材料表面与界面第一章PPT学习教案.pptx

《材料表面与界面第一章PPT学习教案.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料表面与界面第一章PPT学习教案.pptx（108页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、会计学1材料材料(cilio)表面与界面第一章表面与界面第一章第一页，共108页。2一一.学和用的转换学和用的转换(zhunhun)(zhunhun)并并非轻松非轻松 研究生课程研究生课程(kchng)学习学习的特点的特点二二.增强研究生的研究性思维增强研究生的研究性思维例如高分子晶体理论的建立：缨状微束例如高分子晶体理论的建立：缨状微束 折叠链折叠链 松散折叠链松散折叠链 隧道隧道(sudo)(sudo)折叠链折叠链 插线板模型插线板模型三三.尊重客观实际不畏权威尊重客观实际不畏权威 第1页/共108页第二页，共108页。3为什么在反应为什么在反应(fnyng)釡中要控制苯乙烯转化率为釡中要

2、控制苯乙烯转化率为20%而不让转化率提高一些，以增加设备的利用率？而不让转化率提高一些，以增加设备的利用率？什么叫自动加什么叫自动加速效应速效应(xioyng)？它是如何产生它是如何产生的？的？第2页/共108页第三页，共108页。4为什么要学材料为什么要学材料(cilio)表界面？表界面？n n材料科学、信息科学和生命科学是当前新技术革命材料科学、信息科学和生命科学是当前新技术革命材料科学、信息科学和生命科学是当前新技术革命材料科学、信息科学和生命科学是当前新技术革命中的三大前沿科学，材料的表界面在材料科学中有中的三大前沿科学，材料的表界面在材料科学中有中的三大前沿科学，材料的表界面在材料科

3、学中有中的三大前沿科学，材料的表界面在材料科学中有重要的地位。重要的地位。重要的地位。重要的地位。n n材料表界面对材料整体材料表界面对材料整体材料表界面对材料整体材料表界面对材料整体(zhngt(zhngt)性能具有决定性影性能具有决定性影性能具有决定性影性能具有决定性影响，材料的腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、涂膜、响，材料的腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、涂膜、响，材料的腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、涂膜、响，材料的腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、涂膜、粘结、复合等等，无不与材料的表界面密切有关。粘结、复合等等，无不与材料的表界面密切有关。粘结、复合等等，无不与材料的表界面密切有关。粘结、复合

4、等等，无不与材料的表界面密切有关。第3页/共108页第四页，共108页。518751875187518751878 Gibbs 1878 Gibbs 1878 Gibbs 1878 Gibbs 定律；奠定定律；奠定定律；奠定定律；奠定(dindng)(dindng)(dindng)(dindng)了表界面科学的基了表界面科学的基了表界面科学的基了表界面科学的基础础础础19131913191319131942 Langmuir 1942 Langmuir 1942 Langmuir 1942 Langmuir 的贡献；（获的贡献；（获的贡献；（获的贡献；（获1932193219321932年诺贝

5、尔化学奖）年诺贝尔化学奖）年诺贝尔化学奖）年诺贝尔化学奖）(蒸发、凝聚、吸附、单分子膜等表界面的研究）蒸发、凝聚、吸附、单分子膜等表界面的研究）蒸发、凝聚、吸附、单分子膜等表界面的研究）蒸发、凝聚、吸附、单分子膜等表界面的研究）20202020世纪世纪世纪世纪40404040年代前年代前年代前年代前 表面化学成果大量应用生产；表面化学成果大量应用生产；表面化学成果大量应用生产；表面化学成果大量应用生产；50505050年代，微型化、年代，微型化、年代，微型化、年代，微型化、ITITITIT发展促进表面化学发展；发展促进表面化学发展；发展促进表面化学发展；发展促进表面化学发展；60606060年

6、代，由于超高真空技术的发展，表面现象向微观领域发年代，由于超高真空技术的发展，表面现象向微观领域发年代，由于超高真空技术的发展，表面现象向微观领域发年代，由于超高真空技术的发展，表面现象向微观领域发展；展；展；展；2007200720072007年，格哈德年，格哈德年，格哈德年，格哈德埃特尔埃特尔埃特尔埃特尔,成功描述了在表面发生的化学反应细成功描述了在表面发生的化学反应细成功描述了在表面发生的化学反应细成功描述了在表面发生的化学反应细节，并以此方法为现代表面化学奠定节，并以此方法为现代表面化学奠定节，并以此方法为现代表面化学奠定节，并以此方法为现代表面化学奠定(dindng)(dindng)

