固气表面能和液气表面能
材料表面与界面课后思考题 (胡福增)
第一章1.试述表面张力(表面能）产生的原因。
怎样测试液体的表面张力?(1）原因液体表面层的分子所受的力不均匀而产生的.液体表面层即气液界面中的分子受到指向液体内部的液体分子的吸引力,也受到指向气相的气体分子的吸引力,由于气相吸引力太小，这样,气液界面的分子净受到指向液体内部并垂直于表面的引力作用，即为表面张力。
这里的分子间作用力为范德华力。
(2)测试①毛细管上升法测定原理将一支毛细管插入液体中, 液体将沿毛细管上升，升到一定高度后, 毛细管内外液体将达到平衡状态，液体就不再上升了。
此时, 液面对液体所施加的向上的拉力与液体总向下的力相等。
则γ=1 /2（ρl—ρg)ghrcosθ（1)（1）式中γ为表面张力, r为毛细管的半径，h为毛细管中液面上升的高度，ρl为测量液体的密度，ρg为气体的密度( 空气和蒸气) , g为当地的重力加速度，θ为液体与管壁的接触角。
若毛细管管径很小，而且θ=0 时，则上式(1）可简化为γ=1/2ρghr （2）②Wilhelmy 盘法测定原理用铂片、云母片或显微镜盖玻片挂在扭力天平或链式天平上, 测定当片的底边平行面刚好接触液面时的压力，由此得表面张力, 公式为:W总—W片=2γlcosφ式中,W总为薄片与液面拉脱时的最大拉力,W片为薄片的重力, l为薄片的宽度，薄片与液体的接触的周长近似为2l，φ为薄片与液体的接触角。
③悬滴法测定原理悬滴法是根据在水平面上自然形成的液滴形状计算表面张力。
在一定平面上, 液滴形状与液体表面张力和密度有直接关系。
由Laplace 公式, 描述在任意的一点P 曲面内外压差为式中R1, R2 为液滴的主曲率半径；z 为以液滴顶点O为原点，液滴表面上P 的垂直坐标；P0 为顶点O处的静压力。
定义S= ds/de式中de为悬滴的最大直径，ds为离顶点距离为de处悬滴截面的直径再定义H=β(de/b)2 则得γ= (ρl—ρg）gde2/H 式中b为液滴顶点O处的曲率半径.若相对应与悬滴的S值得到的1/H为已知, 即可求出表（界) 面张力。
表面能-课件
对于非极性液体，其表面张力完全由色散成分组成，即
g ＝ g d，这样可方便的通过上式计算极性液体试样的g
d
液体的表面张力可以直接测定，固体的表面能不能直 接测定。液体的表面张力测定值实际上是液体/气体的
（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。两种液体间的界面张力， 界于两种液体表面张力之间。γ (金属键)> γ(离子键)> γ(极性共价键)> γ(非极性共价键)
（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
晶体生长和溶解的动力学和表面能的研究相结合，不仅为界面研 究提供了新的思路和方法，而且也会推动晶体生长和材料科学的 发展。
表面与界面
表面：表面即物理单独存在时的外部区域，处于表面 的物质分子的朝外方向。
界面：界面是两种不相容和不反应的物质相接触时的 交界区，常见界面：气－液、气－固、液－固和固－ 固形式。
2
所以可以采用最小二乘法进行数据的分析计算。
截距A=
g
d S
1 2
，斜率B=
g
p S
1 2
，
即
gS
g
d S
g
p S
A2
B2
材料与生物物质间界面张力的计算 材料与血液、水等物质间界面张力可由下式计算
式中
g sbc
材料和生物物质间界面张力，g
p bc
、g
p s
分别为生
表面能与晶体生长/溶解之间的关系
接触角的概念所谓接触角就是固一液界面与气一液界面之切线在三相
接触角的概念：所谓接触角就是固一液界面与气一液界面之切线在三相点处的夹角。
接触角的大小决定了润湿程度，接触角本身取决于界面张力的相对大小。
固体表面能被液体润湿，接触角越小．润湿性越大，铺展性也愈大，当接触角为零时，叫完全润湿；固体表面不被液体润湿，说明接触角越大，润湿性越小，辅展性越小，液面易收缩成球形。
