大学物理化学经典课件6-5-界面现象
合集下载
物理化学(第二版)第六章 胶体和界面化学
比表面（specific surface area）与分散度
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。
S SV V
S SW W
式中，W 和V分别为固体的质量和体积，S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。 分散度－－把物质分散成细小微粒的程度称为分散 度。物质分割得越小，分散度越高，比表面也越大。
r
弯曲液体表面上的蒸汽压
液体(T , pl ) === 饱和蒸汽( T , pg )
Gm (l) Gm (g)
Gm (g) Gm (l) dpg dpl pg T pl T
Vm (l)dpl Vm (g)dpg RTd ln pg
弯曲液体表面的附加压力
p凸 p0 p
（3）在凹面上：
p凹 p0 p
附加压力与曲率半径的关系
（忽略重力的影响）反抗压力 pi 移动活塞液滴体积增加 dV，对液 体所做的功为 pidV ; 液滴克服 pe 的压力增大体积 dV 对环境做 功 pedV，同时表面积增大dA付出表面功 σdA 。
比表面与分散度
把边长为1cm的立方体逐渐分割成小立方体的情况： 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S/（m2/m3） 6 ×102 6 ×103 6 ×105 6 ×107 6 ×109
从表上可以看出，当将边长为10-2m的立方体分 割成10-9m的小立方体时，比表面增长了一千万倍。 可见达到nm级的超细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 化方面的研究热点。
物理化学08界面现象
第八章
界面现象
界面现象
•雨滴、露珠； •碳粉脱色；硅胶吸水、塑料防水； •玻璃毛细管内水面上升、汞面下降； •肥皂、牙膏起泡去污； •牛奶、豆浆成乳状液而稳定存在； •豆浆可破乳制作豆腐；
•水过冷而不结冰；液体过热而不沸腾；
•溶液过饱和而不结晶；
引
1、界面与表面
言
界面：任意两相的接触面
表面：物质与真空、本身的饱和蒸气或 含饱和蒸气的空气之间的接触面
液体/空气 水 表面能/ J· 2 m 72.75103 液体/液体 苯/水 表面能/ J· 2 m 35.0103
苯
乙醇 乙二醇 甘油 液体石蜡 汞
28.88103
22.27103 46.0103 63.0103 33.1103 484103
四氯化碳/水
橄榄油/水 液体石蜡/水 乙醚/水 正丁醇/水 水/汞
凹液面： p = pg – pl
定义：弯曲液面凹面一侧压力为p内； 凸面一侧压力为p外
附加压力p = p内 – p外
弯曲液面附加压力
弯曲液面附加压力
二、拉普拉斯(Laplace )方程
pg
凸液面球缺处
r'
r
F 2r cos
'
p F
r '
2
r' 2r ' r p
G γ A s T,p
单位：J· -2 m
二、热力学公式
dU TdS pdV B dnB dA
dH TdS Vdp B dnB dA
dA SdT pdV B dnB dA
dG SdT Vdp B dnB dA
界面现象
界面现象
•雨滴、露珠； •碳粉脱色；硅胶吸水、塑料防水； •玻璃毛细管内水面上升、汞面下降； •肥皂、牙膏起泡去污； •牛奶、豆浆成乳状液而稳定存在； •豆浆可破乳制作豆腐；
•水过冷而不结冰；液体过热而不沸腾；
•溶液过饱和而不结晶；
引
1、界面与表面
言
界面：任意两相的接触面
表面：物质与真空、本身的饱和蒸气或 含饱和蒸气的空气之间的接触面
液体/空气 水 表面能/ J· 2 m 72.75103 液体/液体 苯/水 表面能/ J· 2 m 35.0103
苯
乙醇 乙二醇 甘油 液体石蜡 汞
28.88103
22.27103 46.0103 63.0103 33.1103 484103
四氯化碳/水
橄榄油/水 液体石蜡/水 乙醚/水 正丁醇/水 水/汞
凹液面： p = pg – pl
定义：弯曲液面凹面一侧压力为p内； 凸面一侧压力为p外
附加压力p = p内 – p外
弯曲液面附加压力
