09章-表面现象-2014-秋解析优秀PPT.ppt
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1、上一内容下一内容回主目录 物理化学核心教程电子教案第九章表面现象2022/10/29上一内容下一内容回主目录1.1.表面现象及其本质表面现象及其本质 凝合态凝合态(液态、固态液态、固态)物质与其饱和蒸气达平衡时,物质与其饱和蒸气达平衡时,两相紧密接触、约有几个分子厚度的过渡区,称为该凝两相紧密接触、约有几个分子厚度的过渡区,称为该凝聚态的表面(聚态的表面(surfacesurface),是两相界面的特殊情形。),是两相界面的特殊情形。表面表面 界面界面(interface)通常指不同相态之间的过渡区。)通常指不同相态之间的过渡区。界面界面 9.1 9.1 表面自由能和表面张力表面自由能和表面张
2、力2022/10/29上一内容下一内容回主目录空气空气气气-液液界面界面 9.1 9.1 表面自由能和表面张力表面自由能和表面张力2022/10/29上一内容下一内容回主目录气气-固界面固界面 9.1 9.1 表面自由能和表面张力表面自由能和表面张力2022/10/29上一内容下一内容回主目录液-液界面 9.1 9.1 表面自由能和表面张力表面自由能和表面张力2022/10/29上一内容下一内容回主目录 9.1.1 表面现象及其本质液-固界面玻璃板玻璃板液液-固界面固界面2022/10/29上一内容下一内容回主目录 9.1 9.1 表面自由能和表面张力表面自由能和表面张力例2022/10/29
3、上一内容下一内容回主目录 9.1.1 表面现象及其本质固-固界面铁管铁管CrCr镀层镀层固固-固界面固界面2022/10/29上一内容下一内容回主目录表面现象的本质表面现象的本质表面层分子与体相内部分子相比,所处表面层分子与体相内部分子相比,所处环境不同,受力不均等环境不同,受力不均等。体相内部分子所受四周分子作用力对称,体相内部分子所受四周分子作用力对称,各个方向的力彼此抵销各个方向的力彼此抵销。处在界面层的分子,其作处在界面层的分子,其作用力不能相互抵销。用力不能相互抵销。由于剩余作用力的存在,使由于剩余作用力的存在,使界面层显示出一些独特的性质。界面层显示出一些独特的性质。毛细现象毛细现
4、象如如 表面张力表面张力表面吸附表面吸附 9.1 9.1 表面自由能和表面张力表面自由能和表面张力2022/10/29上一内容下一内容回主目录比表面比表面 比表面通常用来比表面通常用来表示物质分散的程度表示物质分散的程度,有两种常用,有两种常用的表示方法:的表示方法:式中,式中,m 和和V 分别为固体的质量和体积,分别为固体的质量和体积,AS 为其总表面积为其总表面积单位单位单位单位单位单位 9.1 9.1 表面自由能和表面张力表面自由能和表面张力2022/10/29上一内容下一内容回主目录2.2.表面自由能表面自由能式中式中 为比例系数,称为为比例系数,称为表面表面Gibbs自由能自由能 等
5、温等压条件下,等温等压条件下,环境对系统做的可逆非膨胀功环境对系统做的可逆非膨胀功为可逆表面功,等于系统为可逆表面功,等于系统Gibbs自由能的增加值。自由能的增加值。可逆表面功故用公式表示为 9.1 9.1 表面自由能和表面张力表面自由能和表面张力2022/10/29上一内容下一内容回主目录 在数值上等于在等温等压及组成恒定的条件下,增在数值上等于在等温等压及组成恒定的条件下,增加单位表面积时所必需对系统做的可逆非膨胀功。加单位表面积时所必需对系统做的可逆非膨胀功。保持温度、压力和组成不变,每增加单位表面积时,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自由
