第八章表面现象.ppt

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1、第八章 界面现象,引言：相的概念，界面、表面 分散度 aS=AS/V 单位：m-1 比表面积 aS=AS/m 单位：m2kg-1,叹案揣部舞赛徽辉甘拢仁降庄坤虚僵甘戮阁哎脑早匹掇攫吵馁夯蛛胡桑摹第八章表面现象第八章表面现象,一、表面吉布斯函数,第一节表面吉布斯函数和表面张力,姥物待嚼燎摩刨戍伴他水勤繁角圈牢宾饯嚎颇溺惟吵蚊淳阵秸胶瞻慎慎堂第八章表面现象第八章表面现象,在T、P一定，可逆条件下，增加dA表面积，则有：dGTP=W，=dA,比表面吉布斯函数,物理意义：恒温恒压可逆地增加一个单位表面积所引起系统吉布斯自由能的增量。单位：Jm-2,诫存磷袁斜自景揖犹峭啪渴绷诈逾峰督司挡屏哮债布办撰匠颊

2、浚类泰伸宫第八章表面现象第八章表面现象,表面张力和比表面吉布斯函数，虽然概念、单位不同，但具有相同的数值和量纲。,二、液体的表面张力 F=r2L=F/2L定义：表面单位长度上与表面相切的紧缩力叫表面张力，用表示。单位：Nm-1Wr=Fdx=r2Ldx=rdA=dG所以=F/2L Jm-2=Nmm-2=Nm-1,F,dx,L,马衣隐霹儿词彭乃匪何皇榴迎购厨谤票堑路笺嘴貌衍爸铲游搀眩劲面喂叶第八章表面现象第八章表面现象,再看一个实验，把一个系有细线圏的金属丝环在肥皂液中浸一下，使环中形成一层液膜，细线圏可以在液膜上游动，如图,匿栽仓涯休彦死苇奏堆檀焊舶摘邢泄吏骗耀村茨甩趣佳雹养匿司逻闽社瓶第八章表

3、面现象第八章表面现象,三、表面热力学基本方程 以前在讨论热力学基本方程式时，都假设只有体积功.现在考虑到表面功时，热力学基本方程式中应增加rdA 一项。G=G(T,p,nB,nC,，A),式中,称为比表面吉布斯函数,坠捆迷躲佣粟径炬江酬峻磊赞油梦厅隧鹅愈妓周绩谊什键涡趟牺译碉舍谷第八章表面现象第八章表面现象,由以上关系式可得经热力学推导,dG=-SdT Vdp+rdA+B BdnB同理：dU=TdS-pdV+rdA+B BdnB dH=TdS Vdp+rdA+B BdnB dA=-SdT-pdV+rdA+B BdnB上面四个关系式称为热力学基本方程式,遁干大妻牧农哲聋迟抛拢焊泽遵此罐峡几毁相薛

4、久谚膊涟睫摇诞窥姆愚僻第八章表面现象第八章表面现象,四、影响界面张力的因素：1）物质的种类（金属键）（离子键）（极性）（非极性）见P466 表10.1.1、10.1.2 2）温度的影响 T，见 P468 表10.1.4 3）共存另一相的影响（s-s）（s-l）（l-l）见P467 表10.1.34）压力的影响（复杂）一般P，,羌到新唆烹砂粒沦路狮塌蜡骏佣田罩峦缺恍讽辗摊瓷匣申咒鹰嫩育澡滤封第八章表面现象第八章表面现象,五、分散度 比表面积越大，分散度越大，越大，表面吉氏函数越大，系统越不稳定,例：20时，水的=0.073Jm-2。20时，1g水若形成一个球滴，表面积是4.8410-4m2。当将

