界面现象及其调控
专题讲解_界面现象_胶体化学
外表吉布斯自由能和外表力1、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〔interface〕，通常有液－气、液－固、液－液、固－气、固－液等界面，如果其中一相为气体，这种界面称为外表〔surface〕。
2、界面现象：由于界面两侧的环境不同，因此外表层的分子与液体的分子受力不同：1.液体局部子的吸引力是对称的，各个方向的引力彼此抵销，总的受力效果是合力为零；2.处在外表层的分子受周围分子的引力是不均匀的，不对称的。
由于气相分子对外表层分子的引力小于液体局部子对外表层分子的引力，所以液体外表层分子受到一个指向液体部的拉力，力图把外表层分子拉入部，因此液体外表有自动收缩的趋势；同时，由于界面上有不对称力场的存在，使外表层分子有自发与外来分子发生化学或物理结合的趋势，借以补偿力场的不对称性。
由于有上述两种趋势的存在，在外表会发生许多现象，如毛细现象、润湿作用、液体过热、蒸气过饱和、吸附作用等，统界面现象。
3、比外表〔Ao〕表示多相分散体系的分散程度，定义为：单位体积〔也有用单位质量的〕的物质所具有的外表积。
用数学表达式，即为：A0=A/V高分散体系具有巨大的外表积。
下表是把一立方厘米的立方体逐渐分割成小立方体时，比外表的增长情况。
高度分散体系具有巨大外表积的物质系统，往往产生明显的界面效应，因此必须充分考虑界面效应对系统性质的影响。
4、外表功在温度、压力和组成恒定时，可逆地使外表积增加dA所需要对体系做的功，称为外表功〔ω’〕。
-δω’=γdA(γ:外表吉布斯自由能，单位：J.m-²)5、外表力观察界面现象，特别是气-液界面的一些现象，可以觉察到界面上处处存在着一种力，称为界面力〔interface tension〕或外表力〔surface tension〕。
它作用在外表的边界面上，垂直于边界面向着外表的中心并与外表相切，或者是作用在液体外表上任一条线两侧，垂直于该线沿着液面拉向两侧。
第十章界面现象解析
1 mol 饱和蒸气 (pr)
G2
pr p
Vm
(
g
)dp
RT
ln
pr p
p p
G p
Vm (l)dp
Vm (l)p
M 2 r
RT ln
pr p
Vm
2
r
M
2
r
开尔文公式
1. Kelvin公式可以表示为两种不同曲率半径的液滴或蒸 气泡的蒸气压之比
RT ln pr 2M 2Vm p r r
as As / m或as As /V
3. 多孔硅胶、分子筛、活性炭、纳米材料具有很 高的比表面积
分散度与比表面积
把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。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。
把边长为1cm的立方体1cm3逐渐分割成小立方体：
立方体边长(m)
10-2 10-4 10-6 10-8 10-9
p大气
h
p
产生过热液体示意图
p 2 11780kPa
r
在实验中,为防止液体的过热现 象,常在液体中投入一些素烧瓷 片或毛细管等物,因为这些多孔 性物质的孔中储存有气体,它们 成为新相的种子,使液体的过热 程度大大降低
过冷液体
过冷液体:应当凝固而未凝固的液体 主要原因:因为微小晶体的饱和蒸气压恒大于普通晶体 的饱和蒸气压。
p
C
O’ O
.A‘ A
0
Tf’ Tf
t
产生过冷液体现象示意图
在过冷液体中,加入小晶体作为 新晶种,则能使液体迅速凝固
过饱和溶液
过饱和溶液:在应当温度下,溶液的浓度已超过了饱和浓度, 而仍未析出晶体的溶液
主要原因:小晶体的溶解度大于普通晶体的溶解度.