7、(dindng)(dindng)了基础。获了基础。获了基础。获了基础。获诺贝尔化学奖。诺贝尔化学奖。诺贝尔化学奖。诺贝尔化学奖。表界面科学表界面科学(kxu)发展简史发展简史第4页/共108页第五页，共108页。6表界面是由一个相到另一个相的过渡表界面是由一个相到另一个相的过渡(gud)区域。若其区域。若其中一相为气体，这种界面通常称为表面（中一相为气体，这种界面通常称为表面（surface)。表界面区的结构、能量、表界面区的结构、能量、组成等都呈现连续的梯度组成等都呈现连续的梯度变化，相与变化，相与(xingy)相之相之间没有截然的分界面。间没有截然的分界面。1 1、表界面表界面(jimin

8、)(jimin)的定义的定义(surface(surface，interfaceinterface，interphase)interphase)AB什么是表界面什么是表界面？第5页/共108页第六页，共108页。7（1）气）气-液界面液界面(jimin)表界面表界面表界面表界面(jimin)(jimin)(jimin)(jimin)通常有五类：气通常有五类：气通常有五类：气通常有五类：气-液界面液界面液界面液界面(jimin)(jimin)(jimin)(jimin)（表面），气（表面），气（表面），气（表面），气-固界面固界面固界面固界面(jimin)(jimin)(jimin)(jimin

9、)（表面），液（表面），液（表面），液（表面），液-液界面液界面液界面液界面(jimin)(jimin)(jimin)(jimin)，液，液，液，液-固界面固界面固界面固界面(jimin)(jimin)(jimin)(jimin)，固，固，固，固-固界面固界面固界面固界面(jimin)(jimin)(jimin)(jimin)。第6页/共108页第七页，共108页。8（2）气）气-固界面固界面(jimin)第7页/共108页第八页，共108页。9（3）液）液-液界面液界面(jimin)第8页/共108页第九页，共108页。10（4）液）液-固界面固界面(jimin)第9页/共108页第十页，共

10、108页。11（5）固）固-固界面固界面(jimin)第10页/共108页第十一页，共108页。12材料表界面材料表界面(jimin)的形成的形成1.1.机械作用界面机械作用界面机械作用界面机械作用界面 切削，研磨，抛光，喷砂，磨损等切削，研磨，抛光，喷砂，磨损等切削，研磨，抛光，喷砂，磨损等切削，研磨，抛光，喷砂，磨损等2.2.化学作用界面化学作用界面化学作用界面化学作用界面 反应，粘接，氧化，腐蚀等反应，粘接，氧化，腐蚀等反应，粘接，氧化，腐蚀等反应，粘接，氧化，腐蚀等3.3.固体结合界面固体结合界面固体结合界面固体结合界面 真空真空真空真空(zhnkng)(zhnkng)，加热，加压，界

11、面扩散等，加热，加压，界面扩散等，加热，加压，界面扩散等，加热，加压，界面扩散等4.4.液相或气相沉积界面液相或气相沉积界面液相或气相沉积界面液相或气相沉积界面 5.5.凝固共生界面凝固共生界面凝固共生界面凝固共生界面 6.6.粉末冶金界面粉末冶金界面粉末冶金界面粉末冶金界面 热压，热锻，烧结，热喷涂等热压，热锻，烧结，热喷涂等热压，热锻，烧结，热喷涂等热压，热锻，烧结，热喷涂等7.7.粘结界面粘结界面粘结界面粘结界面 无机或有机粘结剂粘结两固体无机或有机粘结剂粘结两固体无机或有机粘结剂粘结两固体无机或有机粘结剂粘结两固体8.8.熔焊界面熔焊界面熔焊界面熔焊界面 固体表面形成熔体，凝固而成固体

12、表面形成熔体，凝固而成固体表面形成熔体，凝固而成固体表面形成熔体，凝固而成第11页/共108页第十二页，共108页。13表界面表界面(jimin)研究的研究的重要性重要性分分 类类表、界面现象表、界面现象作为表面活性剂材料制造的产品肥皂和洗涤剂（表面活性剂）乳化剂和稳定剂、灭草剂和杀虫剂,织物软化剂表、界面现象的直接应用润滑、黏接、泡沫、湿润和防水复合材料的偶联剂天然和合成材料的纯化和/或改性三次采油、烧结生理与医学应用呼吸、关节润滑、液体输运中的毛细现象、动脉硬化纳米材料比表面积急剧增加，表面原子数目增多，特殊的表面效应第12页/共108页第十三页，共108页。14第第 1 章章 表界面表界