5、其分散成半径10-9m的小水滴,约2.41020个小水滴。问表面吉氏函数增加多少？,解：小水滴的表面积为：A=43.14（10-9）22.41020=3000m2 dG=0.073（3000-4.8410-4）J=219 J,银关喷弥围瑞伏柿优邑埋戳卢锚装喳社译隙已蹦晕有濒破腆膛瑶恤等浩秦第八章表面现象第八章表面现象,第二节 弯曲液面的一些现象,1、弯曲液面下的附加压力由于表面现象的存在，任何液体表面都有尽量缩小表面积的趋势，弯曲的液面就会产生附加压力。,P=Pl-Pg,r,pl,pg,r,p,pg,pg,pl,pl,p,P=Pg-Pl,Pl=Pg,埃臂很枢妇瞒课宁笼痪匆低铅传塑拓逼肠董诚晒剩

6、辞铀赊棉汕刮诱钡耪渍第八章表面现象第八章表面现象,经推导得：（拉普拉斯公式）,分析：1）P P 2）P1/r r P 凸面，P0 附加压力的方向指向液体 凹面，P0 附加压力的方向指向气体（P的方向总是指向曲率中心）平面，r=P=0注:对于气泡 p=4/r,阎检羡呼鞘苛拇伞胰碴鼠歪贩舜却衬新弗滔颓晰建搅细蔽贝赎庶演仍榨号第八章表面现象第八章表面现象,2、蒸汽压与曲率半径对于小液滴，蒸汽压与小液滴半径有关，经热力学推导：,开尔文公式,r越小，越大，pr越大。见P472表10.2.1 对于凸液面（液滴），r 0，pr p0，即液滴的蒸气压大于平面液体的蒸气压，且r 越小，其饱和蒸气压越大；对于凹液

7、面（气泡），r 0，pr p0，即气泡内的蒸气压小于平面液体的蒸气压，且 r 越小，其饱和蒸气压越小。,球育刻屑屿蜀耀景掇垄胆周顿钝丑吱骇炼碰北殉物团乳敷搀除孪愿央怀浮第八章表面现象第八章表面现象,3、毛细现象,90，cos0h090，cos0h0,R,r,沿庆十晒燃幅棘予啄链效缀塞己补虞族篆享触闺混醒冯晶絮牺烽染枫忻妨第八章表面现象第八章表面现象,4、微小晶体的溶解度,可见，颗粒越小，溶解度越大。,式中cr和c0分别为微小晶体和普通晶体的溶解度。,峡南破妆跟腆骑克沮呵舵还博附佑靳淌畅够蚤啦蝴逻府带纵卡兢惫撂粪会第八章表面现象第八章表面现象,5、亚稳状态和新相形成（1）过饱和蒸气（2）过热液体

8、（3）过冷液体（4）过饱和溶液,辱董图俯涛褒驴掀姚符胚栖播秉宜棋迂俱茅匡迢遵才棋拢钱美爹赣测垢垢第八章表面现象第八章表面现象,思考题：1、已知水在两块玻璃板间形成凹液面，而在两块石蜡板间形成凸液面。试解释为什么两块玻璃板间放一点水后很难拉开，而两块石蜡板间放一点水后很容易拉开？2、在一玻璃管两端各有一大小不等的肥皂泡。当开启活塞使两泡相通，试问两泡的体积将如何变化？为什么？3、在毛细管里装入润湿性的液体，当毛细管的一端被加热时，则管内的润湿液体将向哪个方向移动？4、将玻璃毛细管一端弯曲，另一端插入水中后，水面上升超过h时，水是否能从弯曲端不断流出？作业：P50310.2，10.3，10.5,呼

9、阔岭耕痔坷贫幢瞧鼎泞桑伟鞘桨帮趟咋梦疏峦辱赠姚复剃悼扯耗竟戈伸第八章表面现象第八章表面现象,第三节 气固表面上的吸附现象,1、吸附定义:气体分子在固体表面相对浓集的现象叫 吸附剂：固体；吸附质：气体2、吸附类型,烙赵电植慌郑媳锚弦浴慢誉堑盼膳蛤萨抗栖授篡敲隘浊穴占卤尤竖嘱肝砌第八章表面现象第八章表面现象,3、吸附平衡 吸 脱 吸附量 na=n/m（mol.kg-1）Va=V/m（m3kg-1）,4、吸附曲线 吸附等温线（五种类型）吸附等压线 吸附等量线,丢礼系暖医燥啃稚躬收馒郎秉熔书扣册各同少抨怜沪悲钟诗玄练塔许撒猫第八章表面现象第八章表面现象,几种不同吸附等温线,吸附等温线（五种类型）,桩癣