界面现象及其调控
RT dc
Γ——溶质在单位面积的表面层中的吸附量(molm-2)(在 单位面积的表面层中所含溶质的物质的量与同量 溶剂在本体中所含溶质的物质的量的差值，亦称 表面过剩)。
9
表面张力
从表面现象的微观成因， 我们还可以得出一个结论： 表面相分子密度较液相分子 低，因而表面相分子间存在 较大吸引力。
从宏观层面来看，液体表 面仿佛存在一层紧绷的液 膜，在膜内处处存在的使 膜紧绷的力即为表面张力。
图3 表面分子紧绷液膜
表面张力的存在解释了别针和蚊子 为什么可以漂在水面上。
表面张力
图7 平液面和球形液滴的附加压力
四个基本定律
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。
Δp pl
p所做功做功等于表面自由能的 变化。可得
pl
面上方为气相，压力pg ；下方为液相，
压力pl ,底面与球形液滴相交处为一圆
周。圆周外液体对球缺表面张力作用
在圆周线上，垂直于圆周线，而且与
pg pl
pg
液滴表面相切。圆周线上表面张力合
力对凸液面下液体造成额外压力。将
凹液面一侧压力以p内表示，凸液面一 侧压力用p外表示，附加压力
pl Δp
Δp = p内－p外
表面张力
(4) 与压力的关系。
一般：P↑1 MPa, σ↓1 mN/m。eg:
表2 水的压力与表面张力关系
0.1 MPa H2O = 72.8 mN/m
1 MPa
H2O = 71.8 mN/m
表面张力
生物界面现象的物理化学机制研究
生物界面现象的物理化学机制研究生物界面现象涉及到多个学科领域，如生物学、化学、物理学等，它们之间的相互作用和协同发挥，共同促进了生命体系的存在和发展。
在这个过程中，物理化学机制起到了非常重要的作用，对于生物界面现象的研究来说尤其重要。
1、界面现象的基础内容界面现象是指物质的两个不同相之间所表现出来的一系列物理化学现象和规律。
例如，溶液中的界面可以表现出表面张力现象；固体-液体和气体-液体之间的界面表现出吸附现象；气体-气体之间的界面表现出分子扩散现象等等。
生物体内存在着很多的界面现象，如细胞膜、酶分子、蛋白质、核酸等生物分子都存在着界面现象。
2、界面现象在生物体内的应用界面现象在生物体内发挥着不可忽视的作用。
例如，细胞膜就是由界面现象所支撑的，它包裹着细胞，维持着细胞的形态和稳定性，同时还具有物质的运输、信号传递和细胞黏附等多种功能。
另外，在生物反应中，许多生化反应涉及到物质在溶液中的界面，或者是物质和固体之间的界面的作用。
例如，生物酶的催化作用就涉及到了酶分子的分子扩散、吸附和表面张力等界面现象。
3、生物界面现象的物理化学机制界面现象的物理化学机制包括两大方面，即表面自由能和吸附两个方面。
表面自由能是指在界面上单位面积的自由能，是界面分子间相互作用力和热运动能转化为表面区域的能量。
表面自由能的大小决定了物体表面的性质，例如表面张力、界面能等。
在生物体内，细胞膜的表面自由能是一个重要的参数，它决定了细胞膜双层的稳定性和物质通透性。
吸附是指物质分子在界面上与界面分子形成物理或化学吸引力的过程。
在生物界面现象中，许多生物分子吸附在细胞膜上，例如糖蛋白、脂质和胆固醇等。
这些分子可以调节细胞膜的性质和功能，而吸附在它们上面的生物分子也能相互作用，产生多种生物效应。
4、生物界面现象的研究方法和应用前景生物界面现象除了在基础研究领域得到广泛的研究外，还有很多的应用前景。
例如，生物传感和生物芯片技术就是利用生物分子在界面上的吸附性质和分子识别能力，实现对生物分子的快速检测和分析。
材料物理化学：10界面现象
§10 界面现象在有关固体催化反应动力学一章中，我们已经简单地讨论了固体物质表面上的一些现象——吸附。
本章将讨论的重点放在液体的界面上。
举例有关界面现象：密切接触的两相之间的过渡区称为界面（interface），约有几个分子的厚度。
实际上，当两个不同的物相之间表现了与两个本体中的不同性质的现象就称为界面现象。
界面的相接触有：s-s，s-l，s-g，l-l，l-g。
界面现象的出现是因为界面层的分子所受到的分子-分子之间的作用力与相本体中的分子所受到作用力不一样，在相本体中的分子受到的作用力是对称的、均匀的，而界面层的分子受到两个不同相中不同分子的相互作用，而作用力是不对称的、不均匀的。
