最新物理化学课件(天大第五版)8-1表面.ppt

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1、第第八八章章 界面现象界面现象 Chapter 10 the Interface Phenomena常见的界面有：常见的界面有：气气-液界面液界面界面与界面相界面与界面相气气-固界面固界面液液-液界液界面面液液-固界面固界面固固-固界面固界面界面与界面相界面与界面相特征：几个分子厚、结构及性质与两侧体相均不同特征：几个分子厚、结构及性质与两侧体相均不同比比表面积：表面积：或或例如，把边长为例如，把边长为1cm的立方体的立方体1cm3逐渐分割逐渐分割成小立方体时，比表面增长情况列于下表：成小立方体时，比表面增长情况列于下表：边长l/m 立方体数 比表面Av/（m2/m3）110-2 1 6 10

2、2 110-3 103 6 103 110-5 109 6 105 110-7 1015 6 107 110-9 1021 6 109 把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。把一定大小的物质分割得越小，则分散度越高，把一定大小的物质分割得越小，则分散度越高，比表面也越大。比表面也越大。可见达到可见达到nm级的超细微粒具有巨大的比表面积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，成为新材料和多相因而具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。催化方面的研究热点。在恒温恒在恒温恒压压下下,可逆地增加系可逆地增加系统统的的表面表面

3、积积dAs,则环境则环境对系统所做的功正对系统所做的功正比于表面积的增量比于表面积的增量dG=W=dAs1、液体的表面功及表面、液体的表面功及表面Gibbs函数函数8 8.1 .1 界面张力界面张力 Interface Tension表面吉布表面吉布斯函数斯函数对于只有一种表面的多组分系统对于只有一种表面的多组分系统:dU=TdS-pdV+dAs+BdnBdH=TdS+Vdp+dAs+BdnBdA=-SdT-pdV+dAs+BdnBdG=-SdT+Vdp+dAs+BdnB 的物理意义：的物理意义：W=dAs=fdxfdx=2Ldx =f/2L=力力/总长总长 的单位的单位:Nm-1 为作用在单

4、位长度上液体表面为作用在单位长度上液体表面的收缩力的收缩力,又称又称表面张力表面张力2、表面张力、表面张力 L L2 L表面张力的方向表面张力的方向 对于平液面对于平液面,表面张力的方向总是与外力表面张力的方向总是与外力相反相反,与液面平行且垂直作用于分界线上。与液面平行且垂直作用于分界线上。L L 对于弯曲液面对于弯曲液面,表面张力的方表面张力的方向与曲面相切向与曲面相切,与分界边缘垂直。与分界边缘垂直。对于液体来说对于液体来说,表面吉布斯函数与表面表面吉布斯函数与表面张力量纲相同张力量纲相同,数值相等数值相等,但物理意义不同但物理意义不同与物质的本性有关与物质的本性有关分子间相互作用力越大

5、，分子间相互作用力越大，越大。一般对于气液界面有：越大。一般对于气液界面有：(金属键金属键)(离子键离子键)(极性键极性键)(非极性键非极性键)3、界面张力及其影响因素、界面张力及其影响因素表表8 8.1.1 .1.1 某些液态物质的表面张力某些液态物质的表面张力物物质质t/C /mN m-1 正己烷正己烷正辛醇正辛醇乙醇乙醇乙醚乙醚H2ONaClLiClNa2SiO3(水玻璃水玻璃)FeO Al2O3AgCuPt2020202520803614100014272080110010831773.518.421.822.326.43 72.75113.8137.8250582700878.513

6、001800 固体分子间的相互作用力远远大于液体的固体分子间的相互作用力远远大于液体的,所以固体物质要所以固体物质要比液体物质具有更高的表面张力。比液体物质具有更高的表面张力。物物质质 气气氛氛t/C /mN m-1CuAgSn苯苯冰冰氧化镁氧化镁氧化铝氧化铝云母云母石石英英(1010晶晶面面)Cu蒸气蒸气真空真空真空真空真空真空10507502155.50.25185020-1961670114068552 7120 10100090545001030表表8 8.1.2 .1.2 一些固态物质的表面张力一些固态物质的表面张力 两种互不混溶的液体形成液两种互不混溶的液体形成液-液界面时，界面层