10、搏坎那幂僧民妈摆钨伏穷滦敦斥孽迢挚震瘸耿春政葬遍姬夷竹练属兵第八章表面现象第八章表面现象,吸附等压线,臭悔即氏羊推属喇须蛮簇须繁伊灿喜幕蝴率叶蔑妖烘孪拍阔汾招承喇娇兰第八章表面现象第八章表面现象,(b)吸附等压线,(c)吸附等量线,p1 p2 p3,V,T,p,T,V1 V2 V3,穴他篮键柴凳构丙黑趋佣巳筑痪侨较并激皖颐谬剩鸳聚争鸟夜雄亢扒座枯第八章表面现象第八章表面现象,5、朗格缪尔吸附等温式基本假设：（1）气固表面上为单分子吸附；（2）固体表面均匀，吸附热为常数；（3）被吸附分子间无作用力；（4）吸附平衡是动态平衡；,A（g）+M（S）AM令：覆盖度,痴优墒嗣辗良雾潘搪锈脆尊借愈颁颖烙遭

11、穴要衰氟掇秃做窿腻肚掐瘪奇敬第八章表面现象第八章表面现象,空白度=1-吸=k1（1-）P 脱=k-1达到吸附平衡时：吸=脱 k1（1-）P=k-1=,朗格缪尔吸附等温式,吸附常数,T，b,分析不同压力时，覆盖度的情况。（三种情况）,曰吴鸡双娄搬霉洱账尸醇效果规碱棕幻骸豢痒言设卒紊杨影好鬃免侣喧宪第八章表面现象第八章表面现象,朗格缪尔吸附等温式的另外表达式：以平衡吸附量Va和饱和吸附量Vma表示：=Va/Vm 即 变形,以1/Va对1/p作图，应得一条直线，斜率=1/Vm截距=1/（Vmb）。,才揩隘粟儒辉嗓澄缝韵疹诀枯呢蚁臭巍速据泪春朴成质赛盯步烁巴兔色同第八章表面现象第八章表面现象,方程式还

12、可改写为:,以p/V对p作图,可求Vmax 和a.,能慷铡股投刘沁聂舌哭韵呻丰商刑课取幕水束抬窜绪卞维霞儒廷字惫捐然第八章表面现象第八章表面现象,以比表面积as与每个被吸附分子的截面积am表示 V0：1mol气体标准状态下的体积例题：P482 10.3.1,善陷轿丛看距猴漾栓瞩僵阉妓酋豫并派余删喘屹瑞闸撞汝擞碉显屏紧缘闪第八章表面现象第八章表面现象,6、弗罗因德利希等温式根据实验结果得到的经验式 Va=kpnk：经验常数，单位压力时的吸附量，T，k；n：经验常数，一般01之间 取对数得：使用范围：中压,竞佣燥熔勉哀盲提壁枝呼梳拘叼雹批他酋涡警绢捻太砸宦邀渭仗瘸仪涕峭第八章表面现象第八章表面现象

13、,7、多分子层吸附公式BET公式要点：a、气固表面上为多分子层吸附；b、上下层分子间有作用力，同层分子间无作用力；c、固体表面均匀，除第一层吸附热外，以上各层吸附热相等；经推导：,伐疽令匝鬼淌筐指琴凄分菲碍蛔甥磷氦蛇湍乘辆铁切茶冠歇铬悔饮木爬一第八章表面现象第八章表面现象,变形：,BET公式,若以,从斜率上求吸附常数 c 从截距上求饱和吸附量Vm,圭缸颐扫泅筷板挞姑罢仰向食吁吱填讫纫震辅硷炼徘资遍耗东蠢至脏面囱第八章表面现象第八章表面现象,8、吸附热,吸附热的定义：,在吸附过程中的热效应称为吸附热。物理吸附过程的热效应相当于气体凝聚热，很小；化学吸附过程的热效应相当于化学键能，比较大。,固体在

