表面现象
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物理化学中的表面现象和界面反应
物理化学中的表面现象和界面反应表面现象和界面反应是物理化学领域中的重要课题，涉及到物质与界面的相互作用、表面结构、表面能量等方面。
本文将以此为主题，介绍表面现象和界面反应的基本概念、研究方法以及在生物、化工等领域的应用。
一、表面现象的基本概念表面现象是指物质与界面之间的相互作用过程，包括液体-气体界面和固体-气体界面。
液体-气体界面的表面现象包括液体表面张力和液滴形成，固体-气体界面的表面现象包括液体在固体表面的吸附、界面活性剂的作用等。
表面现象有其固有的特点，例如，液体分子在液体-气体界面上受到复杂的吸附相互作用，导致液滴形成；而在固体-气体界面上，固体表面原子和分子的排列方式与体相有所不同，表现出特定的性质。
二、研究表面现象的方法研究表面现象的方法主要包括表面张力测定、界面活性剂的表面吸附等实验手段。
例如，通过在液体-气体界面加压，测定液滴的半径变化来确定液体表面的张力。
界面活性剂的表面吸附可以通过测定界面剂溶液的表面张力和浓度来推断。
此外，表面和界面的结构也可以通过许多表征手段进行研究，包括拉曼光谱、X光衍射、透射电子显微镜等技术。
这些方法可以直接或间接地揭示表面分子和原子的排列方式、键长、键角等信息。
三、界面反应的原理与应用界面反应是指液体-液体界面或者固体-液体界面上发生的化学反应。
在界面反应过程中，各相之间的相互作用和传递起着重要的作用。
界面反应在生物、化工等领域有广泛的应用。
例如，生物体内的很多生化反应发生在细胞膜界面上；某些化工过程中，通过控制液体-液体界面上的界面反应，可以实现组分之间的选择性分离和传递，提高反应效率。
四、表面化学在材料制备中的应用表面化学是指通过改变固体表面的结构和性质，来实现功能化、修饰和改进材料性能的一种方法。
例如，通过在金属表面形成一层氧化物薄膜，可以提高金属的耐腐蚀性和强度；通过在纳米颗粒表面修饰有机分子，可以实现药物的缓慢释放，用于肿瘤治疗。
除此之外，表面化学在光电子学、传感器等领域也有广泛的应用。
09章 表面现象
在气泡内壁上A小圈周围的 受力情况，由于每点两边的表面 张力都与内壁相切，大小相等， 但不在同一平面上，不能相消， 会产生一个向圆心的合力。
所有点产生的合力之和为 ps
这合力称为附加压力，指向圆心 气泡内壁受的总压力为
p0 ps
ps p0
A
溶液
ps
二、Laplace 公式
Laplace公式给出了附加压力、表面张力与曲率
h高度的水柱压力就等于 附加压力
p 0
h
B
管内液面上升后又达成
了新的平衡
H2O
纯水与管壁的接触角小 于90º
ps
2
R'
(l g )gh
(l g ) 代表管内液
体和管外气体的密度差
忽略管外气体的密度，
得
2
R'
l gh
若管外是另一种液体，
则2
R'
(l,内 l,外 )gh
界面（interface）
不同相态之间，两相紧密接触、约有几个分子 厚度的过渡区，称为该两相的界面。
常见的界面有： 气-液界面 气-固界面
液-液界面
液-固界面 固-固界面 但没有气-气界面，不同气体接触总是很快就
混合均匀。
气-液界面
空气
CuSO4 溶液
气-液 界面
气-固界面
气-固界面
液-液界面
p 0
A
Hg
h
ps
2
R'
(g l )gh
lgh
( g
l
)代表管内气体
和管外液体的密度差
忽略管内气体的密度，
所有点产生的合力之和为 ps
这合力称为附加压力，指向圆心 气泡内壁受的总压力为
p0 ps
ps p0
A
溶液
ps
二、Laplace 公式
Laplace公式给出了附加压力、表面张力与曲率
h高度的水柱压力就等于 附加压力
p 0
h
B
管内液面上升后又达成
了新的平衡
H2O
纯水与管壁的接触角小 于90º
ps
2
R'
(l g )gh
(l g ) 代表管内液
体和管外气体的密度差
忽略管外气体的密度，
得
2
R'
l gh
若管外是另一种液体，
则2
R'
(l,内 l,外 )gh
界面（interface）
不同相态之间，两相紧密接触、约有几个分子 厚度的过渡区，称为该两相的界面。
常见的界面有： 气-液界面 气-固界面
液-液界面
液-固界面 固-固界面 但没有气-气界面，不同气体接触总是很快就
混合均匀。
气-液界面
空气
CuSO4 溶液
气-液 界面
气-固界面
气-固界面
液-液界面
p 0
A
Hg
h
ps
2
R'
(g l )gh
lgh
( g
l
)代表管内气体
和管外液体的密度差
忽略管内气体的密度，
第十一章 表面现象
即内压为p1=p0 +2/
=101325+2×58.9×10-3÷(10-6/2)
=3.369×105Pa
按克-克方程,可求得水过热蒸气压 3.369×105Pa时沸点
Ln(3.369×105/101325)=(-40660/8.314)(1/T-
1/373)
T=410.6K
即过热410.6-373.2=37.4K
6.
