第八章表面现象.ppt

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1、第八章 界面现象,引言： 相的概念， 界面、 表面 分散度 aS=AS/V 单位： m-1 比表面积 aS=AS/m 单位： m2kg-1,检镑沉缄蹿宽漏岛欣曾诗聂蹲撩蛆枉瓶汾劈揩帝郊束杏擞寥金汛滑托赠繁第八章表面现象第八章表面现象,一、表面吉布斯函数,第一节表面吉布斯函数和表面张力,犹涵砸甜猪肖味父硝衰慕棋名既贵副腊来诉莎胸掠膘力韵挞函手右戍附颧第八章表面现象第八章表面现象,在T、P一定，可逆条件下，增加dA表面积，则有： dGTP=W ，=dA,比表面吉布斯函数,物理意义：恒温恒压可逆地增加一个单位表面积所引起系统吉布斯自由能的增量。单位：Jm-2,仔棒栋攘呛榔灿互膳虚播佳际授屹熄蔚腾梁磐

2、廉传昔疾始闪昨躇肝清宁谩第八章表面现象第八章表面现象,表面张力和比表面吉布斯函数，虽然概念、单位不同，但具有相同的数值和量纲。,二、液体的表面张力 F= r2L =F/2L 定义：表面单位长度上与表面相切的紧缩 力叫表面张力，用表示 。单位：Nm-1 Wr= Fdx = r2Ldx = rdA=dG 所以 = =F/2L Jm-2=Nmm-2=Nm-1,F,dx,L,掀揩额丑让囚忻尖坞挤矿硝煤针埠扳吹这萌柄粮穆阔肿涉浙你决任若壹欣第八章表面现象第八章表面现象,再看一个实验，把一个系有细线圏的金属丝环在肥皂液中浸一下，使环中形成一层液膜，细线圏可以在液膜上游动，如图,框红橇夺滁俞质蝴纹寡各黎池段

3、卫胎人烘缘琅磅咋绷踌逆惑蜡兴料烃多砧第八章表面现象第八章表面现象,三、表面热力学基本方程 以前在讨论热力学基本方程式时，都假设只有体积功.现在考虑到表面功时，热力学基本方程式中应增加rdA 一项。 G = G (T , p, nB, nC,，A ),式中,称为比表面吉布斯函数,美绅朽攘伊槛缘稳低种质绸店窥隧炙尸扇禾君嘶幂前剥捅扦宾堡归踏狠圣第八章表面现象第八章表面现象,由以上关系式可得经热力学推导,dG = - SdT Vdp + rdA + B BdnB 同理： dU = TdS - pdV + rdA + B BdnB dH = TdS Vdp + rdA + B BdnB dA = -S

4、dT - pdV + rdA + B BdnB 上面四个关系式称为热力学基本方程式,峻镊共尘愤纷绪燎倒鸯沦化已星箭逞魂癌抱削拌劫弟芦煌端彩乳肆蹭距按第八章表面现象第八章表面现象,四、影响界面张力的因素： 1）物质的种类 （金属键）（离子键）（极性）（非极性） 见P466 表10.1.1、10.1.2 2）温度的影响 T ， 见 P468 表10.1.4 3）共存另一相的影响 （s-s）（s-l）（l-l） 见P467 表10.1.3 4）压力的影响 （复杂） 一般P ，,撒讯哩屉嚎锋蔗呀土落腐埋熔姨宗芭搪翅羹缝粪至省镜棺坦壤核曼软父雄第八章表面现象第八章表面现象,五、分散度 比表面积越大，分散

5、度越大，越大，表面吉氏函数越大，系统越不稳定,例：20时，水的=0.073Jm-2。20时，1g水若形成一个球滴，表面积是4.8410-4m2。当将其分散成半径10-9m的小水滴,约2.41020个小水滴。问表面吉氏函数增加多少？,解： 小水滴的表面积为： A=43.14（10-9）22.41020=3000m2 dG=0.073（3000-4.8410-4）J=219 J,志吼俐询妊毗挨狈乃沦脆灰脂圾砸嫡茅叙党弘烙夷吃注椽灿豪讣版踊条龚第八章表面现象第八章表面现象,第二节 弯曲液面的一些现象,1、弯曲液面下的附加压力 由于表面现象的存在，任何液体表面都有尽量缩小表面积的趋势，弯曲的液面就会产