因此界面层的性质与相本体的性质不同。
作用力大的那一相有自动收缩其界面到最小值的趋势。
对于固体物质的界面就表现为对气体或液体物质的吸附。
对于一个体系而言，界面现象（界面性质）所表现的显著程度，取决于体系的相对界面积大小，相对界面积的大小可以用比表面来表示：A o ＝V A或 A o ＝mA 比表面小的体系，界面现象表现不显著，常常可以忽略；比表面大的体系，表现出很显著的界面现象。
表13.1为相同体积（或质量）不同尺寸时界面积的大小。
●§10.1表面Gibbs 自由能和表面张力 ● §10.1.1表面Gibbs 自由能和表面张力的概念由于表面上的分子所受到的力与相本体中分子所受到的力不同，所以如果将一个分子从相本体中移到表面成为表面分子（或者说扩大表面积），就必须克服体系内部的分子间作用力而对体系做功。
在等温、等压和组成不变时，可逆地使表面积增加dA 所需要对体系做的功，称为表面功：－δw ’＝γdA γ＝dAw 'δ- γ为比例系数。
它在数值上等于当等温、等压及组成不变的条件下，增加单位表面积时必须对体系做的可逆非膨胀功。
将表面功引入到热力学中，得到：dU= TdS ―pdV ＋γdA ＋∑BμB dn BdH= TdS ＋Vdp ＋γdA ＋∑BμB dn BdF ＝―S dT ―pdV ＋γdA ＋∑BμB dn Bd Ｇ＝―S dT ＋Vdp ＋γdA ＋∑BμB dn Bγ＝(A U ∂∂)S ，V ，n B ＝(A H ∂∂)S ，p ，n B ＝(A F ∂∂)T ，V ，n B ＝(AG ∂∂)T ，p ，n B 从能量的角度上看：γ就是等温、等压及组成不变的条件下，每增加单位表面积时所引起的Gibbs 自由能变化，所以可以称为表面Gibbs 自由能。
界面现象及其调控
→Γ）
图5 表面张力曲线的类型
四个基本定律
四、杨(Young)公式——接触角与润湿
润湿角（或接触角）：固液界面的水平线与气液界面在O点 的切线之间 的夹角θ。
rl-g
rs-g
rs-l
rl-g
rs-g
rs-l
图10 接触角<90°与 90°<接触角<180°液滴受力图
平衡时
sg
s l
lg
cos
——杨氏方程（润湿方程）
四个基本定律
由于θ可测，习惯上用接触角来衡量润湿程度。
0º
90º
180º
完全润湿
完全不润湿
结论
①θ的大小用来判断润湿与否，θ角越小润湿效果越好。
②要使cosθ＞0，(或θ＜90º)，须满足s-l＜s-g,降低s-l。
四个基本定律
图1 界面相示意图
表面张力
表1 与界面性质有关的界面现象与相关技术
界面
界面现象
液气 云、雾、雨、露、泡沫、毛 细作用等
有关的工艺、技术举例 蒸发、蒸馏、吸收、冷凝、泡沫分离
液液 牛奶、豆浆、乳液聚合、液 液铺展等
萃取、液膜分离、乳化、破乳
固液 润湿、吸着与吸附、胶体溶 催化、电泳、电渗析、电解、吸附、溶 液、动电现象、电极过程等 解、结晶、沉淀、浮选、铺展、侵取
表 面 活 性 剂 溶 液 的 性 质
c
图17 CMC附近表面活性剂性质的变化
表面活性物质
三、表面活性剂的HLB值
HLB —— 亲水亲油平衡 (hydrophile-lipophile balance)
表4 HLB值范围及应用
物理化学第十章 界面现象
27
饱和蒸气压与液滴曲率半径关系的推导：
dn的微量液体转移到小液滴表面 小液滴面积A：4r2 4(r+dr)2 面积的增量：dA = 8rdr dG =dA= 8r dr 又：dn液体由p pr： dG = (dn)RTln(pr/p)
p = 8 p g r dr
2 d n = 4 p r (dr )r / M 由于
24
毛细现象：
当接触角θ<90o时， 液体在毛细管中上升； 当接触角θ>90o时，液 体在毛细管中下降。 当接触角θ=0时，r曲面= r毛细管= r 2
r 由流体静力学有： p g p l gh p p g p l
h
r pg pl pg
液体在毛细管中的上升高度为： 2 h r g
球形，正是因为相同体积下球形面积最小。
22
