第七章表面化学优秀PPT.ppt
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1、第七章表面化学现在学习的是第1页,共73页界面界面(interface)(interface)表面表面(surface)(surface)定义:密切接触的两相之间的过度区定义:密切接触的两相之间的过度区(约几约几个分子的厚度个分子的厚度)称为称为界面界面,如果其中一相为,如果其中一相为气体,这种界面通常称为气体,这种界面通常称为表面表面。界面现象界面现象(interface Phenomena)(interface Phenomena)、表面现象、表面现象(surface(surface Phenomena)Phenomena)定义:在相界面上所发生的一切物理化学现定义:在相界面上所发生的一切
2、物理化学现象。通常将气象。通常将气-液、气液、气-固界面现象称为固界面现象称为表面表面现象现象.现在学习的是第2页,共73页表面化学表面化学(界面化学界面化学)定义:以多相体系为对象,研究界面上特殊定义:以多相体系为对象,研究界面上特殊的物理化学性质和由此而产生的一系列现的物理化学性质和由此而产生的一系列现象及其应用的科学。象及其应用的科学。表面化学的理论被广泛应用于工农业、生表面化学的理论被广泛应用于工农业、生物医学、能源、材料、气象及环境科学等物医学、能源、材料、气象及环境科学等各个领域。各个领域。现在学习的是第3页,共73页粒子大小与比表面粒子大小与比表面例:例:1 cm3的物体,分割为
3、小颗粒的物体,分割为小颗粒颗粒大小颗粒大小颗粒数颗粒数每粒表面积每粒表面积总表面积总表面积1 cm316 cm26 cm21m310126 m26 m21 nm310216 nm26000 m2 达到达到nmnm级的超细微粒具有巨大的比表面积,因而具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。面的研究热点。现在学习的是第4页,共73页比表面比表面 specific surface areaspecific surface area分散度分散度 degree of dispersiondegree o
4、f dispersion单位体积单位体积(单位质量单位质量)的物质所具有的表面积。的物质所具有的表面积。现在学习的是第5页,共73页表面表面Gibbs能能液体表面与体相分子受力情况液体表面与体相分子受力情况现在学习的是第6页,共73页比表面吉布斯能比表面吉布斯能(specific surface Gibbs energy)(specific surface Gibbs energy)在温度、压力和组成恒定的条件下,可逆在温度、压力和组成恒定的条件下,可逆扩张单位表面积扩张单位表面积A,体系,体系Gibbs能的增加。能的增加。现在学习的是第7页,共73页表面张力表面张力界面张力界面张力(inte
5、rfacial tension)(interfacial tension)表面张力表面张力(surface tension)(surface tension)沿着与表面相切的方向,垂直作用于单位长沿着与表面相切的方向,垂直作用于单位长度相界面上的表面收缩力。度相界面上的表面收缩力。现在学习的是第8页,共73页表面张力的测定表面张力的测定表面张力仪表面张力仪(德国德国KRuSS公司公司)现在学习的是第9页,共73页表面的热力学关系式表面的热力学关系式有表面功时的热力学基本公式有表面功时的热力学基本公式“d dA As s”表示表面积的微变表示表面积的微变d dU U=T Td dS S-p pd
