应用物理化学表面现象共106页文档
大学物理化学 表面现象
7.3.1固体对气体的吸附 吸附平衡：
对于一个指定的吸附系统，当吸附速率 等于脱附速率时所对应的状态。 吸附量：
吸附达到平衡时的吸附量。可用每单位 吸附剂表面上所吸附的吸附质的量，或每 单位质量吸附剂的表面上所吸附的吸附质 的量，或每单位质量的吸附剂所吸附的气 体在标准状况下的体积来表示。
气体在固体表面上的吸附量与气体的平 衡压力及系统的温度有关。
（2）当压力足够高或吸附较强时，bp 1， ＝
（3）当压力的大小或吸附作用力适中时， 与p呈曲线关系
7.3.2溶液的表面吸附
一、基本概念 正吸附：
溶质在表面层中的平衡浓度大于它在溶 液本体中的浓度。 负吸附：
溶质在表面层中的平衡浓度小于它在溶 液本体中的浓度。
表面惰性物质： 凡能使溶液表面张力增加的物质。
的微小液滴的饱和蒸汽压，
不仅与液态物质的本性、温度及外压有关， 而且还与微小液滴的半径大小有关。
RT ln pr p 2M r开尔文公式
推导： 恒温下将1mol平面液体分散为半径为r
的小液滴。
1mol饱和蒸汽
（p）
ΔG2
在上一过程中，环境对体系所做的表面功为
Wr' fdx(3)
液膜两面增加的总表面积为 dA 2ldx(4) 将（3）、（4）代入（1），得
fdx 2ldx 所以：＝ f
2l
定义： 比表面吉布斯函数为表面张力，单位为
N.m-1。 表示垂直作用于单位长度周界限上的表
定义： 为比表面吉布斯函数，单位为
J.m-2。表示体系的单位面积表面层分子 比同量的体相分子超出的吉布斯函数。
其物理意义为：在恒温恒压下，每增加 单位表面积时，所引起的体系吉布斯函 数的增加。
物理化学界面第9章 表面现象总结
第9章表面现象和胶体化学1 基本概念1.1界面和表面不同物质或同种物质的密切接触的两个相之间的过渡区叫界面，如液态水和冰的接触面，水蒸气和玻璃的接触面等等。
表面是指固体对真空或固体和液体物质与其自身的蒸气相接触的面。
显然，表面包括在界面的概念之内，但通常并没严格区别两者，“表面”和“界面”互相通用。
1.2 表面能、表面函数和表面功表面上的物质微粒比他们处于体相内部时多出的能量叫表面能或总表面能。
由于表面的变化通常在等温等压条件下进行，因此这时的表面能实际上就是表面吉布斯函数。
在等温等压下且组成不变的条件下以可逆方式增加体系的表面积时所做的非体积功叫表面功，它在量值上等于表面吉布斯函数。
1.03 表面张力（比表面能）简单的说，表面张力就是单位面积上的表面能量，即比表面能，因为它与力有相同的量纲，故叫表面张力。
实际上，表面张力是表面层的分子垂直作用在单位长度的线段或边界上且与表面平行或相切的收缩力。
1.04 附加压力弯曲液面下的附加压力是指液面内部承受的压力与外界压力之差，其方向指向曲面球心。
1.5 铺展和铺展系数某一种液滴在另一种不相溶的液体表面上自行展开形成一层液膜的现象叫铺展，也叫展开。
铺展系数就是某液滴B在液体A的表面上铺展时比表面吉布斯函数的变化值，常用符号为S B/A1.6 湿润凡是液体沾湿在固体表面上的现象都叫润湿，其中又分为铺展润湿（液体在固体表面上完全展开），沾湿湿润（液体在固体表面形成平凹透镜）和浸没湿润（固体完全浸渍在液体中），三种湿润程度的差别是：浸没湿润〉铺展湿润〉沾湿湿润1.7 沾湿功和湿润功在定温定压下，将单位面积的固-液界面分开时外界所做的可逆功叫沾湿功。
这一概念对完全不相溶的两种液体间的界面也适用。
结合功是指定温定压下，将单位面积的液柱拉开时外界所做的可逆功，又叫内聚功。
它是同种分子相互吸引能力的量度。
1.08 接触角液体在固体表面达到平衡时，过三相接触点的切线与固-液界面所夹的最大角叫平衡接触角或润湿角，常用符号θ。
物理化学第八章表面
物理化学第八章表面一、表面化学的概念表面化学是研究发生在固体表面或液体表面的化学现象的科学。
在处理和制备材料、开发新工艺、研究反应机理以及在工业生产和实验室研究中，常常涉及到表面化学问题。
二、表面张力表面张力是液体表面分子之间的相互吸引力，是液体内部分子之间的相互排斥力。
其大小可以用表面张力系数γ表示。
三、弯曲液面的附加压力由于液面是弯曲的，所以液体在表面层内不仅要承受重力等一般压力，还要承受由于液面弯曲而产生的附加压力。
表面层内任一点上总压力与一般压力之差即为附加压力。
四、润湿现象润湿是指液体与固体接触时，液体会延固体表面铺展开来，这种现象叫做润湿现象。
润湿现象的产生与液体和固体的种类及它们之间的相互作用有关。
不同液体在不同固体表面上发生不同的润湿现象。
五、接触角和粘附功接触角是指液体在固体表面上附着时形成的液体-气体-固体三相交界处的切角。
接触角的大小反映了液体对固体表面的润湿程度。
粘附功是指液体润湿固体表面时，由润湿而在界面上产生的附加压力，其大小可用下式表示：W=2γcosθ(1-cosθ)其中γ为表面张力系数，θ为接触角。
六、降低表面张力的方法1、添加表面活性剂：表面活性剂可以显著地降低溶液的表面张力，并具有很好的润湿和乳化能力。
2、温度升高：温度升高可以增加分子的热运动，从而降低表面张力。
3、改变固体表面的性质：通过改变固体表面的性质（如通过化学吸附或物理吸附），可以降低表面张力。
