《北航材料专业课资料》《物理化学》(天大第五版)考点精讲教程(第10讲界面现象).pdf
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1、第第9讲 界面现象讲 界面现象物理化学考点精讲教程(天津大学第五版)物理化学考点精讲教程(天津大学第五版)主讲人:张彩丽主讲人:张彩丽网学天地网学天地www.e-网学天地(网学天地(www.e-)物理化学(天大第五版)考点精讲教程)物理化学(天大第五版)考点精讲教程一、考点重点精讲一、考点重点精讲?界面现象产生的根源在于界面现象产生的根源在于表面层中的分子受力不匀。表面层中的分子受力不匀。?表面相中摩尔吉布斯函数的大小表面相中摩尔吉布斯函数的大小不同于不同于系统的内部。系统的内部。?有巨大的表面积的系统 往往产生明显的有巨大的表面积的系统 往往产生明显的界面效应(表面现象)。高度分散的物质界面
2、效应(表面现象)。高度分散的物质或或多孔性物质多孔性物质(表面积的大小用比表面来衡量)。(表面积的大小用比表面来衡量)。?比表面:即每单位体积或单位质量的物质所具有的表面积。比表面:即每单位体积或单位质量的物质所具有的表面积。?表面分子所占比例随表面积的表面分子所占比例随表面积的增大而增大。增大而增大。网学天地(网学天地(www.e-)物理化学(天大第五版)考点精讲教程)物理化学(天大第五版)考点精讲教程做表面功示意图做表面功示意图lF=2lF(环环)=F+dFdxdAs=2ldx2Fl=(一)界面张力(一)界面张力rSS,2dT PWFGlAA=rdWF x=2dl x=SdA=1.(比)表
3、面吉布斯函数要增大液体的表面积(相当于增加表面分子的数目),必须有外力克服表面张力作功。(比)表面吉布斯函数要增大液体的表面积(相当于增加表面分子的数目),必须有外力克服表面张力作功。22NN mJ=mmm网学天地(网学天地(www.e-)物理化学(天大第五版)考点精讲教程)物理化学(天大第五版)考点精讲教程界面层分子与体相分子所处力场不同界面层分子与体相分子所处力场不同lg液体表面层分子所受合力不为零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液体表面有自动收缩的趋势。定义:沿着液体表面使其表面紧缩的力,称为的趋势。
4、定义:沿着液体表面使其表面紧缩的力,称为表面张力。表面张力。表面张力作用点:液体表面方向:沿着液面,与液面相切,垂直作用于分界线,单位长度上的力。大小:表面张力作用点:液体表面方向:沿着液面,与液面相切,垂直作用于分界线,单位长度上的力。大小:F=l网学天地(网学天地(www.e-)物理化学(天大第五版)考点精讲教程)物理化学(天大第五版)考点精讲教程2.热力学公式恒温、恒压、组成不变时:热力学公式恒温、恒压、组成不变时:ddSGA=()SGA=表()()()(),BBBBSSSST PnSV nS PnTV nGUHAAAAA=()()dddddBBSBGS TV pnA=+()()dddd
5、dBBSBUT Sp VnA=+()()dddddBBSBHT SV pnA=+()()dddddBBSBAS Tp VnA=+网学天地(网学天地(www.e-)物理化学(天大第五版)考点精讲教程)物理化学(天大第五版)考点精讲教程3.影响影响的因素(的因素(1)物质本性的影响。分子间作用力愈大,表面张力愈大。)物质本性的影响。分子间作用力愈大,表面张力愈大。(金属键金属键)(离子键离子键)(极性共价键极性共价键)(非极性共价键非极性共价键)Cu 1000NaCl 800H2O 25Cl230/mNm-1 1300 114 72 26(2)接触相性质的影响。()接触相性质的影响。(3)温度的影