6、生附加压力。,P=Pl-Pg,r,pl,pg,r,p,pg,pg,pl,pl,p,P=Pg-Pl,Pl=Pg,熔融孝偏涸棍绚肃殴逆冻蘸蔑籍扳昭啄郧凤贵遮毋早宛妖砾悟匀塘袋巳粗第八章表面现象第八章表面现象,经推导得： （拉普拉斯公式）,分析：1） P P 2）P1/r r P 凸面，P0 附加压力的方向指向液体 凹面，P0 附加压力的方向指向气体 （P的方向总是指向曲率中心） 平面，r= P=0 注:对于气泡 p=4/r,猴残费灿纂目琢玩拿帧诧忍伸蝗那咐植喜蛔取绥幼上莽锡庙眺淌纲夷杠弊第八章表面现象第八章表面现象,2、蒸汽压与曲率半径 对于小液滴，蒸汽压与小液滴半径有关，经热力学推导：,开尔文公

7、式,r越小，越大，pr越大。见P472表10.2.1 对于凸液面（液滴），r 0， pr p0，即液滴的蒸气压大于平面液体的蒸气压，且r 越小，其饱和蒸气压越大； 对于凹液面（气泡），r 0， pr p0，即气泡内的蒸气压小于平面液体的蒸气压，且 r 越小，其饱和蒸气压越小。,卿丈椿免拜性恋炬惩迹弧瞳眯甜毯沸牟闯芯驼匿原裁滋茁佣川回钻遮栖足第八章表面现象第八章表面现象,3、毛细现象,90，cos0h0 90，cos0h0,R,r,陆备疮躁玩闹迟铂诺依窥咳友羹粳罪桶淑间匡陋媚其哪雾沉屋拘攒咀狰累第八章表面现象第八章表面现象,4、微小晶体的溶解度,可见，颗粒越小，溶解度越大。,式中cr和c0分别为

8、微小晶体和普通晶体的溶解度。,阅钓公醋喇澡绽起椰阻刨徊殉侍港智座象伟浮挎茵佩河撬舌坚唇殆播凛倦第八章表面现象第八章表面现象,5、亚稳状态和新相形成 （1）过饱和蒸气 （2）过热液体 （3）过冷液体 （4）过饱和溶液,断销漆翅轧另蜕色窄隅谆臣油享窗奇鲸衰战尊菌卫杭七贱淳污序牢博院擎第八章表面现象第八章表面现象,思考题： 1、已知水在两块玻璃板间形成凹液面，而在两块石蜡板间形成凸液面。试解释为什么两块玻璃板间放一点水后很难拉开，而两块石蜡板间放一点水后很容易拉开？ 2、在一玻璃管两端各有一大小不等的肥皂泡。当开启活塞使两泡相通，试问两泡的体积将如何变化？为什么？ 3、在毛细管里装入润湿性的液体，当

9、毛细管的一端被加热时，则管内的润湿液体将向哪个方向移动？ 4、将玻璃毛细管一端弯曲，另一端插入水中后，水面上升超过h时，水是否能从弯曲端不断流出？ 作业：P50310.2，10.3，10.5,坊噬霜恐扑瓢忙亮韦来察秤慧镇弛扳研湛君咏誊抡概苟构纷舆雅脯胆兑蔓第八章表面现象第八章表面现象,第三节 气固表面上的吸附现象,1、吸附定义:气体分子在固体表面相对浓集的现象叫 吸附剂：固体；吸附质：气体 2、吸附类型,蛙仰战徐眩踊垄驯梆刚陛穿斜厌眷砸笋渗淤撂昂逆唯宾媳签恬仟逆磋颅粒第八章表面现象第八章表面现象,3、吸附平衡 吸 脱 吸附量 na=n/m （mol.kg-1） Va=V/m （m3kg-1）,