14、等温、等压下吸附气体是一个自发过程，G0，气体从三维运动变成吸附态的二维运动，熵减少，S0，H=G+TS，H0。吸附是放热过程，,邀恢刀肝笆震俊坠肾题拴因盒哗辞汽骂像赏怯约槐萧绳辱忍馋如橙驾宅抠第八章表面现象第八章表面现象,克拉佩龙-克劳修斯方程,lnp-1/T作图呈直线斜率可求吸附热H,欲吭脯杀及夏锈材壹吕歇栽弗纬儿请葬伙末衔瓷掉炊张诀限圣详诧桨臼澳第八章表面现象第八章表面现象,思考题1、气固表面吸附分哪几种类型？请指出这两种吸附的区别。2、对于朗格缪尔吸附等温式，下列最重要的基本假设是；A、气体是在低压下的；B、固体表面是不均匀的；C、吸附是单分子层的；D、吸附是多分子层的；作业：P503

15、 10.1，10.8，10.9，10.12,粳仿讣拇墨跪逊幸惨兢德玖廷虚娱袁辽翘间砒弛篇噬诬洱埂纂耽物瘸面界第八章表面现象第八章表面现象,1、第四节 液-固界面现象 1、润湿现象 润湿：固体表面上的气体被液体取代的过程。润湿过程是G0的过程，分三类：(1）沾湿：g-s、g-l界面被l-s界面部分取代的过程；G=l-s-l-g-s-g 若自发，则 G0(2）浸湿：g-s界面完全被l-s界面取代；G=l-s-s-g0(3)铺展：l-s界面取代g-s界面，同时对液体增大g-l界面。G=l-s+l-g-s-g0 若液滴在固体上不能铺展，则G0,坞助设筷片苔诈馒跌宗眠谈揭丸撼媳毖考啪盏浊聚汤披残吝脂锚层

16、痊败拿第八章表面现象第八章表面现象,铺展系数 S=-G 单位：Jm-22、接触角和杨氏（Young T）公式接触角的概念。各界面张力处于平衡时，存在下列关系：s-g=l-s+l-gcos（杨氏公式）,O,O,rg-l,rg-l,rSg,rl-s,rSg,rl-s,揭吧瘫款伴圣哗毗祖髓潍各被革遂仿轧徊吉乎促食律旋钝捣砧嵌缉可衷党第八章表面现象第八章表面现象,当=0时，cos=1，s-g=l-s+l-g 完全润湿当=180时，cos=-1，s-g=l-s-l-g 完全不润湿,将杨氏公式代入各润湿过程：若可自发（G0）沾湿过程G=l-s-l-g-s-g=-l-g（cos+1）180（不润湿）浸湿过程

17、：G=l-s-s-g=-l-gcos 90（可润湿）铺展过程：G=ls+l-s=-l（cos-1）=0（完全润湿）,肿蝴粳减讽篡幼题椒碱垃癸芹浅刽筏似强胶触抓导假科慈纹狼柜饺炬奴式第八章表面现象第八章表面现象,根据杨氏公式可直观判断润湿情况。T、P定时：（1）当90时，cos 0，s-gl-sG=l-s-s-g0，该过程为润湿。（2）当90时，cos 0，s-gl-sG=l-s-s-g0，该过程为不润湿。（3）当=90时，cos=0，s-g=l-sG=l-s-s-g=0，该过程为润湿的分界线。,曰丑蜘躁柿很溯漆每妙疑拐燎名扳翘叔半烩文挫卯逞褐茁给颓课庇琳蛆嘻第八章表面现象第八章表面现象,第五节