弯曲液面附加压力
二、拉普拉斯(Laplace )方程
pg
凸液面球缺处
r'
r
F 2r cos
'
p F
r '
2
r' 2r ' r p
G γ A s T,p
单位：J· -2 m
二、热力学公式
dU TdS pdV B dnB dA
dH TdS Vdp B dnB dA
dA SdT pdV B dnB dA
dG SdT Vdp B dnB dA
物理化学 界面现象
最简单的例子是液体及其蒸气组成的表面。
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，它可看成是引起液体表面收缩的单 位长度上的力，方向与液体表面相切。 把作用于单位边界线上的这种力称为表面 张力，用g 表示，单位是N· m-1。
F 2g l
物理化学
第十章
界面现象
Interface Phenomenon
第一节 界面张力
1、 液体的表面张力、表面功和表面吉布斯函数
2、 表面热力学基本方程 3、 影响界面张力的因素 第二节 弯曲液面的附加压力与毛细现象 1、 弯曲液面的附加压力 2、 毛细现象 第三节 开尔文公式和亚稳状态
1、 微小液滴的饱和蒸气压 — 卡尔文公式
引
言
界面 (interface) 是指两相的接触面。一般常
把与气体接触的界面称为表面(surface)。界面并
不是两相接触的几何面，Байду номын сангаас有时又将界面称为界 面相。 严格讲表面应是液体和固体与其饱和蒸气之
间的界面，但习惯上把液体或固体与空气的界面
称为液体或固体的表面。
常见的界面有： 1.气-液界面
2.气-固界面
所必须对体系做的可逆非膨胀功，故γ 也称表面功。
表面自由能：
G g ( )T , p As
δW g dAs dGT,P
'
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表面Gibbs自
由能，或简称表面自由能或表面能，用符号 g
表示，单位为J· m-2。 表面张力、单位面积的表面功、单位面积的表面吉 布斯函数的数值和量纲是等同的。
dG g dAs
大学物理化学经典课件6-6-界面现象
增溶作用增溶作用加入表面活性剂要求其浓度达到或超过cmc以形成胶束能促使原来难溶于水的液体如苯等非极性的ch化合物在另一液体如水中易于溶解的现象称为表面活性剂的增溶作用
第六章 界面现象
界 面 现 象
雨后的荷叶
(lotus flower after rain)
上一内容
下一内容
回主目录
返回
６.5.4.2 Gibbs吸附等温式
2 2 T
bp a 2 , 2 bp 1
RT a2 T
p正吸附 1 0, 2 0 * a2 T V ( p p) V c 0, 2 0 负吸附 7.Gibbs吸附公式 a2 T
返回
上一内容
下一内容
回主目录
返回
上一内容
下一内容
回主目录
返回
上一内容
下一内容
回主目录
返回
LB膜
上一内容
下一内容
回主目录
返回
L-B膜的应用
分子组装技术 如:L-B膜有较好的介电性能，隧道穿越导电性 能以及跳跃导电性能，发光性能等。L-B膜的 这些独特的性能在电子元件及集成电路中有重 要应用。 理论研究模型
上一内容
下一内容
回主目录
返回
例
上一内容
下一内容
回主目录
返回
解
上一内容
下一内容
回主目录
返回
解
上一内容
下一内容
回主目录
返回
本章小结
1.表面吉布斯自由能和表面张力
G A T , p ,nB
2.开尔文公式
ln
Pr
第六章 界面现象
界 面 现 象
雨后的荷叶
(lotus flower after rain)
上一内容
下一内容
回主目录
返回
６.5.4.2 Gibbs吸附等温式
2 2 T
bp a 2 , 2 bp 1
RT a2 T
p正吸附 1 0, 2 0 * a2 T V ( p p) V c 0, 2 0 负吸附 7.Gibbs吸附公式 a2 T
返回
上一内容
下一内容
回主目录
返回
上一内容
下一内容
回主目录
返回
上一内容
下一内容
回主目录
返回
LB膜
上一内容
下一内容
回主目录
返回
L-B膜的应用
分子组装技术 如:L-B膜有较好的介电性能，隧道穿越导电性 能以及跳跃导电性能，发光性能等。L-B膜的 这些独特的性能在电子元件及集成电路中有重 要应用。 理论研究模型