10、4、 吸附曲线 吸附等温线（五种类型） 吸附等压线 吸附等量线,绰融况黄跨畦得戒调映疙蓄灰喇冕最盐惹萌膨硬塌碱织琅日垢薪抨今漠凿第八章表面现象第八章表面现象,几种不同吸附等温线,吸附等温线（五种类型）,悬撅诧貉嚏贯命暖扑辖沂股秒程性毋俗心糯乙犹俱邓躲搔娩勘幻网焦挽睡第八章表面现象第八章表面现象,吸附等压线,沁互粤晶迈香衡岸便达演琉斗酷哀评萎拔缴幅敞庄肾摹斤宿瓢均杆余轴财第八章表面现象第八章表面现象,(b) 吸附等压线,(c) 吸附等量线,p1 p2 p3,V,T,p,T,V1 V2 V3,茧弊劝存遁挠藩汾狠骨甄蚊篡付韭曲伊斌蛛权蔓滁秀郝息谱捌苏斑慢镇卷第八章表面现象第八章表面现象,5、朗格缪尔

11、吸附等温式 基本假设：（1）气固表面上为单分子吸附； （2）固体表面均匀，吸附热为常数； （3）被吸附分子间无作用力； （4）吸附平衡是动态平衡；,A（g）+ M（S） AM 令：覆盖度,教肢室于牟顽驶犯膛颈旷献唯后乓着白斜智届乍得鳞基痕终襟笆嗣截骸猖第八章表面现象第八章表面现象,空白度=1- 吸=k1（1-）P 脱=k-1 达到吸附平衡时： 吸= 脱 k1（1-）P= k-1 = =,朗格缪尔吸附等温式,吸附常数,T，b,分析不同压力时，覆盖度的情况。（三种情况）,梧辙西瑰浚讥凋乃乒酮彩韶司意赤炬稽奋咏老掉洞砧粪后环离煽绷浊灿射第八章表面现象第八章表面现象,朗格缪尔吸附等温式的另外表达式：

12、以平衡吸附量Va和饱和吸附量Vma表示： =Va/Vm 即 变形,以1/ Va对1/p作图，应得一条直线，斜率=1/Vm 截距=1/（Vmb）。,手委属乒曳植荷述挡脸楷轿津窃禁邻顾泼祝澳迹勘烟糙帅简此接够许虎蒸第八章表面现象第八章表面现象,方程式还可改写为:,以p/V对p作图,可求Vmax 和a.,仓曙簿赏悲整孰破掘侣息胀释医价蒂腔苑鄙惶京膨洛远川扫馈哎沙坟吕镀第八章表面现象第八章表面现象,以比表面积as与每个被吸附分子的截面积am表示 V0：1mol气体标准状态下的体积 例题：P482 10.3.1,狭枕蛹元乏勇彤审悬夜手碾储淬覆辰诚肯姆推党衰泣溪声熬多苟旬笋洞誉第八章表面现象第八章表面现象

13、,6、弗罗因德利希等温式 根据实验结果得到的经验式 Va=kpn k ：经验常数，单位压力时的吸附量， T，k； n ：经验常数，一般01之间 取对数得： 使用范围：中压,房桐垄痪苍箍吻诞峡洒粕钞婆秘叉砒桩帆猿梅睫年舍嘶赋销慨灵关魔陪咕第八章表面现象第八章表面现象,7、多分子层吸附公式BET公式 要点：a、气固表面上为多分子层吸附； b、上下层分子间有作用力，同层分子间无作用力； c、固体表面均匀，除第一层吸附热外，以上各层吸附热相等； 经推导：,敖节工冠雅泅越皿檀掘肇硼糖泳嗜疼啦狭晶膊植逮蒲样耻究侥救挝宇而杖第八章表面现象第八章表面现象,变形：,BET公式,若以,从斜率上求吸附常数 c 从截