七、应用表面化学的方法制备微纳米材料通过使用表面化学的方法，可以在固体表面上制备出各种微纳米材料。
例如，通过使用表面活性剂可以制备出纳米颗粒和纳米膜等材料。
通过使用分子束外延等方法可以在固体表面上制备出单层或多层原子膜。
这些技术在材料科学、电子学和生物学等领域中有着广泛的应用。
物理化学第十三章表面物理化学物理化学是化学的一个重要分支，它涉及到分子间的相互作用、物质的结构和性质以及它们之间的转化。
在物理化学的学习中，第十三章的内容是表面物理化学，它主要研究的是液体和气体界面上的分子相互作用和物理现象。
物理化学课件09章_表面现象
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2020/7/7
例题
一滴体积V =10－6 m3的水滴，当被分散 为半径分别是r1=10－3 m，r2=10－4 m， r3=10－6 m，r4=10－8 m的小液滴时，分
散成的水滴总数、比表面和总表面积各 为多少？
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2020/7/7
表面张力
表面和界面(surface and interface)
5.固-固界面
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2020/7/7
9-1 表面张力
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
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2020/7/7
表面张力
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2020/7/7
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。
温度、压力和组成恒定时，可逆使表面积增加dA所 需要对体系作的功，称为表面功。用公式表示为：
WdA
式中为比例系数，它在数值上等于当T，P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。
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2020/7/7
表面自由能(surface free energy)
考虑了 表面功，热
dU TdS PdV dA BdnB
应用物理化学 表面现象
曲线的曲率等于与该点相切之圆的半径R的倒数。1/R
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2015/12/21
曲面的曲率：
曲面上某处的正交法平面截口的曲率半径和叫做 曲面在此点的主半径。
凸液面的曲率为正值，凹液面的曲率为负值，平面的曲率为零。
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2015/12/21
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立方体数 1 103 109 1015 1021
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比表面Av/（m2/m3） 6 ×102 6 ×103 6 ×105 6 ×107 6 ×109
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2015/12/21
四、表面功
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。 表面功: 温度、压力和组成恒定时，可逆使表面积增加 dA所需要对体系作的功。用公式表示为：
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2015/12/21
二、界面现象及本质
2、界面现象的本质: 表面层分子与内部分子相比，它们所处的环境不同。 体相内部分子：所受四周邻近分子的作用力是对称的。 界面层的分子：一方面受到体相内相同物质分子的作用，另 一方面受到性质不同的另一相中物质分子的作用，其作用力 不能相互抵销，因此，界面层会显示出一些独特的性质。 对于单组分体系，这种特性主要来自于同一物质在不同相中的 密度不同；对于多组分体系，则特性来自于界面层的组成与任 一相的组成均不相同。
产生原因溶质在液体表面的浓度大于在液体内部的浓度1正吸附发生原因溶质分子都倾向于到液体表面上来表面能减少溶质分子置换了液体表面的溶剂分子液体内部对表面分子的净吸引力减少表面张力减小溶剂与溶质分子之间吸引力小于溶剂与溶剂分子之间吸引力上一内容下一内容回主目录返回20192132负吸附发生原因溶剂与溶质分子之间的吸引力大于溶剂与溶剂分子之间的吸引力如果溶质分子置换了液体表面的溶剂分子液体内部对表面分子的净吸引力增加表面张力增大违反表面能是自动趋于减少的规律溶质在液体表面的浓度小于在液体内部的浓度