弯曲液面附加压力Δp 与液面曲率半径之间关系的推导： 水平分力相互平衡， 垂直分力指向液体内部， 其单位周长的垂直分力为 cos 球缺底面圆周长为2 r1 ，得垂直分力在圆周上的合力为： F=2r1 cos 因cos = r1/ r ，球缺底面面积为 r12， 故弯曲液面对于单位水平面上的附加压力 p 整理后得：
B
B( )
d n B( ) dA s
A G U H A A A A s s s s T , p,n B( ) S,V ,n B( ) S, p,n B( ) T ,V ,n B( )
11
(1)表面张力（surface tension）
液体表面的最基本的特性是趋向于收缩。 由于表面层分子的受力不均衡，液滴趋向于呈球
形，水银珠和荷叶上的水珠也收缩为球形。
小议界面现象
小议界面现象一、界面现象简要概述（1）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。
界面现象是研究各种不同界面的性质，随着分散度的增加，体系的比表面也相应增大，胶体的各种性质与比表面密切相关，所以对界面现象的研究就成为胶体化学的主要内容之一。
通常所指的界面包括的范围很广，不仅是研究固—液（溶胶）界面性质，还要讨论固—气、气—液以及液—液的界面性质。
对各种界面性质的研究，不仅是胶体化学理论的基本内容，也与其他学科的基础理论有关。
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。
（2）分类：气液界面：液体表面、溶液表面、表面活性剂溶液液液界面：乳液、微乳液固液界面：润湿作用、吸附作用固气界面：吸附作用分散体系概念：把一种或几种物质分散在另一种物质中就构成分散体系。
分散体系分类按分散相粒子的大小分类：分子分散体系、胶体分散体系、粗分散体系按分散相和介质的聚集状态分类：固溶胶、液溶胶、气溶胶按胶体溶液的稳定性分类：亲液溶胶、憎液溶胶二、溶液的表面吸附现象一般说来，由于溶质分子的存在，溶液的表面张力与纯溶剂有所不同。
如果在表面层中溶质分子比溶剂分子所受到的指向溶液内部的引力还要大些，则这种溶质的溶入会使溶液的表面张力增高。
由于尽量降低体系表面能的自发趋势，这种溶质趋向于较多地进入溶液内部而较少地留在表面层中，这样就造成了溶质分子比溶剂分子所受到的指向溶液内部的引力要小些。
则这种溶质的溶入会使溶液的表面的张力减少。
而且，溶质分子趋向在表面层相对浓集，造成溶质在表面层中比在本体溶液中浓度大的现象。
溶质在表面层中在本体溶液中浓度小于本体浓度，称为“负吸附”；溶质在表面层浓度大小本体浓度，称为“正吸附”。
《物理化学教学课件》第十章界面现象
界面现象的基本原理
表面张力
表面张力是物质表面分子或离子间的吸引力，使得物质表 面尽可能收缩。表面张力的大小与物质种类和温度有关。
润湿
润湿是指液体在固体表面铺展或被固体表面吸附的现象。 润湿与固体的表面能、液体的表面张力以及固体与液体之 间的相互作用力有关。
吸附
吸附是指物质在界面上的富集现象。吸附可以分为物理吸 附和化学吸附，物理吸附主要与物质在界面上的范德华力 有关，化学吸附则涉及到化学键的形成。
润湿是指液体在固体表面铺展并覆盖住表面的现象，而不润湿则是指液体不能在固体表面 铺展的现象。
润湿与不润湿产生的原因
润湿与不润湿现象的产生与液体和固体表面的分子间相互作用有关，当液体分子与固体表 面分子间的相互作用力大于液体分子间的内聚力时，就会产生润湿现象；反之则产生不润 湿现象。
润湿与不润湿的应用
能源
能源的储存与转化过程中涉及大量界面现象，如电池、燃料电池等，深入研究 界面现象有助于提高能源利用效率和降低环境污染。
环保
污水处理、大气污染控制等领域涉及大量界面现象，通过优化界面现象可实现 更高效的环保技术。
THANKS
感谢观看
毛细现象
毛细现象定义
毛细现象是指由于液体的表面张力作用，使得液体会在细管中上 升或下降的现象。
毛细现象产生的原因
由于液体的表面张力作用，使得液体会在细管中产生向上的附加压 力，从而使液体在细管中上升。
毛细现象的应用
毛细现象在自然界和日常生活中广泛存在，如植物的吸水、毛细血 管等。
润湿与不润湿
润湿与不润湿定义
04
界面现象的实验研究方法
表面张力测量方法
表面张力是液体表面所受到的垂 直于表面方向的力与表面每单位
第九章 界面现象.