当接触角等于180度时，叫完全不润湿。
必须指出，润湿与不润湿是一种相对的概念，没有绝对不润湿酌物质，它们只是程度上的差异。
习惯上是这样区分的：接触角＜90度称为润湿；接触角＞90度，称为不润湿；接触角等于零度，叫完全润湿；接触角＝180度，叫完全不润湿。
以上所指的接触角也叫平衡接触角，它没有考虑表面上的阻力，对一个弯曲液面，由于表面张力的作用。
迫使弯曲液面向内收缩而产生一种额外的压力，这种额外的压力叫做附加压力。
附加压力的方向始终指向曲率中心。
注意附加压力只发生在弯曲液面上。
众所周知，纳米材料科学与工程已经成为世界性的研究热点，在研究纳米材料的表面改性时，往往要涉及润湿接触角这个概念。
所谓接触角是指在一固体水平平面上滴一液滴，固体表面上的固－液－气三相交界点处，其气－液界面和固－液界面两切线把液相夹在其中时所成的角。
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固体表面与界面行为
2、晶界构型 晶界形状也由表面张力相互关系决定 多晶体结构，多晶体晶界形状 （1）固-固-固相 晶界交汇处均为固相，此时
多晶体面中，每一个晶界相交角度均为120°所有晶体断面的有 规律六角形状，晶界以120°相等，能量D趋于最稳定系统的总 界面能最小，且晶应当是平直的。
（2）固-固-气相 （3）固-固-液相
由此式得，曲面附加压力引饱和蒸气压变化曲面半径越小引起 蒸汽变化与愈大。
6-6 润湿分相分布
1、润湿 表面与界面之间形成液-固-气，固-固-液，固-固-气三种体
系，其中转为重要的是液-固-气系统 润湿：液体与固体接触，使固体表面能下降的现象。 润滑角θ ：液体表面张力γLV与固—液界面张力γSL之间夹角。 γSV，γSL，γLV，分别为液-固-气、固-液，固-气之界面张力
晶界应力与热彭胀系数Δ α 温度变化原底d成正比，如热膨胀为各向同性即Δα =0,τ =0。 如产生应力则晶粒越大，应力愈大强度越差，搞热冲击性也差。
6-6弯曲表面
1、弯曲表面附加压力 表面张力的存在造成弯曲表面上产生附加压力
如右图一根毛细管向其中吹气在管端形成一半径为气泡压力 增大，气泡体积增大相应表面积增加，阻碍其体积增加的阻力 为由于扩大表面积所需总表面能为克服此表面张力环境做功为
γAγB ：A、B两界面的表面能 γAB ：AB之间的表面能
粘附功：剥开单位粘附面积所需作功，粘附功W大则VAB小，
两者结合粘附牢固 相似表面易于粘附，一般金属排登陆艇它们之间的吸附层且
具足够的塑性变形可出现率固粘附即为冷焊。
4、实际表面结构 硅酸盐表面由于吸附都带有硅酸基团，吸附水而成水膜。
6-5 晶界
T↑表面能V0↓介质不同，表面能数值不同
第七章 气体在固体表面上的吸附
吸附剂
常用的吸附剂： 1）硅胶：是无定型氧化硅水合物，典型的极性吸附剂。用
做干燥剂，催化剂载体，主要吸附非极性溶剂中的极性 物质。生产工艺简单，成本低廉，再生产温度低，机械 强度好 2）活性炭：是多孔型性含碳物质，主要由各种有机物质 （木、煤、果核、果壳等）经炭化和活化制成。具有高 度发达的孔隙结构，良好的化学稳定性和机械强度。主 要吸附非极性物质及长链极性物质（孔吸附，适合非极 性），由于存在表面含氧基团，也可吸附某些极性物质。 应用于化学工业、环境保护、食品工业。例：有毒气体 的吸附、各类水溶液的脱色、除臭、水质净化、食品及 药物精制等的各种废水处理
吸附热
吸附等温线 吸附等压线 吸附等量线 Langmuir吸附等温式 Freundlich吸附等温式 BET吸附等温式
吸附剂和吸附质 (adsorbent,adsorbate)
当气体或蒸汽在固体表面被吸附时，固体称为 吸附剂，被吸附的气体称为吸附质。
常用的吸附剂有：硅胶、分子筛、活性炭等。 为了测定固体的比表面，常用的吸附质有：氮 气、水蒸气、苯或环己烷的蒸汽等。 吸附的分类：物理吸附与化学吸附。