上一内容
下一内容
回主目录
返回
例
上一内容
下一内容
回主目录
返回
解
上一内容
下一内容
回主目录
返回
解
上一内容
下一内容
回主目录
返回
本章小结
1.表面吉布斯自由能和表面张力
G A T , p ,nB
2.开尔文公式
ln
Pr
大学物理化学经典课件6-1-界面现象
第六章 界面现象
界 面 现 象
雨后的荷叶
(lotus flower after rain)
上一内容
下一内容
回主目录
返回
课前指导
1. 本章的主要内容
表面吉布斯自由能和表面张力；弯曲表面下的附加
压力与蒸气压；开尔文公式；液体界面的性质；
Gibbs吸附公式；液-固界面现象；表面活性剂及其应 用；固体表面的吸附；吸附等温线的类型；Langmuir 吸附等温式，BET公式，物理吸附和化学吸附。
上一内容
下一内容
回主目录
返回
例. V=1cm3的物质分为边长不同的立方体微粒
边长/cm 1 微粒数 1 总面积/cm2 6
10-1
10 -2
10 3
10 6
60
600
…
10 -7
…
10 21
…
6000m2
从表上可以看出，当将边长为1cm的立方体分割成 10-9m的小立方体时，表面积增长了一千万倍。
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。
上一内容
下一内容
回主目录
返回
举例
上一内容
下一内容
回主目录
返回
小麦叶上的露珠
( dewdrop on wheat leaf )
雨后的荷叶
(lotus flower after rain)
上一内容
下一内容
回主目录
返回
前言
考察一个多相体系：
上一内容
下一内容
回主目录
返回
1.相界面对体系性质是否有影响? 2.如果有，为什么前面几章没有考虑界面的影响？
界 面 现 象
雨后的荷叶
(lotus flower after rain)
上一内容
下一内容
回主目录
返回
课前指导
1. 本章的主要内容
表面吉布斯自由能和表面张力；弯曲表面下的附加
压力与蒸气压；开尔文公式；液体界面的性质；
Gibbs吸附公式；液-固界面现象；表面活性剂及其应 用；固体表面的吸附；吸附等温线的类型；Langmuir 吸附等温式，BET公式，物理吸附和化学吸附。
上一内容
下一内容
回主目录
返回
例. V=1cm3的物质分为边长不同的立方体微粒
边长/cm 1 微粒数 1 总面积/cm2 6
10-1
10 -2
10 3
10 6
60
600
…
10 -7
…
10 21
…
6000m2
从表上可以看出，当将边长为1cm的立方体分割成 10-9m的小立方体时，表面积增长了一千万倍。
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。
上一内容
下一内容
回主目录
返回
举例
上一内容
下一内容
回主目录
返回
小麦叶上的露珠
( dewdrop on wheat leaf )
雨后的荷叶
(lotus flower after rain)
上一内容
下一内容
回主目录
返回
前言
考察一个多相体系：
上一内容
下一内容
回主目录
返回
1.相界面对体系性质是否有影响? 2.如果有，为什么前面几章没有考虑界面的影响？
界面现象PPT课件
c．气体分子溶于液相 ↓
一般：p↑10atm, ↓1mN/m，例:
1atm 10atm
H2O = 72.8 mN/m H2O = 71.8 mN/m
13
§10.2 弯曲液面的附加压力及其后果 1. 弯曲液面的附加压力——Laplace方程
pg
一般情况下，液体表面是水
pl
平的，水平液面下液体所受压力
即为外界压力。
Δp = p内－p外
弯曲液面的附加压力
14
球形液滴(凸液面)，附加压力为： p p 内 p 外 p l p g
液体中的气泡(凹液面)，附加压力:
p p 内 p 外 p g p l
这样定义的p总是一个正值，方向指向凹面曲 率半径中心。
15
弯曲液面附加压力Δp 与液面曲率半径之间关系的推导：
当系统作表面功时，G 还是面积A的函数，若系 统内只有一个相界面，且两相T、p相同 ，
G f( T ,p ,A s,n B ,n C )
d G S d T V d p B ( ) d n B ( ) d A s B
