表面及界面化学一--2011PPT推荐.ppt

1、水在玻璃上能铺展，水银在玻璃上却形成液滴？为什么？活性碳为什么可以做防毒面具？冰箱除臭剂？什么是表面活性剂？选择性的加入一些表面活性剂，为什么起到净化水质的作用？,思考题：与界面现象相关的几个问题,0 绪 论 界面现象,0.1 表面吉布斯自由能和表面张力,0.液体的界面现象,0.表面活性剂及其作用,0.固体表面的吸附,0.1 表面吉布斯自由能和表面张力,表面和界面,界面现象的本质,分散度与表面功,表面自由能,表面张力,界面张力与温度的关系,界面是相与相之间的交界所形成的物理区域,界面相是一个准三维区域，其广度无限，而厚度约为几个分子的线度,体系性质在体相为常数，表面相是体系性质连续变化的一个过

2、渡区域,界面（Interface）,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。,按物质聚集状态，界面可分为五类：固气（S-g）、固液（S-l）、固固（S-S）、液气（l-g）、液液（l-l）,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。,表面和界面（surface and interface）,常见的界面有：,1.气-液界面,表面和界面（surface and interface）,2.气-固界面,表面和界面（surface and int

3、erface）,3.液-液界面,表面和界面（surface and interface）,4.液-固界面,表面和界面（surface and interface）,5.固-固界面,界面现象的本质,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。,表面层分子与内部分子相比，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，其作用力往往不能相互抵销，因此，界面层会显示出一些独

4、特的性质。,界面现象的本质,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。,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。,界面现象的本质,分散度与比表面功,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：,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。,比表

5、面（specific surface area）,分散度与比表面功,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：,分散度与比表面功,从表上可以看出，当将边长为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。,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。,分散度与比表面功,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，或

6、可逆的增加表面积，就必须克服体系内部分子之间的作用力，对体系做功。,分散度与比表面功,其结果导致：,a）液体表面有自动收缩的趋势；,b）界面层分子有自发与外来分子发生化学或物理结合的趋势。,由于表面层的分子处于不对称的力场中，使表面层的分子受到一个向内的拉力,因此要扩大表面积，必须对系统作功。系统在温度、压力和组成不变的条件下，可逆地增加表面积时对系统作的非体积功称为表面功，表面功与系统增加的面积成正比，即,分散度与比表面功,温度、压力和组成不变的条件下，可逆地增加单位表面积对系统作的非体积功，又称为比表面功。,表面张力的方向：对于平液面来说，表面张力的方向与液面平行，而对于弯曲液面来说，表面

7、张力的方向总是在弯曲液面的切面上。,表面自由能（surface free energy）,由此可得：,考虑了表面功，热力学基本公式中应相应增加 项，即：,表面自由能（surface free energy）,广义的表面自由能定义：,狭义的表面自由能定义：,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 或 表示，单位为Jm-2。,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。,表面张力（surface tension）,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

8、液体方向并与表面相切。,将一含有一个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。,把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用 或 表示，单位是Nm-1。,表面张力（surface tension）,如果在活动边框上挂一重物，使重物质量W2与边框质量W1所产生的重力F（F=（W1+W2）g）与总的表面张力大小相等方向相反，则金属丝不再滑动。,这时,l是滑动边的长度，因膜有两个面，所以边界总长度为2l，就是作用于单位边界上的表面张力。,表面张力（surface tension）,表面张力（Surface Ten

9、sion）,请同学们用表面张力的知识思考图中的现象,表面张力（surface tension）,如果在金属线框中间系一线圈，一起浸入肥皂液中，然后取出，上面形成一液膜。,（a）,（b）,由于以线圈为边界的两边表面张力大小相等方向相反，所以线圈成任意形状可在液膜上移动，见（a）图。,如果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，见（b）图，清楚的显示出表面张力的存在。,表面张力（surface tension）,（a）,（b）,表面张力（Surface Tension）,在两相界面上，处处存在着一种张力，它垂直于表面的单位线段上，指向使表面紧缩的方向并与表面相切。

