《界面现象》PPT课件.ppt

,界面现象,1 界面张力,2 弯曲液面的附加压力及其后果,3 固体表面,5 溶液表面,4 液-固界面,一、几个基本概念,1。界面(interface)与表面(surface)（1）界面即两相接触面。通常把与气体接触的界面称为表面。（2）界面约为几个分子的厚度，并不是两相接触的几何面,10.1 界面张力,(1)表面张力(surface tension),2。液体的表面张力、表面功及表面吉布斯函数,表面张力：沿着与表面相切的方向，垂直作用于单位长度相界面上的表面收缩力。单位：N.m-1,产生原因：表面层分子与体相内部分子受力不均。作用结果：表面层分子总是趋于向液体内部移动以尽量缩小表面。,（2）表面功,单位 J.m-2,(3)比表面吉布斯函数(specific surface Gibbs function),在温度、压力和组成恒定的条件下，可逆扩张单位表面积，体系Gibbs能的增加。,单位 J.m-2,总结：（1）三者之间数值与量纲相同，物理意义不同（2）表面张力的作用：尽量使液体表面缩小。（3）方向：对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。,二、界面张力的影响因素,1。界面张力与物质的本性有关,结论：,（1）一般金属、无机盐的界面张力大,（2）极性分子界面张力比非极性分子大,（3）同一物质固态的界面张力大,表面张力与物质分子间作用力密切相关，分子间作用力越强烈表面张力越大。,2。界面张力随接触物质的不同而不同,3。界面张力与温度相关,20C某些液-液界面张力,不同温度下水的表面张力（单位：mN.m-1）,10.2 弯曲液面的附加压力及其后果,一、毛细现象实验当毛细管插入液体后，在毛细管内，发生液面上升或下降的现象。,附加压力：,原因：表面张力使弯曲液面产生附加压力，毛细管现象是弯曲液面具有附加压力的必然结果。,h,h,二、弯曲液面的附加压力,由于表面张力的作用，在弯曲液面下的液面与平面液体不同，它受到一个指向弯曲液面曲率中心方向的附加压力。,P外,P内,A,B,（a）,（b）,（c）,三、附加压力的Laplace公式,在一定温度下，附加压力与表面张力成正比，与液面的曲率半径成反比。,讨论：1 凸液面，p=P内-P外，指向弯曲液面曲率中心。图(a);,2 平液面，曲率半径r=，p=0，图（b）；,3 凹液面，p=P外-P内，指向弯曲液面曲率中心,图(c).,四、表面张力的测量-最大气泡法,毛细管愈细（r愈小），液体的密度愈小，液体的表面张力愈大，对管壁润湿愈好，液体在毛细管中上升高度 h愈高。,r1,r,h,五、微小液滴的饱和蒸气压,设有物质的量为dn的微量液体从具有P蒸气压的平液面转移到具有Pr蒸气压的小液滴上，小液滴的半径从r增加到r+dr。试比较P和Pr的大小。,开尔文公式,（凸液面小液滴）,（凹液面，小气泡内）,由Kelvin公式可以解释毛细管凝结，过饱和蒸气，过热液体，过冷液体，过饱和溶液等各种亚稳状态现象。,1。硅胶可以充当干燥剂？-毛细凝结现象,2。过饱和蒸气（人工降雨的原理）,水在毛细管中呈凹液面，根据开尔文公式可知：管中蒸气压小于平液面蒸气压，因此管中蒸气易凝结成水。,过饱和蒸气：一定温度下的蒸气，其蒸气压超过该温度下的饱和蒸气压而不凝结的现象。,解释：根据开尔文公式，微小液滴（凸液面）的饱和蒸气压大于水平液面的蒸气压，因此当过饱和程度不大时，此蒸气对微小液滴而言尚未饱和，它可以继续蒸发而不凝结。,3。过热液体,4。过饱和溶液,在一定的压力下，体系的温度超过沸点而不沸腾的液体。,解释：根据开尔文公式，微小气泡（凹液面）的饱和蒸气压小于水平液面的蒸气压，因此当液体过热不太大时，微小气泡的蒸气压仍达不到外压而难以沸腾。,在一定的温度与压力下，溶液的浓度超过饱和浓度而仍未析出晶体的溶液。,Cr-微小晶体的溶解度C0-大晶体的溶解度,10.3 固体表面,吸附作用在任意两相之间的界面层中，某物质的浓度 能自动地发生变化的现象。,吸附剂具有吸附能力的物质。,吸附质（吸附相）被吸附的物质。