13、面(jimin)基础知识基础知识第13页/共108页第十四页，共108页。15表面表面(biomin)张张力和表面力和表面(biomin)自由能自由能1.1.表面层分子与内部分表面层分子与内部分子相比，它们所处子相比，它们所处(su(su ch)ch)的环境不同。的环境不同。2.2.气液表面的分子净受到指向液气液表面的分子净受到指向液体内部体内部(nib)(nib)的力；表面张力本的力；表面张力本质是分子间相互作用质是分子间相互作用3.从液体内部将分子移到表从液体内部将分子移到表面要克服分子间引力而做功，面要克服分子间引力而做功，使系统自由焓增加；使系统自由焓增加；第14页/共108页第十五页

14、，共108页。16定义：外力定义：外力F F与液膜边缘的长与液膜边缘的长度成正比，比例常数与液体度成正比，比例常数与液体(yt)(yt)表面特性有关，以表面特性有关，以表表示示 ，称为表面张力：，称为表面张力：式中，式中，L为液膜边缘为液膜边缘(binyun)长度，因为液膜有两面故取系数长度，因为液膜有两面故取系数2。表面张力是单位长度上的作用力，单位是表面张力是单位长度上的作用力，单位是N/m，它是反抗表面扩大的一，它是反抗表面扩大的一种收缩力，使系统具有最小的表面积。种收缩力，使系统具有最小的表面积。第15页/共108页第十六页，共108页。17在上图中，设在在上图中，设在在上图中，设在在

15、上图中，设在F F F F力作用力作用力作用力作用(zuyng)(zuyng)(zuyng)(zuyng)下金属丝移动下金属丝移动下金属丝移动下金属丝移动dxdxdxdx的距离，则的距离，则的距离，则的距离，则所作的功为：所作的功为：所作的功为：所作的功为：n n但2L*dx等于(dngy)液膜的面积增量dA,所以:n n将上式改写成如下形式：第16页/共108页第十七页，共108页。181.2 1.2 表面张力表面张力(biominzhngl)(biominzhngl)的热的热力学定义力学定义n n热力学第一定律告诉我们可逆条件热力学第一定律告诉我们可逆条件(tiojin)(tiojin)下

16、生成单下生成单位表面时内能的变化位表面时内能的变化:n n系统功包括膨胀功和表面功系统功包括膨胀功和表面功:n n由热力学第二定律，由热力学第二定律，dQR=TdSdQR=TdS，得：，得：第17页/共108页第十八页，共108页。19根据根据根据根据(gnj)(gnj)焓：焓：焓：焓：H=U+pV H=U+pV dH=dU+pdV+Vdp,dH=dU+pdV+Vdp,自由能：自由能：自由能：自由能：F=U-TS dF=dU-TdS-SdTF=U-TS dF=dU-TdS-SdT自由焓：自由焓：自由焓：自由焓：GH-TS dG=dH-TdS-SdTGH-TS dG=dH-TdS-SdTn n导

17、出表界面张力导出表界面张力(zhngl)的的热力学方程：热力学方程：第18页/共108页第十九页，共108页。20由此四个热力学基本方程可以得出表界面张力由此四个热力学基本方程可以得出表界面张力由此四个热力学基本方程可以得出表界面张力由此四个热力学基本方程可以得出表界面张力(zhngl)(zhngl)的热力学定义为：的热力学定义为：的热力学定义为：的热力学定义为：n n上式表明表面张力是在特定条件下改变单位面积上式表明表面张力是在特定条件下改变单位面积上式表明表面张力是在特定条件下改变单位面积上式表明表面张力是在特定条件下改变单位面积所引起的所引起的所引起的所引起的U,H,F,GU,H,F,G

18、的变化值。由于的变化值。由于的变化值。由于的变化值。由于(yuy)(yuy)经常在经常在经常在经常在恒温、恒压下研究表面性能，故常用下式表示恒温、恒压下研究表面性能，故常用下式表示恒温、恒压下研究表面性能，故常用下式表示恒温、恒压下研究表面性能，故常用下式表示.第19页/共108页第二十页，共108页。21n n令令令令GsGs为单位面积的自由焓，简称为单位面积的自由焓，简称为单位面积的自由焓，简称为单位面积的自由焓，简称(ji(ji nchng)nchng)比表面自由比表面自由比表面自由比表面自由焓，焓，焓，焓，A A为总表面积，则总表面自由焓为：为总表面积，则总表面自由焓为：为总表面积，则

19、总表面自由焓为：为总表面积，则总表面自由焓为：n n G=GsA (1-12)G=GsA (1-12)n n代入式（代入式（代入式（代入式（1-111-11）可得：）可得：）可得：）可得：第20页/共108页第二十一页，共108页。22n n纯液体的分子是可流动的，表面改变纯液体的分子是可流动的，表面改变纯液体的分子是可流动的，表面改变纯液体的分子是可流动的，表面改变(g(g ibin)ibin)并并并并不引起表面结构、分子间平均距离及排列情况变化，不引起表面结构、分子间平均距离及排列情况变化，不引起表面结构、分子间平均距离及排列情况变化，不引起表面结构、分子间平均距离及排列情况变化，因此：因