在293K时，当水银被分散成半径为1×107cm的微小汞粒时其蒸汽压为多少？这时气 体中饱和水银蒸汽含量以mg/cm3计算有多 少？（已知293K时一般状态下水银蒸汽压 为1.73×10-4kPa、气体中饱和水银蒸汽含量 为14.3mg/m3，水银表面张力为471.6×103N/m。）
按Kelvin公式 RTln(Pr/P0)=2M/r0 RTln(Pr/P0)=2×471.6×10-3×200.6×10-3/(1×10-
9×13.6×103)
=13870.6
Pr/P0 =297.08 Pr =297.08 ×2.73×10-4×103=51.39Pa (即半径为1×10-7cm水银微粒的蒸气压) 因蒸气压之比等于其含量之比,故
pr/p0 =297.08=m/14.3 M=4248mg/m3
7.
在298K时，已知平均半径为3×10-5cm的石 膏(CaSO4)微粒，在水中溶解度为 18.2mmol/dm3；半径大于2×10-4cm的颗粒 与普通硫酸钙溶解度相同为15.33mmol/dm3； 若石膏的摩尔体积为59cm3；试计算固体硫 酸钙与水之间的界面张力？
根据Kelvin公式
RTln(Cr/C0)=2 SH /rS= 2 SVm·s/r S =(RTr/2Vm·s)ln(Cr/C0)
第七章表面现象
这些力的作 用最终会使液 滴成球形. 滴成球形.
(三)毛细现象 毛细现象是证明表面张力存在的一个典型的例子, 毛细现象是证明表面张力存在的一个典型的例子, 是证明表面张力存在的一个典型的例子 正是表面张力引起的弯曲液面的附加压力使得和毛细 管壁润湿的液体沿毛细管上升. 管壁润湿的液体沿毛细管上升. 2σ cosθ h= ρ液gR 当液体可以润湿毛细管壁, 当液体可以润湿毛细管壁,即形 凹形液面时 成凹形液面时,θ < 90°,h > 0,毛 ° , 细管内液面上升; 细管内液面上升; 若液体不能润湿毛细管壁, 若液体不能润湿毛细管壁,即形 凸液面时 成凸液面时,θ > 90°,h < 0,毛细 ° , 管内液面下降,低于正常液面. 管内液面下降,低于正常液面.
三,表面张力与温度的关系 温度升高,界面张力下降,当达到临界温度 温度升高,界面张力下降,当达到临界温度Tc 界面张力趋向于零.这可用热力学公式说明: 时,界面张力趋向于零.这可用热力学公式说明:
运用麦克司韦关系式,可得: 运用麦克司韦关系式,可得:
S σ = A T , p ,nB T A, p ,nB
如果在活动边框上挂一重物, 如果在活动边框上挂一重物, 使重物质量W 与边框质量W 使重物质量 2与边框质量 1所产 生的重力F与总的表面张力大小相 生的重力 与总的表面张力大小相 等方向相反,则金属丝不再滑动. 等方向相反,则金属丝不再滑动. 上述现象表明:在液体表面存 上述现象表明: 在着一种使液面收缩的力, 在着一种使液面收缩的力,称为表 面张力.它的方向和表面相切, 面张力.它的方向和表面相切,垂 直作用在单位长度线段上的表面收 缩力. 缩力.
二,曲面的蒸气压 (一)弯曲液面的蒸气压——开尔文公式 弯曲液面的蒸气压 开尔文公式 用热力学的基本原理可以导出在指定温度下液体 的蒸气压和曲率半径之间的关系. 的蒸气压和曲率半径之间的关系. 的球形液滴或气泡,在温度T 曲率半径为 r 的球形液滴或气泡,在温度 下的 蒸气压为 pr* ,液体在此温度下的正常蒸气压为 p*
(三)毛细现象 毛细现象是证明表面张力存在的一个典型的例子, 毛细现象是证明表面张力存在的一个典型的例子, 是证明表面张力存在的一个典型的例子 正是表面张力引起的弯曲液面的附加压力使得和毛细 管壁润湿的液体沿毛细管上升. 管壁润湿的液体沿毛细管上升. 2σ cosθ h= ρ液gR 当液体可以润湿毛细管壁, 当液体可以润湿毛细管壁,即形 凹形液面时 成凹形液面时,θ < 90°,h > 0,毛 ° , 细管内液面上升; 细管内液面上升; 若液体不能润湿毛细管壁, 若液体不能润湿毛细管壁,即形 凸液面时 成凸液面时,θ > 90°,h < 0,毛细 ° , 管内液面下降,低于正常液面. 管内液面下降,低于正常液面.