6、 dV V+d dA As s+B Bd dn nB B d dH H=T Td dS S+V Vd dp p+d dA As s+B Bd dn nB Bd dF F=-=-S Sd dT T-p pd dV V+d dA As s+B Bd dn nB Bd dG G=-=-S Sd dT T+V Vd dp p+d dA As s+B Bd dn nB B 又称为又称为单位表面亥姆霍茨自由能单位表面亥姆霍茨自由能或或单位表面吉布斯自由能单位表面吉布斯自由能,简称为,简称为单位表面自由能单位表面自由能现在学习的是第10页,共73页(4 4)影响表面张力的因素)影响表面张力的因素A A 分子
7、间力的影响分子间力的影响(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)液体或固体中的分子间的相互作用力或化学键力越大,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。一般表面张力越大。一般现在学习的是第11页,共73页 p,B(g);p,气体分子易被液面吸附,气体分子易被液面吸附;p,气体在液体中的溶解度增加。,气体在液体中的溶解度增加。一般一般p,液体的液体的 ,因为,因为C C 压力的影响压力的影响B B 温度的影响温度的影响一般一般T ,液体的液体的 这是由于物质的这是由于物质的 B(l)-B(g),使表面层使表面层分子受指向液体内部的拉
8、力减小。分子受指向液体内部的拉力减小。B液体的体积质量液体的体积质量现在学习的是第12页,共73页第二节第二节 曲面的附加压力和蒸汽压曲面的附加压力和蒸汽压一、曲面的的附加压力一、曲面的的附加压力(一)弯曲液面的附加压力(一)弯曲液面的附加压力用一根玻璃管吹肥皂泡后用手堵住管口,肥皂用一根玻璃管吹肥皂泡后用手堵住管口,肥皂泡能存在一段时间,一松手肥皂泡将很快自泡能存在一段时间,一松手肥皂泡将很快自动缩小。动缩小。说明:说明:肥皂泡内外,即弯曲液面两侧存在压力肥皂泡内外,即弯曲液面两侧存在压力差,称为差,称为附加压力附加压力。现在学习的是第13页,共73页(二)杨(二)杨(二)杨(二)杨-拉普拉
9、斯(拉普拉斯(拉普拉斯(拉普拉斯(Yang-LaplaceYang-LaplaceYang-LaplaceYang-Laplace)公式)公式)公式)公式附加压力的大小与液面曲率半径和表面张力有关。附加压力的大小与液面曲率半径和表面张力有关。附加压力的大小与液面曲率半径和表面张力有关。附加压力的大小与液面曲率半径和表面张力有关。如图:如图:如图:如图:毛细管下端有一半径为毛细管下端有一半径为r r r r的球形液滴,的球形液滴,的球形液滴,的球形液滴,p p p p内内内内=P=P=P=P外外外外+P+P+P+P。设在等温等压下,对活塞稍加压力,液滴体积增。设在等温等压下,对活塞稍加压力,液滴
10、体积增加加dVdVdVdV,表面积相应增加,表面积相应增加,表面积相应增加,表面积相应增加dAdAdAdA,此时为克服表面张力产生的附,此时为克服表面张力产生的附,此时为克服表面张力产生的附,此时为克服表面张力产生的附加压力为加压力为加压力为加压力为P P P P,环境消耗的功和可逆增加掖滴表面积的吉,环境消耗的功和可逆增加掖滴表面积的吉,环境消耗的功和可逆增加掖滴表面积的吉,环境消耗的功和可逆增加掖滴表面积的吉布斯自由能相等,即布斯自由能相等,即布斯自由能相等,即布斯自由能相等,即P dV=dAP dV=dAP dV=dAP dV=dA液滴为为球形,液滴为为球形,液滴为为球形,液滴为为球形,