20、此：因此：因此：n n由此得：由此得：由此得：由此得：n n单组分液体的表面张力等于比表面自由焓。单组分液体的表面张力等于比表面自由焓。单组分液体的表面张力等于比表面自由焓。单组分液体的表面张力等于比表面自由焓。第21页/共108页第二十二页，共108页。23对于对于(duy)球面球面 在附加(fji)压力p的作用下，半径减小dr，表面能的变化为：压差(y ch)所作功为：1.3 1.3 Laplace方程方程第22页/共108页第二十三页，共108页。241.3 Laplace1.3 Laplace1.3 Laplace1.3 Laplace方程方程方程方程(fngchng)(fngchng

21、)(fngchng)(fngchng)1.1.附加压力与表面张力成正比，与曲率半径成反比附加压力与表面张力成正比，与曲率半径成反比2.2.凸液面，液滴的曲率半径凸液面，液滴的曲率半径r r为正，为正，PP为正，附加压力指向液体内部，为正，附加压力指向液体内部，r r越小，越小，PP越大；越大；3.3.平液面，平液面，r r趋向无穷大，趋向无穷大，PP为零，跨越为零，跨越(kuyu)(kuyu)平液面不存在压力平液面不存在压力差；差；4.4.凹液面，凹液面，r r为负，为负，PP为负，附加压力指向空气。为负，附加压力指向空气。达到达到(ddo)平衡时：平衡时：第23页/共108页第二十四页，共1

22、08页。25对于对于(duy)任任意曲面意曲面如果将该曲面由如果将该曲面由ABCD向外推移一个向外推移一个小小的距离小小的距离dz成成ABCD,其面积其面积(minj)变化为：变化为：形成这部分新表面积形成这部分新表面积(minj)做的功做的功为：为：1.3 Laplace1.3 Laplace方程方程(fngchng)(fngchng)第24页/共108页第二十五页，共108页。26 当曲面向外位移当曲面向外位移dzdz时，作用时，作用(zuyng)(zuyng)在在xyxy面积上的面积上的压差压差pp做功为：做功为：由相似由相似(xins)三角形原理三角形原理1.3 Laplace方程方程

23、(fngchng)第25页/共108页第二十六页，共108页。27达到达到(ddo)平衡时，平衡时，W1=W2,即：即：化简后得：化简后得：上式上式Laplace方程方程(fngchng)的一般形式，是的一般形式，是表面化学的基本定律之一。表面化学的基本定律之一。注：（1）若：r1r2r，则曲面为球面(qimin)，回到（215）式；（2）若：r1r2无穷大，则液面为平面，压差为0。1.3 1.3 Laplace方程方程第26页/共108页第二十七页，共108页。28毛细管法毛细管法毛细管法毛细管法 当液体当液体当液体当液体(yt)(yt)(yt)(yt)完全浸润完全浸润完全浸润完全浸润毛细管

24、壁时毛细管壁时毛细管壁时毛细管壁时由Laplace方程可得：若定义(dngy)h为凹月面底部距平液面的高度，则压差p应等于毛细管内液柱的静压强，即 为气液两相的密度为气液两相的密度(md)差差1.4 液体表面张力的测定液体表面张力的测定第27页/共108页第二十八页，共108页。29上式也可以上式也可以上式也可以上式也可以(ky)(ky)(ky)(ky)改写成改写成改写成改写成式中a为毛细常数，它是液体(yt)的特性常数。两个两个(lin)(lin)前提前提:1.1.小直径毛细管小直径毛细管2.2.液体与毛细管完全或完全不浸润液体与毛细管完全或完全不浸润1.4 液体表面张力的测定液体表面张力的

25、测定第28页/共108页第二十九页，共108页。30当液体(yt)与管壁接触角介于0-180之间，若弯月面仍为球面，则有：完全完全(wnqun)浸润，浸润，接触角为接触角为0，cos1；完全完全(wnqun)不浸不浸润，接触角为润，接触角为180，cos-11.4 液体表面张力液体表面张力(biominzhngl)的测定的测定第29页/共108页第三十页，共108页。31n n上面的推导过程可发现(fxin)如下问题n n（1）对凹月面看作为球面的近似处理；n n （2）只有在凹月面的最低一点毛细上升高度才是 h，在其他各点上，毛细上升高度都大于 h。n n 必须考虑对以上两个偏差作修正。1.