三,表面张力与温度的关系 温度升高,界面张力下降,当达到临界温度 温度升高,界面张力下降,当达到临界温度Tc 界面张力趋向于零.这可用热力学公式说明: 时,界面张力趋向于零.这可用热力学公式说明:
运用麦克司韦关系式,可得: 运用麦克司韦关系式,可得:
S σ = A T , p ,nB T A, p ,nB
如果在活动边框上挂一重物, 如果在活动边框上挂一重物, 使重物质量W 与边框质量W 使重物质量 2与边框质量 1所产 生的重力F与总的表面张力大小相 生的重力 与总的表面张力大小相 等方向相反,则金属丝不再滑动. 等方向相反,则金属丝不再滑动. 上述现象表明:在液体表面存 上述现象表明: 在着一种使液面收缩的力, 在着一种使液面收缩的力,称为表 面张力.它的方向和表面相切, 面张力.它的方向和表面相切,垂 直作用在单位长度线段上的表面收 缩力. 缩力.
二,曲面的蒸气压 (一)弯曲液面的蒸气压——开尔文公式 弯曲液面的蒸气压 开尔文公式 用热力学的基本原理可以导出在指定温度下液体 的蒸气压和曲率半径之间的关系. 的蒸气压和曲率半径之间的关系. 的球形液滴或气泡,在温度T 曲率半径为 r 的球形液滴或气泡,在温度 下的 蒸气压为 pr* ,液体在此温度下的正常蒸气压为 p*
第七章表面现象
2
h
h 2 cos gr
由于接触角为钝角，所以h是负值，表 示管内的液面比管外低。
第7章 液体的表面性质
7.1 表面张力
1.表面张力: 就是存在于液体表面内、沿着与表面 相切方向、且垂直于表面内任意假想的直线的拉力。
f L
Ｌ——液面内直线段的长度；
f f
——表面张力系数。
单位为牛顿／米（N/m）
（1）表面张力系数与液体性质有关。
对于密度小、越易挥发的液体， 值越小。
3.表面张力的微观本质
液体表层内分子力的对称性被破坏，使表层分子 表现为受到一个垂直于液面指向内部的合引力F.
液体内部的分子要进入到
液体表面层，要克服这种
R
指向内部的合引力做功，
增加了分子的势能，即液
F
体表层内的分子比液体内
部的分子有更大的势能，
这就是表面能产生的根源.
例
。
求半径r的小油滴聚合成半径为R的大油滴所释放的
（2）表面张力系数与温度有关。一般来说温度 越高，表面张力系数越小。
（3）表面张力系数与相邻物质的化学性质有关。
2.表面能 外力拉动液膜做功 匀速拉动液膜 F = f
f 2L
dA F dx 2Ldx dS
外力做的功全部用于增加液体的表面能
dA dE dS
E---液体的表面能
2
R2
由于液面很薄，有 R1 R2 R
p1
p3
4
R
小液泡越来越小，大液泡会越来越大。
7.3 毛细现象
7.3.1 润湿与不润湿
接触角:
在液体和固体接触处液体表面的切面与
固体表面的切面之间的夹角
h
h 2 cos gr
由于接触角为钝角，所以h是负值，表 示管内的液面比管外低。
第7章 液体的表面性质
7.1 表面张力
1.表面张力: 就是存在于液体表面内、沿着与表面 相切方向、且垂直于表面内任意假想的直线的拉力。
f L
Ｌ——液面内直线段的长度；
f f
——表面张力系数。
单位为牛顿／米（N/m）
（1）表面张力系数与液体性质有关。
对于密度小、越易挥发的液体， 值越小。
3.表面张力的微观本质
液体表层内分子力的对称性被破坏，使表层分子 表现为受到一个垂直于液面指向内部的合引力F.
液体内部的分子要进入到
液体表面层，要克服这种
R
指向内部的合引力做功，
增加了分子的势能，即液
F
体表层内的分子比液体内
部的分子有更大的势能，
这就是表面能产生的根源.
