液体界面性质精选课件.ppt

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1、关于液体界面性质关于液体界面性质第一页，本课件共有28页Page 2第一章第一章 液体界面性质液体界面性质n1.1 1.1 表面能与表面性质表面能与表面性质n1.2 1.2 弯曲表面的现象弯曲表面的现象n1.3 1.3 表面张力的测定表面张力的测定n1.4 1.4 表面热力学表面热力学n1.5 1.5 液体与固体的界面液体与固体的界面第二页，本课件共有28页Page 3n本章作为胶体与界面化学基础理论知识，是贯穿全书的本章作为胶体与界面化学基础理论知识，是贯穿全书的重点和难点，要着重理解和掌握重点和难点，要着重理解和掌握n表面能、表面张力：含义；异同；表面能、表面张力：含义；异同；n 附加压力

2、、表面曲率、表面过剩量物理意义；附加压力、表面曲率、表面过剩量物理意义；n 润湿作用、接触角：类型及关系；润湿作用、接触角：类型及关系；n热力学基本关系式；热力学基本关系式；n表面热力学：处理各种界面现象；表面热力学：处理各种界面现象；LaplaceLaplace方程；方程；吸附公式等。吸附公式等。n应用：了解表面张力的各种测定方法。应用：了解表面张力的各种测定方法。第一章第一章 液体界面性质液体界面性质第三页，本课件共有28页Page 4憎液溶胶性质憎液溶胶性质特有的分散程度特有的分散程度粒子的大小在粒子的大小在1100nm之间，因而扩散较慢，不能透过半透膜，渗透之间，因而扩散较慢，不能透过

3、半透膜，渗透压低但有较强的动力稳定性和乳光现象。压低但有较强的动力稳定性和乳光现象。多相不均匀性多相不均匀性具有纳米级的粒子是由许多离子或分子聚结而成，结构复杂，有的保持了该具有纳米级的粒子是由许多离子或分子聚结而成，结构复杂，有的保持了该难溶盐的原有晶体结构，而且粒子大小不一，与介质之间有明显的相界面，难溶盐的原有晶体结构，而且粒子大小不一，与介质之间有明显的相界面，比表面很大比表面很大热力学不稳定性热力学不稳定性因为粒子小，比表面大，表面自由能高，是热力学不稳定体系，有自发降低因为粒子小，比表面大，表面自由能高，是热力学不稳定体系，有自发降低表面自由能的趋势，即小粒子会自动聚结成大粒子。表

4、面自由能的趋势，即小粒子会自动聚结成大粒子。第四页，本课件共有28页Page 5胶体胶体胶体是一定分散范围内物质存在的一种状态，而不胶体是一定分散范围内物质存在的一种状态，而不是物质固有的特性。是物质固有的特性。胶体是高度分散的体系，具有很大的表面积胶体是高度分散的体系，具有很大的表面积有扩散慢和不能透过半透膜，推断胶体溶液中的质点不有扩散慢和不能透过半透膜，推断胶体溶液中的质点不是以小分子而是以大粒子形式分散在介质中是以小分子而是以大粒子形式分散在介质中胶体粒子在重力场重不沉降或沉降速度极慢，推断分散胶体粒子在重力场重不沉降或沉降速度极慢，推断分散质点不会太大，约质点不会太大，约1nm-10

5、00nm第五页，本课件共有28页Page 6胶体与界面化学的相关性胶体与界面化学的相关性n胶体的基本特性：胶体的基本特性：n特有的分散程度、多相性、聚结不稳定性特有的分散程度、多相性、聚结不稳定性n研究物质的界面特性研究物质的界面特性界面化学界面化学n表面张力、表面能、表面现象、表面吸附、单分子膜、表面张力、表面能、表面现象、表面吸附、单分子膜、表面润湿等表面润湿等n研究一群质点所构成的分散体系的性质研究一群质点所构成的分散体系的性质：胶体化胶体化学学n 动力性质、电性质、光学性、流变性质、胶体动力性质、电性质、光学性、流变性质、胶体 的聚的聚结与稳定性等结与稳定性等第六页，本课件共有28页P

