章界面现象学习.pptx

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1、几个重要概念几个重要概念v表面和界面v界面现象的本质v比表面v分散度与比表面v表面功v表面吉布斯函数v表面张力第1页/共64页表面和界面表面和界面(surface and interface)1.气-液界面第2页/共64页表面和界面表面和界面(surface and interface)2.气-固界面第3页/共64页表面和界面表面和界面(surface and interface)3.液-液界面第4页/共64页表面和界面表面和界面(surface and interface)4.液-固界面第5页/共64页表面和界面表面和界面(surface and interface)5.固-固界面第6页/共

2、64页界面现象的本质界面现象的本质第7页/共64页界面现象的本质界面现象的本质作用结果：作用结果：表面分子受到被拉入体相的作用力；表面分子受到被拉入体相的作用力；表面有自动收缩到最小的趋势；表面有自动收缩到最小的趋势；表面层显示出一些独特性质。如表面表面层显示出一些独特性质。如表面张力、表面吸附、毛细管现象等。张力、表面吸附、毛细管现象等。第8页/共64页比表面积（比表面积（specific surface area）(1)单位质量的固体所具有的表面积物质分散的程度常用比表面积来表示：物质分散的程度常用比表面积来表示：A0=As/m(m2g-1)(2)单位体积的固体所具有的表面积A0=As/V

3、(m-1)第9页/共64页分散度与比表面分散度与比表面 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，比表面也越大。小，则分散度越高，比表面也越大。例如，把边长为例如，把边长为1 1cmcm的立方体的立方体1 1cmcm3 3逐渐分割成小立方体时，比表面增长情逐渐分割成小立方体时，比表面增长情况列于下表：况列于下表：边长边长l/m 立方体数立方体数 比表面比表面/（m-1）110-2 1 6 102 110-3 103 6 103 110-5 109 6 105 110-7 1015 6 107 1

4、10-9 1021 6 109 107倍倍第10页/共64页分散度与比表面分散度与比表面 可见达到可见达到nm级的超细微粒具有巨大的比级的超细微粒具有巨大的比表面积表面积，因而具有许多独特的表面效应，成，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。为新材料和多相催化方面的研究热点。第11页/共64页13.1 表面张力及表面表面张力及表面Gibbs自由能自由能正面反面 如果在活动边框上挂一重物，使重物质量W2与边框质量W1所产生的重力F（F=（W1+W2）g）与总的表面张力大小相等方向相反，则金属丝不再滑动。这时这时 l是滑动边的长度，因膜有两个面，所以边界总长度是滑动边的长

5、度，因膜有两个面，所以边界总长度为为2l，就是作用于单位边界上的表面张力。就是作用于单位边界上的表面张力。第12页/共64页表面张力（表面张力（surface tension）正面反面 在两相在两相(特别是特别是气气-液液)界面上，处界面上，处处存在着一种张力，它垂直与表面的处存在着一种张力，它垂直与表面的边界，指向液体方向并与表面相切。边界，指向液体方向并与表面相切。把作用于单位边界线上的这种力称把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用为表面张力，用 表示表示，单位是单位是Nm-1。第13页/共64页表面张力（表面张力（surface tension）如果在金属线框中间系一线圈，一起浸入

6、肥皂液中，如果在金属线框中间系一线圈，一起浸入肥皂液中，然后取出，上面形成一液膜。然后取出，上面形成一液膜。(a)(b)由于以线圈为边界的两边表面张力大小相等方向相由于以线圈为边界的两边表面张力大小相等方向相反，所以线圈成任意形状可在液膜上移动，反，所以线圈成任意形状可在液膜上移动，见见(a)图图。如果刺破线圈中央的液膜，线圈内侧张力消失，外如果刺破线圈中央的液膜，线圈内侧张力消失，外侧表面张力立即将线圈绷成一个圆形，侧表面张力立即将线圈绷成一个圆形，见见(b)图，图，清楚的清楚的显示出表面张力的存在。显示出表面张力的存在。第14页/共64页表面张力（表面张力（surface tension）

7、（a）（b）第15页/共64页表面功（表面功（surface work）式中式中 为比例系数为比例系数，它在数值上等于当，它在数值上等于当T，P及组成恒定的条件下，增加单位表及组成恒定的条件下，增加单位表面积时所必须对体系做的可逆非膨胀功。面积时所必须对体系做的可逆非膨胀功。单位为单位为Jm-2。定义：定义：温度、压力和组成恒定时，可逆使表面积增加温度、压力和组成恒定时，可逆使表面积增加dAs所需要对体系作所需要对体系作的功，称为的功，称为表面功表面功。用公式表示为：。用公式表示为：Wr=dAs 或或 =Wr/dAs第16页/共64页T，P一定时，有一定时，有 Wr=dGT,P=dAs狭义的表