G U H A
A s T , p , n B ( ) A s S , V , n B ( ) A s S , p , n B ( ) A s T , V , n B ( )
：引起表面收缩的单位长度上的力，单位：N·m-1。
7
（2）表面功
当用外力F 使皂膜面积增 大dA时，需克服表面张 力作可逆表面功。
W F d x 2 ld x d A
即：
W r dAs
：使系统增加单位表面所需的可逆功 ，称为表面功。
单位：J·m-2。 （IUPAC以此来定义表面张力）
8
分为1018个
界面现象
太原理工大学物理化学第八章界面现象界面是指相互接触的两相的交界面。
自然界中的物质一般以三种聚集状态存在，三种相态相互接触可 以形成五种界面：液-气、固-气、液-固、液-液和固-固界面。
习惯上将液-气和固-气界面称为表面；而其余 的相界面都称为界面。
由于历史的原因， “表面”和“界面”这两个词经常混用。
界面并不是一个几何平 面，它是从一个相到另一个相的过渡层，有一定的厚度，通常称为界面相或界面层，与界面层相邻的两相 称为体相。
界面现象就是在相界面上所发生的物理化学现象。
许多自然现象、生理现象、工农业生产以至日常生 活上的许多问题都与界面现象有密切的关系，如：液滴呈球形、活性炭能脱色、粉尘容易爆炸等都与界面 现象有关。
产生界面现象的根本原因是由于界面相中的分子与体相中的分子所处的力场不同，因此界面相 的性质和两个体相的性质就会不一样。
在一般情况下，系统所具有的比表面积相当小，表面上的物质、能 量都比体相小得多， 故表面的特殊性质可不考虑。
但当系统的表面积很大时，表面分子所占的比例就很大， 它的特殊性质就成为矛盾的主要方面而表现出各种界面现象。
为了便于比较不同物质的表面性质，提出了比表面积的概念。
比表面积（as）是指单位质量或单位体 积的物质所具有的表面积，用公式表示为： as = As / m 或 as = As / V通常用比表面积来表示物质的分散程度，即分散度。
比表面积越大，分散度越高，表面效应就越明显， 这必然对系统的物理化学性质产生影响，此时就必须考虑界面的特殊性。
这种特殊性反映出的宏观现象就 是人们观察到的界面现象，其具体体现就是界面张力。
§ 8.11．液体的表面吉布斯函数和表面功界面张力界面现象产生的根本原因是由于两相界面上的分子与体相分子所 处环境不同引起的，以液-气界面为例说明之。
如图 8.1.1 所示，处于液 体内部的分子，受周围各分子对它的作用力是对称的，可以相互抵消， 这些分子在液体内部运动时无须对它做功。
大学物理化学经典课件界面现象
生活中的毛细现象
• 1. 煤油灯灯芯吸油 • 2. 毛巾吸水 • 3. 锄地保墒
大雨过后，通过锄地保持土壤水分。
解释
思考题1
思考题2
在多孔固体吸附液体蒸气时为什么会有毛细凝聚现象?
答：毛细凝聚是指固体在吸附蒸气时，在它的细小 的毛细孔中蒸气凝聚成液体，使吸附值大大偏高， 造成测固体表面积的实验失败。发生毛细凝聚的 原因是固体内有微孔，半径极小，这液体又能润 湿固体表面，接触角小于90°。在微孔中一旦形 成液体，液面是凹形的，所以微孔中液面的饱和 蒸气压比平面上的要低得多。在很低的蒸气压力 下，毛细孔内已达到气—液平衡，蒸气不断在毛 细孔内凝聚为液体，使吸附值偏高。防止的方法 是在做吸附实验时控制蒸气的压力，一般控制比 压在0.3以下，防止毛细凝聚。
第六章第六章界面现象界面现象雨后的荷叶lotusflowerafterrain622622新相生成时的新相生成时的亚稳现象亚稳现象续续液体沸腾时的过热现象液体沸腾时的过热现象解释解释液体凝固时的过冷现象液体凝固时的过冷现象解释解释溶解过程的过饱和现象溶解过程的过饱和现象kelvin公式亚稳状态或介安状态亚稳状态或介安状态以上几种状态并非真正的平衡态因为只要引入少量结晶种子就可以破坏这种状态所以称亚稳状态或介安状态
PC lnCC0 2RMT1 r r10
亚稳状态或介安状态
• 以上几种状态并非真正的平衡态，因为只要引入 少量结晶种子，就可以破坏这种状态，所以称亚 稳状态或介安状态。
• 实际生产生活中， 有时要破坏这种状态，如：人工降雨； 有时则要利用这种状态，如：淬火。
6.2.3 分散度对化学反应的影响