26、4 液体表面张力液体表面张力(biominzhngl)的测定的测定第30页/共108页第三十一页，共108页。32修正方法之一是修正方法之一是修正方法之一是修正方法之一是RayleighRayleigh提出的级数近似法提出的级数近似法提出的级数近似法提出的级数近似法式中第一项是基本的式中第一项是基本的式中第一项是基本的式中第一项是基本的LaplaceLaplace方程，第二项是考虑弯月面方程，第二项是考虑弯月面方程，第二项是考虑弯月面方程，第二项是考虑弯月面液体质量的修正，其余液体质量的修正，其余液体质量的修正，其余液体质量的修正，其余(qy)(qy)各项是对偏离球形的修各项是对偏离球形的修各

27、项是对偏离球形的修各项是对偏离球形的修正正正正1.4 液体表面张力液体表面张力(biominzhngl)的测定的测定第31页/共108页第三十二页，共108页。33例：例：25，101.325kPa下将直径为下将直径为1m的毛细管插入水中，问需要外加的毛细管插入水中，问需要外加多大的压力多大的压力(yl)才能防止水面上升？（已知才能防止水面上升？（已知25时水的表面张力为时水的表面张力为71.9710-3 N*m-1)1.4 液体表面张力液体表面张力(biominzhngl)的测定的测定第32页/共108页第三十三页，共108页。34滴重法滴重法18641864年，年，Tate Tate 提出

28、液滴质量提出液滴质量mgmg与表面张力与表面张力(biominzhngl)(biominzhngl)的关系：的关系：在恒温的条件下，使管端缓慢形成在恒温的条件下，使管端缓慢形成的液滴滴入杯中，在收集到适量的的液滴滴入杯中，在收集到适量的液体后称重液体后称重(chn zhn)其质量，其质量，由此精确地测得每滴液重。由此精确地测得每滴液重。1.4 液体液体(yt)表面张力的测定表面张力的测定第33页/共108页第三十四页，共108页。35Harkins引入修正系数 f并且得出，f是液滴体积V的函数。使用时r/v1/3范围(fnwi)最好在 0.6-1.2 以内，因为该区间 f 之变化最为缓慢，结果

29、也更加精确。液滴落下过程液滴落下过程(guchng)的快的快速摄影图速摄影图 1.4 液体表面张力液体表面张力(biominzhngl)的测定的测定第34页/共108页第三十五页，共108页。36n nWilkensonWilkenson等用实验数据拟合得到下面的经验等用实验数据拟合得到下面的经验等用实验数据拟合得到下面的经验等用实验数据拟合得到下面的经验(jngyn)(jngyn)方程方程方程方程n n上式是用于上式是用于上式是用于上式是用于0.30.3（r/v1/3)1.2 r/v1/3)1.2的区间。的区间。的区间。的区间。n n吴树森与王飞鸿则提出下面的经验吴树森与王飞鸿则提出下面的经

30、验吴树森与王飞鸿则提出下面的经验吴树森与王飞鸿则提出下面的经验(jngyn)(jngyn)方程：方程：方程：方程：n n上式的适用于上式的适用于上式的适用于上式的适用于0.058 0.058 （r/v1/3)0.3r/v1/3)0.3区间区间区间区间1.4 液体表面张力液体表面张力(biominzhngl)的测定的测定第35页/共108页第三十六页，共108页。37最大气泡(qpo)压力法Pmax=gh=2/r（2-24）Pmax=gh Pt （2-25）适用(shyng)于很细的毛细管跳过1.4 液体液体(yt)表面张力的测定表面张力的测定第36页/共108页第三十七页，共108页。381

31、1）由毛细升高法测得毛细管半径）由毛细升高法测得毛细管半径）由毛细升高法测得毛细管半径）由毛细升高法测得毛细管半径r r和毛细上升高度和毛细上升高度和毛细上升高度和毛细上升高度h h；2 2）由）由）由）由a12=rha12=rh，求出毛细常数的一级近似值，求出毛细常数的一级近似值，求出毛细常数的一级近似值，求出毛细常数的一级近似值a1a1；3 3）求）求）求）求r/a1r/a1，查表得，查表得，查表得，查表得r/br/b，从而得到，从而得到，从而得到，从而得到b b值；值；值；值；4 4）a22=bha22=bh，求出毛细常数的二级近似值，求出毛细常数的二级近似值，求出毛细常数的二级近似值，

32、求出毛细常数的二级近似值a2a2；5 5）重复上述计算过程，直至）重复上述计算过程，直至）重复上述计算过程，直至）重复上述计算过程，直至(zhzh)a(zhzh)a值恒定；值恒定；值恒定；值恒定；6 6）由）由）由）由 =a2 =a2 g/2g/2，求出，求出，求出，求出 。数据数据(shj)逼逼近法近法跳过1.4 液体液体(yt)表面张力的测定表面张力的测定第37页/共108页第三十八页，共108页。39n n例：在20时用毛细管法测定苯的表面张力，得到下列数据(shj)：n n r=0.0550 cm;h=1.201 cm;n n 苯=0.8785 g/cm3;空气=0.0014 g/cm