6、age 7界面（表面）现象（界面（表面）现象（Interface/Surface)Interface/Surface)n两相界面分子具有特殊的性质两相界面分子具有特殊的性质 n具有巨大表面积的分散体系，界面分子的性质对具有巨大表面积的分散体系，界面分子的性质对体系的性质有巨大的影响体系的性质有巨大的影响GasSolidn例子：例子：EAST真空制造系统真空制造系统Surface第七页，本课件共有28页Page 8界面界面/表面表面n界面化学：界面化学：在分子（原子）尺度上研究界面上的在分子（原子）尺度上研究界面上的物理和化学过程的科学物理和化学过程的科学液体气体液体气体固体气体固体气体表面（表

7、面（Surface）液体液体液体液体固体液体固体液体固体固体固体固体界面（界面（Interface）第八页，本课件共有28页Page 9表面化学表面化学n表面化学与其它学科的联系表面化学与其它学科的联系生命科学（生物膜及膜模拟化学）生命科学（生物膜及膜模拟化学）能源科学（三次采油、煤的液化、化学电源）能源科学（三次采油、煤的液化、化学电源）材料科学（超细材料、材料的表面改型）材料科学（超细材料、材料的表面改型）信息科学（信息科学（LBLB膜，微电子器件）膜，微电子器件）表表面面化化学学n界面化学的发展界面化学的发展n1805 T.Young 提出界面张力概念提出界面张力概念n1806 P.S.

8、Laplase 表面张力与曲率半径关系表面张力与曲率半径关系n1878 Gibbs 表面吸附方程表面吸附方程n1916 Langmuir 固体吸附等温方程式固体吸附等温方程式第九页，本课件共有28页Page 10仪器技术促进了界面仪器技术促进了界面/表面化学的发展表面化学的发展表面与界面化学虽是物理化学的传统研究领域表面与界面化学虽是物理化学的传统研究领域,但由但由于电子能谱、扫描隧道显微镜等新的实验技术的出于电子能谱、扫描隧道显微镜等新的实验技术的出现现,使得表面、界面效应及粒子尺寸效应的知识呈指使得表面、界面效应及粒子尺寸效应的知识呈指数上升式的积累数上升式的积累,提出了在分子水平上进行基

9、础研究提出了在分子水平上进行基础研究的要求。当前涉及这一领域的研究已成为催化、电的要求。当前涉及这一领域的研究已成为催化、电化学、胶体化学的前沿课题化学、胶体化学的前沿课题,并与生命科学、材料科并与生命科学、材料科学、环境科学、膜技术及医药学密切相关学、环境科学、膜技术及医药学密切相关,是这些相是这些相关学科要研究和解决的核心课题之一。关学科要研究和解决的核心课题之一。第十页，本课件共有28页Page 111.1 表面能和表面张力表面能和表面张力n表面分子的受力和能量状态表面分子的受力和能量状态液体表面的分子受到指向液体内液体表面的分子受到指向液体内部的合力作用。部的合力作用。Gas液体表面分

10、子比内部液体表面分子比内部分子具有更高的能量。分子具有更高的能量。第十一页，本课件共有28页Page 12n表面能和表面张力表面能和表面张力n是液体界面最根本的性质；是其它物理、化学性质是液体界面最根本的性质；是其它物理、化学性质产生和变化的基本原因和推动力产生和变化的基本原因和推动力。n物质的聚集状态物质的聚集状态相态相态n物质通常有物质通常有g,l,sg,l,s三种相态三种相态n当两相共存时当两相共存时g-l,g-s,l-l,l-s,s-s.g-l,g-s,l-l,l-s,s-s.有五种相界面有五种相界面;g-g;g-g共存无界面共存无界面;人眼看不见气相人眼看不见气相,常将常将g-l g