,固体吸附剂表面力场的不饱和性和不均匀性，使系统具有较高的表面Gibbs自由能，但固体吸附剂又不能象液体那样可以通过收缩其表面来降低表面Gibbs自由能，所以在一定的温度、压力条件下，固体吸附剂表面可自动地吸附那些使表面Gibbs自由能降低的物质，故吸附作用是一个自动过程，T，p G 0。,一、几个基本概念,图示,二、物理吸附与化学吸附（动画演示）,三 等温吸附,吸附量（na或Va）单位质量（m）的吸附剂上所吸附物质的量（n）（或吸附气体的体积V）。,注：气体吸附量与温度和该气体的压力有关。,吸附等温线在恒温下，描述吸附量与平衡压力之间关系的曲线，实 验吸附等温线有下列五种类型。,四 Freundlich等温吸附经验式（适用于中压范围）,吸附量Va与气相平衡压力p之间的关系为：,k和n是经验常数，k视为p为单位压力时的吸附量。,五 Langmuir单分子层吸附等温式,（1）Langmuir单分子层吸附理论的基本假设：,1 单分子层吸附；,2 固体表面均匀；,3 固体表面上被吸附分子之间无作用力；,4 吸附、脱附处于动态平衡。,（2）单分子层吸附理论的数学模型Langmuir吸附等温式,根据理论的基本假设导出数学模型为：,式中：固体吸附剂表面覆盖度；,Va吸附剂的吸附量；,Vma饱和吸附量；,p气体的平衡压力；,b吸附平衡常数（简称：吸附系数）。,Langmuir单分层吸附等温式还可写为：,10.4 液固界面,一、润湿作用,润湿是固体（或液体）表面上的气体被液体取代的过程。在一定温度和压力下，润湿过程的推动力（趋势）可用表面Gibbs函数G来衡量，若Gibbs函数减少得愈多,则固体易愈被液体所润湿。,沾湿、浸湿、铺层润湿(动画）,润湿作用的分类：,二、沾湿功、浸湿功和铺展系数1、沾湿功Wa(单位面积已沾湿的液固界面分开形成气-固和气液界面过程所需的功）,Wa,Wa越大越易沾湿,2、浸湿功Wi(单位面积已浸湿的液固界面分开形成气-固界面过程所需的功）,是液体在固体表面上取代气体能力的一种量度。,3、辅展系数S,液体在固体表面辅展的必要条件：S0,二、接触角和杨氏方程,接触角固-液界面水平线与气-液界面在 O 点的切线之间的夹角。,杨氏方程,沾湿过程：,浸湿过程：,铺展过程：,1800,900,=00或不存在,10。5 溶液表面,实验表明：溶液的表面层对溶质也可以产生吸附作用，使其表面张力发生变化。溶质的浓度对溶液表面张力的影响大致可分为三种类型，如图：,溶液的表面吸附：溶质在表面层的浓度与溶液内部的浓度不同的现象。正吸附：溶质在表面层的浓度大于溶液内部的浓度。负吸附：溶质在表面层的浓度小于溶液内部的浓度。,（）溶质为无机盐类,（）溶质为低脂肪酸、醇、醛等,（）溶质为RX，即带极性基团X的含10个以上碳的烷基R,讨论（1）对第（）类物质，0，即0，表面 层发生负吸附。,二、溶液表面等温吸附的Gibbs方程,在一定温度压力下，溶液的浓度、表面张力和吸附量之间关系的方程式：,（2）对第（）（）类物质，0，表面层发生正吸附。,表面活性物质凡是能使溶液表面张力降低的物质。习惯上只把那些能明显地降低溶液表面张力的物质（类）称为表面活性物质。,实验证明：在一定温度下，表面活性物质的表面吸附量与溶质浓度c的关系曲线可用固体表面吸附的Langmuir等温方程式来描述。,三 表面活性物质,即：,式中 为饱和吸附量。,实验测出 值可计算被吸附表面活性物质分子的截面积A。,式中L为Avogadro常数。,浓度,吸附量,如：油酸分子模型,通常表示表面活性物质分子的模型为：,表面活性物质的分子中都同时会有极性基团（如：COOH，CONH2，OH等），以及憎水的非极性基团（如碳链或环）。,四 表面活性物质的分子结构及其溶液表面吸附层的定向排列,非极性基团,极性基团,表面活性物质的分类,离子型：阴离子型-亲水基是阴离子（如硬酯酸钠）阳离子型-亲水基是阳离子（如十八烷基铵盐）两性型-同时具有阴离子与阳离子（如氨基酸）,非离子型：多元醇型，聚氧乙烯醚型,表面活性物质的性质,表面活性剂的结构特点：两亲分子,临界胶束浓度：形成一定形状的胶束所需表面活性物质的最低浓度，用CMC表示。（看动画，胶束的形成）,格里芬的亲水亲油平衡（HLB法）-表面活化剂的选择 P189,表面活性物质的应用,（1）润显作用-淋不湿的服装，矿物浮选（2）去污作用（3）增溶作用（4）助磨作用（5）乳化、起泡作用等,