33、3。跳过1.4 液体表面张力液体表面张力(biominzhngl)的测定的测定第38页/共108页第三十九页，共108页。40a12=rh0.05501.201=0.06605 a1=0.2570 r/a1=0.0550/0.2570=0.2140查表得 r/b1=0.9850，由此得弯月面底部曲率(ql)半径b的一级近似值：b1=0.0550/0.9850=0.05583跳过1.4 液体液体(yt)表面张力的测定表面张力的测定第39页/共108页第四十页，共108页。41以以b1b1代入代入a2=bha2=bh，求出，求出a a的二级近似值的二级近似值a2a2：r/a2=0.2124 r/a

34、2=0.2124查表得查表得 r/b2=0.9853 r/b2=0.9853b2=0.0550/0.9853=0.05582b2=0.0550/0.9853=0.05582，相应得相应得a a的三级近似值：的三级近似值：与与a2a2相相同同(xin(xin tn)tn)。已已知知=0.8785-0.0014=0.8771=0.8785-0.0014=0.8771 g/cm3g/cm3。一一起代入式（起代入式（2-212-21），求得：），求得：=1/2 =1/2 ga2=28.8(mN/m)ga2=28.8(mN/m)跳过1.4 液体液体(yt)表面张力的测定表面张力的测定第40页/共108页

35、第四十一页，共108页。42吊环吊环(diohun)(diohun)法法设环的内径(ni jn)为R,环由半径为r的铂丝制成，将环拉起时所需的力p。则：跳过1.4 液体表面张力液体表面张力(biominzhngl)的测定的测定第41页/共108页第四十二页，共108页。43n n式中式中WW环为铂环质量，后面两项为二圆柱形液膜对环施加的表面张力环为铂环质量，后面两项为二圆柱形液膜对环施加的表面张力(bi(bi ominzhngl)ominzhngl)。令。令F=PF=PWW环，环，R=R+r,R=R+r,则可得：则可得：n nHarkinsHarkins和和TordanTordan发现上式与实

36、际数据有较大误差，模拟滴重法作了校正。发现上式与实际数据有较大误差，模拟滴重法作了校正。即即n n图图2-102-10是吊环法的校正因子图，该图是在一定的是吊环法的校正因子图，该图是在一定的R/rR/r下以下以f f对对R3/VR3/V作出一作出一系列曲线。系列曲线。跳过1.4 液体液体(yt)表面张力的测定表面张力的测定第42页/共108页第四十三页，共108页。44跳过1.4 液体表面张力液体表面张力(biominzhngl)的测定的测定第43页/共108页第四十四页，共108页。45n n液态液态液态液态(yti)(yti)气态，跨越曲面，克服压力差，假定液体不气态，跨越曲面，克服压力差

37、，假定液体不气态，跨越曲面，克服压力差，假定液体不气态，跨越曲面，克服压力差，假定液体不可压缩，温度恒定，则由热力学第二定律，压力改变对液相可压缩，温度恒定，则由热力学第二定律，压力改变对液相可压缩，温度恒定，则由热力学第二定律，压力改变对液相可压缩，温度恒定，则由热力学第二定律，压力改变对液相摩尔自由焓的影响为：摩尔自由焓的影响为：摩尔自由焓的影响为：摩尔自由焓的影响为：n n式中式中式中式中VmVm摩尔体积。摩尔体积。摩尔体积。摩尔体积。n n假定与液体相平衡的蒸汽为理想气体，则气相的摩尔自由焓为：假定与液体相平衡的蒸汽为理想气体，则气相的摩尔自由焓为：假定与液体相平衡的蒸汽为理想气体，则

38、气相的摩尔自由焓为：假定与液体相平衡的蒸汽为理想气体，则气相的摩尔自由焓为：1.5 Kelvin公式公式(gngsh)第44页/共108页第四十五页，共108页。46假定曲面为球面假定曲面为球面假定曲面为球面假定曲面为球面(qimin)(qimin)(qimin)(qimin)，则，则，则，则r1=r2=r.r1=r2=r.r1=r2=r.r1=r2=r.当液相与气相平衡当液相与气相平衡当液相与气相平衡当液相与气相平衡时，时，时，时，即即即即式中式中式中式中P0TP0T温度温度温度温度(wnd)(wnd)下，平液面的蒸汽压；下，平液面的蒸汽压；下，平液面的蒸汽压；下，平液面的蒸汽压；PT PT

