物理化学之表面化学.ppt

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1、 李庚英 E-mail:电话：8367533 汕头大学土木工程系汕头大学土木工程系物理化学之表面化学第3章 表面现象物理化学发展趋势之一：从体相研究更多地向表面延伸。表面活性剂科学已构成深入研究胶体及界面化学的桥梁和必由之路，也是解决许多生产实际问题的理论基础。3-0 引言一、什么是表面、界面与表面现象二、比表面A1 定义物质的分散程度越高，其比表面积越大只有比表面积大的系统才呈现出表面性质，并在实际中使用它的表面性质2 讨论3-1 表面张力一、表面张力、表面功及表面函数表面张力表面层分子受力情况由此我们可以看出：只要有表面存在，其上面就有表面张力；在液体表面的边界上，表面张力的合力垂直于边界

2、线指向表面内部；表面张力总是作用在表面上，如果表面弯曲，则表面张力就沿着曲面的切线方向；表面张力是普遍存在的，不仅液体表面有，固体表面也有。在固-液、液-液以及固-固界面处也存在相应的界面张力；表面张力是产生一切表面现象的根源。表面张力的作用 表面功二、高度分散系统的热力学基本方程三、影响界面张力的因素1.物质的本性的影响物质不同，分子之间的作用力不同，从而导致液体表面张力不同。一般，分子间的作用力越大，其表面张力也越大2.与液体相接触的另一相物质B的性质对界面张力的影响影响的大小取决于界面处分子间的作用力 3.温度的影响 温度对不同液体表面张力的影响总的趋势是一致的。随着温度的升高，表面张力

3、减小。一般在一定的温度范围内呈直线下降。3-2 润湿现象1.附着(adhesion)润湿（沾湿）粘湿过程2.浸渍(infuse)润湿浸湿过程3.铺展（spread）多数液体的表面张力在10-2Nm-1，因此一般都能在高能表面上铺展。但在低能表面上液体往往不能铺展，特别是液体表面张力较高时更是如此。二、润湿角及杨氏方程1 润湿角（）（a）润湿 （b）不润湿固-液界面的水平线与气-液界面在O点的切线之间的夹角称为润湿角090 液体能润湿固体=0，完全润湿或称为铺展90180 液体不能润湿固体=180 完全不润湿2.Young方程 推导Young方程时，在三相接触点处收力平衡。根据物理学力平衡原理，

4、即可推出。(1)当s-gs-l90 (2)当 0 s-gs-l l-g时,00所以，水能在Hg的表面上铺展开来。对于亲水性固体表面，其界面张力之间的关系是(d)。3-3 弯曲表面的附加压力和毛细现象一、弯曲表面的附加压力一、弯曲表面的附加压力弯曲液面内、外压力差称为弯曲液面的附加压力，计作p 对于凸液面 对于平液 对于凹液弯曲液面的附加压力大小顺序弯曲叶面下的附加压力一、弯曲表面的附加压力A.液滴内部压力（p外+p）大于外部压力B.在外力p外+p作用下，液滴体积增加dV，面积增加dAC.系统做功W系=-（p外+p）dVD.环境做功W环=p外dV2 Laplace方程2.1 Laplace方程的

5、数学推导整个过程的总功为：表面功为：而 对于指定液面，p|r|-1,所以，液滴越小，液滴表面的附加压力越大；对于凹液面，r0,p0；对于平面液体，r0，p=0；对于不同液体，p。二、毛细现象 液体在毛细管内上升或下降的现象称为毛细现象。产生原因：由于弯曲液面上的附加压力所致。影响毛细现象的因素：曲率半径r1与毛细管半径r及润湿角间的关系为：当cos0时，h0，液体在毛细管中上升；当cos0时，h0，液体在毛细管中下降。3-4 亚稳状态和新相的生成一、微小液滴的饱和蒸汽压-Kelvin方程纯液体B在平面时于T,p下处于平衡状态，此时，液体所承受的压力即为它的饱和蒸气压。现将液体分散为半径为r的小