固气吸附的一些现象毛细凝结现象一定温度t时中等孔径尺寸的多孔固体孔壁上发生了气体吸附若液体能完全润湿孔壁所得的吸附等温线如图所示ab线段是低压下的吸附当压力达到折点处发生毛细凝聚蒸汽变成液体在毛细管中凝聚吸附量迅速增加这是因为液体能润湿固体在孔中液面呈弯月形如图所示可以应用kelvin公式毛细凝结现象根据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
随着H原子向Ni表 面靠近，位能不断下降， 达到b点，这是化学吸 附的稳定状态。
化学吸附
Ni和H之间的距离等 于两者的原子半径之和。
3.1--表面张力和表面能
As pV s A
i nis
Gs A
i nis
G s As pV s
可见，上面两式实际上是等效的。
,
G
i ni
另一方面，当不考虑界面贡献时
比较两式可得
Gs
,
G
A
第20页，共76页。
表面自由能模型
可见，表面自由能是单位表面上的自由能相对于本体相 自由能的过剩量。这也是为什么称γ为比表面过剩自由 能的原因。
第33页，共76页。
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。如铂黑电极及多孔电极由于其表面积较大，
电流密度小，因而极化小；再如，由超细微粒制备的催化剂 由于具有很高的比表面因而催化活性较普通催化剂高；此外， 将药物磨成细粉以提高药效、将金属做成超细微粒以降低熔 点都说明了超细微粒具有独特的表面效应。
（F=（W1+W2）g）与总的表面张力大
小相等方向相反，则金属丝不再滑动。
这时
F 2 l
l是滑动边的长度，因膜有两个面，
所以边界总长度为2l， 就是作用于
单位边界上的表面张力。
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表面张力（surface tension）
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表面张力（surface tension）
键能的大小，一般化学键越强，表面张力越大。
(金属键)> (离子键)> (极性共价键)> (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
接触角表面能计算公式
接触角表面能计算公式表面能是物体表面所具有的能量，是由于分子间相互作用引起的。
在液体与固体的接触中，我们经常会遇到接触角的概念。
接触角是指液体与固体接触面上液体表面形成的一个角度，通常用θ表示。
接触角的大小决定了液体在固体表面上的展开程度，进而影响液体在固体表面上的吸附、润湿和液滴形状等现象。
接触角可以通过表面能计算公式来求解。
在理想情况下，接触角的计算公式可以表示为：cosθ = (γsg - γsl) / γlg其中，γsg表示固体与气体间的表面能，γsl表示固体与液体间的表面能，γlg表示液体与气体间的表面能。
这个公式的推导基于杨-卡普方程，即杨-卡普方程是接触角和表面能之间的基本关系。
根据杨-卡普方程，固体表面张力的大小取决于固体与液体、固体与气体、液体与气体之间的相互作用力。
当液体与固体间的相互作用力大于液体与气体间的相互作用力时，液体会在固体表面上展开，接触角较小；当液体与固体间的相互作用力小于液体与气体间的相互作用力时，液体无法在固体表面上展开，接触角较大。
通过表面能计算公式，我们可以得出接触角的数值，从而了解液体在固体表面上的行为。
当接触角接近0°时，表示液体完全展开在固体表面上，液体与固体有良好的润湿性。
当接触角大于90°时，表示液体无法展开在固体表面上，液体与固体的润湿性较差。
接触角的大小对于很多实际应用具有重要意义。
例如，在涂层工艺中，通过控制涂层材料的接触角，可以实现对涂层的润湿性和抗污性的调控。
在医疗器械中，通过改变材料表面的接触角，可以使其对生物组织具有更好的相容性和生物相容性。
在油田开发中，通过控制液体在岩石孔隙中的接触角，可以优化油水分离过程，提高油田开采效率。