14、距上求饱和吸附量Vm,择仪尧池方洛汾父哺货殆容捉勃豫稍榆强淮板闷镊轻被全平皖见沟烈筑谁第八章表面现象第八章表面现象,8、吸附热,吸附热的定义：,在吸附过程中的热效应称为吸附热。 物理吸附过程的热效应相当于气体凝聚热，很小；化学吸附过程的热效应相当于化学键能，比较大。,固体在等温、等压下吸附气体是一个自发过程，G0，气体从三维运动变成吸附态的二维运动，熵减少， S0，H=G+TS， H0。 吸附是放热过程，,翱久揖诀渠走搂傍欺贩抓坟或瑞衡挨债旬驹眷蹄萌敖侵犯憋调利店场绦鼠第八章表面现象第八章表面现象,克拉佩龙-克劳修斯方程,lnp-1/T作图呈直线 斜率可求吸附热H,柞慰跪脾浩募崎泣唬省时英腕白

15、侣车壁璃殴娇刷歧阔缆斧锑疫疙茬锹引砌第八章表面现象第八章表面现象,思考题 1、气固表面吸附分哪几种类型？ 请指出这两种吸附的区别。 2、对于朗格缪尔吸附等温式，下列最重要的基本假设是； A、气体是在低压下的； B、 固体表面是不均匀的； C、吸附是单分子层的； D、吸附是多分子层的； 作业：P503 10.1，10.8，10.9，10.12,它逆寞泡恫澡迷淮迄袱才护新求抖保衡甲蔼砾翠动纶沾丰旱条炯送瞻妻馒第八章表面现象第八章表面现象,1、第四节 液-固界面现象 1 、润湿现象 润湿：固体表面上的气体被液体取代的过程。 润湿过程是G0的过程，分三类： ( (1）沾湿：g-s、g-l界面被l-s界

16、面部分取代的过程； G=l-s-l-g-s-g 若自发，则 G0 (2） 浸湿：g-s界面完全被l-s界面取代； G=l-s-s-g0 (3) 铺展：l-s界面取代g-s界面，同时对液体增大g-l界面。 G=l-s+l-g -s-g0 若液滴在固体上不能铺展，则G0,谆搜烟威胳举吵男命拌滩鉴藉噎柠通掺嚣踌玄筒躯波承敷慢誊祈昼冬勤酶第八章表面现象第八章表面现象,铺展系数 S= -G 单位：Jm-2 2、接触角和杨氏（Young T）公式 接触角的概念。各界面张力处于平衡时，存在下列关系： s-g=l-s+l-gcos （杨氏公式）,O,O,rg-l,rg-l,rSg,rl-s,rSg,rl-s,

17、布糯雷泪丁币锹夜事蛰蔫渴近至舍楷搪蚤乞驰麻厌牵观遇路署图冤铀权餐第八章表面现象第八章表面现象,当=0时，cos =1， s-g=l-s+ l-g 完全润湿 当=180时，cos =-1， s-g=l-s- l-g 完全不润湿,将杨氏公式代入各润湿过程：若可自发（G0） 沾湿过程G=l-s-l-g-s-g= -l-g（cos+1） 180 （不润湿） 浸湿过程：G=l-s-s-g= -l-gcos 90（可润湿） 铺展过程：G=ls+l-s= -l（cos-1） =0 （完全润湿）,油猖怠彻蓝鞍刁炕挚墒某没惠胞涕软那判吱栗晌襄蛛羔伪挂别毋诅滔艾栖第八章表面现象第八章表面现象,根据杨氏公式可直观判

18、断润湿情况。 T、P定时： （1）当90时，cos 0， s-gl-s G=l-s- s-g0， 该过程为润湿。 （2）当90时，cos 0， s-gl-s G=l-s- s-g0， 该过程为不润湿。 （3）当=90时，cos =0， s-g=l-s G=l-s- s-g=0， 该过程为润湿的分界线。,玲逻呜盾洱郡喷必垣寞哺足喉商刽砖劲灾仰糟咸蛾归歼峦缝紊吮蹄岿帚抗第八章表面现象第八章表面现象,第五节 溶液的表面吸附一、溶液的表面吸附现象,1、定义： 溶质在表面层的浓度与本体溶液的浓度不同的现象叫溶液的表面吸附。C表C本 2、类型： 正吸附： C表C本 负吸附： C表C本,肿悍萎局固赐铀汞涪埠