6、液滴，此时蒸气的压力为pr，液滴所承受的压力为p+p系统将于新的条件下达到新的平衡：Kelvin方程的数学推导 对于凹液面，r 0,p r 0,p r p 对于平面液体，r，pr=pKelvin方程不仅对微小液滴与其蒸气呈平衡时适用，对于固体颗粒升华、以及气泡中的蒸气压力同样适用。r/m10-510-610-710-810-9小液滴 1.00011.0011.0111.1142.937小气泡 0.99990.99890.98970.89770.3405不同液面蒸汽压的相互比较二、微小晶体的溶解度颗粒越小，溶解度越大。沉淀时成化就是利用这个道理，在一定温度下，小颗粒溶解度大，大颗粒溶解度小，所以

7、随着时间的延长，小颗粒溶解而大颗粒长大三、亚稳定状态和新相的生成1 亚稳定状态热力学不稳定但一定时间内动力学稳定的状态称为亚稳定状态。生成的新相是高度分散的、比表面大、表面Gibbs大，系统处于不稳定状态，因而造成产生新相比较困难，要生成新相，就需要活化能。2.新相生成的条件必要条件：有生成新相的种子应用实例：结晶时加入晶种或用玻棒摩擦烧杯壁，蒸馏时加入沸石，人工降雨等Nm-1，当过饱和蒸气为水的平衡蒸气压的4倍时，试求算：（1）在过饱和情况下，开始形成水滴的半径；（2）此水滴中的附加压力；（3）此水滴内含有多少个水分子。3-5 固体表面上的吸附作用1 吸附作用及其产生原因表面与体相的一个显著

8、不同是什么？固体表面与液体表面有何不同。固体表面通过从外部空间吸附气体分子到表面上以减弱表面上的不均匀力场，从而使自己的表面张力降低。吸附是一个表面现象，吸附发生后，它只改变固体的表面性质，固体内部并不发生变化。2 吸附作用的应用除臭、除湿、干燥、脱色、水处理二、吸附的分类1 物理吸附：吸附作用力是范德华力2 化学吸附：吸附作用力是化学键力3 物理吸附与化学吸附的区别和联系3 物理吸附与化学吸附的区别和联系 比较单分子层与多分子层气体分子的吸附和脱附 单分子层吸附 多分子层吸附区别根本区别在与吸附作用力不同.联系a.无严格分明的界限b.并非不相容;c.一定条件下相互转化.一般,低温下为物理吸附

9、,高温下为化学吸附.3-6 等温吸附一、吸附量与吸附等温线1.吸附量2.吸附方程3.吸附等温线 吸附等温线的五种类型三等温吸附的经验公式1.Frendlich方程方程的形式适用范围:a.中等压力;b.化学吸附或单分子层物理吸附方程也可适用于固体吸附剂从溶液中的计算:四、Langmuir单分子层吸附理1.Langmuir理论的基本要点固体表面上的吸附是单分子层的当固体表面铺满一个单分子层以后,吸附达到极限,=固体表面是均匀的，固体表面各处吸附能力相同固体表面上的吸附质分子间无相互作用吸附质只与吸附剂间发生相互作用吸附平衡是一动态平衡吸附=脱附吸附等温式吸附过程：设：=/覆盖度则：1-自由表面百分

10、数其中：b=ka/kd又因为：=/讨论：Langmuir吸附等温方程的直线形式以1/对1/p作图得一直线，直线的斜率为1/b，截距为1/。通过此方法可以求得饱和吸附量。Langmuir理论很好地解释了第一类吸附等温线在压力很低时，或吸附很弱时，bp1，即：1bp1=bp 则与p成直线关系。在压力较高时，或吸附很强时，bp1，即：1bpbp=不随压力变化而变化，曲线为一水平线，吸附达到饱和。所以：固体的比表面积为：AW=*L*AmAm每一个分子的吸附截面积。对于N2其吸附截面积为16.210-20 m2 对于解离吸附如：ABC,且B,C各占据一个活性吸附位对于多组分同时吸附时，有:Langmui