例
。
求半径r的小油滴聚合成半径为R的大油滴所释放的
（2）表面张力系数与温度有关。一般来说温度 越高，表面张力系数越小。
（3）表面张力系数与相邻物质的化学性质有关。
2.表面能 外力拉动液膜做功 匀速拉动液膜 F = f
f 2L
dA F dx 2Ldx dS
外力做的功全部用于增加液体的表面能
dA dE dS
E---液体的表面能
2
R2
由于液面很薄，有 R1 R2 R
p1
p3
4
R
小液泡越来越小，大液泡会越来越大。
7.3 毛细现象
7.3.1 润湿与不润湿
接触角:
在液体和固体接触处液体表面的切面与
固体表面的切面之间的夹角
第6章表面现象ppt课件
图6-13 白口铁和可锻铸铁的G与T关系
设P0是平面(曲率半径为∞)液体的蒸气压，P是半径为r 的液滴的蒸气压，有质量为dg/M的液体从平面液体转移到 液滴中，该过程的吉布斯自由能变化为
dG1
dg M
(G0
RT
ln P / P0 )
dg M
(G0
RT
ln P0
/ P0)
dg M
RT
ln
p p0
根据热力学的最小自由能原理，表面自由能的减小有两种 可能：或减小表面积A，或减小表面张力σ；或两者同时减 小。1.减小表面积A：△G= σ △A 球状露珠
2.减小表面张力σ： △G= A△ σ 吸附作用
W’=f*△λ （环境） f=2σ*l
W’= 2 σ *l *△λ 2l *△λ= △A
W’= σ *△A 又△G=W’ △G= σ *△A σ= △G/ △A
另一方面，液滴的表面积增加dA，表面自由能变化为
dG 2 dA
dG1 dG 2
所以 dG RT ln p dA
又
M
A 4r2
p0
dA 8rdr
g 4 r3
dg 4r2dr
整理后得到 ln p 2 M p0 r RT
3 凯尔文(Kelvin)公式
从上式看出，r越小的液滴其蒸气压越大。
过饱和蒸气是温度降低到露点以下还不结晶为液体的蒸 气。
过饱和蒸气能够存在的原因是蒸气最初冷凝成液滴，是从 原有的气相产生一个新相，新相的自发形成是一个从无到有、 从小到大的过程，新形成的液滴极其微小，相对而言，微小液 滴的蒸气压大于片面液体的蒸气压，对液体饱和的蒸气压对液 滴并不饱和，如图6-11。若存在凝结中心，则可以大大降低其 过饱和程度。人工降雨、还原炼锌
设P0是平面(曲率半径为∞)液体的蒸气压，P是半径为r 的液滴的蒸气压，有质量为dg/M的液体从平面液体转移到 液滴中，该过程的吉布斯自由能变化为
dG1
dg M
(G0
RT
ln P / P0 )
dg M
(G0
RT
ln P0
/ P0)
dg M
RT
ln
p p0
根据热力学的最小自由能原理，表面自由能的减小有两种 可能：或减小表面积A，或减小表面张力σ；或两者同时减 小。1.减小表面积A：△G= σ △A 球状露珠
2.减小表面张力σ： △G= A△ σ 吸附作用
W’=f*△λ （环境） f=2σ*l
W’= 2 σ *l *△λ 2l *△λ= △A
W’= σ *△A 又△G=W’ △G= σ *△A σ= △G/ △A
另一方面，液滴的表面积增加dA，表面自由能变化为
dG 2 dA
dG1 dG 2
所以 dG RT ln p dA
又
M
A 4r2
p0
dA 8rdr
g 4 r3
dg 4r2dr
整理后得到 ln p 2 M p0 r RT
3 凯尔文(Kelvin)公式
从上式看出，r越小的液滴其蒸气压越大。
过饱和蒸气是温度降低到露点以下还不结晶为液体的蒸 气。
过饱和蒸气能够存在的原因是蒸气最初冷凝成液滴，是从 原有的气相产生一个新相，新相的自发形成是一个从无到有、 从小到大的过程，新形成的液滴极其微小，相对而言，微小液 滴的蒸气压大于片面液体的蒸气压，对液体饱和的蒸气压对液 滴并不饱和，如图6-11。若存在凝结中心，则可以大大降低其 过饱和程度。人工降雨、还原炼锌
化学原理：第三章 表面现象
从单位上来看，实质是表面张力的单位。
——
第一节 表面张力和表面能
由于净吸引力的存在，
表 面
把内部分子移到表面所作的
张 表面功转化为表面分子的位
力 的 理
能，单位表面的表面分子所 具有的位能（即表面能）就
解 是表面张力。
能 的 角
U s A
J m2
N m m2
N m
度
从单位上来看，实质是表面张力的单位。
第一节 表面张力和表面能
人类对一个事物的认识和理解是不断发展变化的，分析 问题和解决问题的角度也是多方面的。例如：圆锥和光
表 面 张 力 的 理 解
圆锥
侧面——三角形
底面——圆
光电效应（E=mC2）角度：光子、粒子性；
波的角度：光是一种电磁波。因此，光具有波粒二象性。
同样，对于表面张力的理解也可以分为以下几个方面。
丝线也受到同样的拉力，只是由于丝线两侧都有液膜，液膜对丝线各部
分施加的净拉力为零。
表面张力是一种收缩力，作用在表面的边界线上，垂直于边
界线向着表面的中心并与表面相切，或者是作用在液体表面上任 一条线的两侧，垂直于该线，沿着液面拉向两侧。
第一节 表面张力和表面能
——
表
面
张
力
的
理
解
2L
力
W1
的 角
W2
第一节 表面张力和表面能
——
表 面 张 力 的 理 解
丝线圈内肥皂膜未刺破时