• 分散度不仅影响物理性质，而且影响反应能 力（反应速度、化学平衡）。
• 只有分散到10-6cm以下，分散度的影响才能 明显表现出来。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
返回
等压和等量吸附
• 1.等压吸附
等压吸附线趋势 原因
• 2.等量吸附
等量吸附线趋势 遵从规律
上一内容
下一内容
回主目录
返回
（3）BET式（多分子层吸附理论）（1938年）
示意图
上一内容 下一内容 回主目录
返回
曲线直化
上一内容
下一内容
回主目录
返回
多分子层吸附理论
p 1 c 1 p * * V ( p p) Vm c Vmc p
上一内容
下一内容
回主目录
返回
6.5.4 溶液表面层吸附
上一内容
下一内容
回主目录
返回
6.5.4.1 溶液表面层的吸附现象 溶液中溶质在表面层的浓度与在本体溶液中 不同的现象。
表面超量：单位表面层吸附的溶质量。
c表 c内
0 0
上一内容 下一内容
正吸附 负吸附
返回
上一内容 下一内容 回主目录
返回
讨论
V：被吸附 到表面的 气体的量 对应的体 积（换算 成标态下 气体的体 积）
上一内容
下一内容
回主目录
返回
讨论
上一内容
下一内容
回主目录
返回
讨论
上一内容
下一内容
回主目录
返回
理论结果与实验相吻合
C
A O
B
bp bp 1
上一内容 下一内容 回Байду номын сангаас目录
返回
实例
上一内容
下一内容
回主目录
返回
（2）Langmuir吸附等温式
（1916年）
bp bp 1 : 饱和吸附量
bK
上一内容 下一内容
k
k
回主目录
返回
推导
基本假设： • （1）气体吸附为单分子层吸附；只有空白表面 才有吸附能力。
上一内容
下一内容
回主目录
返回
基本假设
• （2）已被吸附的气体分子间无作用力；即： 被吸附的气体分子要逃逸表面不受周围分子的 影响。 • （3）固体表面是均匀的；各处表面特性相同， 吸附能力相同。
上一内容
下一内容
回主目录
返回
• 设某温度下固体表面已被覆盖面积分数为θ， 空白面积分数为1-θ
p
OA段： bp 1, bp p 1 bp AB段： bp 1 BC段：1+bp bp,
上一内容 下一内容 回主目录
返回
上一内容
下一内容
回主目录
返回
解
上一内容
下一内容
回主目录
返回
解
上一内容
下一内容
回主目录
B( g ) A AB p 1-
吸附 k (1 ) p
脱附 k
平衡时： k (1 ) p k
上一内容 下一内容 回主目录
k p
k pk
返回
与 成正比， D 当 1, D kp k /k p kp k k / k p 1 bp 令b k / k K 平衡 则 bp 1
上一内容
下一内容
回主目录
返回
规律 1.吸附等温式 Freundlich式在溶液中的应用更广泛
kc
1
n
此外可以用Langmuir式及BET式，但 都是纯经验的。 2.T影响：复杂
上一内容 下一内容 回主目录
返回
3.选择性吸附原则
规则：优先吸附与吸附剂结构相近的组元 或者极性相同的物质。 • （1）极性吸附剂易吸附极性物质； • （2）溶解度小的易被吸附。
p p 对 * 作图求Vm * V ( p p) p
适用范围：
p/p* 0.05—0.35
• 最重要的应用是测定固体吸附剂的比表面积：
Vm S A0 L 3 22.4dm mol
上一内容 下一内容 回主目录
返回
6.5.3 固体自溶液中的吸附
色谱分析 离子交换剂的作用 浮游选矿 土壤对营养成分的吸收 活性炭吸附杂质
第六章 界面现象
界 面 现 象
雨后的荷叶
(lotus flower after rain)
上一内容
下一内容
回主目录
返回
三种典型的吸附等温式
（1）Freundlich吸附等温式
（1909年）
kp
1
n
1 lg lg k lg p n
lg ~ lg p作图,线性, 1 斜率: , 截距:lgk n
回主目录
例1
上一内容
下一内容
回主目录
返回
例2
戊醇溶液表层浓度远大于内部
正吸附
原因：
20 0 C , 戊醇 0.0238 N m 1
水 0.0725 N m 1
NaCl溶液表层浓度略低于内部 负吸附
上一内容
下一内容
回主目录
返回