。这就是说，形成临 界晶核时相变吉布斯自由能的减少尚不足以完全补偿新相产生时 表面吉布斯自由能的增加。热力学基本原理告诉我们，此ΔG＞0 的变化是不能自动进行的。因此，生成临界晶核时必须对它提供 能量。形成临界晶核时，体系吉布斯自由能的增加等于所需表面 功的1/3。这就是说，相变时所放出的能量只能补偿所需表面功 的2/3，还需要给它提供1/3表面功的能量。金属结晶时，所需的 这部分能量是由液态金属中的能量起伏来提供的。
朱光明 秦华宇 ຫໍສະໝຸດ Baidu编
第五章 表面现象与胶体分散体系
第一节 表面现象热力学 第二节 分散度对体系物性的影响 第三节 介稳状态和新相的生成 第四节 润湿现象 第五节 液体界面的性质 第六节 固体表面的吸附 第七节 表面现象在材料科学中的应用 第八节 分散体系 第九节 溶胶的性质 第十节 胶体的制备和净化 第十一节 溶胶-凝胶技术 第十二节 溶胶-凝胶技术在纳米材料制备中的应用
二、新相的生成
(一)液体的沸腾过程 (二)金属的结晶过程
(一)液体的沸腾过程
1.弯曲液面下的附加压力 2.液体的沸腾和过热现象
1.弯曲液面下的附加压力
1)液滴(或气泡)越小、曲率半径r越小，它所产生的附加压力则越 大。 2)若液面为凸形(如空气中液滴的界面)，曲率半径r为正值，则ps ＞0，附加压力的方向指向液体内部；若液面为凹形(如液体中悬 浮的气泡的界面)，曲率半径r为负值，所以ps＜0，附加压力的方 向指向液体外部；若液面为平面r=∞，故ps=0，即水平液面不存 在附加压力。 3)如果是空气中的气泡(如肥皂泡)，因有内外两个表面，均产生 指向曲率中心的附加压力，所以 4)对于不同液体，若曲率半径相同，表面张力越大，则附加压力 越大。
衡的力场所引起的，所以，当同一种物质与不同性质的其他物质
接触时，表面层分子所处的力场不同，致使表面张力有显著差异。
表5-2所列是20℃时不同物质相接触时的表面张力。
3.温度
表5-2 20℃时不同物质相接触时的表面张力
表5-3 不同温度下液体的表面张力σ(单位：1 N· )
四、表面现象基本规律
在以前各章中，研究一个体系的热力学性质如吉布斯自由能G时， 认为G只是温度、压力和组分的函数，而忽略了表面大小对它的 影响。对于体系是一个很大的连续相来说，这种忽略是可以的， 并不会影响所得的结论。但对高度分散的体系而言，因具有很大 的比表面积，表面吉布斯自由能之值相当可观，不但不可忽视， 甚至会对体系热力学性质的影响起着决定性的作用。例如水在10 1.325kPa下，温度超过373K而不沸腾；液态金属冷却到正常的凝 固温度时不结晶等现象，都是由于物质的表面性质所引起的结果， 因此了解表面现象的基本规律是很重要的。这里，先从表面热力 学着手进行探讨。
第一节 表面现象热力学
一、比表面吉布斯自由能 二、表面张力 三、影响表面张力的因素 四、表面现象基本规律
一、比表面吉布斯自由能
图5-1 分子在液体表面和内部受力示意图
二、表面张力
图5-2 表面张力示意图
三、影响表面张力的因素
1.物质的本性
表5-1 某些物质在液态时的表面张力
2.接触相的性质 由于表面张力是两相交界面上的分子受到不均
第二节 分散度对体系物性的影响
一、分散度对体系热力学函数的影响 二、分散度对蒸气压的影响 三、分散度对体系凝固点的影响和过冷现象 四、分散度对固体在液体中的溶解度的影响和溶液过饱和现象