丝线圈内肥皂膜刺破时
力
金属环上系一丝线圈，把金属环连同丝线圈一起浸入肥皂液中，然
的 角 度
后取出，环中就形成一层液膜，而丝线圈可在液膜上自由游动。如果把 丝线圈内的液膜刺破，丝线圈即被弹开形成圆形，就好象液面对丝线圈
物理化学-表面现象
定量计算：在一定T和外压下，半径为r的液滴 满足下述公式。
ln pr* 2M P * RTr
Kelvin公式(掌握)
Kelvin 公式导出了在指定温度下液体的蒸气压和曲 率半径之间的关系。
ln pr* 2M P * RTr
ln pr* 2M ( 1 1 ) P * RT r2 r1
Pr*：半径为r小液滴的蒸气压 P*：正常的蒸气压值（查手册） r：小液滴的曲率半径 σ：液体的表面张力 M：液体的摩尔质量 ρ：液体的密度
影响表面张力的因素(了解)
1）纯物质的表面表面张力与分子的性质有关：
(金属键)> (离子键)> (极性共价键)> (非极性共价键)
2）和形成相界面的另一相有关 两相之间密度和两相分子间的相互作用力不同
3）和温度有关：T 分子运动 ～分子间作用力 两相密度差 表面能 (压力则影响较小)
4）和组分有关 第四节讨论
例：
液体内部分子所受的力 可以彼此抵销；表面分子受 到体相分子的拉力大，受到 气相分子的拉力小，合计受 到被拉入体相的作用力。
界面现象的本质：表面分子受不对称力的作用 结果：表面分子具有高能量
表面Gibbs能(surface Gibbs energy)
以l-g 表面为例，液体表面分子与内部分子受力情况不同 (密度/相互作用)
表面的热力学关系式
根据多组分热力学的基本公式
dU TdS pdV m BdnB B
U U S,V ,nB
对需要考虑表面层的系统，由于多了一个表面相， 在体积功之外，还要增加表面功，则基本公式为
dU TdS pdV dA mBdnB
B
U U (S,V , A, nB )
考虑了表面功的热力学基本关系式为：
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A
V 4r3
3
A 4 r2
dV 4 r2dr
dA 8 rdr
代入得：Δp 2
r
2、液体的润湿与铺展
液体在固体表面的润湿
接触角
杨氏方程
铺展系数
液体在固体表面的润湿
接触角
在气、液、固三相交界点，气-液与液-固界
面张力之间的夹角称为接触角，通常用q表示。
若接触角小于90°，液体能润湿固体，如水 在洁净的玻璃表面；若接触角大于90°，说明液 体不能润湿固体，如汞在玻璃表面。 接触角为0°，称完全润湿；180°，完全不润湿。
广义的比表面自由能定义：
保持相应的特征变量不变，每增加单位表面积 时，相应热力学函数的增值。
狭义的比表面自由能定义：
G ( A ) p,T ,nB
保持温度、压力和组成不变，每增加单位表面 积时，Gibbs自由能的增加值称为比表面Gibbs自 由能，或简称比表面自由能或比表面能，用符号
或 表示，单位为J·m-2。
比表面（specific surface area）
比表面通常用来表示物质分散的程度，有两 种常用的表示方法：一种是单位质量的固体所具 有的表面积；另一种是单位体积固体所具有的表 面积。即：
Am A / m 或 AV A /V
式中，m和V分别为固体的质量和体积，A为其表 面积。目前常用的测定表面积的方法有BET法和 色谱法。
接触角
当液体在固体表面达 到力平衡，即三个表面张 力在水平方向合力为0：
s-g l-s l-g cosq
cosq s-g l-s l-g
液体在固体表面的铺展
有些液固界面， s-g l-s l-g ，即使接触角为
0°，水平方向也不能达到力平衡，则液体可在固体 表面完全展开。也可发生在液－液界面。
8.2 纯液体的表面现象
1、弯曲表面下的附加压力 2、液体的润湿与铺展 3、弯曲表面的蒸气压
弯曲表面下的附加压力
1.在平面上 弯曲表面下的附加压力 2.在凸面上
3.在凹面上 Young-Laplace公式
弯曲表面下的附加压力
1.在平面上 研究以AB为直径的一个环作
为边界，由于环上每点的两边都 存在表面张力，大小相等，方向 相反，所以没有附加压力。
所有的点产生的总压力为Dp ，
称为附加压力。凸面液体受的总
压力为： p0+D p
Dp
po为大气压力， Dp为附加压力。 附加压力示意图
弯曲表面下的附加压力
（3）在凹面上：
研究以AB为弦长的一个球 形凹面上的环作为边界。由于环
上每点两边的表面张力都与凹形
的液面相切，大小相等，但不在
同一平面上，所以会产生一个向
表面张力（surface tension）
（a）
（b）
界面张力与温度的关系
温度升高，界面张力下降，当达到临界温度Tc时， 界面张力趋向于零。这可用热力学公式说明：
因为
运用全微分的性质，可得：
S
( A)T , p,nB ( T )A, p,nB
等式左方为正值，因为表面积增加，熵总是增加
的。所以 随T的增加而下降。
5.固-固界面
界面现象的本质
表面分子和内部分子受力不同： 内部——各方向抵消； 表面——受力不均衡。
这使表面分子能量高于内部分 子，若将内部分子移至表面则需 克服不对称力场而作功。