物理化学第八章表面现象
见右图，液体内部分子受到的 力彼此抵销，但表面分子受到指 向液体内部的力，所以表面分子 有进入液体内部的倾向。 这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势，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。
二、表面吉布斯函数与表面张力
二、毛细管现象
将毛细管插入液体中，如果液体润湿管壁，则液 面成凹液面，液体将在管内升高；如果液体不润湿 管壁，液面成凸液面，液体将在管内下降。这种现 象称为毛细（管）现象。
h
h
二、毛细管现象
毛细管中液面上升高度可 用下式求算：
2 gh p r
2 cos h gR
θ称为接触角。
2、在凸面上 显然表面张力的合力指向球心， 内部分子所受压力大于表面分子。 ΔP = Pin - Pex >0 3、在凹面上 表面张力的合力仍然指向球心， 但内部分子所受压力小于表面分 子。 ΔP = Pin - Pex <0 ΔP ΔP
一、弯曲表面下的附加压力
1805年Young-Laplace导出了附加压力与曲率半径 之间的关系式：杨-拉普拉斯公式
pex
h
2 2 1.250 7 5 10 (pa) 8 r 5 10
d
压力如此之大，气泡难以存在，但炉壁为多孔砖， 已有半径较大气泡存在，实际附加压力并不很大。
二、毛细管现象
润湿和不润湿： 若液体能够在固体表面铺展，则称该液体对该固体 能够润湿（后面还要讲到）。
润湿
不润湿
一、微小液滴的蒸汽压与人工降雨 二、纯液体的凝固点和过冷现象 三、微小晶粒的溶解度与过饱和溶液 四、过热液体与爆沸现象 五、亚稳状态与金属热处理
大学物理化学课件 第八章 表面现象
Fdx (2l' dx)
F = •2l '
F 2l '
式中 为比例常数，是作用于液面上单位长度线段上的力，
即表面张力，单位是N·m-1。
表面吉布斯能和表面张力是完全等价的，具有等价的量 纲和相同的数值。
三、影响表面张力的因素
1. 组成表面的物质 物质内部的分子间引力引起表面吉布斯能，分子间作用力越大， 表面吉布斯能越大。
也就是单位表面积上的分子比 相同数量的内部分子“超额”吉布斯自由能，
因此σ称为“表面吉布斯自由能” 或简称为“表面能”
二、表面吉布斯能和表面张力 2. 表面张力 用肥皂液在一个系有线 圈的金属环上形成一个液膜， 由于线圈周围都是相同的液 体，受力均衡，线圈可以在 液膜上自由移动位置。
若将线圈内液膜刺破， 线圈两边受力不再平衡， 立即绷紧成圆形。
二、表面吉布斯能和表面张力
这些现象表明，在液体表面存在一种使液面 收缩的力，称表面张力（surface tension）或界面 张力（interfacial tension）。
表面张力的方向和表面相切， 是垂直作用在表面上单位长度线段上的表面收缩力。
二、表面吉布斯能和表面张力
在温度、压力恒定的条件下，在AB边施加向右的力F，使 AB在可逆的情况下向右移动dx。F和液膜表面边缘的长度l成 正比，因为液膜有正反两个表面，设AB = l′，则
表面功的大小和dA成正比
Байду номын сангаас
W = dA
为比例系数
根据热力学第二定律
d G T , p,nB δW 'r
所以：dGT ,P,nB dA 定义表面吉布斯能
G
A T , p,nB
物理化学ppt 表面现象
设气体为理想气体
Vm (l )dp(l ) = Vm ( g )dp( g )
p 平 + ∆p
∫ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
p平
Vm (l )dp (l ) =
∫
p
p0
RT dp ( g ) p( g )
p Vm (l ) ∆p = RT ln p0
2γ ∆p = R液
Vm (l ) =
M
Langmuir吸附等温式
Langmuir的两个重要假设： (1) 单分子层吸附； (2) 固体表面均匀，被吸附分子之间无相互作用； (3) 动态平衡。 设：表面覆盖度θ = V/Vm V为吸附体积 r(吸附)=kap( 1-θ ) 则空白表面为(1 - θ ) Vm为吸满单分子层的体积 r(脱附)=kdθ
常见界面
1.气-液界面
2.气-固界面
3.液-液界面
4.液-固界面
5.固-固界面
分散度与比表面
物质分散成细小微粒的程度称为分散度 分散度。物质分割得 分散度 越小，则分散度越高，比表面也越大。下表为边长1cm的 立方体(1cm3)逐渐分割成小立方体时的比表面增长情况 边长l/m 立方体数 比表面Av /(m2/m3) 1 10 1×10-2 1 6 ×102 10 1×10-3 103 6 ×103 1×10-5 109 6 ×105 1×10-7 1015 6 ×107 1×10-9 1021 6 ×109 可以看出，从边长为10-2m到10-9m，比表面增长了一千 万倍。达到nm级的超微粒具有巨大的比表面积，因而具有 许多独特的表面效应，成为新材料和多相催化的研究热点。
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。