一、分散度对体系热力学函数的影响
1.分散度对体系吉布斯自由能的影响 对于一个分散体系，随着 分散度A比的增加，由ΔG表=σΔA可知，若ΔA增加，则体系的表 面吉布斯自由能也随之增加。 2.分散度对体系熵的影响 忽略了温度变化对表面积的影响，认 为ΔA为一常数，由于温度升高，表面自由能降低,分散度增加， 体系的熵值增大 3.分散度对体系焓变的影响 增加分散度会使体系焓值增加。许 多物质的大晶体与细小晶粒的生成热不同，就是这个原因。 4.分散度对分解压的影响
2.液体的沸腾和过热现象
图5-8 液体的沸腾
(二)金属的结晶过程
1.金属结晶的热力学条件 2.晶核的形成与长大 3.晶核的临界尺寸与温度的关系 4.形成临界晶核时体系的吉布斯自由能变化
1.金属结晶的热力学条件
1)在两曲线的交点所对应的温度T0时，液、固两相的摩尔吉布斯 自由能相等，ΔGm=0，两相处于平衡状态。 2)在T＞T0时，Gm(固)＞Gm(液)，ΔGm=Gm(液)-Gm(固)＞0，此 时液相是相对稳定的。 3)在T＜T0时，Gm(固)＜Gm(液)，ΔGm＜0。
第三节 介稳状态和新相的生成
一、介稳状态 二、新相的生成
一、介稳状态
从热力学观点看，初生的新相均属微小颗粒，比表面很大，相应 的表面吉布斯自由能很高，因而新相难以生成。这种新相生成的 困难性，导致出现了过冷、过饱和等状态。介稳状态虽然是热力 学不稳定的状态，但由于新相难以生成，故这些状态仍可维持相 当长的时间不变，但一旦受到外界干扰时便会迅速消失。例如剧 烈的搅拌或用玻璃棒摩擦器壁常可破坏液体的过冷状态，介稳状 态有时需要保存，有时需要破坏。前已所述的钢高温淬火所得的 马氏体组织便是一种介稳状态，是热力学不稳定状态，但由于高 温下迅速冷却，阻止了它向更稳定的状态变化，因此能较长期存 在。与淬火相反的退火过程，则为消除介稳状态的一种手段，使 金属重新结晶而形成稳定组织。如将白口铸铁进行石墨化处理 (即渗碳体分解为石墨和铁)使成为可锻铸铁
图5-3 导出开尔文方程的示意图
二、分散度对蒸气压的影响
表5-4 水滴的半径大小与水平面饱和蒸气压的关系
三、分散度对体系凝固点的影响和过冷现象
表5-5 粒子直径对水杨酸苯酯凝固点的影响(理论凝固点为43℃)
图5-4 结晶过程的过冷现象
四、分散度对固体在液体中的溶解度的影响和溶液过饱 和现象
图5-5 溶液的过饱和现象
图5-9 固-液相摩尔吉布斯自由能 T的关系
2.晶核的形成与长大
图5-10 ΔG-T曲线
3.晶核的临界尺寸与温度的关系
图5-11 ΔG-l曲线
4.形成临界晶核时体系的吉布斯自由能变化
增加金属结晶时的过冷度，虽然可以减少形成临界晶核时体系的 吉布斯自由能的增加，但ΔG总仍然是正值。这就是说，形成临 界晶核时相变吉布斯自由能的减少尚不足以完全补偿新相产生时 表面吉布斯自由能的增加。热力学基本原理告诉我们，此ΔG＞0 的变化是不能自动进行的。因此，生成临界晶核时必须对它提供 能量。形成临界晶核时，体系吉布斯自由能的增加等于所需表面 功的1/3。这就是说，相变时所放出的能量只能补偿所需表面功 的2/3，还需要给它提供1/3表面功的能量。金属结晶时，所需的 这部分能量是由液态金属中的能量起伏来提供的。