6、能的增加值称为表面Gibbs自由能,简称表面自由能,简称表面自由能或表面能自由能或表面能。单位单位表面表面Gibbs自由能自由能 9.1 9.1 表面自由能和表面张力表面自由能和表面张力2022/10/29上一内容下一内容回主目录 9.1 9.1 表面自由能和表面张力表面自由能和表面张力 砸碎石头做了功,但同时增加了石头的砸碎石头做了功,但同时增加了石头的Gibbs自由能,能量守恒。自由能,能量守恒。如如 东西放久了会发觉有灰尘附着,就是因为灰尘东西放久了会发觉有灰尘附着,就是因为灰尘附着降低了物体的表面积,从而降低了物体的附着降低了物体的表面积,从而降低了物体的GibbsGibbs自由能。自
7、由能。2022/10/29上一内容下一内容回主目录 将一含有一个活动边框的金属将一含有一个活动边框的金属线框架放在肥皂液中,然后取出悬线框架放在肥皂液中,然后取出悬挂,活动边在下面。挂,活动边在下面。去掉活动边插销,由于金属框上去掉活动边插销,由于金属框上的肥皂膜的表面张力作用,可滑动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。的边会被向上拉,直至顶部。3.3.表面张力表面张力 9.1 9.1 表面自由能和表面张力表面自由能和表面张力2022/10/29上一内容下一内容回主目录假如在活动边框上挂一重物,假如在活动边框上挂一重物,此时此时 l 是滑动边的长度,因膜有两个是滑动边的长度
8、,因膜有两个面,所以边界总长度为面,所以边界总长度为2l使重物质量使重物质量m2与边框质量与边框质量m1所产生的所产生的重力重力F,与总的表面张力,与总的表面张力大小相等方大小相等方向相反向相反,则金属丝不再滑动。,则金属丝不再滑动。就是作用于单位长度边界上的就是作用于单位长度边界上的力,称为力,称为表面张力表面张力。9.1 9.1 表面自由能和表面张力表面自由能和表面张力2022/10/29上一内容下一内容回主目录表面张力表面张力 在确定温度和压力下,在两相在确定温度和压力下,在两相(特殊是气特殊是气-液液)界面上,界面上,到处存在着一种张力,这种力垂直于单位长度的边界,与表到处存在着一种张
9、力,这种力垂直于单位长度的边界,与表面相切面相切(使表面收缩的力使表面收缩的力)。单位单位表面张力与温度的关系表面张力与温度的关系 达超临界状态时,气、液相密度相同,气达超临界状态时,气、液相密度相同,气-液界面消逝,液界面消逝,表面张力趋于零。表面张力趋于零。气、液相密度差减小,表面层分子的剩余作用力变小。气、液相密度差减小,表面层分子的剩余作用力变小。温度上升温度上升:分子运动加剧,相互作用力减弱。分子运动加剧,相互作用力减弱。温度上升,表面张力下降。温度上升,表面张力下降。用用 表示表示表面张力与温度的关系表面张力与温度的关系温度上升,表面张力下降。温度上升,表面张力下降。表面张力与温度
10、的关系表面张力与温度的关系温度升高,表面张力下降。温度升高,表面张力下降。9.1 9.1 表面自由能和表面张力表面自由能和表面张力2022/10/29上一内容下一内容回主目录表面张力是物质的本性表面张力是物质的本性 对纯液体或纯固体,表面张力的大小确定于原子、对纯液体或纯固体,表面张力的大小确定于原子、离子或分子间相互作用力的强弱。离子或分子间相互作用力的强弱。(金属金属键)(离子离子键)(极性共价极性共价键)(非极性共价非极性共价键)一般化学键越强的物质,其表面张力越大:一般化学键越强的物质,其表面张力越大:液体中,汞的表面张力最大液体中,汞的表面张力最大,金属键。,金属键。水的表面张力很大