在讲界面现象之前，让我们先看看日常生活的有关现象：
荷叶上的水珠会自动成球形。 荷
叶 上
玻
璃 上
毛细现象
物理化学 课件
第九章 界面现象
微小液滴易挥发（小颗粒晶体易溶解）
活性碳脱色 橘子皮为什么可除去冰箱中的臭味 金属粉末在空气中可自燃 。粉尘爆炸。 纳米材料为什么会呈现强烈的表面效应等等。 以上现象皆与物质的界（表）面有关。
地保墑。 墑情好的土壤中存在丰富的毛细管，
锄地可以切断地面的毛细管，防止土壤
中的水分沿毛细管上升到表面而挥发；
物理化学 课件
第九章 界面现象
§9.2 弯曲液面的附加压力及其后果 另一方面，由于液态水在毛细管中呈凹面，饱和蒸地表和土壤深处毛细管的同时， 还有利于大气中水汽在土壤毛细管中凝结，增加土壤水分，这就是 锄地保墑的科学原理。 此外，硅胶作为干燥剂同样是利用毛细管现象，请读者自己理
通过毛细管与位于管端的半径为r的
小液滴相连接。 液滴所承受的外压为p0和弯曲液面的附加压力p之和p+ p0， 平面液面上活塞施加的压力为p。
物理化学 课件
第九章 界面现象
§9.2 弯曲液面的附加压力及其后果 例9.2 已知20℃时水的表面张力为0.0728Nm-1，如果把水分散成小 水珠，试计算当水珠半径分别为1.00×10-3、1.00×10-4、1.00×10-5 cm时, 曲面下的附加压力为多少？
由图可知，毛细管半径R与弯曲液面的
曲率半径R的关系为R=Rcos，结合上式可
得液体在毛细管中上升的高度为
2 cos θ h R( - ) g
（9 - 20）
由上式可知，在一定的温度下，毛细管越细，液体对毛细管润
- 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)。
界面的结构和性质与相邻
两侧的体相都不相同。
表面张力
表1 与界面性质有关的界面现象与相关技术
界面 界面现象 有关的工艺、技术举例
蒸发、蒸馏、吸收、冷凝、泡沫分离 萃取、液膜分离、乳化、破乳
液气 云、雾、雨、露、泡沫、毛 细作用等 液液 牛奶、豆浆、乳液聚合、液 液铺展等
固液 润湿、吸着与吸附、胶体溶 催化、电泳、电渗析、电解、吸附、溶 液、动电现象、电极过程等 解、结晶、沉淀、浮选、铺展、侵取 固气 尘、烟（气溶胶）、升华、 吸附、催化等 固固 固相反应、粘附、摩擦等 气固催化反应、气体吸附升华 渗混、筛分、球磨、制动
从0到T的时间内，表面张力随 时间的变化值称为动态表面张力。
表面张力
A、B、C、D四点之后的表 面张力值为静表面张力值。 浓度越大，表面张力随时间 下降越多，达到平衡的时间越 短。
对离子型表面活性剂，有无 机盐存在时，可大大减少表面 张力时间效应。 碳链小于8的醇类，时间效应 极小，1s以内即达平衡。
W dGT , p dA
G A T , p
图4 皂膜的拉伸
表面张力
表面张力是垂直通过液体表面上任意单位长度， 与液体表面相切的收缩其表面的力。 注意
1.表面张力是作用在单位长度线段上的力，量纲为Ｎ· -1。 m 2.注意区分表面张力产生原因与表面张力的表现。 3.σ也可看作是系统增加单位面积的表面吉布斯函数变，所以 称为表面吉布斯函数单位J· -2。 m
1.沾湿（adhesional wetting）
气 液 固 液 固
图11 沾湿
D Ga = s
sl
- sl- s
s
= W a¢ （改变单位面积）
- D G a = W a¢ > 0
粘湿功
自动进行
四个基本定律
