1、第七章表 面 現(xiàn) 象,2,目 錄, 7-1 表面張力 7-2 潤(rùn)濕現(xiàn)象 7-3 彎曲液面的附加壓力與毛細(xì)現(xiàn)象 7-4 亞穩(wěn)狀態(tài)與新相生成 7-5 固體表面的吸附作用 7-6 等溫吸附 7-7 溶液表面的吸附 7-8 表面活性物質(zhì)（自學(xué)）,3,基 本 要 求,表面張力和表面Gibbs函數(shù)的概念。 彎曲液面附加壓力概念和拉普拉斯方程。 接觸角和楊氏方程、潤(rùn)濕、鋪展和鋪展系數(shù) 開爾文公式及其應(yīng)用。 物理吸附和化學(xué)吸附的含義和區(qū)別。 蘭格繆爾吸附模型和吸附等溫式。 了解溶液界面吸附和表面活性物質(zhì)的作用。,4,界面：任意兩相的接觸面稱為界面。（界面非幾何平面，是約有幾分子厚度的薄層。） 表面：物質(zhì)與真空

2、、與本身的飽和蒸氣或與被蒸氣飽和了的空氣相接觸的面稱為表面。 表面現(xiàn)象：相界面上發(fā)生的物理化學(xué)現(xiàn)象 。,分散度(比表面(As)：?jiǎn)挝惑w積的物質(zhì)所具有的表面積： A s = A / V 松散聚集體或多孔性物質(zhì)的比表面常以Aw 表示： 比表面(Aw)：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的物質(zhì)所具有的表面積： Aw=A / m,5,1. 表面張力()： 在與液面相切的方向上，垂直作用于單位長(zhǎng)度線段上的緊縮力。N m -1 方向：彎曲液面：與液面相切，促使其表面積縮小的方向。 平液面：與液面平行。,7-1 表 面 張 力,液體表面分子受力示意圖 表面張力的作用,物質(zhì)表面層分子與其相內(nèi)分子所處力場(chǎng)不同。,6,2. 表面功與表面吉

3、布斯函數(shù),比表面吉布斯函數(shù)：恒溫恒壓下液體增加單位表面積時(shí)系統(tǒng)吉布斯函數(shù)的增量。單位：Jm 2,比表面功：增加液體單位表面積時(shí)系統(tǒng)所得到的可逆非體積功。 單位：J m 2,7, 表面張力、比表面功和比表面吉布斯函數(shù)雖為不同物理量，但數(shù)值和量綱相等： 1 N m 1 1 J m 2, dA 0, dG 0。 恒溫恒壓下，液體表面積減小的過程是自發(fā)過程。,其他界面（固體表面、液液、液固界面等）也存在界面張力。,8,3. 影響表面張力的因素,9,在三相交點(diǎn)處，固液界面水平線與氣液界面的切線之間通過液體內(nèi)部的夾角，稱為潤(rùn)濕角（或接觸角）。,液滴在光滑固體表面上可出現(xiàn)如下三種情況：,7-2 潤(rùn) 濕 現(xiàn)

4、象,10,在一定T、p下： ，液體對(duì)固體表面潤(rùn)濕。 趨于零度時(shí)，液體對(duì)固體表面完全潤(rùn)濕。, ，液體對(duì)固體表面不潤(rùn)濕, 趨于180時(shí)，液體對(duì)固體表面完全不潤(rùn)濕。,1. 楊氏方程,(楊氏方程）,三相交點(diǎn)處達(dá)到力平衡時(shí)：,11,2.鋪 展,鋪展: 液固界面取代氣固界面, 同時(shí)使氣液界面擴(kuò)大的過程。,鋪展系數(shù) ：,楊氏方程的適用范圍：,液體在固體表面上鋪展的必要條件：,12,pg：大氣壓，pl：彎曲液面內(nèi)液體所受的壓力。 附加壓力( p)：彎曲液面內(nèi)外的壓力差。p=p1-pg,7-3 彎曲液面的附加壓力與毛細(xì)現(xiàn)象,1. 彎曲液面附加壓力的產(chǎn)生,13,截面AB： 圓心O1,半徑r1 , 表面張力的垂直分

