自然界的界面现象
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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
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
γ：使液体增加单位表面时 所需作的可逆功，称比表面功。
单位：J·m-2。
3、表面自由能
dU TdS PdV dA BdnB B
dH TdS VdP dA BdnB
B
dA SdT PdV dA BdnB B
dG SdT VdP dA BdnB
10.3 固体表面
固体表面的性质 物理吸附与化学吸附 等温吸附 吸附经验式—弗罗因德希公式 朗缪尔单分子层吸附理论及吸附等温 式 多分子层吸附理论—BET公式
1.固体表面的吸附现象
在固体或液体表面，某物质的浓度与体相浓度不 同的现象称为吸附。
产生吸附的原因，也是由于表面分子受力不对称。
,nB
( GA
)T ,P,nB
表面自由能(表面吉布斯函数)定义：
G ( A )T , p,nB
γ：恒温恒压下，增加单位表面时系统所增加的Gibbs函数。 单位：J·m-2。
表面张力、表面功、表面吉布斯函数的异同点
1.相同点：它们的数值和量纲相同 2.不同点： （a）物理意义不同
（b）单位不同
4、界面张力的影响因素
物质的本性 分子间相互作用力越大， 越大 (金属) > (离子键) > (极性键) > (非极性键)
接触相 1 (水-汞) = 415 mN·m-1； (水-苯) = 35 mN·m-
温度 一般随温度升高而减小。极限情况：
T→Tc时， →0 。
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。
O´C：平面液体的饱和
蒸气压曲线
AO：普通晶体的饱和蒸 气压曲线
A´O´：微小晶体的饱和
单位：J·m-2。
3、表面自由能
dU TdS PdV dA BdnB B
dH TdS VdP dA BdnB
B
dA SdT PdV dA BdnB B
dG SdT VdP dA BdnB
10.3 固体表面
固体表面的性质 物理吸附与化学吸附 等温吸附 吸附经验式—弗罗因德希公式 朗缪尔单分子层吸附理论及吸附等温 式 多分子层吸附理论—BET公式
1.固体表面的吸附现象
在固体或液体表面，某物质的浓度与体相浓度不 同的现象称为吸附。
产生吸附的原因，也是由于表面分子受力不对称。
,nB
( GA
)T ,P,nB
表面自由能(表面吉布斯函数)定义：
G ( A )T , p,nB
γ：恒温恒压下，增加单位表面时系统所增加的Gibbs函数。 单位：J·m-2。
表面张力、表面功、表面吉布斯函数的异同点
1.相同点：它们的数值和量纲相同 2.不同点： （a）物理意义不同
（b）单位不同
4、界面张力的影响因素
物质的本性 分子间相互作用力越大， 越大 (金属) > (离子键) > (极性键) > (非极性键)
接触相 1 (水-汞) = 415 mN·m-1； (水-苯) = 35 mN·m-
温度 一般随温度升高而减小。极限情况：
T→Tc时， →0 。
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。
O´C：平面液体的饱和
蒸气压曲线
AO：普通晶体的饱和蒸 气压曲线
A´O´：微小晶体的饱和
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。
十二章界面现象
由于实际存在的表面张力的 “收缩” 作 用，液滴半径等温、等（外）压下可逆地 改变了dR 而达到平衡。
则此过程液滴表面自由能的变化：
d G S d A d ( 4 R 2 ) 8 R d R ( 1 )
此液滴 “收缩” 过程中表面张力所作的功
为： P s A d R P S 4 R 2 d R (2 )
约特福斯（ötvös）关系式：
Vm 2/3k(TcT)
Vm 2/3k(TcT)
Vm：液体 mol 体积， Vm2/3 有面积量纲； k：普适常数，对大多数不缔合非极性液体：
k 2.2 erg/K = 2.2 10 7 J / K