11、水的表面张力很大,极性共价键,极性共价键+氢键。氢键。非极性有机液态化合物的表面张力较小非极性有机液态化合物的表面张力较小,非极性共价键。,非极性共价键。9.1 9.1 表面自由能和表面张力表面自由能和表面张力2022/10/29上一内容下一内容回主目录表面张力表面张力单位:单位:力力长度长度-1,Nm-1表面自由能表面自由能单位:单位:功功面积面积-1,Jm-2表面张力表面张力 从力的角度表征表面现象从力的角度表征表面现象表面自由能表面自由能 从能量的角度表征表面现象从能量的角度表征表面现象表面张力与表面自由能比较:表面张力与表面自由能比较:二者量纲相同,数值相等,用同一符号二者量纲相同,数
12、值相等,用同一符号 表示表示 9.1 9.1 表面自由能和表面张力表面自由能和表面张力但物理意义不同、单位不同:但物理意义不同、单位不同:2022/10/29上一内容下一内容回主目录1.1.弯曲液面的附加压力弯曲液面的附加压力平液面上随意一点平液面上随意一点A A 达气液平衡时,平液面上任达气液平衡时,平液面上任一点所受压力都相等,等于其饱一点所受压力都相等,等于其饱和蒸气压和蒸气压 p0。平液面俯视图平液面俯视图 在平液面上在平液面上 9.2 9.2 弯曲液面的附加压力弯曲液面的附加压力不产生附加压力不产生附加压力2022/10/29上一内容下一内容回主目录 在凸液面上在凸液面上 一个液滴悬
13、浮在其饱和蒸气中,一个液滴悬浮在其饱和蒸气中,在液滴球面上在液滴球面上A A点四周的表面张力都点四周的表面张力都与液面相切,但不在同一平面上与液面相切,但不在同一平面上,不不能相消能相消,会产生一个指向球心的合力,会产生一个指向球心的合力,此合力即附加压力。此合力即附加压力。附加压力附加压力pSpS与蒸气压力与蒸气压力p0p0方向一样方向一样全部点产生的合力为全部点产生的合力为 pS pS球面上受的总压力为:球面上受的总压力为:9.2 9.2 弯曲液面的附加压力弯曲液面的附加压力2022/10/29上一内容下一内容回主目录 在凹液面上在凹液面上 一个处于液体内部的该液体的蒸一个处于液体内部的该
14、液体的蒸气泡,其内表面为凹液面。在气泡上气泡,其内表面为凹液面。在气泡上A A点四周的表面张力都与气泡壁相切点四周的表面张力都与气泡壁相切,大小相等,会产生一个指向球心的合大小相等,会产生一个指向球心的合力力附加压力附加压力pS pS。液体液体蒸气泡内壁凹面上受的净压力为:蒸气泡内壁凹面上受的净压力为:附加压力附加压力pS与气泡中蒸气压力与气泡中蒸气压力p0方向方向相反。相反。9.2 9.2 弯曲液面的附加压力弯曲液面的附加压力2022/10/29上一内容下一内容回主目录2.2.Young-Laplace 公式公式 1805年,年,Young-Laplace导出导出了附加压力与曲率半径之间的关
15、了附加压力与曲率半径之间的关系式。系式。最简洁状况:球面最简洁状况:球面 在毛细管内充溢液体,管端有在毛细管内充溢液体,管端有半径为半径为R R的球状液滴与蒸气平衡。的球状液滴与蒸气平衡。外压为外压为p0,附加压力为附加压力为 ps ,液滴所受总压为:液滴所受总压为:9.2 9.2 弯曲液面的附加压力弯曲液面的附加压力2022/10/29上一内容下一内容回主目录 对活塞稍加压力,将毛细对活塞稍加压力,将毛细管内液体压出少许,管内液体压出少许,相应地其相应地其表面积增加表面积增加dAS。使液滴体积增加使液滴体积增加dV,由于活塞上原来压力为由于活塞上原来压力为p0,故需克服的压力只是附加压力故需