8、面吉布斯函数定义：狭义的表面吉布斯函数定义：表面吉布斯函数表面吉布斯函数(surface free energy)第17页/共64页考虑了表面功，考虑了表面功，热力学基本公式热力学基本公式中应相应增加中应相应增加 d dA As s一项，即：一项，即：上四式即为：表面热力学基本公式。第18页/共64页 广义的表面吉布斯函数定义广义的表面吉布斯函数定义第19页/共64页溶液的表面张力与溶液浓度的关系IIIIIIOc 第20页/共64页I类：大多数非离子有机化合物，短链脂肪醇、酸和醛类的水溶液；d/dc0。III类：少量溶质加入后，表面张力急剧下降。特征：d/dc0。但程度远大于I。这类物质称为表

9、面活性剂。第21页/共64页13.2 弯曲表面上的附加压力和蒸气弯曲表面上的附加压力和蒸气压压 弯曲表面上的附加压力弯曲表面上的附加压力1.在平面上2.在凸面上3.在凹面上第22页/共64页 1.弯曲表面上的附加压力弯曲表面上的附加压力(1)在平面上在平面上pg=plpg=po附加压力ps=p内内-p外外=pl-pg=0第23页/共64页弯曲表面上的附加压力弯曲表面上的附加压力（2）在凸面上：）在凸面上：剖剖面面图图 设凹面一侧的压力为设凹面一侧的压力为 p内内；凸面一侧；凸面一侧的压力为的压力为p外外，此时弯曲液面，此时弯曲液面内外压力内外压力差称差称附加压力：附加压力：附加压力示意图附加压

10、力示意图psps=p内内-p外外=pl pg=pl p0第24页/共64页弯曲表面上的附加压力弯曲表面上的附加压力（3）在凹面上：）在凹面上：剖剖面面图图附加压力示意图附加压力示意图ps(1)附加压力总是正值；ps=p内内-p外外=pgpl=p0 pl说明(2)附加压力的方向指向曲率半径的中心。第25页/共64页2.杨杨-拉普拉斯公式拉普拉斯公式 1805年年Young-Laplace导出了附加压力与曲率半径之间的关系式：导出了附加压力与曲率半径之间的关系式：说明说明:(3)可以解释毛细管现象。可以解释毛细管现象。(2)本式适用于计算小液滴或液体中的小气泡。本式适用于计算小液滴或液体中的小气泡

11、。(1)曲率半径曲率半径越小，附加压力越大。越小，附加压力越大。R为液滴的曲率半径第26页/共64页3.毛细管现象毛细管现象当为空气中的气泡时，附加压力为：当为空气中的气泡时，附加压力为：当液面在毛细管(半径为R)中上升达到平衡时，管中上升的液柱的静压力 p就等于弯曲表面上的附加压力ps。毛细管内液面上升或下降的高度为：第27页/共64页13.3 溶液的表面吸附溶液的表面吸附溶液表面的吸附现象表面过剩与吉布斯吸附等温式第28页/共64页1.溶液表面的吸附现象溶液表面的吸附现象 溶质在溶液表面层中的浓度与在溶溶质在溶液表面层中的浓度与在溶液本体中浓度不同的现象，称为液本体中浓度不同的现象，称为溶

12、液表溶液表面的吸附。面的吸附。第29页/共64页 式中式中G2为溶质为溶质2 2的表面过剩。的表面过剩。a2是溶质是溶质2的活度的活度，d/da2是在等温下，表面张力是在等温下，表面张力 随溶质活度的变化随溶质活度的变化率。率。2.2.表面过剩与吉布斯吸附等温式表面过剩与吉布斯吸附等温式溶液表面过剩可用吉布斯吸附等温式表示：溶液表面过剩可用吉布斯吸附等温式表示：第30页/共64页对于稀溶液，吉布斯吸附公式通常也表示为如下形式：(1)d/dc20，2为负值，是负吸附。第31页/共64页表面活性剂分类常用表面活性剂类型胶束临界胶束浓度表面活性剂的重要作用13.713.7表面活性剂及其作用表面活性剂

13、及其作用第32页/共64页表面活性物质的分类表面活性物质的分类1.离子型2.非离子型阳离子型阴离子型两性型表面活性物质第33页/共64页常用表面活性物质类型常用表面活性物质类型阴离子表面活性物质RCOONa羧酸盐R-OSO3Na 硫酸酯盐R-SO3Na磺酸盐R-OPO3Na2磷酸酯盐第34页/共64页阳离子表面活性物质R-NH2HCl伯胺盐 CH3|R-N-HCl仲胺盐|H CH3|R-N-HCl叔胺盐|CH3 CH3|R-N+-CH3Cl-季胺盐|CH3第35页/共64页两性表面活性物质R-NHCH2-CH2COOH 氨基酸型 CH3|R-N+-CH2COO-甜菜碱型|CH3第36页/共64