11、A=4rA=4rA=4rA=4r2 2 2 2,Da=8rdrDa=8rdrDa=8rdrDa=8rdr;V=4/3rV=4/3r3 3 3 3;Dv=Dv=4r4r2 2 2 2drdrdrdrP=2/rP=2/r现在学习的是第14页,共73页由此可知:由此可知:由此可知:由此可知:1 1、对指定液体,弯曲液面附加压力的大小与曲率半径成反比,、对指定液体,弯曲液面附加压力的大小与曲率半径成反比,、对指定液体,弯曲液面附加压力的大小与曲率半径成反比,、对指定液体,弯曲液面附加压力的大小与曲率半径成反比,方向指向液体曲面的球心;方向指向液体曲面的球心;方向指向液体曲面的球心;方向指向液体曲面的球
12、心;2 2、对凸液面(空气中的液滴),其曲率半径、对凸液面(空气中的液滴),其曲率半径、对凸液面(空气中的液滴),其曲率半径、对凸液面(空气中的液滴),其曲率半径r r为正值,为正值,为正值,为正值,P 0P 0,液体,液体,液体,液体内部压力大于外界压力;对凹液面(如液体中的气泡),其曲率半径内部压力大于外界压力;对凹液面(如液体中的气泡),其曲率半径内部压力大于外界压力;对凹液面(如液体中的气泡),其曲率半径内部压力大于外界压力;对凹液面(如液体中的气泡),其曲率半径r r为为为为负值,负值,负值,负值,P 0P 0P=4/r 0,对于水平液面,对于水平液面,对于水平液面,对于水平液面,r
13、=r=,P P=0=0。(c)附加压力 p 总是指向球面的球心(或曲面的曲心)。附加压力方向示意图气液ppgpl(a)气液pplpg(b)p=0液气plpg现在学习的是第15页,共73页弯曲液面可分为两种:凸液面和凹液面,如图弯曲液面可分为两种:凸液面和凹液面,如图9-6所示。所示。(b)气泡(凹液面)气泡(凹液面)液气(a)液滴(凸液面)液滴(凸液面)气液(c)、两相平衡两相平衡液现在学习的是第16页,共73页3 3、不同液体,当曲率半径相同时,附加压力与液体的、不同液体,当曲率半径相同时,附加压力与液体的、不同液体,当曲率半径相同时,附加压力与液体的、不同液体,当曲率半径相同时,附加压力与
14、液体的表面张力成正比。表面张力成正比。表面张力成正比。表面张力成正比。任意曲面的附加压力任意曲面的附加压力P P与曲率半径及表面张力的关与曲率半径及表面张力的关系:系:P=(1/r1/r1 1+1/r+1/r2 2)杨杨杨杨-拉普拉斯公式拉普拉斯公式拉普拉斯公式拉普拉斯公式根据公式可以解释自由液滴或气泡(在不受外加力场影响时)根据公式可以解释自由液滴或气泡(在不受外加力场影响时)根据公式可以解释自由液滴或气泡(在不受外加力场影响时)根据公式可以解释自由液滴或气泡(在不受外加力场影响时)呈球形的原因。呈球形的原因。呈球形的原因。呈球形的原因。只有球形才最稳定只有球形才最稳定只有球形才最稳定只有球
15、形才最稳定。式(9-14)表明p与 成正比,与r成反比。若弯曲液面为球面,则r1=r2=r,则(9-13)变为(9-1)现在学习的是第17页,共73页(三)毛细现象(三)毛细现象(三)毛细现象(三)毛细现象 将毛细管插入液面后,会发生液面沿毛细管上升将毛细管插入液面后,会发生液面沿毛细管上升(或下降或下降)的现象,称为的现象,称为毛细管现象毛细管现象。(a)液体在毛细管中上升h(b)液体在毛细管中下降h现在学习的是第18页,共73页 表面张力的存在是弯曲液面产生附加压力的根本原因,表面张力的存在是弯曲液面产生附加压力的根本原因,而毛细现象则是弯曲液面具有附加压力的必然结果。而毛细现象则是弯曲液