16、克服的压力只是附加压力ps,所做的膨胀功等于可逆增加表所做的膨胀功等于可逆增加表面积的面积的Gibbs自由能。自由能。9.2 9.2 弯曲液面的附加压力弯曲液面的附加压力2022/10/29上一内容下一内容回主目录代入得Young-Laplace公式的特殊形式公式的特殊形式只适用于球形液面只适用于球形液面 9.2 9.2 弯曲液面的附加压力弯曲液面的附加压力2022/10/29上一内容下一内容回主目录附加压力:附加压力:与液体的表面张力成正比与液体的表面张力成正比 与球面的曲率半径成反比与球面的曲率半径成反比为了体现附加压力的方向,规定为了体现附加压力的方向,规定:凸面的曲率半径取正值凸面的曲
17、率半径取正值凹面的曲率半径取负值凹面的曲率半径取负值所以,凸面的附加压力指向液体,凹面的附加压力指所以,凸面的附加压力指向液体,凹面的附加压力指向气体,向气体,即附加压力总是指向球面的球心即附加压力总是指向球面的球心。9.2 9.2 弯曲液面的附加压力弯曲液面的附加压力2022/10/29上一内容下一内容回主目录3.3.毛细现象毛细现象毛细现象毛细现象 当把毛细管插入液体中当把毛细管插入液体中,管中液面会管中液面会高于或低于高于或低于管外的平面管外的平面。如:植物依靠毛细管吸取土壤中的水分和养料。如:植物依靠毛细管吸取土壤中的水分和养料。在低于饱和蒸气压力下在低于饱和蒸气压力下,毛细管中有液体
18、凝合等。毛细管中有液体凝合等。毛细现象缘由毛细现象缘由 在弯曲表面上有附加压力存在在弯曲表面上有附加压力存在,使毛细管内液体使毛细管内液体自发流淌以达到新的力平衡。自发流淌以达到新的力平衡。9.2 9.2 弯曲液面的附加压力弯曲液面的附加压力2022/10/29上一内容下一内容回主目录当把干净的玻璃毛细管插入汞中时当把干净的玻璃毛细管插入汞中时,管内液面呈凸面管内液面呈凸面故管内液面下降,直到下降的故管内液面下降,直到下降的液柱所对应的净压力等于附加液柱所对应的净压力等于附加压力时,达成新的平衡。压力时,达成新的平衡。h高度的高度的汞柱压力汞柱压力,就等于就等于附加压力附加压力。凸面在凸面在A
19、点处,由于凸面有向下点处,由于凸面有向下的附加压力,使的附加压力,使A点处压力比平点处压力比平面上大。面上大。9.2 9.2 弯曲液面的附加压力弯曲液面的附加压力2022/10/29上一内容下一内容回主目录凸面的凸面的附加压力为正值,附加压力为正值,而而凸面的凸面的 h 0故无论凸液面还是凹液面,故无论凸液面还是凹液面,毛细管上上升度均可表示为:毛细管上上升度均可表示为:9.2 9.2 弯曲液面的附加压力弯曲液面的附加压力2022/10/29上一内容下一内容回主目录为了体现附加压力的方向为了体现附加压力的方向,曲率半径曲率半径R与与毛细管半径毛细管半径 R 的关系可表示为的关系可表示为 接触角
20、接触角,可用试验测量可用试验测量故毛细管上上升度故毛细管上上升度h h又可表示为又可表示为时时 9.2 9.2 弯曲液面的附加压力弯曲液面的附加压力 2022/10/29上一内容下一内容回主目录1.1.弯曲液面的蒸气压弯曲液面的蒸气压弯曲液面的蒸气压弯曲液面的蒸气压当该液体分成小液滴时当该液体分成小液滴时,与其蒸气达成平衡与其蒸气达成平衡 小液滴表面所承受的压力小液滴表面所承受的压力 小液滴表面上的饱和蒸气压小液滴表面上的饱和蒸气压 平液面上的饱和蒸气压平液面上的饱和蒸气压则当纯液体当纯液体B的平面液体与其蒸气达成平衡时的平面液体与其蒸气达成平衡时 9.3 9.3 弯曲液面的蒸气压弯曲液面的蒸