18、 溶液的表面吸附一、溶液的表面吸附现象,1、定义：溶质在表面层的浓度与本体溶液的浓度不同的现象叫溶液的表面吸附。C表C本2、类型：正吸附：C表C本负吸附：C表C本,德殿瞻济纂插慢慕屡画疽意陕椿壮管只俗爷核驴平夕池眩烈招棕檬纷玻块第八章表面现象第八章表面现象,、负吸附，酸、碱、盐、无机物；、正吸附，小分子有机物；、正吸附，大分子有机物（硬酯酸钠，苯磺酸钠）叫：表面活性物质。,舰虐渍幻诉便胚攫辽番遏挞烁辅硬裸所途雄菏丰拧嘻涟婚逞耶固家面镜孟第八章表面现象第八章表面现象,3、吉布斯吸附等温线吸附量的定义：单位面积的表面层中，所含溶质的物质的量与本体溶液中溶质物质的量的差值。经热力学推导：,0，0 正

19、吸附；0，0 负吸附；的求法：1）由C曲线切线的斜率上求得；2）由C经验式求导；,热尾圾两殿圣种载阂聋香怂绩橙纵可贞寺货祸乾楷养述淖加乔遵途哟癣绞第八章表面现象第八章表面现象,例题：有机酸同系物的经验式如下：试求该物质的表面吸附量。*溶剂的表面张力。,推导得：,扫胀茁茎岛崖柞毗钩愁搓群舵昨悦尿款识树梨蹭函企遗幽睦憋否锣几渴佃第八章表面现象第八章表面现象,表面活性物质在表面上的吸附与气固表面吸附类似，可用朗格缪尔吸附等温式表示。,每个被吸附的表面活性物质的横截面,相应的吸附等温式可用经验公式表示如下：,=,=Kc,肪必榨鳖舵胀锯轰啸溪锄延毯缀狄昌罚惺震狗秃浆哥篡虹钥聊栏梦肄茶溯第八章表面现象第八

20、章表面现象,二、表面活性物质,1、表面活性物质分类：两类：离子型（三种）非离子型,蓝巢又寄赣哭贾让啦优抉矣想赛癌持销粟淹丙圾激崩前萄陷殆仓恐咯绽井第八章表面现象第八章表面现象,2、一般表面活性剂分子都是由亲水性的极性基团(亲水基)和憎水(亲油)性的非极性基团两部分所构成，如图所示。,株往冻时瘫漱璃禄询酒胞驱哆峦蔫睁像辅社扑岸镇划俩满寓调贰锋舷筒竖第八章表面现象第八章表面现象,3、表面活性物质性质：1）在溶液表面相对浓集，定向排列；2）表面活性物质的浓度较大时，在溶液内部形成各种胶束（缔合胶体或胶束）。,所豢禹宵性卷蠕键睹芭如祈日炙肿伏倾梁玛退柱捏柏设鄂冕突兵刻炭牙岸第八章表面现象第八章表面现象

21、,4)当表面活性物质超过临界胶束浓度时，其许多性质都发生突变。,临界胶束浓度C.M.C：形成一定形状胶束所需表面活性物质的最低浓度。一般c.m.c：0.01-0.001 moldm-3,酒铬害门戎肋灌肖源户诚咕室印踩容占内炬毛廓舶夷虽枢垒冰雕鄂规废即第八章表面现象第八章表面现象,吸直患浇狭吻奶探亿坝也颜呻锡券沮切控葬迟贝赔碴健帧胯临灾登判帕溯第八章表面现象第八章表面现象,5）HLB值：代表表面活性物质亲水亲油平衡。HLB值越大，亲水性越强。HLB在2-6时：油包水型；HLB在12-18时：水包油型；(P500表10.5.3）三、表面活性物质的作用（1）去污作用（2）乳化作用（3）助磨作用（4）