7、分子所液界面时，界面层分子所处力场取决于两种液体。所以不同液处力场取决于两种液体。所以不同液-液对界面张力不同。液对界面张力不同。表表10.1.320C 某些液某些液-液界面张力液界面张力（两液体已相互达到饱和）（两液体已相互达到饱和）界界面面/mN m-1 界界面面/mN m-1 水水正己烷正己烷水水正辛烷正辛烷水水氯仿氯仿水水四四氯氯化化碳碳水水正辛醇正辛醇51.150.832.8458.5水水乙醚乙醚水水苯苯水水硝基苯硝基苯水水汞汞苯苯汞汞10.735.025.66375.357.与接触相的性质有关与接触相的性质有关(如表如表10.1.3所示所示)温度的影响温度的影响T热运动增强热运动增

8、强（有例外）有例外）下下表（表表（表8.1.4)给出一些液体在不同温度下的表面张力给出一些液体在不同温度下的表面张力t/C020406080100水水乙醇乙醇甲甲醇醇CCl4丙酮丙酮甲苯甲苯苯苯75.6424.0524.526.230.7431.672.7522.2722.626.823.728.4328.969.5820.6020.924.321.226.1326.366.1819.0121.918.623.8123.762.6116.221.5321.358.8515.719.39液体液体 /mNm-1极限情况：极限情况：TTc时，时，0压力的影响。压力的影响。分散度、运动情况对分散度、运

9、动情况对也有影响。也有影响。Pa表面分子受力不对称的程度表面分子受力不对称的程度b气体分子可被表面吸附，改变气体分子可被表面吸附，改变,c气体分子溶于液相气体分子溶于液相1atm 水水=72.8mN/m10atm 水水=71.8mN/m一般：一般：p10atm,1mN/m。例：例：p=pl-pgp=pg-pl附加压力的方向附加压力的方向：朝着圆心朝着圆心1、弯曲液面的附加压力与弯曲液面的附加压力与Laplace方程方程 8 8.2.2 弯曲液面的附加压力弯曲液面的附加压力 The Saturated Vapour Pressure of The Curved surface毛细管毛细管r推动活

10、塞使液滴半径增大推动活塞使液滴半径增大dr,则表面积增加则表面积增加dA，体积增加体积增加dV。当系统平衡时：当系统平衡时：p内内=pp外外Laplace方程方程(1)该形式的该形式的Laplace公式适用于球形液面。公式适用于球形液面。(2)p与与r 成反比；对平液面：成反比；对平液面：r，p0，(3)p永远指向球心。永远指向球心。例例:(1)小液滴小液滴(2)液体中的气泡液体中的气泡(3)肥皂泡肥皂泡(4)毛毛细细管管连连通通两两个个大小不等的气大小不等的气泡泡p(5)p=2 /R=ghh=2 /Rg2.当曲面为球当曲面为球面的一部分时面的一部分时:毛细现象毛细现象1.1.曲率半径曲率半径

11、R与毛细与毛细管半径管半径R R的关系：的关系：R=R/cosq q如果曲面为球面如果曲面为球面 R=R。足够长的时间足够长的时间半径不同的小水滴半径不同的小水滴半径不同的小水滴半径不同的小水滴p*反比于曲率半径反比于曲率半径结结论论：根根据据液液体体蒸蒸气气压压的的大大小小决决定定于于液液体体分分子子向向空间逃逸空间逃逸的倾向，可知：的倾向，可知：2.2.微小液滴的饱和蒸气压微小液滴的饱和蒸气压Kelvin公式公式1mol饱和蒸汽饱和蒸汽1mol饱和蒸汽饱和蒸汽（p）(pr)G1mol液体液体1mol小液滴小液滴(p,平面平面)（p+p,r）G3G1G2G1=G3=0(恒温、恒压可逆相变恒温、恒压可逆相变)(理想气体的恒温变压过程理想气体的恒温变压过程)Kelvin公式公式对于凸液面对于凸液面:r 0prp对于凹液面对于凹液面:r 0 prp对于平液面对于平液面:r pr=p例：例：毛细凝结现象：毛细凝结现象：一定一定T下平液面尚没达到下平液面尚没达到饱和的蒸气饱和的蒸气而对毛细管内的凹液面已达到饱和而对毛细管内的凹液面已达到饱和或过饱和状态。由或过饱和状态。由pr/p可计算多孔性催化剂的可计算多孔性催化剂的孔径。孔径。喷雾干燥：喷雾干燥：当水滴的半径小到当水滴的半径小到110-9m时，时，其饱和蒸气压几乎是平液面的其饱和蒸气压几乎是平液面的3倍。倍。