6、响。)温度的影响。T,。网学天地(网学天地(www.e-)物理化学(天大第五版)考点精讲教程)物理化学(天大第五版)考点精讲教程定义:由于表面张力的作用,弯曲液面内外产生的压力差定义:由于表面张力的作用,弯曲液面内外产生的压力差p。(二)弯曲液面的附加压力和毛细现象(二)弯曲液面的附加压力和毛细现象1.弯曲液面的附加压力凸液面附加压力指向液体内部凹液面附加压力指向液体外部弯曲液面的附加压力凸液面附加压力指向液体内部凹液面附加压力指向液体外部.方向方向:指向弯曲液面的曲率中心:指向弯曲液面的曲率中心rppp 2gl=与表面张力成正比与曲率半径成反比与表面张力成正比与曲率半径成反比大小大小:球内压
7、力:球内压力 球外压力球外压力glppp=凸液面凹液面凸液面凹液面lgppp=网学天地(网学天地(www.e-)物理化学(天大第五版)考点精讲教程)物理化学(天大第五版)考点精讲教程拉普拉斯方程拉普拉斯方程rppp 2gl=?水平液面水平液面:r=,p=0.?空气中的空气中的气泡气泡:p=4/r网学天地(网学天地(www.e-)物理化学(天大第五版)考点精讲教程)物理化学(天大第五版)考点精讲教程毛细现象毛细现象液体表面张力;液体表面张力;液体密度;液体密度;g重力加速度;重力加速度;r毛细管半径。毛细管半径。将毛细管插入液体后 液面将沿毛细管上升或下降的现象。产生的原因是毛细管内的弯曲液面上
8、存在附加压力将毛细管插入液体后 液面将沿毛细管上升或下降的现象。产生的原因是毛细管内的弯曲液面上存在附加压力 p。12/prgh=以以凹液面凹液面为例,液面为例,液面上升上升至平衡时,有:至平衡时,有:phh pr1r液面曲率半径液面曲率半径r1 与毛细管半径与毛细管半径r及接触角及接触角 间的关系为:间的关系为:1cos/r r=(=0)2 cos2hr gr g=网学天地(网学天地(www.e-)物理化学(天大第五版)考点精讲教程)物理化学(天大第五版)考点精讲教程对对凸液面凸液面(如小液滴如小液滴),ln(pr/p)0,pr p对对凹液面凹液面(如小气泡如小气泡),ln(p/pr)0,p
9、r p(平面平面)p(凹面凹面)且曲率半径越小且曲率半径越小,偏离程度越大偏离程度越大.2lnrpMpRTr=12lnrpMpRTr=2.开尔文公式应用:毛细管凝结,过饱和蒸气。蒸气压与曲率半径的关系开尔文公式应用:毛细管凝结,过饱和蒸气。蒸气压与曲率半径的关系网学天地(网学天地(www.e-)物理化学(天大第五版)考点精讲教程)物理化学(天大第五版)考点精讲教程(1)过饱和蒸气:)过饱和蒸气:压力超过常规饱和蒸气压的蒸气。压力超过常规饱和蒸气压的蒸气。(2)过热液体:)过热液体:温度高于沸点的液体。温度高于沸点的液体。(3)过冷液体:)过冷液体:温度在凝固点以下的液体。温度在凝固点以下的液体
10、。(4)过饱和溶液:)过饱和溶液:浓度超过饱和浓度的溶液。浓度超过饱和浓度的溶液。3.亚稳定状态和新相的生成亚稳定状态和新相的生成网学天地(网学天地(www.e-)物理化学(天大第五版)考点精讲教程)物理化学(天大第五版)考点精讲教程吸附剂吸附剂A:具有吸附能力的物质。具有吸附能力的物质。吸附质吸附质B:被吸附的物质。(1)吸附原因(2)吸附热一个在恒温恒压下自发的吸附过程:被吸附的物质。(1)吸附原因(2)吸附热一个在恒温恒压下自发的吸附过程 G 0,S 0 H =G +T S 0 放热过程放热过程.(三)固体表面(三)固体表面1.固体表面吸附固体表面会自发地捕获气相或液相中的分子固体表面吸
11、附固体表面会自发地捕获气相或液相中的分子,使之在固体表面上浓集,从而降低表面吉布斯函数使之在固体表面上浓集,从而降低表面吉布斯函数网学天地(网学天地(www.e-)物理化学(天大第五版)考点精讲教程)物理化学(天大第五版)考点精讲教程物理吸附和化学吸附往往可以同时发生(3)吸附的分类。按吸附作用力性质的不同分类 物理吸附。物理吸附和化学吸附往往可以同时发生(3)吸附的分类。按吸附作用力性质的不同分类 物理吸附。范德华力范德华力:分子间力(色散力、诱导力、取向力):分子间力(色散力、诱导力、取向力)物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附吸附力吸附力分子间力分子间力化学键力化学键力吸附分子层吸附分子层多