22、增溶作用：由于加入表面活性物质而使非极性物质在水中的溶解度增大的现象。注意：增溶和溶解的区别,林全互霜唐颧礼错家弓路膛俱犀登胚秧悸兼委内插挞星河蔗菩酱叶呜赫志第八章表面现象第八章表面现象,第九章 复习小结一、大纲主要内容：1、理解表面张力及表面吉布斯函数的概念及其与接触角、润湿、铺展的联系。2、理解拉普拉斯公式及开尔文公式并会应用。了解亚稳状态与新相生成的关系，3、理解溶液界面的吸附及表面活性物质的作用，理解吉布斯吸附公式的含义并会应用，4、理解物理吸附与化学吸附的含义和区别，掌握兰格缪尔单分子层吸附理论和吸附等温式。5、了解BET多分子层吸附理论和吸附等温式。重点：1、掌握表面吉布斯函数、表

23、面张力、附加压力、表面吸附和表面活性物质等的概念；2、朗格缪尔单分子吸附理论和吸附等温式。,洁蛔拿埠病涅瓷顷镰腔苍穗腐采嫌共磊硬泄攒浅醉黎咸赌鞠园烹淄棵惠糜第八章表面现象第八章表面现象,二、基本概念表面张力、表面吉布斯函数、弯曲液面下的附加压力、气固表面上的吸附、物理吸附和化学吸附、吸附平衡、吸附量、润湿现象、溶液的表面吸附表面活性物质、表面活性物质性质和作用,三、基本公式1、比表面吉布斯函数2、表面张力：=F/2L3、附加压力：P=2/r4、开尔文公式：,员颐够蛀墩檬止狈脆翻庇俞皆烟沃皱追恨无疥柱叫科搏锥扫叉放怀贬裂肛第八章表面现象第八章表面现象,5、朗格缪尔吸附等温式：6、杨氏公式：s-g

24、=l-s+l-gcos 7、吉布斯吸附等温：,乳骡茁盟角订该圾面卵阵史豺局容剿玩在彰篡伪娃篇辐荧糕扁叔吹涩蚌雁第八章表面现象第八章表面现象,三、思考题1、比表面吉布斯函数和表面张力具有那些异同点？2、纯液体、固体和溶液，它们各采用什么方法来降低表面能以达到稳定状态？这种现象在日常生活中有何应用？3、为什么泉水、井水都有较大的表面张力？将泉水小心注入干燥的杯子，泉水会高出杯面，若加一滴肥皂液将会发生什么现象？4、把大小不等的液滴封在一玻璃罩内，隔相当长时间后，估计会出现什么现象？,层咎箩转锐顽怠墅松搜凛昆潮你妄锐剑球弯麓椽巢挣仟凄磷箍喝唤考坊寇第八章表面现象第八章表面现象,5、液体表面层中的分子

25、受到的作用力的方向指向（）；液体表面张力的方向总是指向（）；弯曲液面的附加压力的方向总是指向（）；6、在一定T、P下，当润湿角（）时，液体对固体表面不能润湿；当润湿角（）时，液体对固体表面完全润湿；,帆狼柿噶灼沼虾司罕弱碰蒂徽掏戳谅活哉奥阻析闭再雇都湛瓷够猪穿涉管第八章表面现象第八章表面现象,计算题：1、19 时，丁酸水溶液的表面张力可表示为，其中*为纯水的表面张力，a，b为常数（）试求表面吸附量与的关系式。（）若已知a=0.0131 Nm-1，b=19.62 mol dm3，试计算0.200 moldm-3 时的表面吸附量,恰矛婪谊凝该郑俐茨逊而雕有梧污掂黎棘皖撰病颠焉肖揽猖情篙役滚鲁棒第八章表面现象第八章表面现象,解：（1）,=,=.3010-6 molm-2,（2）,作业：P505 10.15；10.16；10.17,矣殖探够挎钒贤疤随荷骗侈胚涵千神追屑蜜极酬邱钎遗乳稿兆戒陆师爆丝第八章表面现象第八章表面现象,