10、,注意：表面张力是作用在单位长度线段上的力，量纲为m-1注意区分表面张力产生原因与表面张力的表现,作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用F表示，单位是Nm-1。,L,F=2L,表面自由能与表面张力,对于表面相，我们从“能”和“力”的角度引出了两个不同的概念：表面自由能与表面张力。事实上这两个概念有着密切的联系,一、两者量纲相同,表面自由能的量纲,表面张力量纲,表面自由能与表面张力,二、两者数值相同,肥皂膜保持张力平衡：,（肥皂膜有两个表面）,用表面自由能计算：,W=自由能 A=自由能2ldx,2.用表面张力计算,显然：,3.表面张力与表面能、力的联系和区别,力的三要素：大小、方向、作用点表

11、面张力：作用点在表面/弯曲面的切面，表面收缩体现方向，单位长度上的力是大小。与力的本质区别：作用在单位长度上的力，是二维空间的压力概念。与力、压强、能量不同，但有联系,平面,弯曲液面,（4）影响表面张力的因素,（1）分子间力的影响,（金属键）（离子键）（极性共价键（非极性共价键）,液体或固体中的分子间的相互作用力或化学键力越大，表面张力越大。一般,同一种物质与不同性质的其它物质接触时，表面层中分子所处力场则不同，导致表面（界面）张力出现明显差异。,如下表：,某些液体、固体的表面张力和液液界面张力,（2）温度的影响,一般T,液体的 这是由于物质的 B（l）-B（g），使表面层分子受指向液体内部的

12、拉力减小。,（3）压力的影响,返回,等温等压条件下，增加液体的表面积，体积几乎不变，即（V/A）T,p,n0,因此不考虑气相受压力影响时，有（/T）A,p,n 0。但因为压力增加，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。综上表面张力一般随压力的增加而下降，但影响不大。,影响表面张力的因素,（1）分子间相互作用力的影响,（2）温度的影响,多数液体随温度升高，表面张力下降。,（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。,对纯液体或纯固体，表

13、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。,（金属键）（离子键）（极性共价键）（非极性共价键）,两种液体间的界面张力，界于两种液体表面张力之间。,0.2 液体的界面现象,弯曲液面的饱和蒸气压,液体对固体的润湿作用,毛细管现象,弯曲表面下的附加压力,1.在平面上,剖面图,液面正面图,研究以AB为直径的一个环作为边界，由于环上每点的两边都存在表面张力，大小相等，方向相反，所以没有附加压力。,设向下的大气压力为Po，向上的反作用力也为 Po，附加压力PS 等于零。,Ps=Po-Po=0,弯曲表面下的附加压力,（2）在凸面上：,剖面图,附加压力示意图,研究以AB为弦长的一个

14、球面上的环作为边界。由于环上每点两边的表面张力都与液面相切，大小相等，但不在同一平面上，所以会产生一个向下的合力。,所有的点产生的总压力为Ps，称为附加压力。凸面上受的总压力为：Po+PsPo为大气压力，Ps为附加压力。,弯曲表面下的附加压力,（3）在凹面上：,研究以AB为弦长的一个球形凹面上的环作为边界。由于环上每点两边的表面张力都与凹形的液面相切，大小相等，但不在同一平面上，所以会产生一个向上的合力。凹面上向下的总压力为：Po-Ps，所以凹面上所受的压力比平面上小。,弯曲表面下的附加压力,1805年Young-Laplace导出了附加压力与曲率半径之间的关系式：杨-拉普拉斯公式,特殊式（对

15、球面）：,根据数学上规定，凸面的曲率半径取正值，凹面的曲率半径取负值。所以，凸面的附加压力指向液体，凹面的附加压力指向气体，即附加压力总是指向球面的球心。,一般式：,弯曲表面下的附加压力,对于象空气中的肥皂泡那样的球形液膜有内、外两个表面，均产生向球心的附加压力，因此附加压力为：,弯曲表面上的饱和蒸汽压开尔文公式,这就是Kelvin公式，式中r为密度，M 为摩尔质量。,为了表示附加压力的方向，规定：,+适用于凸液面，-适用于凹液面-开尔方程,结论：凸液面：其半径越小，蒸气压越大；凹液面：其半径越小，蒸气压越低。,液体对固体的润湿,（1）润湿,（2）接触角（contact angle）,在气、液、固三相交界点，气-液与气-固界面张力之间的夹角称为接触角，通常用q表示。,若接触角大于90，说明液体不能润湿固体，如汞在玻璃表面；,若接触角小于