09界面现象
界面现象的名词解释
界面现象的名词解释界面现象是指两种不同介质之间形成的边界区域，这个区域具有特殊的物理、化学或生物性质。
界面现象在我们的日常生活中无处不在，而且在科学和工程领域中也起着重要的作用。
本文将对界面现象进行详细解释。
首先，我们来了解一下界面现象的起因。
当两种不同的物质相遇时，它们之间的相互作用形成了一个界面。
这个界面上的物理和化学性质与两种物质本身有着明显的差异。
例如，当水和油相遇时，它们在界面上会形成一个不相溶的薄层，这是由于它们的分子之间的排斥力大于吸引力所致。
界面现象涉及了许多重要的概念和现象。
其中之一是表面张力。
表面张力是液体表面上的一种内聚力，导致液体表面呈现出收缩的趋势。
这可以用一个简单的实验来演示：取一张干净的硬纸币，轻轻放在水面上，可以观察到纸币不会立刻下沉，而是浮在水面上。
这是因为水分子之间存在着相互吸引的力量，使得水的表面呈现出收缩的特性。
除了表面张力，另一个重要的界面现象是浸润性。
浸润性描述了液体对固体的渗透能力。
当一滴液体滴在固体表面上时，它的形状取决于液体和固体之间的相互作用。
如果液体能够充分地渗透进入固体材料中，我们称之为良好的浸润性。
这一现象在涂料、油墨以及润滑剂等领域中具有重要的应用。
此外，界面现象还涉及到界面活性剂的使用。
界面活性剂是一种能在两种不同介质的界面上降低表面张力的物质。
它们能够将不能互溶的物质混合在一起，并形成稳定的乳状液体。
这在食品、日化和医药等行业中被广泛应用。
例如，洗涤剂中的表面活性剂能够使油污和水混合，达到清洁的效果。
界面现象的研究对于解决一些现实生活中的问题非常重要。
例如，界面现象对于研究海洋环境中的表面活性物质分布、油水分离技术的改进以及水处理等方面都具有重要意义。
此外，界面现象还在材料科学、能源储存和转换等领域中发挥着关键作用。
通过研究、理解和利用界面现象，我们可以开发出更高效、更环保的技术和材料。
在总结上述内容之前，值得一提的是生物界面现象。
界面现象
界面现象界面：密切接触的两相之间的过渡区（约几个分子的厚度）称为界面，有五类界面，其中一相是气体时也可称为表面。
处于表面的分子和处于体相的分子的差异使界面表现出一些独特的性质，在前边的体系的讨论中，由于界面的物质的量和体相比较，微乎其微，所以表面性质的差异对整个体系性质的影响也微不足道，可以不予考虑。
但在下面将要研究的体系中, 当分散程度增大时，表面性质对体系将起一定的作用，有必要进行专门的讨论。
界面科学是化学物理生物材料和信息等学科之间相互交叉和渗透的一门重要的边缘科学，是当前三大科学技术（生命科学，材料科学和信息科学）前沿领域的桥梁。
界面化学是在原子或分子尺度上探讨两相界面上发生的化学过程以及化学前驱的一些物理过程。
分散程度和表面积的关系。
由于在界面上分子的处境特殊，有许多特殊的物理化学和化学性质，随着表面张力，毛细现象和润湿现象等逐渐被发现，并赋予了科学的解释。
随着工业生产的发展，与界面现象有关的应用也越来越多，从而建立了界面化学（或表面化学）这一学科分支。
表面化学是一门既有广泛实际应用又与多门学科密切联系的交叉学科，它既有传统，唯象的，比较成熟的规律和理论，又有现代分子水平的研究方法和不断出现的新发现。
1.液体表面张力存在的两个实验：（1） 金属园环内肥皂膜的破裂过程。
（2） U 型框架皂膜的扩大过程。
在皂膜的边缘，存在着一种力，趋向使表面收缩的力，称为表面张力（单位：。
表面张力：作用于表面的边缘，并且和边缘相切，使表面收缩的力。
表面张力是体系的性质，和体相的种类，温度，压力，组成以及与其共存的另一相的性质有关。
当共存的加一相是非气相时，称为界面张力。
2.表面热力学的基本公式当扩展表面时，就需要对体系做功（反抗表面张力），在及组成不γ1-⋅m N p T ,变的条件下，对系统做的功（）等于在这个过程中体系自由能的增加即这个功称为表面功。
在以前的热力学函数变化的表示式中, 没有考虑表面功。
(完整版)09表面张力(1)汇总
2. 影响表面张力的因素
(1)物质本性的影响 液体或固体中分子间作用力愈大, 表面张力愈大. 一般说来,
γ (金属键) > γ(离子键) > γ(极性共价键 )> γ (非极性共价键)固
体分子间的作用力远大于液体, 因而有更大的表面张力. (2)接触相性质的影响
同一种物质与不同性质的其它物质接触时, 表面层中分子所处力 场不同, 导致表面(界面)张力出现明显差异.