16、面具有附加压力的必然结果。应用:应用:应用:应用:1、农民锄地、农民锄地、农民锄地、农民锄地,不仅可以锄杂草,还可以切断土地的毛细管,防,不仅可以锄杂草,还可以切断土地的毛细管,防,不仅可以锄杂草,还可以切断土地的毛细管,防,不仅可以锄杂草,还可以切断土地的毛细管,防止土壤中的水分沿毛细管上升到地表而被蒸发;止土壤中的水分沿毛细管上升到地表而被蒸发;止土壤中的水分沿毛细管上升到地表而被蒸发;止土壤中的水分沿毛细管上升到地表而被蒸发;2 2、房屋建筑中防漏处理、房屋建筑中防漏处理、房屋建筑中防漏处理、房屋建筑中防漏处理,基层处理、涂膜防水、卷材防水,基层处理、涂膜防水、卷材防水,基层处理、涂膜防
17、水、卷材防水,基层处理、涂膜防水、卷材防水;3 3、酒精灯的燃烧中、酒精灯的燃烧中、酒精灯的燃烧中、酒精灯的燃烧中,棉线将酒精通过毛细现象提升到灯头,棉线将酒精通过毛细现象提升到灯头,棉线将酒精通过毛细现象提升到灯头,棉线将酒精通过毛细现象提升到灯头;现在学习的是第19页,共73页vv二、曲面的蒸气压二、曲面的蒸气压二、曲面的蒸气压二、曲面的蒸气压vv(一)微小液滴的饱和蒸气压(一)微小液滴的饱和蒸气压开尔文公式开尔文公式vv该公式定量的描述了恒温下液体的饱和蒸气压与液滴该公式定量的描述了恒温下液体的饱和蒸气压与液滴半径之间的关系:对于凸面液滴(半径之间的关系:对于凸面液滴(r 0 0),半径
18、越小,),半径越小,),半径越小,),半径越小,蒸气压愈大;对于凹面液泡(蒸气压愈大;对于凹面液泡(蒸气压愈大;对于凹面液泡(蒸气压愈大;对于凹面液泡(r P平平平平 P P凹凹。现在学习的是第20页,共73页vv如某液体能润湿毛细管,在管内呈凹面,在某温度下,蒸气如某液体能润湿毛细管,在管内呈凹面,在某温度下,蒸气如某液体能润湿毛细管,在管内呈凹面,在某温度下,蒸气如某液体能润湿毛细管,在管内呈凹面,在某温度下,蒸气虽对平液面未饱和,但对管内凹液面已过饱和,这时蒸气将虽对平液面未饱和,但对管内凹液面已过饱和,这时蒸气将虽对平液面未饱和,但对管内凹液面已过饱和,这时蒸气将虽对平液面未饱和,但对
19、管内凹液面已过饱和,这时蒸气将在毛细管内凝结成液体,这种现象叫在毛细管内凝结成液体,这种现象叫在毛细管内凝结成液体,这种现象叫在毛细管内凝结成液体,这种现象叫毛细管凝结毛细管凝结毛细管凝结毛细管凝结。vv硅胶自动吸附空气中的水蒸气,同时在其毛细管内凝结为硅胶自动吸附空气中的水蒸气,同时在其毛细管内凝结为硅胶自动吸附空气中的水蒸气,同时在其毛细管内凝结为硅胶自动吸附空气中的水蒸气,同时在其毛细管内凝结为水,达到干燥空气的目的;水,达到干燥空气的目的;水,达到干燥空气的目的;水,达到干燥空气的目的;vv冬天水泥地面冻裂也与毛细管凝结有关。冬天水泥地面冻裂也与毛细管凝结有关。冬天水泥地面冻裂也与毛细
20、管凝结有关。冬天水泥地面冻裂也与毛细管凝结有关。vv结论:结论:结论:结论:半径减小时,凸面液滴蒸气压增大;凹面液泡蒸气半径减小时,凸面液滴蒸气压增大;凹面液泡蒸气半径减小时,凸面液滴蒸气压增大;凹面液泡蒸气半径减小时,凸面液滴蒸气压增大;凹面液泡蒸气压减小。压减小。压减小。压减小。现在学习的是第21页,共73页vv(二)微小晶体的溶解(二)微小晶体的溶解(二)微小晶体的溶解(二)微小晶体的溶解vv开尔文公式也可用于晶体物质,即微小晶体的饱和蒸气压大于大开尔文公式也可用于晶体物质,即微小晶体的饱和蒸气压大于大开尔文公式也可用于晶体物质,即微小晶体的饱和蒸气压大于大开尔文公式也可用于晶体物质,即