实际上，当 T Tc（接近临界温度）时，界 面已开始弥散。拉姆齐-希尔兹（R-S）修正式：
由于液体本身的饱和蒸气压有限，要使该 液体表面压力增加，必须在液体表面上方 的气相压入另一惰性气体组分，这就会产 生如下后果：
1. 加压使与液面接触的气体分子增多，液面 分子所受的两边分子引力的差异程度降低；
2. 加压使气体分子易于吸附于液面 ； 3. 气体分子（外加惰性气体）可溶于液体，
改变液相成分。
一、表面自由能
• 如前分析，V-L 表面相分子受到垂直指向 液体内部的吸引力，即表相分子比本体相 分子具有额外的（表面）势能。
• 要使表面积增加，即把分子从体相拉到表 相，外界必须作功。
表面功：在恒温恒压（组成不变）下可逆 地使表面积增加dA所需对体系做 的功叫表面功（可逆非体积功）。
环境对体系作功：
US
T(T)P
d U S U S d A d A T ( T )P d A (1 )
由热力学第一定律：
则此过程液滴表面自由能的变化：
d G S d A d ( 4 R 2 ) 8 R d R ( 1 )
此液滴 “收缩” 过程中表面张力所作的功
为： P s A d R P S 4 R 2 d R (2 )
约特福斯（ötvös）关系式：
Vm 2/3k(TcT)
Vm 2/3k(TcT)
Vm：液体 mol 体积， Vm2/3 有面积量纲； k：普适常数，对大多数不缔合非极性液体：
k 2.2 erg/K = 2.2 10 7 J / K
实际上，当 T Tc（接近临界温度）时，界 面已开始弥散。拉姆齐-希尔兹（R-S）修正式：
由于液体本身的饱和蒸气压有限，要使该 液体表面压力增加，必须在液体表面上方 的气相压入另一惰性气体组分，这就会产 生如下后果：
1. 加压使与液面接触的气体分子增多，液面 分子所受的两边分子引力的差异程度降低；
2. 加压使气体分子易于吸附于液面 ； 3. 气体分子（外加惰性气体）可溶于液体，
改变液相成分。
一、表面自由能
• 如前分析，V-L 表面相分子受到垂直指向 液体内部的吸引力，即表相分子比本体相 分子具有额外的（表面）势能。
• 要使表面积增加，即把分子从体相拉到表 相，外界必须作功。
表面功：在恒温恒压（组成不变）下可逆 地使表面积增加dA所需对体系做 的功叫表面功（可逆非体积功）。
环境对体系作功：
US
T(T)P
d U S U S d A d A T ( T )P d A (1 )
由热力学第一定律：
第八章界面现象_谢鲜梅_物理化学
α β
a' s' b'
界面相的特征： 界面相的特征： 几个分子厚 结构和性质与两 侧体相均不同
1
第十章 界面现象
界面现象就是在相界面上所发生的物理化学现象， 界面现象就是在相界面上所发生的物理化学现象， 它是自然界中最普遍的现象之一。 它是自然界中最普遍的现象之一。如：液滴呈球 活性炭能脱色、 形、活性炭能脱色、粉尘容易爆炸等这些问题都 与界面现象有关。 与界面现象有关。 产生界面现象的主要原因是什么？（界面现象的 产生界面现象的主要原因是什么？（界面现象的 ？（ 本质是什么？） 本质是什么？）
边长为1cm的 的 边长为 立方体
边长为10 （ ） 边长为 -9m（1nm）的 小立方体
比表面积
6×102 m2/m3 ×
6×109 m2/m3 ×
3
第十章 界面现象
比表面积（ 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 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 通常用比表面积来表示物质的分散程度，即分散度。 面积越大，分散度越高，表面效应就越明显， 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， 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。
第八章 界面现象
界面（ ）：相互接触的两相的交界面 界面（interface）：相互接触的两相的交界面。 ）：相互接触的两相的交界面。 自然界的物质有三种相态,三种相态相互接触可以形成五 自然界的物质有三种相态 三种相态相互接触可以形成五 种界面： 种界面： 气—液界面 表面（ 表面（ surface ） 固—气界面 液—液界面 固—液界面 固—固界面 界面有一定厚度，又称为 a 界面有一定厚度， 界面相， 界面相，如右图中aa' -bb' 。 s b