9
2、热力学公式
若将各相界面面积As作为变量，先考虑系统内 只有一个相界面，且两相T,p相同，则相应的热力 学公式为：
dG SdT Vdp
μ B
(α)dnB
(α)
γdAs
αB
dU TdS pdV
μ B
(α)dnB
(α)
γdAs
αB
dH TdS Vdp
μ B
(α)dnB
(α)
l/m 10－2 10－3 10－4 10－5 10－6 10－7 10－8 10－9
粒子数
总表面积 m2
A/
1
610－4
103
610－3
106
610－2
109
610－1
1012
6100
1015
6101
1018
6102
1021
6103
比表面 aS/m－1 6102 6103 6104 6105 6106 6107 6108 6109
比 表 面 积 越
分 散 度 越 高
颗 粒 越 小
大
• 高度分散的物质具有巨大的表面积, 往往产生明显的界面效应.
• 任意两相的接触面(约为几个分子层厚度)称为界面, 其中物体与真 空、本身的蒸气或含饱和蒸气的空气的接触面称为表面.
界面现象主要内容1界面与表面定义两相的接触面称为
第十章界面现象主要内容1.界面与表面(1)定义：两相的接触面称为界面；与气体接触的界面称为表面。
(2)界面（表面）的种类：气体气固界面固体1固固界面固体2气固表面面气面气液界界液表固固液界面液面液体1液液界面液体22.液体的表面张力、表面功、表面吉布斯函数(1)表面张力是引起液体表面收缩的单位长度上的力，单位：N.m-1。
表面张力作用方向对于平液面是沿着液面并与液面平行，对于弯曲液面则与液面相切。
＝F / 2l(2)表面张力是使液体增加单位表面时环境所需做的可逆功，单位：δW r / dA s(3)表面张力是系统增加单位面积时所增加的吉布斯函数变，单位：G()T , p3.界面热力学公式-2 J.m 。
J.m-2。
只有一个相界面时：dU = TdS - pdV + γAd s + dH = TdS + Vdp + γAd s + dA =-SdT - pdV + γdA s + dG =-SdT + Vdp + γdA s +在定温、定压、定组成下：B dn BB dn BB dn BB dn BdG dA sG s i A s i则当系统内有多个界面时：i4.界面张力的影响因素：界面张力取决于界面的性质，凡能影响物质性质的因素，对界面张力皆有影响。
(1)物质的本性：不同的物质，分子之间的作用力不同，对界面上分子的影响不同。
一般化学键越强，表面张力越大。
γ金属键 >γ离子键 >γ极性共价键 >γ非极性共价键两种液态物质之间的表面张力一般介于两液体表面张力之间。
(2)温度：同一种物质的界面张力一般随温度的升高而减小。
(3)压力：一般压力升高表面张力下降。
5.弯曲液面的性质(1)附加压力及毛细管现象：弯曲液面存在附加压力。
将弯曲液面内外压力差△ P 称为附加压力。
附加压力 p 总是指向球面的球心（或曲面的曲心 )。
p 2/ r式中 r 为弯曲液面的半径。
此式即为 Laplace 方程，适于计算小液滴和液体中的小气泡的附加压力。
化学物理中的界面现象与表面反应
化学物理中的界面现象与表面反应在化学物理学中，界面现象与表面反应是研究物质与界面、表面之间相互作用的重要领域。
界面现象是指物质与界面之间产生的物理现象，如表面张力、接触角等；而表面反应则是指发生在物质表面的化学反应。
一、界面现象1.表面张力表面张力是液体表面各点之间的相互作用力。
具体来说，液体表面各处的分子组成不同，内部的分子仍然受到液体内部的相互作用力，而表面上的分子只能受到一侧的相互作用力，这就导致表面上的分子有向下的趋势，而这种向下的趋势就是表面张力。
例如，我们把一根干净的细棒插入一杯水中，可以发现水面会稍稍上升，这就是水分子在表面张力的作用下向外抬起细棒。
表面张力影响着液体的形态，使得液体在排斥进一步收缩形态，从而使得液滴成为尽可能球形的形状。
同时，在界面上的物质转移以及表面活性剂的作用下，表面张力也起到了重要的作用。
2.接触角接触角是表面张力和性质的一个体现，是形成于固体表面和液体之间的，已知液体的表面张力和固体表面对该液体不感性的程度。
按照定义，接触角α 角为液体和固体表面接触在一个贯穿液面和固体交界面的线上时，线上端点所扫过的角度。
易受环境因素影响的表面现象还有溶液表面的吸附现象。
溶液中的赖屯分子聚集在其表面，使表面张力增加，造成液面凹陷，称为溶液的表面凹陷。
二、表面反应表面反应指的是在物质表面发生的化学反应。