14、页R-(C6H4)-O(C2H4O)nH烷基酚聚氧乙烯醚非离子表面活性物质R2N-(C2H4O)nH聚氧乙烯烷基胺R-CONH(C2H4O)nH聚氧乙烯烷基酰胺R-COOCH2(CHOH)3H多元醇型R-O-(CH2CH2O)nH脂肪醇聚氧乙烯醚第37页/共64页胶束胶束(micelle)表面活性剂是两亲分子。溶解在水中达一定浓度时，其非极性部分会自相结合，形成聚集体，使憎水基向里、亲水基向外，这种多分子聚集体称为胶束。随着亲水基不同和浓度不同，形成的胶束可呈现棒状、层状或球状等多种形状。第38页/共64页胶束胶束(micelle)第39页/共64页胶束胶束(micelle)第40页/共64页

15、胶束胶束(micelle)第41页/共64页胶束胶束(micelle)第42页/共64页临界胶束浓度临界胶束浓度(critical micelle concentration)临界胶束浓度简称临界胶束浓度简称CMC 表面活性剂在水中随着浓度增大，表面上聚集的活性剂分子形成定向表面活性剂在水中随着浓度增大，表面上聚集的活性剂分子形成定向排列的紧密单分子层，多余的分子在体相内部也三三两两的以憎水基互相靠排列的紧密单分子层，多余的分子在体相内部也三三两两的以憎水基互相靠拢，聚集在一起形成胶束，拢，聚集在一起形成胶束，这开始形成胶束的最低浓度称为临界胶束浓度。这开始形成胶束的最低浓度称为临界胶束浓度。

16、第43页/共64页第44页/共64页表面活性剂的重要作用表面活性剂的重要作用 表面活性剂的用途极广，主要有五个方面：1.润湿作用 2.起泡作用 3.增溶作用 4.乳化作用5.洗涤作用 第45页/共64页A.水的表面张力大，对油污润湿性能差，不容易把油污洗掉。oilclothes洗涤作用示例第46页/共64页B.加入表面活性剂后，憎水基团朝向织物表面和吸附在污垢上，使污垢逐步脱离表面。第47页/共64页C.污垢悬在水中或随泡沫浮到水面后被去除，洁净表面被活性剂分子占领。第48页/共64页13.813.8固体表面的吸附固体表面的吸附固体表面的特点1。固体表面分子或原子移动困难2。固体表面是不均匀的

17、3。固体表面层的组成不同于体相内部 正由于固体表面原子受力不对称和表面结构不均匀性，它可以吸附气体或液体分子，使表面自由能下降。而且不同的部位吸附和催化的活性不同。第49页/共64页固体表面的吸附固体表面的吸附 对于一定的吸附剂与吸附质的体系，达到吸附平衡时，吸附量是温度和吸附质压力的函数，即：通常固定一个变量，求出另外两个变量之间的关系，例如：(1)T=常数，q=f(p)，得吸附等温线。(2)p=常数，q=f(T)，得吸附等压线。(3)q=常数，p=f(T)，得吸附等量线。吸附等温线第50页/共64页固体表面的吸附固体表面的吸附第51页/共64页固体表面的吸附固体表面的吸附第52页/共64页

18、固体表面的吸附固体表面的吸附第53页/共64页固体表面的吸附固体表面的吸附 从吸附等温线可以反映出吸附剂的表面性质、孔分布以及吸附剂与吸附质之间的相互作用等有关信息。常见的吸附等温线有如下5种类型：(图中p/ps称为比压，ps是吸附质在该温度时的饱和蒸汽压，p为吸附质的压力)吸附等温线的类型第54页/共64页III第55页/共64页IIIIV第56页/共64页V第57页/共64页Langmuir等温式等温式基本假设(1)固体具有吸附能力是因为吸附剂表面的原子力场没有饱和，有剩余价力。(2)已吸附在吸附剂表面的分子，当其热运动的动能足以克服吸附剂引力场的能垒时，又重新回到气相。再回到气相的机会不

19、受相邻其他分子的影响，也不受吸附位置的影响。第58页/共64页 若以 表示被覆盖的分数，即表面覆盖率，则尚为被覆盖的分数为1-。这样可得吸附和脱附的速率表达式：第59页/共64页得：kap(1-q)=kdq设a=ka/kd 这公式称为 Langmuir吸附等温式，式中a称为吸附系数，它的大小代表了固体表面吸附气体能力的强弱程度。达到平衡时，吸附与脱附速率相等。第60页/共64页以q 对p 作图，得：第61页/共64页1.当p很小，或吸附很弱时，ap1，q =1，q 与 p无关，吸附已铺满单分子层。3.当压力适中，q pm，m介于0与1之间。第62页/共64页重排后可得：p/V=1/Vma+p/Vm 这是Langmuir吸附公式的又一表示形式。用实验数据，以p/Vp作图得一直线，从斜率和截距求出吸附系数a和铺满单分子层的气体体积Vm。如果V代表吸满单分子层时的吸附量；V代表压力为p时的实际吸附量，则表面覆盖率为第63页/共64页感谢您的观看！第64页/共64页