11、-l 和和g-sg-s两种界面称表面两种界面称表面.第十二页，本课件共有28页Page 13界面层界面层(界面相界面相)分子环境分子环境:n界面层中的分子与体相内部分子受力不同界面层中的分子与体相内部分子受力不同,表面分子受液体分子对它表面分子受液体分子对它的向下吸引力比气相分子对它的向上吸引力要大得多的向下吸引力比气相分子对它的向上吸引力要大得多,所以表面层分所以表面层分子总是受到指向液体内部的吸引力子总是受到指向液体内部的吸引力,它有向液相内部迁移的趋势它有向液相内部迁移的趋势,因此因此,液相表面积有自动缩小的倾向。液相表面积有自动缩小的倾向。液相液相(体相体相)气相气相(体相体相)界界面

12、面层层(界界面面相相)几几个个分分子子厚厚度度的的能量表现能量表现液相内部分子移到表面液相内部分子移到表面,需要对它做功需要对它做功,表明表明:使体系的表面积增加使体系的表面积增加,要增加能要增加能量量,所以体系比较不稳定所以体系比较不稳定,为使体系稳定为使体系稳定,其表面积尽可能取最小值。其表面积尽可能取最小值。液滴现象液滴现象:在不受外力影响时在不受外力影响时,液滴总取球形最稳定液滴总取球形最稳定第十三页，本课件共有28页Page 14表面能表面能/比表面能：比表面能：n在等温等压的条件下在等温等压的条件下,可逆地增加单位表可逆地增加单位表(界界)面积所做的功面积所做的功,称为表称为表(界

13、界)面功。面功。：在等温在等温、等压且体系等压且体系组成组成不变的条件下，不变的条件下，可逆变化第可逆变化第种组分种组分单位表（界）面积所引起体系单位表（界）面积所引起体系GibbsGibbs函数的函数的变化变化第十四页，本课件共有28页Page 15热力学函数基本关系式热力学函数基本关系式第十五页，本课件共有28页Page 16表面能表面能表表面面能能：单位表面积表面层的分子比体系内部同样数量的单位表面积表面层的分子比体系内部同样数量的分子所高出的能量值。分子所高出的能量值。第十六页，本课件共有28页Page 17表面张力表面张力表表(界界)面张力是平行于表面且垂直作用于表面上单位面张力是平

14、行于表面且垂直作用于表面上单位长度线段上的表面紧缩力。长度线段上的表面紧缩力。(比比)表面表面GibbsGibbs函数和表面张力在数值上是相等的。函数和表面张力在数值上是相等的。第十七页，本课件共有28页Page 18 表面张力与表面能异同表面张力与表面能异同n表面张力和表面张力和G.G.自由能是对于同一表面现象从力学自由能是对于同一表面现象从力学 和热力学不同角度的描述和热力学不同角度的描述。但表述的物理意义不但表述的物理意义不同同，前者直观前者直观,易应用易应用，后者更反映现象的内涵后者更反映现象的内涵。在在分析各种界面同时存在时的平衡关系分析各种界面同时存在时的平衡关系，应用表面张力应用

15、表面张力较为方便较为方便；在讨论表面热力学时多用表面能的概在讨论表面热力学时多用表面能的概念念。n都用都用表示表示,有相同的量纲有相同的量纲。n在应用适宜单位在应用适宜单位(表面张力用表面张力用mN/mmN/m或或N/mN/m，表面能表面能 用用mJ/mmJ/m2 2或或J/mJ/m2 2时时)，数值相同数值相同。第十八页，本课件共有28页Page 19关于表面张力关于表面张力n表面张力是由于处于表面层的分子受到表面张力是由于处于表面层的分子受到“净吸力净吸力”的作用而产生的与表面相切，与的作用而产生的与表面相切，与“净吸力净吸力”相互垂相互垂直，引起液体表面自动收缩的力。直，引起液体表面自动

16、收缩的力。n表面张力与表面吉布斯自由能是同一数值的二个不同概表面张力与表面吉布斯自由能是同一数值的二个不同概念，前者从力学角度，而后者从能量角度讨论界面所存念，前者从力学角度，而后者从能量角度讨论界面所存在现象。在现象。n表面张力是物质的自然属性，与温度、压力、组表面张力是物质的自然属性，与温度、压力、组成以及共存的另一相有关。成以及共存的另一相有关。第十九页，本课件共有28页Page 20表面张力的物理意义表面张力的物理意义hFl用用形铂丝浸于液面下形铂丝浸于液面下,然后垂直上拉然后垂直上拉,液体表面液体表面积增加了积增加了,但有一种反抗但有一种反抗拉力拉力F,F,它是使液体表面它是使液体表