21、微小晶体的饱和蒸气压大于大晶体的饱和蒸气压,根据亨利定律,晶体溶解于某溶剂达到平衡晶体的饱和蒸气压,根据亨利定律,晶体溶解于某溶剂达到平衡晶体的饱和蒸气压,根据亨利定律,晶体溶解于某溶剂达到平衡晶体的饱和蒸气压,根据亨利定律,晶体溶解于某溶剂达到平衡时,溶液中溶质的浓度与其蒸气分压成正比,可以看出时,溶液中溶质的浓度与其蒸气分压成正比,可以看出时,溶液中溶质的浓度与其蒸气分压成正比,可以看出时,溶液中溶质的浓度与其蒸气分压成正比,可以看出小晶体小晶体小晶体小晶体溶解度溶解度溶解度溶解度大。大。大。大。vv vv式中式中式中式中CrCr,C C0 0分别表示相同温度下微小晶体和普通晶体的溶分别表
22、示相同温度下微小晶体和普通晶体的溶解度。解度。vv结论:结论:微小晶体的溶解度大于大晶体的溶解度微小晶体的溶解度大于大晶体的溶解度微小晶体的溶解度大于大晶体的溶解度微小晶体的溶解度大于大晶体的溶解度。现在学习的是第22页,共73页vv应用:实验室常见的沉淀老化过程,即采用延长保温时间的应用:实验室常见的沉淀老化过程,即采用延长保温时间的应用:实验室常见的沉淀老化过程,即采用延长保温时间的应用:实验室常见的沉淀老化过程,即采用延长保温时间的方法使原来大小不一的结晶中的小晶体逐渐溶解,大晶体不方法使原来大小不一的结晶中的小晶体逐渐溶解,大晶体不方法使原来大小不一的结晶中的小晶体逐渐溶解,大晶体不方
23、法使原来大小不一的结晶中的小晶体逐渐溶解,大晶体不断成长,结果晶体大小趋于一致。断成长,结果晶体大小趋于一致。断成长,结果晶体大小趋于一致。断成长,结果晶体大小趋于一致。vv推测:推测:推测:推测:微小晶体的熔点低于普通晶体的熔点微小晶体的熔点低于普通晶体的熔点。现在学习的是第23页,共73页三、亚稳状态和新相的生成三、亚稳状态和新相的生成三、亚稳状态和新相的生成三、亚稳状态和新相的生成由于新相的难以产生而引起各种过饱和现象出现。由于新相的难以产生而引起各种过饱和现象出现。由于新相的难以产生而引起各种过饱和现象出现。由于新相的难以产生而引起各种过饱和现象出现。(一)过饱和蒸气(一)过饱和蒸气(
24、一)过饱和蒸气(一)过饱和蒸气一定温度下的蒸气,其分压超过该温度下的饱和蒸气一定温度下的蒸气,其分压超过该温度下的饱和蒸气压,应该凝结而未凝结的称为压,应该凝结而未凝结的称为过饱和蒸气过饱和蒸气。加入微小粒子可以作为蒸气的凝结中心,使蒸气在较加入微小粒子可以作为蒸气的凝结中心,使蒸气在较低的过饱和状态下开始在这些微粒表面凝结,如低的过饱和状态下开始在这些微粒表面凝结,如人工人工人工人工下雨下雨下雨下雨。现在学习的是第24页,共73页(二)过热液体(二)过热液体(二)过热液体(二)过热液体一定压力下的液体,其温度高于该压力下的沸点而一定压力下的液体,其温度高于该压力下的沸点而不沸腾。不沸腾。原因
25、:原因:原因:原因:液体在沸腾时,不仅在液体表面进行汽化,而液体在沸腾时,不仅在液体表面进行汽化,而液体在沸腾时,不仅在液体表面进行汽化,而液体在沸腾时,不仅在液体表面进行汽化,而且在液体内部要自动生成极微小的气泡(新相),但且在液体内部要自动生成极微小的气泡(新相),但且在液体内部要自动生成极微小的气泡(新相),但且在液体内部要自动生成极微小的气泡(新相),但凹液面的附加压力小,使气泡无法生成。凹液面的附加压力小,使气泡无法生成。凹液面的附加压力小,使气泡无法生成。凹液面的附加压力小,使气泡无法生成。现在学习的是第25页,共73页凹液面的附加压力是造成液体过热的原因,为避免凹液面的附加压力是
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