39、温度温度温度温度(wnd)(wnd)下，弯液面的蒸汽压；下，弯液面的蒸汽压；下，弯液面的蒸汽压；下，弯液面的蒸汽压；Vm Vm为液体摩尔体积（为液体摩尔体积（为液体摩尔体积（为液体摩尔体积（V=M/V=M/）；）；）；）；M M为液体分子量；为液体分子量；为液体分子量；为液体分子量；为液体密度；为液体密度；为液体密度；为液体密度；r r弯液面的曲率半径；弯液面的曲率半径；弯液面的曲率半径；弯液面的曲率半径；1.5 Kelvin公式公式(gngsh)第45页/共108页第四十六页，共108页。47上式即为上式即为上式即为上式即为KelvinKelvinKelvinKelvin公式，是表面公式，是

40、表面公式，是表面公式，是表面(biomin)(biomin)(biomin)(biomin)化学的基本公式之化学的基本公式之化学的基本公式之化学的基本公式之一。一。一。一。Kelvin Kelvin Kelvin Kelvin公式表明，液滴的半径越小，其蒸汽压越大。公式表明，液滴的半径越小，其蒸汽压越大。公式表明，液滴的半径越小，其蒸汽压越大。公式表明，液滴的半径越小，其蒸汽压越大。n n应用应用应用应用KelvinKelvin公式可以解释公式可以解释公式可以解释公式可以解释(jish)(jish)一些现象一些现象一些现象一些现象n n1 1、人工降雨、人工降雨、人工降雨、人工降雨n n2 2

41、、过冷水、过冷水、过冷水、过冷水n n3 3、过热液体、过热液体、过热液体、过热液体n n4 4、过饱和液体、过饱和液体、过饱和液体、过饱和液体n n 1.5 Kelvin公式公式(gngsh)第46页/共108页第四十七页，共108页。48n n溶液的表面张力溶液的表面张力溶液的表面张力溶液的表面张力n n 液体的表面张力不仅与温度、压力有关，液体的表面张力不仅与温度、压力有关，液体的表面张力不仅与温度、压力有关，液体的表面张力不仅与温度、压力有关，也与组成有关。在水溶液中也与组成有关。在水溶液中也与组成有关。在水溶液中也与组成有关。在水溶液中,表面张力随表面张力随表面张力随表面张力随组成的

42、变化规律一般组成的变化规律一般组成的变化规律一般组成的变化规律一般(ybn)(ybn)有三种比较典有三种比较典有三种比较典有三种比较典型的类型。型的类型。型的类型。型的类型。1.6 二元体系二元体系(tx)的表面张力的表面张力第47页/共108页第四十八页，共108页。49表面张力随溶质浓度增表面张力随溶质浓度增加成直线加成直线(zhxin)关系关系增加增加.一般强电解质的水溶液，一般强电解质的水溶液，如如Na2SO4，KOH，NH4Cl，KNO3等无机盐等无机盐以及蔗糖，甘露醇等多以及蔗糖，甘露醇等多羟基有机物具有类似的羟基有机物具有类似的图形。图形。1.1.第一类物质第一类物质(wzh)(

43、wzh)Vanderwalls力由色散力、诱导力、偶极力、氢键等分量组成(z chn)，其中色散力是分子键的非极性相互作用引起的，诱导力、偶极力、氢键等都与分子间的极性相互作用有关1.6 二元体系的表面张力二元体系的表面张力第48页/共108页第四十九页，共108页。50 表面张力随溶表面张力随溶质浓度增加而质浓度增加而减小减小.如醇、醛、如醇、醛、酸、酮与胺等酸、酮与胺等有机物。有机物。降降低表面张力能低表面张力能力与烃链长度力与烃链长度(chngd)(chngd)有有关，碳氢链越关，碳氢链越长，其降低表长，其降低表面张力能力越面张力能力越强。强。2.2.第二类物质第二类物质(wzh)(wz

44、h)脂肪酸水溶液的脂肪酸水溶液的-C关系关系(gun x)1.6 二元体系的表面张力二元体系的表面张力第49页/共108页第五十页，共108页。51在稀溶液中各种脂肪酸的表面张力下降值与其(yq)浓度成正比：Traube规则：在同系物中，每增加一个亚甲基-CH2-,值增大3倍欲使表面张力(biominzhngl)降低，或减少浓度，或增加亚甲基数。1.6 二元体系二元体系(tx)的表面张力的表面张力第50页/共108页第五十一页，共108页。52在表面浓度在表面浓度(nngd)(nngd)很低时，溶质分子平躺在表面上的。很低时，溶质分子平躺在表面上的。但当浓度但当浓度(nngd)(nngd)较大