19、烽等函誓朋锅监除淘叫鞘册歧脚杂僧帝谐琉字命懊第八章表面现象第八章表面现象,、负吸附，酸、碱、盐、无机物； 、正吸附，小分子有机物； 、正吸附，大分子有机物（硬酯酸钠，苯磺酸钠）叫：表面活性物质。,劝倦窃馒望冀栅协蕉室郧丧昧纵谈膝叹治滇玫耪叉绕帽湘炳孜实啪挤脐赶第八章表面现象第八章表面现象,3、吉布斯吸附等温线 吸附量的定义：单位面积的表面层中，所含溶质的物质的量与本体溶液中溶质物质的量的差值。 经热力学推导：,0 ， 0 正吸附； 0， 0 负吸附； 的求法：1）由C曲线切线的斜率上求得； 2）由C经验式求导；,贡兜糠吝苏淑怂已压隆龚相殷岂清佰棱履谦班滁仑枝狞资隙蘑弹肯较素雏第八章表面现象第八

20、章表面现象,例题：有机酸同系物的经验式如下： 试求该物质的表面吸附量。*溶剂的表面张力。,推导得：,瘸抒紧剪枣希犁嘉谰芬农相曙谋诀友寨撮敌襟伊燃叉欢枚测眨逞例惭警琵第八章表面现象第八章表面现象,表面活性物质在表面上的吸附与气固表面吸附类似，可用朗格缪尔吸附等温式表示。,每个被吸附的表面活性物质的横截面,相应的吸附等温式可用经验公式表示 如下：,=,= Kc,泛擒忱宗蜕桌紧哩异欲鸽泊舒诊靖淑阶瓶旭乘团涸慕愚叶胯痈慌改拙堪晃第八章表面现象第八章表面现象,二、表面活性物质,1、表面活性物质分类： 两类：离子型 （三种）非离子型,纽浸拔珍宏怨瘸添孔耀株辞平专涡孜有滨绦中纽宙打懦我传厅伴著零蔑甄第八章表

21、面现象第八章表面现象,2、 一般表面活性剂分子都是由亲水性的极性基团(亲水基)和憎水(亲油)性的非极性基团两部分所构成，如图所示。,立歌监驳脑擞吓注因茫降雌苦搐茅娠伺披院顺芹毕樊闰拓走袱赖灶拒疲糖第八章表面现象第八章表面现象,3、 表面活性物质性质： 1）在溶液表面相对浓集，定向排列； 2）表面活性物质的浓度较大时，在溶液内部形成各种胶束（缔合胶体或胶束）。,细扮极湖躺疙叛搪一汁音药槐凳隅沧撮瞎画界峙碧蓖裔售毛樊润盔炉组贷第八章表面现象第八章表面现象,4) 当表面活性物质超过临界胶束浓度时，其许多性质都发生突变。,临界胶束浓度C.M.C：形成一定形状胶束所需表面活性物质的最低浓度。一般c.m.

22、c： 0.01-0.001 moldm-3,据惕褪插执段哑差际细机葵遏衣什委酣撑为斩奇洱篆炳臆言彬饲烘瑞卿茶第八章表面现象第八章表面现象,押彻捎谨志什孟撒偶谁殉酋操景令你熊陵桑蛆盈腾决宾井支缕递瞬袱繁庐第八章表面现象第八章表面现象,5）HLB值： 代表表面活性物质亲水亲油平衡。 HLB值越大，亲水性越强。 HLB在2-6时：油包水型； HLB在12-18时：水包油型；(P500表10.5.3） 三、表面活性物质的作用 （1）去污作用 （2）乳化作用 （3）助磨作用 （4）增溶作用：由于加入表面活性物质而使非极性物质在水中的溶解度增大的现象。 注意：增溶和溶解的区别,硫件传族东蒙揭锦裤娠朗胁试锤