接触角表面能计算公式是研究表面现象和液体行为的重要工具。
通过计算接触角，我们可以了解液体在固体表面上的润湿性和吸附行为，并在实际应用中进行调控和优化。
在未来的研究中，我们可以进一步探索接触角和表面能之间的关系，以及其在各个领域的应用价值，为科学研究和工程实践提供更多的支持和指导。
物理化学-表面现象讲义
表面现象
表面积和表面吉布斯能
• 表面积 • 表面吉布斯能和表面张力 • 表面的热力学关系式 • 影响表面吉布斯能的因素
2020/4/19
表面和界面
界面： 即相界面，是指两相之间几个分子厚度的过渡区。 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。 表面： 若两相中有一相为气体，这种相界面习惯称为表面。 包括气-液界面，气-固界面。
表面吉布斯能和表面张力
如果要把分子从内部移到界面，就必须克服体系内 部分子之间的作用力，即环境对体系做功。
表面功：T,p,n恒定时，可逆使表面积增加dA所需要 对体系作的功。即 -W’= dA 当表面积变化较大时，- W’= A
为T，P及n恒定的条件下，可逆增加单位表面积 时环境对体系做的表面功。
2020/4/19
表面吉布斯能和表面张力
在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着一种张力， 垂直与表面的边界，指向表面的中心并与表面相切， 或者作用于表面上任一条线的两侧，垂直于该线，沿 着液面拉向两侧。
F=l’= 2l
l
F
F
2l
表面张力()：
2020/4/19
表面吉布斯能和表面张力 如果在金属线框中间系一线圈，浸入肥皂 液后，上面形成一液膜。由于以线圈为边 界的两边表面张力大小相等方向相反，所 以线圈成任意形状可在液膜上移动。
表面张力不在一个平面 上，产生个指向液体外 部的合力 p
杨拉普拉斯公式
1805年Young-Laplace导出了p与r之间的关系式
可逆使实心液滴半径增大dr。
根据体积功定义： -W’= p dV
根据表面张力定义： -W’= dA
V 4 r 3 dV 4r 2dr 3
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固气表面能和液气表面能
固气表面能和液气表面能是物理学中非常重要的概念，它们在研究物质表面现象和液体的性质方面起着至关重要的作用。
下面是一些与这个主题相关的内容：
1. 固气表面能是指固体表面与气体接触时所表现出的能量，它决定了固体表面与气体之间的相互作用。
固气表面能越高，固体表面就越难被气体所湿润，而越低则越容易被湿润。
2. 液气表面能是指液体表面与气体接触时所表现出的能量，它决定了液体表面与气体之间的相互作用。
液气表面能越高，液体表面就越难被气体所湿润，而越低则越容易被湿润。
3. 固气表面能和液气表面能的大小与表面张力有关，表面张力是指液体或固体表面上的分子间相互作用力，它决定了液体或固体表面的形态。
表面张力越大，表面能就越高，反之亦然。
4. 固气表面能和液气表面能的大小还与表面化学性质有关，例如固体表面的化学成分、液体表面的酸碱性等。
这些因素会影响表面分子间的相互作用力，从而影响表面能的大小。
5. 固气表面能和液气表面能的研究在很多领域都有应用，例如在材料科学中，研究固体表面能可以帮助人们设计更好的涂层和粘合剂；在生物学中，研究液体表面能可以帮助人们了解细胞膜的结构和功能。
6. 最近，一些研究表明，固气表面能和液气表面能的大小还可能与环境污染有关。
例如，空气中的颗粒物和有机化合物会附着在固体表面上，从而影响固气表面能的大小；水中的污染物也会影响液气表面能的大小，从而影响水的生态环境。
7. 总的来说，固气表面能和液气表面能是物理学中非常重要的概念，它们的大小与表面张力、表面化学性质以及环境污染有关。
研究这些概念可以帮助人们更好地理解物质表面现象和液体的性质，从而为材料科学、生物学等领域的发展提供支持。