表面反应的机制有两种：“电化学反应”和“理化反应”。
1.电化学反应在电化学反应中，化学反应的发生是通过在电极上加电而引起表面电荷变化，从而促使反应发生。
电化学反应常常结合了电化学过程、动力学和反应热力学三个方面来研究。
在电化学反应中，电势的变化是关键参数之一。
在反应过程中电势变化并不是线性的，而是富含非线性项，这对于预测和解释表面反应的活性和选择性是非常具有挑战性的。
2.理化反应与电化学反应相比，理化反应是更加广泛的表面反应机制，其中包括了表面化学、液固相化学、气固相化学等多种机制。
物理化学第十章界面现象
第十章界面现象10.1 界面张力界面：两相的接触面。
五种界面：气—液、气—固、液—液、液—固、固—固界面。
（一般常把与气体接触的界面称为表面，气—液界面=液体表面，气—固界面=固体表面。
）界面不是接触两相间的几何平面！界面有一定的厚度，有时又称界面为界面相(层）。
特征：几个分子厚，结构与性质与两侧体相均不同比表面积：αs=A s/m（单位：㎡·㎏-¹）对于一定量的物质而言，分散度越高，其表面积就越大，表面效应也就越明显，物质的分散度可用比表面积αs来表示。
与一般体系相比，小颗粒的分散体系有很大的表面积，它对系统性质的影响不可忽略。
1. 表面张力，比表面功及比表面吉布斯函数物质表面层的分子与体相中分子所处的力场是不同的——所有表面现象的根本原因！表面的分子总是趋向移往内部，力图缩小表面积。
液体表面如同一层绷紧了的富有弹性的橡皮膜。
称为表面张力：作用于单位界面长度上的紧缩力。
单位：N/m,方向：表面（平面、曲面）的切线方向γ可理解为：增加单位表面时环境所需作的可逆功，称比表面功。
单位：J · m-2。
恒温恒压：所以：γ等于恒温、恒压下系统可逆增加单位面积时，吉布斯函数的增加，所以，γ也称为比表面吉布斯函数或比表面能。
单位J · m-2表面张力、比表面功、比表面吉布斯函数三者的数值、量纲和符号等同，但物理意义不同，是从不同角度说明同一问题。
(1J=1N·m故1J·m-2=1N·m-1，三者单位皆可化成N·m-1)推论：所有界面——液体表面、固体表面、液-液界面、液-固界面等，由于界面层分子受力不对称，都存在界面张力。
2. 不同体系的热力学公式对一般多组分体系，未考虑相界面面积时：当体系作表面功时，G 还是面积A的函数在恒温、恒压、组成不变的情况下，使面积减小或表面张力减小，致系统总界面吉布斯函数减小的表面过程可以自发进行。
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）
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分为1018个
固体物理化学 (第9章 界面现象)
分散度与比表面
把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。 把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。 分散度 把一定大小的物质分割得越小，则分散度越高， 把一定大小的物质分割得越小，则分散度越高， 比表面也越大。 比表面也越大。 例如，把边长为1cm的立方体1cm3逐渐分割 成小立方体时，比表面增长情况列于下表： 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
(a)
20
§ 9.1 界面张力
表面张力（ 表面张力（Surface Tension） ）
（a）
（b）
21
§ 9.1 界面张力
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。
γ (金属键)> γ
(离子键)> γ (极性共价键)> γ(非极性共价键)
两种液体间的界面张力，界于两种液体表面张力之间。
（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。
22
§ 9.2 弯曲液面的性质
4.液-固界面
6
表面和界面 § 9.0 表面和界面
表面和界面 (Surface and Interface)
5.固-固界面
7
表面和界面 § 9.0 表面和界面
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如果刺破线圈中央的液膜，线 (b) 圈内侧张力消失，外侧表面张力立 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。