11、r理论的局限性：实际吸附过程远比Langmuir假设的复杂得多，Langmuir理论的假设决定了Langmuir方程应用的局限性。3-7 溶液表面的吸附一、溶液表面的吸附现象1、溶液表面的表面张力1.Ce.g.NaCl,KOH,NHCl等无机酸、碱、盐及糖类物质；2.Ce.g.低级脂肪酸，醇，醛等，e.g.CH3CH2OH,CH3COOH、CH3CHOH等3.C，C降至一定值后，基本不变。e.g.RX,X:-OH,-COOH,-CN,-COO-等，-表面活性剂。2、溶液表面的吸附现象从溶液表面上取下薄薄的一层，其厚度不超过十个分子直径，称为表面层。我们将这种表面浓度与溶液本体浓度不同的现象叫做

12、表面吸附表面吸附是溶液系统表面为了自发地降低表面张力从而降低表面能而发生的一种表面现象。3、表面活性剂习惯上，将那些溶入少量就能显著改变溶液表面张力的物质称为表面活性剂。如：CH3(CH2)16COO-n-C12H24-C6H4-SO3-由公式：计算出大小可以表示物质的表面活性，其值越大，则表示溶质对溶液的表面张力影响越大。在表面活性剂浓度很小时，与浓度c成直线关系二、Gibbs吸附等温式1、表面过剩定义：在单位面积的表面层中，所含溶质的物质的量与同量溶剂在溶液本体中所含溶质的物质的量之差值。2、Gibbs吸附等温式1.2 讨论当d/dc 0，即C，时，0，溶质在溶液表面层发生负吸附。当d/d

13、c0，溶质在溶液表面层富集；当d/dc=0 则=0，溶液表面不发生吸附对于表面活性剂，在浓度很低时，d/dc=-b三、表面活性剂在表面层的定向排列1、吸附量与浓度的关系吸附等温线具有Langmuir型吸附等温线的形式2、吸附层的定向排列结构用此式可以计算表面上每一个分子所占有的截面积。3-8 表面活性剂（SAA）一、表面活性剂的分子结构表面活性剂分子是由两种或两种以上极性显著不同的官能团所构成表面活性剂分子结构的基本特征非极性基憎水基极性基亲水基二、表面活性剂的分类按化学结构分类只要知道表面活性剂的大概离子类型，即可推测其应用的大致范围如阳离子型表面活性剂主要用于杀菌剂、织物软化剂和专用乳化剂

14、，也是高效抗静电剂。三、表面活性剂溶液的基本性质1.表面活性剂分子在溶液表面层定向排列表面活性剂分子的结构特征使得它在溶液中的溶解度、特别是以分子状态的浓度较低，另一方面，又使得表面活性剂分子易于溶液界面上发生选择性定向吸附，显著地降低溶液的界面张力。在界面上的表面活性剂分子，其亲水的一端趋向钻入水中，而憎水的一端则趋向进入无极性或极性小的一相中。2、在溶液内部形成胶束2.1 临界胶束浓度胶束：表面活性剂分子在溶液内部缔合形成的分子集团表面活性剂的水溶液中开始形成胶束时的浓度称为临界胶束浓度，用CMC表示2.2 表面活性剂溶液的性质与浓度的关系四、表面活性剂的应用1、改变润湿程度润湿剂给植物喷洒农药，由于叶子表面是非极性的，不被农药液体润湿，结果造成浪费切杀虫效果差。加入少量表面活性剂后，农药液滴表面被一层表面活性剂分子覆盖，且憎水基朝外，使液滴表面成为非极性表面。当它落在植物叶子上时便会铺展开来，从而大大提高了药液的杀虫效果。2.去污作用