45、时，分子将于表面正交，因而会较大时，分子将于表面正交，因而会偏离偏离TraubeTraube规则。规则。对较浓的溶液，对较浓的溶液，SzyszkowskiSzyszkowski提出了下面的半经验公式：提出了下面的半经验公式：式中式中:b:b 特性常数，同系物的特性常数，同系物的b b值大致相同；值大致相同；a a随溶质而异的特性常数。随溶质而异的特性常数。1.6 二元体系二元体系(tx)的表面张力的表面张力第51页/共108页第五十二页，共108页。53n n对对对对上上上上式式式式在在在在C0C0C0C0时时时时，将将将将 lnlnlnln（c/a c/a c/a c/a+1 1 1 1）按

46、按按按级级级级数数数数(j(j(j(j sh)sh)sh)sh)展开，取第一项可得展开，取第一项可得展开，取第一项可得展开，取第一项可得n nn n回到回到Traube公式公式(gngsh)1.6 二元体系二元体系(tx)的表面张力的表面张力第52页/共108页第五十三页，共108页。54当当 浓浓 度度 很很 大大 时时，上上 式式 中中（c/a c/a+1+1）c/ac/a。此时可简化为。此时可简化为 =A+BlnC =A+BlnC 式式中中A A、B B均均为为常常数数(chngsh)(chngsh)。此此式式表表明明，以以对对lnClnC作作图图，应应为为一直线。一直线。1.6 二元体

47、系二元体系(tx)的表面张力的表面张力第53页/共108页第五十四页，共108页。55其特点是加入少量其特点是加入少量其特点是加入少量其特点是加入少量(sholing)(sholing)(sholing)(sholing)这类物质可这类物质可这类物质可这类物质可显著降低溶液的表面张显著降低溶液的表面张显著降低溶液的表面张显著降低溶液的表面张力。至一定浓度后表面力。至一定浓度后表面力。至一定浓度后表面力。至一定浓度后表面张力不再有明显变化。张力不再有明显变化。张力不再有明显变化。张力不再有明显变化。8 8 8 8碳以上的直链有机碱金属碳以上的直链有机碱金属碳以上的直链有机碱金属碳以上的直链有机碱

48、金属盐，高碳直链磺酸盐，盐，高碳直链磺酸盐，盐，高碳直链磺酸盐，盐，高碳直链磺酸盐，硫酸盐，苯磺酸盐等表硫酸盐，苯磺酸盐等表硫酸盐，苯磺酸盐等表硫酸盐，苯磺酸盐等表面活性基的水溶液面活性基的水溶液面活性基的水溶液面活性基的水溶液3.3.第三类物质第三类物质(wzh)(wzh)十二十二(sh r)烷基硫酸钠的烷基硫酸钠的-c图图 1.6 二元体系的表面张力二元体系的表面张力第54页/共108页第五十五页，共108页。56n nGibbsGibbs以热力学方法导出了关联溶液表面张力与溶液浓度的微分以热力学方法导出了关联溶液表面张力与溶液浓度的微分以热力学方法导出了关联溶液表面张力与溶液浓度的微分以

49、热力学方法导出了关联溶液表面张力与溶液浓度的微分方程式，这就是著名方程式，这就是著名方程式，这就是著名方程式，这就是著名(zhmng)(zhmng)的的的的GibbsGibbs吸附等温式。吸附等温式。吸附等温式。吸附等温式。n n如果如果如果如果1212为正，为正吸附，溶质的表面浓度大于本体浓度，即称为正，为正吸附，溶质的表面浓度大于本体浓度，即称为正，为正吸附，溶质的表面浓度大于本体浓度，即称为正，为正吸附，溶质的表面浓度大于本体浓度，即称为表面超量。为表面超量。为表面超量。为表面超量。n n若若若若1212为负，则为负吸附，溶质的表面浓度小于本体浓度，叫做为负，则为负吸附，溶质的表面浓度小

50、于本体浓度，叫做为负，则为负吸附，溶质的表面浓度小于本体浓度，叫做为负，则为负吸附，溶质的表面浓度小于本体浓度，叫做表面亏量。表面亏量。表面亏量。表面亏量。1.7 Gibbs吸附吸附(xf)等温式等温式第55页/共108页第五十六页，共108页。571.7 Gibbs吸附吸附(xf)等温式等温式第56页/共108页第五十七页，共108页。58 对丁酸溶液，-c曲线的斜率为负值(f zh)，c2为正值，所以12随溶液溶质浓度c2的增加而增大，对NaCl溶液，表面张力与浓度曲线斜率为正值，12为负值(f zh)，12随溶质浓度c2增加而减小1.7 Gibbs吸附吸附(xf)等温式等温式第57页/共