（a）
（b）
二、表面功与表面吉布斯函数
温度、压力和组成恒定时，可逆使表面积增加dA
所需要对系统作的非体积功，称为表面功。用公式表
负值，是负吸附。表面层中溶质浓度低于本体浓度。
非表面活性物质属于这种情况。
表面活性剂简介
表面活性物质含有的亲水极性基团( 如—COOH， — OH ……等) 与憎水的非极性基团( 如碳链或环 )可表 示如下：
亲油的长链非极性基团(碳链或环） 亲水的极性集团,（如 –COOH，-CONH2，-OH等） 表面活性物质分子
的蒸汽压越高；
对凹面（毛细管凹液面）， r 取负值， pr < p，
r 越小，小蒸汽泡中的蒸汽压越低。
2.微小液滴的饱和蒸汽压——开尔文公式
毛细凝聚现象
根据Kelvin公式，凹面上的蒸 汽压比平面上小，所以在小于饱和 蒸汽压时，凹面上已达饱和而发生 凝聚，这就是毛细凝聚现象。如多 孔硅胶及分子筛干燥剂 微小晶体的溶解度
型与 非离子型的。溶于水后能电离生成离子的， 称为离子型表面活性物质；凡在水中不能电离的， 就称为非离子型表面活性物质。离子型的按在水 溶液中的电性，可进一步分类。具体分类见下图：
阴离子型：如肥皂 ，RCOONa
离子型：
R
－+
阳离子型:胺盐 R
+－
表面活性剂
两性型：氨基酸型
R
+
－
非离子型：聚乙二醇类：聚氧乙烯醚、 聚氧乙烯酯
在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着一种 张力，这种力垂直于表面的边界，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 或 表示。 表面张力的单位是： N m1
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
形成胶束的稳定化过程
(b) 空气
水
(c)
(a)
憎水基 亲水基
和水相斥 和水吸引
--
1~3.5 nm
胶束的结构形成示意图
-+ + +
+
+
--
(a)
球形胶束 (b)
H2O
H2O
棒状胶束
(c) 棒状胶束的六角束水
(d)
层状胶束 （e) 醇油
H2O
oil H2O 或
H2O 或
类脂黑膜 O/W微乳 W/O微乳液 单室泡囊
(g) 液
(h)
(i)
*表面活性剂的HLB值
Griffin（格里芬）提出了用HLB(hydrophile-
lipophile balance，亲水亲油平衡)值来表示表面活
性剂的亲水性
HLB值=
亲水基质量 亲水基质量+憎水基质量
×100/5
例如：石蜡无亲水基，所以 HLB=0
解： 根据开尔文公式求在此饱和蒸汽压时液滴半径：
r
2 M
( 2 0.071518103 ) m
RT ln( pr / p) 10008.315 298.15 ln 4
7.491010 m
3.亚稳状态及新相的生成
每个小液滴的质量为：
每个小液滴所含分子数为：
3.亚稳状态及新相的生成
例题 如果水中仅含有半径为1.00×10－3 mm的空气泡 ，试求这样的水开始沸腾的温度为多少度？已知 100℃以上水的表 面张力为0.0589 N·m－1，汽化热为 40.7 kJ·mol－1
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：气-液界面，气-固界面，液-液 界面，液-固界面，固-固界面。
常见的界面有： 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
§9.1 表面张力与表面热力学
弯曲表面上的蒸汽压——Kelvin公式
G vap 1 G vap 3 0
G2
Vmdp
Vmp
2M r
G4
RT
ln
p0 pr
RT
ln
pr p0
G2 G4 0
RT ln pr 2M p r
这就是Kelvin公式
Kelvin公式
RT ln pr 2M p r
对凸面(小液滴），r 取正值，pr > p，r 越小，液滴
第九章
第九章 界面现象
§9.1 表面张力与表面热力学 §9.2 弯曲表面的特性 §9.3 溶液的表面吸附 §9.4 固体表面的吸附 §9.5 液-固界面－润湿作用
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。
毛细管内液柱上升（或下降）的高度可近似
用如下的方法计算
p
ps
2
R'
gh
1 g
当 l g
h 2 R ' 1 g
1.曲率半径 R‘ 与毛细管半径R的关系：
R´ R
cos
如果曲面为球面 R'=R
2.