5、力 cos 截面周界線周長(zhǎng)： l = 2 r1 垂直分力的合力：F = 2 r1 cos AB 截面積：S = r1 2,(拉普拉斯方程）,2 拉普拉斯方程,彎曲液面垂直作用于單位截面上的附加壓力：,14, 附加壓力的方向：指向彎曲液面曲率半徑的中心。 凸液面：r0, p = pl pg0, 方向指向液體。 凹液面：r0, p=pl pg0, 方向指向氣體。 平液面：r =, p= 0。,15,毛細(xì)管中液面呈凹形，p指向大氣，液面下液體所受壓力小于大氣壓，液體被壓入管直至上升液柱的靜壓力與附加壓力相等。,液體能潤(rùn)濕管壁：凹液面,3. 毛細(xì)管現(xiàn)象,液體不能潤(rùn)濕管壁：凸液面,16,7-4 亞穩(wěn)狀態(tài)

6、與新相生成,1. 微小液滴的飽和蒸氣壓開爾文公式,途徑a： Ga= G1 + G2 + G3 恒溫恒壓可逆相變：G1=0 理想氣體恒溫變壓： 恒溫恒壓可逆相變：G3=0,途徑b：,17,p： 平面液體的飽和蒸氣壓 pr：半徑r的微小圓球形液滴的飽和蒸氣壓.(P338表) 凸液面：0, ln(pr/p)0 , pr p 凹液面：0, ln(pr/p)0 , prp (應(yīng)用：毛細(xì)管內(nèi)的凝結(jié)現(xiàn)象。最小的r為多少？) 開爾文公式也可用于氣-固界面的計(jì)算。,（開爾文公式),18, 過飽和蒸氣 虛線：微小液滴飽和蒸氣壓曲線; 實(shí)線：通常液體飽和蒸氣壓曲線.,2. 亞穩(wěn)定狀態(tài)：,過飽和蒸氣, 過熱液體, 過

7、冷液體, 過飽和溶液。,過飽和蒸氣：按相平衡條件，應(yīng)當(dāng)凝結(jié)而未凝結(jié)的蒸氣。,19,在101.325 kPa, 100 純水中，0.02 m深處存在 r =10 nm 小氣泡。 已知：p = 11.77103 kPa (對(duì)凹液面下液體為負(fù)，但對(duì)氣體應(yīng)為正值） p靜 =g h = 0.1878 kPa 氣泡內(nèi)氣體應(yīng)反抗的壓力： p = p大氣 + p靜 + p = 11.87103 kPa 小氣泡產(chǎn)生條件： p 11.87103 kPa, 過熱液體,產(chǎn)生過熱液體示意圖,過熱液體：按相平衡條件應(yīng)沸騰而不沸騰的液體。,20,原因: 一定溫度下，微小晶體的飽和蒸氣壓大于普通晶體的飽和蒸氣壓。 BC: 平

8、面液體飽和蒸氣壓曲線 AB: 普通晶體飽和蒸氣壓曲線 AB: 微小晶體飽和蒸氣壓曲線 tf：普通晶體熔點(diǎn) tf ：微小晶體熔點(diǎn),過冷液體,過冷液體：按相平衡條件應(yīng)當(dāng)凝固而未凝固的液體。,21, 過飽和溶液,AB：普通晶體飽和蒸氣壓曲線 CD：微小晶體飽和蒸氣壓曲線 1, 2：不同濃度下溶質(zhì)飽和蒸氣壓與 溫度關(guān)系曲線（c1c2）,過飽和溶液：按相平衡條件應(yīng)有晶體析出而未析出的溶液。,22,吸附：一定條件下，一種物質(zhì)的分子、原子或離子自動(dòng)附著在某固體表面上的現(xiàn)象。,7-5 固體表面的吸附作用,吸附劑(基質(zhì))：具有吸附能力的物質(zhì)。 吸附質(zhì)：被吸附的物質(zhì)。 解吸作用：被吸附物質(zhì)脫離吸附層回到原介質(zhì)的過