17、面收缩的力收缩的力.物理学上定义物理学上定义:沿着液体表面沿着液体表面,垂直作用于单位长度垂直作用于单位长度h h的紧缩力的紧缩力称表面张力称表面张力.拉力拉力F F对体系所做的功对体系所做的功:所以表面张力既是表面能所以表面张力既是表面能，又是液体表面的收缩力。，又是液体表面的收缩力。第二十页，本课件共有28页Page 21影响纯物质影响纯物质 的因素的因素n物质本身的性质物质本身的性质:n极性液体比非极性液体大极性液体比非极性液体大，固体比液体大固体比液体大n与与相接触相接触另一相物质有关另一相物质有关纯液体的表面张力是指与饱和了其本身蒸汽的空气之纯液体的表面张力是指与饱和了其本身蒸汽的空

18、气之间的界面张力。间的界面张力。第二十一页，本课件共有28页Page 22大多数固体比液体具有更高的表面能大多数固体比液体具有更高的表面能第二十二页，本课件共有28页Page 23表面张力与温度的关系表面张力与温度的关系n大多数液体的表面张力随温度上升而下降大多数液体的表面张力随温度上升而下降温度升高温度升高,分子间距离增大分子间距离增大,分子间相互作用力减小分子间相互作用力减小,表面张表面张力力下降下降.P10.P10图图1-31-3是是CClCCl4 4的表面张力随温度升高的变化曲的表面张力随温度升高的变化曲线线,当温度升至临界温度时当温度升至临界温度时,界面逐步消失界面逐步消失,趋于零趋

19、于零.第二十三页，本课件共有28页Page 24表面张力与温度关系表面张力与温度关系nGuggenheim方程：方程：n有机液体有机液体n n11/911/9，液态金属，液态金属n n 1 1n大致可用大致可用RS方程描述方程描述T Tc c：临界温度：临界温度 V Vm m：液体的摩尔体积：液体的摩尔体积k k：经验参数，：经验参数，对非缔合的非极性液体，对非缔合的非极性液体，k2.210k2.210-7-7 J K J K-1-1第二十四页，本课件共有28页Page 25压力对表面张力的影响压力对表面张力的影响n改变气相分子的密度改变气相分子的密度n气体分子在液体表面的吸附及在液体内部气体

20、分子在液体表面的吸附及在液体内部的溶解的溶解n压力增大，界面张力降低。一般每增加压力增大，界面张力降低。一般每增加10atm10atm，界面张力约降，界面张力约降1mN/m1mN/m第二十五页，本课件共有28页Page 26碳粉碳粉放大镜聚焦阳光，照射碳粉，会又什么现象发生？竹管吹泡泡，竹管吹泡泡，发生什么现象发生什么现象？表面张力存在及其与温度关系表面张力存在及其与温度关系第二十六页，本课件共有28页Page 27为什么在参观面粉厂时为什么在参观面粉厂时,不能穿带铁钉鞋不能穿带铁钉鞋?n在煤粉或在面粉厂，因为细小的煤粉或面粉悬浮在空中，在煤粉或在面粉厂，因为细小的煤粉或面粉悬浮在空中，形成巨大的表面，有着巨大的表面能。形成巨大的表面，有着巨大的表面能。n一个小小的火星，会加速煤粉或面粉表面上发生一个小小的火星，会加速煤粉或面粉表面上发生的氧化反应，反应中放出的热量又加速了其它颗的氧化反应，反应中放出的热量又加速了其它颗粒表面的氧化反应粒表面的氧化反应，因此，引起爆炸！，因此，引起爆炸！n一大块煤燃烧为什么不爆炸？一大块煤燃烧为什么不爆炸？第二十七页，本课件共有28页Page 28感感谢谢大大家家观观看看第二十八页，本课件共有28页