这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势(液滴 为球状，小颗粒自动聚集)，并使表面层显示出一些独 特性质，如表面张力、表面吸附、毛细现象、过饱和 状态等。
人工降雨
夏天，云朵中的水蒸气压力已超过平液面的 饱和蒸气压，而水蒸气仍不凝结为雨滴。
表面和界面(surface and interface)
界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区， 若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。但一 般不作严格的区分。
常见的界面有：气-液界面，气-固界面，液-液 界面，液-固界面，固-固界面。
表面和界面(surface and interface)
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。
(a)
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，见(a)图。
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 (b) 即将线圈绷成一个圆形，见(b)图， 清楚的显示出表面张力的存在。
表面张力（surface tension）
在两相(特别是气-液)界面上，处 处存在着一种张力，它垂直于表面的 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
称为表面张力，用 表示，单位是
N·m-1。
将有一个活动边框的金属线框架 放在肥皂液中，然后取出悬挂，活动 边在下面。如果下方无重物，则由于 金属框上的肥皂膜的表面张力作用， 活动边框将上移，直至顶端。
边长l/m
1×10-2 1×10-3 1×10-5 1×10-7 1×10-9
立方体数
1 103 109 1015 1021
比表面Av/（m2/m3） 6 ×102 6 ×103 6 ×105 6 ×107 6 ×109
表面功（surface work）
由于表面层分子的受力情况与本体中不同，因此 如果要把分子从内部移到界面，或可逆的增加表面积， 就必须克服体系内部分子之间的作用力，对体系做功。
常见的界面有： 1.气-液界面
表面和界面(surface and interface)
2.气-固界面
表面和界面(surface and interface)
3.液-液界面
表面和界面(surface and interface)
4.液-固界面
表面和界面(surface and interface)
铺展系数(spreading coefficient)
等温、等压条件下，单位面积的液固界面取 代了单位面积的气固界面并产生了单位面积的气 液界面，这过程表面自由能变化值的负值称为铺 展系数，用S表示。若S ，说明液体可以在固体 表面自动铺展。
S DG (l-s l-g s-g )
铺展系数(spreading coefficient)
物理化学电子课件—第八章
图片
(一) 表面现象
8.1 表面吉布斯函数和表面张力 8.2 纯液体的表面现象 8.3 气体在固体表面上的吸附 8.4 溶液的表面吸附 8.5 表面活性剂及其作用
8.1 表面吉布斯函数和表面张力
❖表面和界面 ❖界面现象的本质 ❖比表面 ❖分散度与比表面 ❖表面功 ❖表面自由能 ❖表面张力 ❖界面张力与温度的关系 ❖影响表面张力的因素
B
相应增加 dA一项， dH TdS Vdp dA BdnB
即：
B
dF SdT pdV dA BdnB
B
由此可得：
dG SdT Vdp dA BdnB
B
U ( A )S,V ,nB
H ( A )S, p,nB
(
F A
)T
,V
,nB
(
G A
)T
,
p , nB
比表面自由能
S DG (l-s l-g s-g )
液体的润湿与铺展
液体在液体表面的铺展
一种液体能否在另一种不互溶的液体上铺展， 取决于两种液体本身的表面张力和两种液体之间 的界面张力。
一般说，铺展后，表面自由能下降，则这种 铺展是自发的。
大多数表面自由能较低的有机物可以在表面 自由能较高的水面上铺展。
液体在液体表面的铺展
ln pr ' 2 M p ' RTr
这就是Kelvin公式，式中为密度，M为摩尔质量。
➢对于凸液面，r>0，pr’>p’，且r越小， pr’越大。 人工降雨
3. 弯曲表面上的蒸气压——开尔文公式
ln pr ' 2 M p ' RTr
这就是Kelvin公式，式中为密度，M为摩尔质量。
➢对于凸液面，r>0，pr’>p’，且r越小， pr’越大。 人工降雨
设液体1和2的表面张力和界
面张力分别为1,g, 2,g和1,2。 2,g
在三相接界点处，1,g和1,2的作
用力企图维持液体1不铺展；
1,g
1 2
1,2
而2,g的作用是使液体铺展，如果2,g>(1,g+1,2)，
则液体1能在液体2上铺展。
3. 弯曲表面上的蒸气压——开尔文公式
液体(T,p) ƒ 液滴(T,pr) ƒ
Dp
上的合力。