2.浸湿（immersional wetting） D G i = s sl - s s = - W i¢
u ——组分的分子均方根速度，m/s。
cT——气相总浓度，kmol/m3。
讨论
①在工业设备中，kI值与kG和kL相比要小得多，可忽略。 ②液体的值一般在0.02-1.0之间。固体很小，有的甚至 低到10-9。
界面阻力与表面湍动
在空气——水的平面上加入具有表面活性的长链化合物。 随表面展开用溶剂的碳链增加，单分子层的阻力也增加。 对于微小液滴的蒸发，有
c d RT dc
Γ——溶质在单位面积的表面层中的吸附量(molm-2)(在 单位面积的表面层中所含溶质的物质的量与同量 溶剂在本体中所含溶质的物质的量的差值，亦称 表面过剩)。
c——溶质在溶液本体中的平衡浓度（或活度）。
四个基本定律
由Gibbs公式可知：当T一定时， d/dc的正负决定了吸附类型。 ① d/dc＞0，Γ＜0，负吸附 ，表面惰性物质，Ⅰ类曲线； ② d/dc＜0，Γ＞0，正吸附 ，表面活性物质，Ⅱ、Ⅲ类曲线 ； ③ d/dc = 0，Γ= 0，不再吸 附，Ⅳ类曲线； ④ 求Γ。（= f(c)）→d/dc →Γ）
- D G i = W i¢> 0 自动进行
浸湿功 图12 浸湿
液
固
气 液 固 液
3.铺展（spreading wetting）
气 气
固
当小液滴的表面积与铺展后的表 面积相比可忽略不计时
D Gs = s
sl
液
固
+ sl- s
s
图13 铺展
铺展系数： S = - D G s = s s－s
sl
- s
l
1 dW MP A dt RT (r / D RI )
W——液滴质量 ，r ——液滴半径，M——分子量， t ——时间，RI——界面阻力。
液滴越小，界面阻力所起作用越大，液滴的寿命越大。 对于小液滴，表面污染所造成的RI不可忽略。
界面阻力与表面湍动
怎么改善喷雾 除尘？
在喷成12m的微滴的水中预先添加少量十 六醇，使雾滴在矿内沾上矿尘后共同沉降 的时间少于雾滴蒸发的时间（寿命）。
p所做功做功等于表面自由能的 变化。可得
Δp pl
2 p r
pg
——Laplace方程
图8 凹页面的附加压力
四个基本定律
讨论
① 该形式的Laplace公式只适用于球形液面。若为任意曲 面，类似推导可得 1 1 p ( ) r1 r 2 ②曲面内(凹)的压力大于曲面外(凸)的压力，Δp＞0。 ③ r 越小，Δp越大；r越大，Δp越小。 平液面：r →∞，Δp→0，（并不是 = 0） ④ Δp永远指向球心。
pg
pl
pl
pg
pl
Δp
Δp = p内－p外
图7 平液面和球形液滴的附加压力
四个基本定律
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
ห้องสมุดไป่ตู้
这样定义的p总是一个正值，方向 指向凹面曲率半径中心。
表面张力
2.表面张力的影响因素
（1）与物质的本性有关——分子间相互作用力 越大，σ越大。
（2） 与接触相的性质有关。
例：气－液界面： σ(金属键) > σ (离子键) > σ (极性键) > σ (非极性键)
（3） 温度的影响：温度升高，界面张力下降。 极限情况：T→Tc时， σ →0。 T ↑，分子动能↑，分子间吸引力↓ ，σ↓ 对 Cd, Fe, Cu 合金及一些硅酸盐液体，T↑，σ↑。
表5 HLB值范围与状态
HLB值 1-4 3-6 6-8 8-10 10-13 ＞13 在水中的状态 不能分散（不溶） 粗粒子分散 激烈搅拌呈乳状分散 呈稳定的乳状分手那 几乎透明的分散 透明分散（溶介）