21、气压2022/10/29上一内容下一内容回主目录对纯对纯液体液体 B 有有因为则设设B蒸气为蒸气为i.g.则则由于压力变更而引起由于压力变更而引起G G 的变更,故可做变换:的变更,故可做变换:9.3 9.3 弯曲液面的蒸气压弯曲液面的蒸气压故变换为2022/10/29上一内容下一内容回主目录对上式积分,区间为对上式积分,区间为液相:液相:从平液面上所受压力到小液滴上所受压力从平液面上所受压力到小液滴上所受压力气相:气相:从平液面上饱和蒸气压到小液滴上饱和蒸气压从平液面上饱和蒸气压到小液滴上饱和蒸气压左边积分左边积分 9.3 9.3 弯曲液面的蒸气压弯曲液面的蒸气压()2022/10/29上一
22、内容下一内容回主目录则则此式称为此式称为 Kelvin 公式公式 它指出了弯曲液面的饱和蒸气压它指出了弯曲液面的饱和蒸气压 pr 与平液面上饱与平液面上饱和蒸气压和蒸气压 p0 之间的关系。之间的关系。右边积分右边积分当当 时,时,9.3 9.3 弯曲液面的蒸气压弯曲液面的蒸气压2022/10/29上一内容下一内容回主目录此式为此式为Kelvin 公式另一形式公式另一形式 同一液体、不同曲率半径的弯曲液面上蒸气压的同一液体、不同曲率半径的弯曲液面上蒸气压的关系式为关系式为 对于同一液体,影响弯曲液面饱和蒸气压的对于同一液体,影响弯曲液面饱和蒸气压的主要主要因素是曲率半径因素是曲率半径。9.3
23、9.3 弯曲液面的蒸气压弯曲液面的蒸气压2022/10/29上一内容下一内容回主目录2.2.Kelvin 公式的应用公式的应用 在凸面上在凸面上 曲率半径取正值曲率半径取正值,附加压力与蒸气压力方向相同附加压力与蒸气压力方向相同,总总压力是两者加和压力是两者加和 。故小液滴、小颗粒的蒸气压随曲率半径的减小而上升。故小液滴、小颗粒的蒸气压随曲率半径的减小而上升。9.3 9.3 弯曲液面的蒸气压弯曲液面的蒸气压a.a.过饱和过饱和蒸气蒸气在确定温度下,压力超过其饱和蒸气压的蒸气,称为过饱和蒸气。在确定温度下,压力超过其饱和蒸气压的蒸气,称为过饱和蒸气。2022/10/29上一内容下一内容回主目录人
24、工降雨的原理人工降雨的原理 9.3 9.3 弯曲液面的蒸气压弯曲液面的蒸气压Irving Langmuir(伊文(伊文兰格缪尔)兰格缪尔)1932年,兰格年,兰格缪尔因表面化学和缪尔因表面化学和热离子放射方面的热离子放射方面的探讨成果获得诺贝探讨成果获得诺贝尔化学奖。尔化学奖。(过饱和蒸气的实际应用)(过饱和蒸气的实际应用)2022/10/29上一内容下一内容回主目录 9.3 9.3 弯曲液面的蒸气压弯曲液面的蒸气压 当他把一些干冰(固态当他把一些干冰(固态CO2的气化热很大,的气化热很大,-60时时为为87.2卡卡/克),放到冰箱的冰室中,很快,小冰粒在冰克),放到冰箱的冰室中,很快,小冰粒
25、在冰室内飘舞回旋,霏霏雪花从上落下。室内飘舞回旋,霏霏雪花从上落下。1946 1946年年7 7月,兰格缪尔正惊惶地进行试验,冰箱却月,兰格缪尔正惊惶地进行试验,冰箱却停止制冷,冰箱内的温度降不下来。停止制冷,冰箱内的温度降不下来。这是由于干冰具有独特的凝合水蒸气的作用,即作这是由于干冰具有独特的凝合水蒸气的作用,即作为为“种子种子”的云中冰晶的成核作用。低温是使水蒸气变的云中冰晶的成核作用。低温是使水蒸气变为雨的重要因素之一,兰格缪尔不断调整干冰的量并变为雨的重要因素之一,兰格缪尔不断调整干冰的量并变更温度,当温度降到更温度,当温度降到-40-40以下,人工降雨就可能成功。以下,人工降雨就可
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