所有的点产生的总压力为Dp ， 称为附加压力。凹面上向下的总 压力为：po-Dp ，所以凹面液体所 受的压力比平面液体小。
附加压力示意图
杨-拉普拉斯公式
1805年Young-Laplace导出了附加压力与曲率半 径之间的关系式：
Dp 2
r
根据数学上规定，凸面的曲率半径取正值，凹 面的曲率半径取负值。所以，凸面的附加压力指向 液体，凹面的附加压力指向气体，即附加压力总是 指向曲面的球心。
影响表面张力的因素
（1）分子间相互作用力的影响 对纯液体或纯固体，表面张力决定于分子间形成的
化学键能的大小，一般化学键越强，表面张力越大。
(金属键)> (离子键)> (极性共价键)> (非极性共价键)
（2）温度的影响 温度升高，表面张力下降。 （3）压力的影响
表面张力一般随压力的增加而下降。因为压力增加， 气相密度增加，表面分子受力不均匀性略有好转。另外， 若是气相中有别的物质，则压力增加，促使表面吸附增 加，气体溶解度增加，也使表面张力下降。
表面张力（surface tension）
如果在活动边框上挂一重物，
V 4r3
3
A 4 r2
dV 4 r2dr
dA 8 rdr
代入得：Δp 2
r
2、液体的润湿与铺展
液体在固体表面的润湿
接触角
杨氏方程
铺展系数
液体在固体表面的润湿
接触角
在气、液、固三相交界点，气-液与液-固界
面张力之间的夹角称为接触角，通常用q表示。
若接触角小于90°，液体能润湿固体，如水 在洁净的玻璃表面；若接触角大于90°，说明液 体不能润湿固体，如汞在玻璃表面。 接触角为0°，称完全润湿；180°，完全不润湿。
广义的比表面自由能定义：
保持相应的特征变量不变，每增加单位表面积 时，相应热力学函数的增值。
狭义的比表面自由能定义：
G ( A ) p,T ,nB
保持温度、压力和组成不变，每增加单位表面 积时，Gibbs自由能的增加值称为比表面Gibbs自 由能，或简称比表面自由能或比表面能，用符号
或 表示，单位为J·m-2。
比表面（specific surface area）
比表面通常用来表示物质分散的程度，有两 种常用的表示方法：一种是单位质量的固体所具 有的表面积；另一种是单位体积固体所具有的表 面积。即：
Am A / m 或 AV A /V
式中，m和V分别为固体的质量和体积，A为其表 面积。目前常用的测定表面积的方法有BET法和 色谱法。
接触角
当液体在固体表面达 到力平衡，即三个表面张 力在水平方向合力为0：
s-g l-s l-g cosq
cosq s-g l-s l-g
液体在固体表面的铺展
有些液固界面， s-g l-s l-g ，即使接触角为
0°，水平方向也不能达到力平衡，则液体可在固体 表面完全展开。也可发生在液－液界面。
8.2 纯液体的表面现象
1、弯曲表面下的附加压力 2、液体的润湿与铺展 3、弯曲表面的蒸气压
弯曲表面下的附加压力
1.在平面上 弯曲表面下的附加压力 2.在凸面上
3.在凹面上 Young-Laplace公式
弯曲表面下的附加压力
1.在平面上 研究以AB为直径的一个环作
为边界，由于环上每点的两边都 存在表面张力，大小相等，方向 相反，所以没有附加压力。
所有的点产生的总压力为Dp ，
称为附加压力。凸面液体受的总
压力为： p0+D p
Dp
po为大气压力， Dp为附加压力。 附加压力示意图
弯曲表面下的附加压力
（3）在凹面上：
研究以AB为弦长的一个球 形凹面上的环作为边界。由于环
上每点两边的表面张力都与凹形
的液面相切，大小相等，但不在
同一平面上，所以会产生一个向
表面张力（surface tension）
（a）
（b）
界面张力与温度的关系
温度升高，界面张力下降，当达到临界温度Tc时， 界面张力趋向于零。这可用热力学公式说明：
因为
运用全微分的性质，可得：
S
( A)T , p,nB ( T )A, p,nB
等式左方为正值，因为表面积增加，熵总是增加
的。所以 随T的增加而下降。
5.固-固界面
界面现象的本质
表面分子和内部分子受力不同： 内部——各方向抵消； 表面——受力不均衡。
这使表面分子能量高于内部分 子，若将内部分子移至表面则需 克服不对称力场而作功。
这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势(液滴 为球状，小颗粒自动聚集)，并使表面层显示出一些独 特性质，如表面张力、表面吸附、毛细现象、过饱和 状态等。
人工降雨
夏天，云朵中的水蒸气压力已超过平液面的 饱和蒸气压，而水蒸气仍不凝结为雨滴。
表面和界面(surface and interface)
界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区， 若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。但一 般不作严格的区分。
常见的界面有：气-液界面，气-固界面，液-液 界面，液-固界面，固-固界面。
表面和界面(surface and interface)
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。
(a)