表面活性物质
三、表面活性剂的作用
润湿、去污、助磨、乳化、破乳（消泡） 等等。 例: 去污作用
图18 表面活性剂的洗涤作用
图17 CMC附近表面活性剂性质的变化
c
表面活性物质
三、表面活性剂的HLB值
HLB —— 亲水亲油平衡 (hydrophile-lipophile balance)
表4 HLB值范围及应用
HLB值 1-3 3-6 7-9 8-18 13-15 15-18 应用 消泡剂 W/O乳化剂 润湿剂 O/W乳化剂 洗涤剂 增溶剂
界面阻力与表面湍动
一、界面阻力
系统总阻力
1 1 1 H KG kG kIG kL
总传质系数
界面传质系数
能克服障碍穿过界面的具有足够能量的分子所占摩尔分率 称为适应系数。
exp(
E ) RT
克服表面阻力 所需活化能
界面阻力与表面湍动
界面传质系数kI
ucT kI 6
图5 表面张力曲线的类型
四个基本定律
四、杨(Young)公式——接触角与润湿
润湿角（或接触角）：固液界面的水平线与气液界面在O点 的切线之间 的夹角θ。 rl-g rl-g rs-g rs-l rs-g r
s-l
图10 接触角<90°与 90°<接触角<180°液滴受力图
平衡时
s g s l l g cos
分 离 工 程
—— 界 面 现 象 及 其 调 控
李俊宏 化学工程与技术
目 录
概述 界面张力 四个基本定律
表面活性物质
界面阻力与表面湍动 界面调控
概 述
涉及界面现象的难定量 因素，采用效率、传质 系数、垢层系数等
无法揭示传质 的实质
从分子水平的微观尺度 看待各种新老分离技术
更完善地解决化 学工程技术问题
表面张力
(4) 与压力的关系。
a．表面分子受力不对称的程度 σ ↓ P↑ b．气体分子可被表面吸附，改变σ ↓ c．气体分子溶于液相 一般：P↑1 MPa, σ↓1 mN/m。eg:
表2 水的压力与表面张力关系
σ↓
0.1 MPa
H2O = 72.8 mN/m
H2O = 71.8 mN/m
1 MPa
时若再增加其浓度，将形成胶束。
形成临界胶团所需表 面活性剂的最低浓度称 为临界胶团浓度。
CMC
c
图16 临界胶束浓度
胶束的形状可 依浓度不同而呈 球状、椭球状、 棒状及层状。
表面活性物质
表面活性剂的许多性质在cmc处发生转折，例如电导率，
渗透压、去污能力、增溶作用等。
表 面 活 性 剂 溶 液 的 性 质
——杨氏方程（润湿方程）
四个基本定律
由于θ可测，习惯上用接触角来衡量润湿程度。
0º 完全润湿
90º
180º 完全不润湿
结论
①θ的大小用来判断润湿与否，θ角越小润湿效果越好。
②要使cosθ＞0，(或θ＜90º )，须满足s-l＜s-g,降低s-l。
四个基本定律
润湿：固体表面上原来的气体被液体取代。 接触过程的 △G＜0。Gibbs函数降低越多，越易润湿。
图6 葵醇水溶液的表面张力-时间关系
四个基本定律
ps
水在毛细管中为 什么会上升？ 水
四个基本定律
一、拉普拉斯(Laplace)公式——弯曲液面附加压力
右图下为球形液滴的某一球缺，凸液 面上方为气相，压力pg ；下方为液相， 压力pl ,底面与球形液滴相交处为一圆 周。圆周外液体对球缺表面张力作用 在圆周线上，垂直于圆周线，而且与 液滴表面相切。圆周线上表面张力合 力对凸液面下液体造成额外压力。将 凹液面一侧压力以p内表示，凸液面一 侧压力用p外表示，附加压力
表面张力