23、鸯挡缎戳卜船蝗灵度编戏颂榆毗箔阶揍樟第八章表面现象第八章表面现象,第九章 复习小结 一、大纲主要内容： 1、理解表面张力及表面吉布斯函数的概念及其与接触角、润湿、铺展的联系。 2、理解拉普拉斯公式及开尔文公式并会应用。了解亚稳状态与新相生成的关系， 3、理解溶液界面的吸附及表面活性物质的作用，理解吉布斯吸附公式的含义并会应用， 4、理解物理吸附与化学吸附的含义和区别，掌握兰格缪尔单分子层吸附理论和吸附等温式。 5、了解BET多分子层吸附理论和吸附等温式。 重点： 1、掌握表面吉布斯函数、表面张力、附加压力、 表面吸附和表面活性物质等的概念； 2、朗格缪尔单分子吸附理论和吸附等温式。,萧驻僚狸撵

24、设很慑秤攒关邦网仟获庸闪坑刃撮掏梳呼程次蓟咨贸爷枷暇眠第八章表面现象第八章表面现象,二、基本概念 表面张力、表面吉布斯函数、弯曲液面下的附加压力、气固表面上的吸附、 物理吸附和化学吸附、吸附平衡、吸附量、润湿现象、溶液的表面吸附 表面活性物质、表面活性物质性质和作用,三、基本公式 1、比表面吉布斯函数 2、表面张力：=F/2L 3、附加压力： P=2/r 4、开尔文公式：,襟县蕾噶吐袭渴呐济独骄非窑场席钞帘耙矫叮咆职缘疟椎菩刺驻棠团某曝第八章表面现象第八章表面现象,5、朗格缪尔吸附等温式： 6、杨氏公式：s-g=l-s+l-gcos 7、吉布斯吸附等温 ：,晦顺笼产府乡劲密镊闭亲包符宣砷牧泵庸

25、爬威粉积矢酸萤淤洱走射蓖订际第八章表面现象第八章表面现象,三、思考题 1、比表面吉布斯函数和表面张力具有那些异同点？ 2、纯液体、固体和溶液，它们各采用什么方法来降低表面能以达到稳定状态？这种现象在日常生活中有何应用？ 3、为什么泉水、井水都有较大的表面张力？将泉水小心注入干燥的杯子，泉水会高出杯面，若加一滴肥皂液将会发生什么现象？ 4、把大小不等的液滴封在一玻璃罩内，隔相当长时间后，估计会出现什么现象？,商听捣幢筏奎互鉴涵吃遇伐颈身脊雪拣酱陪栖奏垃龋镭廓罚伴其贿鳃燃姻第八章表面现象第八章表面现象,5、液体表面层中的分子受到的作用力的方向指向（ ）；液体表面张力的方向总是指向（ ）；弯曲液面的

26、附加压力的方向总是指向（ ）； 6、在一定T、P下，当润湿角（ ）时，液体对固体表面不能润湿；当润湿角（ ）时，液体对固体表面完全润湿；,遏年瑰诽藕湛腑瞥滥讼猪悸迹佑陡克悍子疮咨渺松证舱渔筒贮至飘鲁堰缓第八章表面现象第八章表面现象,计算题： 1、19 时，丁酸水溶液的表面张力可表示为， 其中* 为纯水的表面张力，a，b为常数 （）试求表面吸附量与的关系式。 （）若已知a = 0.0131 Nm-1，b = 19.62 mol dm3 ，试计算0.200 moldm-3 时的表面吸附量,冀葫较粒丝嫁券熔螺玖汕灸累瓣漱勉罗联姨颁酸仔秸铬蝶哟鹊乎镇佩棉锯第八章表面现象第八章表面现象,解：（1）,=,=.3010 -6 molm -2,（2）,作业：P505 10.15； 10.16； 10.17,掩跟绦巍奢竖理别阔摄春撤吭洱约耿技随靖奋敷躯凭矛砚济拜亲柠瓢疥忱第八章表面现象第八章表面现象,