12、分子层或单分子层多分子层或单分子层单分子层单分子层吸附温度吸附温度低低高高吸附热吸附热小小,冷凝热数量级冷凝热数量级大大,反应热数量级反应热数量级吸附速率吸附速率快快慢慢吸附选择性吸附选择性无无有有 化学吸附。化学吸附。化学键力:化学键力:化学吸附时可发生电子的转移、原子的重排、化学键的断裂与形成等微观过程化学吸附时可发生电子的转移、原子的重排、化学键的断裂与形成等微观过程网学天地(网学天地(www.e-)物理化学(天大第五版)考点精讲教程)物理化学(天大第五版)考点精讲教程2.等温吸附等温吸附mVmx def def 或或气体的气体的吸附量吸附量与与温度和压力温度和压力有关:有关:=f(T,
13、pB)吸附等温线:吸附等温线:=f(pB)pT吸附等压线:吸附等压线:=f(T)(1)吸附量:当吸附达平衡时)吸附量:当吸附达平衡时,单位质量吸附剂所吸附的气体的物质的量或标准状况下的体积称为单位质量吸附剂所吸附的气体的物质的量或标准状况下的体积称为平衡吸附量。平衡吸附量。网学天地(网学天地(www.e-)物理化学(天大第五版)考点精讲教程)物理化学(天大第五版)考点精讲教程(2)吸附经验式弗罗因德利希提出如下等温吸附经验式:)吸附经验式弗罗因德利希提出如下等温吸附经验式:=x/m=kpn取对数得:取对数得:lg(/)=nlg(p/p)+lg(k/k)式中式中k和和n为经验常数,为经验常数,k
14、 一般随温度升高而减小;一般随温度升高而减小;n 一般介于一般介于0 1 之间。该经验式只适用于中压范围的吸附。以之间。该经验式只适用于中压范围的吸附。以lg(/)对对lg(p/p)作图作图,应得一条直线应得一条直线,可由斜率和截距分别求得常数可由斜率和截距分别求得常数n和和k。网学天地(网学天地(www.e-)物理化学(天大第五版)考点精讲教程)物理化学(天大第五版)考点精讲教程3.单分子层吸附理论单分子层吸附理论A(s)+B(g)A-B(ad)吸附脱附吸附脱附(1)单分子层吸附)单分子层吸附:表面上各个晶格位置的吸附能力相同。吸附或脱附的难易与邻近有无吸附分子无关。达吸附平衡时:表面上各个
15、晶格位置的吸附能力相同。吸附或脱附的难易与邻近有无吸附分子无关。达吸附平衡时,吸附和脱附过程同时进行吸附和脱附过程同时进行,且速率相同。固体表面上每个吸附位只能吸附一个分子且速率相同。固体表面上每个吸附位只能吸附一个分子,气体分子只有碰撞到固体的空白表面上才能被吸附。气体分子只有碰撞到固体的空白表面上才能被吸附。(2)吸附平衡是动态平衡)吸附平衡是动态平衡:(3)固体表面是均匀的)固体表面是均匀的:(4)被吸附的气体分子间无相互作用力)被吸附的气体分子间无相互作用力:网学天地(网学天地(www.e-)物理化学(天大第五版)考点精讲教程)物理化学(天大第五版)考点精讲教程表面覆盖率表面覆盖率固体
16、总的表面积面积被吸附质覆盖的固体表固体总的表面积面积被吸附质覆盖的固体表=(1-)p A(s)+B(g)A-B(ad)(1)代表固体空白表面的分数。代表固体空白表面的分数。()1Kbp=网学天地(网学天地(www.e-)物理化学(天大第五版)考点精讲教程)物理化学(天大第五版)考点精讲教程1bpbp=+b 称为称为吸附系数吸附系数,具有压力倒数的量纲,具有压力倒数的量纲Pa-1,b 即为吸附平衡常数,其大小表示吸附作用的强弱。即为吸附平衡常数,其大小表示吸附作用的强弱。兰格缪尔吸附等温式兰格缪尔吸附等温式 代表覆盖率为代表覆盖率为 时的平衡吸附量;时的平衡吸附量;代表在足够高压力下的饱和吸附量
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