ps
2
R´பைடு நூலகம்
(l
g )gh
2
R´
gh
ps
2
cos
R
gh
h 2 cos 液 gR
示为： 式中
为比例系W数，' 它在d数A值s 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系
统做的可逆非膨胀功。
在恒温恒压、各相中物质的量不变时：
dG dAs
表面自由能定义：
(
G As
)T
, P , nB
又可称为表面Gibbs自由能
表面自由能的单位： J m2
为什么外力影响很小时，液滴和气泡总趋 向球形？
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：
A Am m
A
AV
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。
由于金属框上的肥皂膜的表面张力作用， 可滑动的边会被向上拉，直至顶部。
2222222222222222 llllllllllllllll
F =(W1 W2 )g
= 2 l 22222222222 lllllllllllW1
WWWWWWWWWWWW222222222222
如果在活动边框上挂一重物，
剖 面 图
等，但不在同一平面上，所以会产
生一个曲面圆心的合力（向下）。
所有的点产生的总压力为p ， 称为附加压力。凸面上受的总压力
为： pl = pg+ p
p
pg为大气压力， p为附加压力。 半液滴示意图
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
在一定温度下，毛细管越细， 液体的密度越小，液体对管壁 润湿越好，那么液体在毛细管 内上升越高
当 90, cos 0, h 0 液体能润湿管壁，
形成凹液面，管内液体将上升。
当 90, cos 0, h 0 液体不能润湿管壁，
形成凸液面，管内液体将下降。
1、毛细管插入到水银液面中，则毛细管内呈现水 银面下降，为什么？ 2、为什么地里的土要经常松动？ 3、为什么棉毛巾更容易吸收汗水？ 4、受潮的平板玻璃为什么很难被分开? 5、为什么新的布料会缩水？
表面活性剂是两亲分子。溶解在水中达一定 浓度时，其非极性部分会自相结合，形成聚集体， 使憎水基向里、亲水基向外。
这种多分子聚集体称为胶束。 随着亲水基不同和浓度不同，形成的胶束可 呈现棒状、层状或球状等多种形状。 形成胶束的最低浓度称为临界胶束浓度
继续增加表面活性剂的量，只能增加溶液中 胶束的数量 和大小
溶质活度的变化率。
Gibbs吸附公式
Gibbs用热力学方法求得定温下溶液的浓度、
表面张力和吸附量之间的定量关系式
Γ2
a2 RT
d
da2
Γ2
c2 RT
d
dc2
1.d/dc2<0，增加溶质2的浓度使表面张力下降，G2为
正值，是正吸附。表面层中溶质浓度大于本体浓度。
表面活性物质属于这种情况。
2.d/dc2>0，增加溶质2的浓度使表面张力升高，G2为
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。
表面张力（surface tension）
液体表面的最基本的特性是趋向于收缩
从液膜自动收缩的实验，可以更好地认识这 一现象
将一含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。
剖 面 图
同一平面上，所以会产生一个指
向曲面圆心的合力（向上）。
p
所有的点产生的总压力为p ， 称为附加压力。凹面上向下的总 压力为：po- p ，所以凹面上所 受的压力比平面上小。
半气泡示意图
附加压力的方向总是指向弯曲界面的曲率中心， 为使附加压力总是正值，定义附加压力为弯曲 界面凹面一侧的压力（P内）与凸面一侧的压力