9、程。 1.吸附是表面效應(yīng)，被吸附物質(zhì)只停留在固體表面。 2.吸附作用可發(fā)生在各種不同的相界面上。,23,物理吸附與化學(xué)吸附的區(qū)別,固體吸附分類,低溫下一般以物理吸附為主，高溫下一般以化學(xué)吸附為主。,24,1. 吸附等溫線 吸附平衡：吸附速率等于解吸速率時(shí)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)。 吸附量()：吸附平衡時(shí)的吸附量。,7-6 等溫吸附,吸附量表示方法： a. 單位質(zhì)量吸附劑所吸附氣體的物質(zhì)的量： n/m (molkg-1 ) b.單位質(zhì)量吸附劑所吸附氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（0 , 101.325 kPa）下占 有的體積： = V/m (m3kg-1) 氣體吸附量為壓力和溫度的函數(shù)：= f (T, p)。,吸附等溫線：一

10、定溫度下吸附量與平衡壓力的關(guān)系曲線,25,飽和吸附量()：吸附達(dá)飽和狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的吸附量。,26,(1). 固氣表面單分子層吸附理論的基本假設(shè)： 單分子層吸附：吸附力場(chǎng)作用范圍約為分子直徑大小氣體分子只能發(fā)生單分子層吸附。 固體表面均勻：固體表面各晶格位置的吸附能力相同，吸附熱不隨覆蓋程度的大小而變化。 被吸附分子間無相互作用力：分子吸附與解吸難易程度與周圍分子無關(guān)。 吸附平衡是動(dòng)態(tài)平衡：吸附速率與解吸速率相等時(shí)達(dá)到吸附平衡。,2. 蘭格繆爾單分子層吸附理論,27,解吸速率：與固體表面被覆蓋的吸附位置數(shù)成正比：,(2) 蘭格繆爾吸附等溫式,吸附平衡：,吸附速率：與吸附質(zhì)在氣相中的壓力及固體表面的

11、空位數(shù) 成正比：,k1 ：吸附速率常數(shù); : 覆蓋度; 1-：固體表面上空白面積的分?jǐn)?shù)。 N：吸附位置數(shù) (固體表面具有吸附能力的總晶格位置數(shù))。,k-1：解吸速率常數(shù)。,28,b=k1/k-1：吸附系數(shù)，單位：Pa-1，大小與吸附劑、吸附質(zhì)本性及溫度有關(guān)。 飽和吸附量()：吸附質(zhì)有效擠滿固體表面的吸附量。 : 覆蓋度為 的吸附量。,(蘭格繆爾吸附等溫式),吸附平衡：,1/1/p 呈直線關(guān)系，由直線斜率和截距可計(jì)算b和。,29,蘭格繆爾吸附等溫式適用范圍：?jiǎn)畏肿訉游健?壓力很小或吸附很弱時(shí)：b p1, =，吸附達(dá)飽和，吸附量達(dá)最大值。 壓力適中：與p呈曲線關(guān)系。,吸附劑的比表面： As=LA

12、 ：飽和吸附量，單位：molkg-1 ; L：阿伏加德羅常數(shù) A：被吸附氣體分子的截面積； As：m2kg-1,3. 蘭格繆爾吸附等溫式的應(yīng)用,30,吸附等溫線類型 蘭格繆爾吸附等溫式只符合(I)型的等溫線。圖中，p*是飽和蒸氣壓。為什么p/p*最大為1？,31,表面惰性物質(zhì)：能使溶液表面張力增加的物質(zhì)。 表面活性物質(zhì)：能使溶液表面張力降低的物質(zhì)。 表面活性劑活性的大小可用 表示，其值越大， 表明溶質(zhì)濃度對(duì)溶液表面張力影響的越大。,7-7 溶液表面的吸附,1. 溶液表面的吸附,若溶質(zhì)加入溶劑后溶液表面張力增加，溶質(zhì)將自動(dòng)離開表面層進(jìn)入本體溶液，而擴(kuò)散作用使溶液本體及表面層中溶質(zhì)濃度趨于一致。 兩種作用達(dá)平衡時(shí)，若表面層中溶質(zhì)濃度小于溶液本體中的濃度，則稱為負(fù)吸附，反之稱為正