物理化学第10章界面现象ppt课件
他还导出了联系吸附量和界面张力随体相浓度变化 的普遍关系式即著名的吉布斯吸附等温式。1859年， 开尔文（Kelvin）将界面扩展时伴随的热效应与界 面张力随温度的变化联系起来。后来，他又导出蒸 汽压随界面曲率的变化的方程即著名的开尔文方程。
在1913—1942年期间，美国科学家Langmuir在界面 科学领域做出了杰出的贡献，特别是对吸附、单分 子膜的研究尤为突出。他于1932年获诺贝尔奖，被 誉为界面化学的开拓者。 界面化学的统计力学研 究是从范德华开始的。1893年，范德华认识到在界 面层中密度实际上是连续变化的。他应用了局部
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绝对不可忽略。
首 页 刚看的页 上一页 下一页 结 束
物质的分散度用比表面积 as 表示，它的定义为 物质的表面
积 As 与质量 m 的比：
as
As m
10.0.1 单位：m2·kg-1
对于以上水滴的例子，若近似认为其在室温下密度为 1g ·cm-3，则以上两种情况，比表面积 as 分别约为：6 cm2 ·g1 及600 m2 ·g-1 。
αB
4.2.7
首 页 刚看的页 上一页 下一页 结 束
dU TdS pdV μB (α)dnB (α) 4.2.8
αB
dH TdS Vdp μB (α)dnB (α) 4.2.9
αB
dA SdT pdV μB (α)dnB (α) 4.2.10
αB
当体系作表面功时，G 还是面积A的函数
界面现象是自然界普遍存在的现象。胶体指的是 具有很大比表面的分散体系。对胶体和界面现象 的研究是物理化学基本原理的拓展和应用。从历 史角度看，界面化学是胶体化学的一个最重要的 分支，两者间关系密切。而随着科学的发展，现 今界面化学已独立成一门科学，有关“界面现象” 或“胶体与界面现象”的专著在国内外已有多种 版本。本课程主要介绍与界面现象有关的物理化 学原理及应用。它包括各种相界面和表面活性剂 的相关特性，界面上的各种物理化学作用，实验 的和理论的研究方法及其重要应用。对于准备考 研的同学，还应将其作为物理化学课程的一部分。
在1913—1942年期间，美国科学家Langmuir在界面 科学领域做出了杰出的贡献，特别是对吸附、单分 子膜的研究尤为突出。他于1932年获诺贝尔奖，被 誉为界面化学的开拓者。 界面化学的统计力学研 究是从范德华开始的。1893年，范德华认识到在界 面层中密度实际上是连续变化的。他应用了局部
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绝对不可忽略。
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物质的分散度用比表面积 as 表示，它的定义为 物质的表面
积 As 与质量 m 的比：
as
As m
10.0.1 单位：m2·kg-1
对于以上水滴的例子，若近似认为其在室温下密度为 1g ·cm-3，则以上两种情况，比表面积 as 分别约为：6 cm2 ·g1 及600 m2 ·g-1 。
αB
4.2.7
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dU TdS pdV μB (α)dnB (α) 4.2.8
αB
dH TdS Vdp μB (α)dnB (α) 4.2.9
αB
dA SdT pdV μB (α)dnB (α) 4.2.10
αB
当体系作表面功时，G 还是面积A的函数
界面现象是自然界普遍存在的现象。胶体指的是 具有很大比表面的分散体系。对胶体和界面现象 的研究是物理化学基本原理的拓展和应用。从历 史角度看，界面化学是胶体化学的一个最重要的 分支，两者间关系密切。而随着科学的发展，现 今界面化学已独立成一门科学，有关“界面现象” 或“胶体与界面现象”的专著在国内外已有多种 版本。本课程主要介绍与界面现象有关的物理化 学原理及应用。它包括各种相界面和表面活性剂 的相关特性，界面上的各种物理化学作用，实验 的和理论的研究方法及其重要应用。对于准备考 研的同学，还应将其作为物理化学课程的一部分。