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，见(a)图。
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 (b) 即将线圈绷成一个圆形，见(b)图， 清楚的显示出表面张力的存在。
表面张力（surface tension）
在两相(特别是气-液)界面上，处 处存在着一种张力，它垂直于表面的 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
称为表面张力，用 表示，单位是
N·m-1。
将有一个活动边框的金属线框架 放在肥皂液中，然后取出悬挂，活动 边在下面。如果下方无重物，则由于 金属框上的肥皂膜的表面张力作用， 活动边框将上移，直至顶端。
边长l/m
1×10-2 1×10-3 1×10-5 1×10-7 1×10-9
立方体数
1 103 109 1015 1021
比表面Av/（m2/m3） 6 ×102 6 ×103 6 ×105 6 ×107 6 ×109
表面功（surface work）
由于表面层分子的受力情况与本体中不同，因此 如果要把分子从内部移到界面，或可逆的增加表面积， 就必须克服体系内部分子之间的作用力，对体系做功。
常见的界面有： 1.气-液界面
表面和界面(surface and interface)
2.气-固界面
表面和界面(surface and interface)
3.液-液界面
表面和界面(surface and interface)
4.液-固界面
表面和界面(surface and interface)
铺展系数(spreading coefficient)
等温、等压条件下，单位面积的液固界面取 代了单位面积的气固界面并产生了单位面积的气 液界面，这过程表面自由能变化值的负值称为铺 展系数，用S表示。若S ，说明液体可以在固体 表面自动铺展。
S DG (l-s l-g s-g )
铺展系数(spreading coefficient)
物理化学电子课件—第八章
图片
(一) 表面现象
8.1 表面吉布斯函数和表面张力 8.2 纯液体的表面现象 8.3 气体在固体表面上的吸附 8.4 溶液的表面吸附 8.5 表面活性剂及其作用
8.1 表面吉布斯函数和表面张力
❖表面和界面 ❖界面现象的本质 ❖比表面 ❖分散度与比表面 ❖表面功 ❖表面自由能 ❖表面张力 ❖界面张力与温度的关系 ❖影响表面张力的因素
B
相应增加 dA一项， dH TdS Vdp dA BdnB
即：
B
dF SdT pdV dA BdnB
B
由此可得：
dG SdT Vdp dA BdnB
B
U ( A )S,V ,nB
H ( A )S, p,nB
(
F A
)T
,V
,nB
(
G A
)T
,
p , nB
比表面自由能
S DG (l-s l-g s-g )
液体的润湿与铺展
液体在液体表面的铺展
一种液体能否在另一种不互溶的液体上铺展， 取决于两种液体本身的表面张力和两种液体之间 的界面张力。
一般说，铺展后，表面自由能下降，则这种 铺展是自发的。
大多数表面自由能较低的有机物可以在表面 自由能较高的水面上铺展。
液体在液体表面的铺展
ln pr ' 2 M p ' RTr
这就是Kelvin公式，式中为密度，M为摩尔质量。
➢对于凸液面，r>0，pr’>p’，且r越小， pr’越大。 人工降雨
3. 弯曲表面上的蒸气压——开尔文公式
ln pr ' 2 M p ' RTr
这就是Kelvin公式，式中为密度，M为摩尔质量。
➢对于凸液面，r>0，pr’>p’，且r越小， pr’越大。 人工降雨
设液体1和2的表面张力和界
面张力分别为1,g, 2,g和1,2。 2,g
在三相接界点处，1,g和1,2的作
用力企图维持液体1不铺展；
1,g
1 2
1,2
而2,g的作用是使液体铺展，如果2,g>(1,g+1,2)，
则液体1能在液体2上铺展。
3. 弯曲表面上的蒸气压——开尔文公式
液体(T,p) ƒ 液滴(T,pr) ƒ
Dp
上的合力。
所有的点产生的总压力为Dp ， 称为附加压力。凹面上向下的总 压力为：po-Dp ，所以凹面液体所 受的压力比平面液体小。
附加压力示意图
杨-拉普拉斯公式
1805年Young-Laplace导出了附加压力与曲率半 径之间的关系式：
Dp 2
r
根据数学上规定，凸面的曲率半径取正值，凹 面的曲率半径取负值。所以，凸面的附加压力指向 液体，凹面的附加压力指向气体，即附加压力总是 指向曲面的球心。
影响表面张力的因素
（1）分子间相互作用力的影响 对纯液体或纯固体，表面张力决定于分子间形成的
化学键能的大小，一般化学键越强，表面张力越大。
(金属键)> (离子键)> (极性共价键)> (非极性共价键)
（2）温度的影响 温度升高，表面张力下降。 （3）压力的影响
表面张力一般随压力的增加而下降。因为压力增加， 气相密度增加，表面分子受力不均匀性略有好转。另外， 若是气相中有别的物质，则压力增加，促使表面吸附增 加，气体溶解度增加，也使表面张力下降。
表面张力（surface tension）
如果在活动边框上挂一重物，