《界面现象》PPT课件.ppt

界面现象1 1 界面张力界面张力2 2 弯曲液面的附加压力及其后果弯曲液面的附加压力及其后果3 3 固体表面固体表面5 5 溶液表面溶液表面4 4 液液-固界面固界面一、几个基本概念一、几个基本概念1。界面。界面(interface)与表面与表面(surface)（1）界面界面即两相接触面。通常把与气体接触的界面称为即两相接触面。通常把与气体接触的界面称为表面表面。（2）界面约为几个分子的厚度，并不是两相接触的几何面）界面约为几个分子的厚度，并不是两相接触的几何面10.1 界面张力界面张力(1)表面张力表面张力(surface tension)2。液体的表面张力、表面功及表面吉布斯函数。液体的表面张力、表面功及表面吉布斯函数表面张力：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：面上的表面收缩力。单位：-1产生原因：产生原因：表面层分子与体相内部分子受力不均。表面层分子与体相内部分子受力不均。作用结果：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。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）表面功单位单位 -2(3)(3)比表面吉布斯函数比表面吉布斯函数(specific surface Gibbs function)(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，体系面积，体系Gibbs能的增加。能的增加。单位单位 -2总结：（总结：（1）三者之间三者之间数值与量纲相同，物理意义不同数值与量纲相同，物理意义不同 （2）表面张力的作用：）表面张力的作用：尽量使液体表面缩小尽量使液体表面缩小。（3 3）方向：）方向：对平液面是沿着液面并与液面平行。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。对于弯曲液面则与液面相切。二、界面张力的影响因素二、界面张力的影响因素1。界面张力与物质的本性有关。界面张力与物质的本性有关物物 质质正已烷正已烷(l)18.4水水(l)72.75NaCl(l)113.8Ag(l)878.5Cu(l)1300Ag(s)1140Cu(s)1670冰冰12010结论：结论：（1）一般金属、无机盐的界面张力大）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）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）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相关，分子间作用力越强烈表面张力越大。力越大。2。界面张力随接触物质的不同而不同。界面张力随接触物质的不同而不同界界 面面界界 面面水水-正已烷正已烷51.1水水-乙醚乙醚10.7水水-氯仿氯仿32.8水水-苯苯35.0水水-四氯化四氯化碳碳45水水-汞汞375水水-正辛醇正辛醇8.5苯苯-汞汞3573。界面张力与温度相关。界面张力与温度相关20C某些液某些液-液界面张力液界面张力温温 度度 040 60 80 100 表面张力表面张力 75.64 69.5866.1862.6158.85不同温度下水的表面张力（单位：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弯曲液面的附加压力及其后果一、毛细现象实验一、毛细现象实验当毛细管插入液体后，在毛细管内，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。发生液面上升或下降的现象。附加压力：附加压力：原因：原因：表面张力使弯曲液面产生附加压力，毛细管现象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。是弯曲液面具有附加压力的必然结果。hh二、二、弯曲液面的附加压力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。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AB（a）（b）（c）三、三、附加压力的附加压力的Laplace公式公式在一定温度下，附加压力与表面张力成在一定温度下，附加压力与表面张力成正比，与液面的曲率半径成反比。正比，与液面的曲率半径成反比。讨论：讨论：1 凸液面，凸液面，p=P内内-P外外，指向弯曲液面曲率中心。图，指向弯曲液面曲率中心。图(a);2 平液面，曲率半径平液面，曲率半径r=，p=0，图（，图（b）；）；3 凹液面，凹液面，p=P外外-P内内，指向弯曲液面曲率中心，指向弯曲液面曲率中心,图图(c).四、表面张力的测量四、表面张力的测量-最大气泡法最大气泡法毛细管愈细（毛细管愈细（r愈小），液体的密度愈小），液体的密度愈愈小，液体的表面张力愈大，对管壁润湿小，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愈好，液体在毛细管中上升高度 h愈高。愈高。r1rh五、五、微小液滴的饱和蒸气压微小液滴的饱和蒸气压设有物质的量为设有物质的量为dn的微量液体从具有的微量液体从具有P蒸气压的平液面转移到蒸气压的平液面转移到具有具有Pr蒸气压的小液滴上，小液滴的半径从蒸气压的小液滴上，小液滴的半径从r增加到增加到r+dr。试。试比较比较P和和Pr的大小。的大小。开尔文公式开尔文公式（凸液面（凸液面小液滴）（凹液面，小气泡内）（凹液面，小气泡内）由由KelvinKelvin公式可以解释毛细管凝结，过饱和蒸气，过热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？。硅胶可以充当干燥剂？-毛细凝结现象毛细凝结现象2。过饱和蒸气（人工降雨的原理）。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。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。下的饱和蒸气压而不凝结的现象。解释：解释：根据开尔文公式，微小液滴（凸液面）的饱和蒸气根据开尔文公式，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。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。过热液体4。过饱和溶液。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。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：解释：根据开尔文公式，微小气泡（凹液面）的饱和蒸气根据开尔文公式，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。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。未析出晶体的溶液。Cr-微小晶体的溶解微小晶体的溶解度度C0-大晶体的溶解度大晶体的溶解度10.3 固体表面固体表面吸附作用吸附作用在任意两相之间的界面层中，某物质的浓度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。能自动地发生变化的现象。吸附剂吸附剂具有吸附能力的物质。具有吸附能力的物质。吸附质吸附质（吸附相）（吸附相）被吸附的物质。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具有较高的表面GibbsGibbs自由能，但固体吸附剂又不能象液自由能，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体那样可以通过收缩其表面来降低表面GibbsGibbs自由能，所自由能，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吸附那些使表面GibbsGibbs自由能降低的物质，故吸附作用是自由能降低的物质，故吸附作用是一个自动过程，一个自动过程，T T，p p G G 0 0，即，即0，表面，表面 层发生负吸附。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：系的方程式：（2）对第（对第（）（）（）类物质，）类物质，0，表面层发生正吸附。表面层发生正吸附。表面活性物质表面活性物质凡是能使溶液表面张力降低的物质。凡是能使溶液表面张力降低的物质。习惯习惯上只把那些能明显地降低溶液表面张力的物质上只把那些能明显地降低溶液表面张力的物质 （类）称为表类）称为表面活性物质。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与溶质浓度c的关系曲线可用固体表面吸附的的关系曲线可用固体表面吸附的Langmuir等温方等温方程式来描述。程式来描述。三三 表面活性物质表面活性物质即：式中式中 为饱和吸附量。为饱和吸附量。实验测出实验测出 值可计算被吸附表面值可计算被吸附表面活性物质分子的截面积活性物质分子的截面积A。式中式中L为为Avogadro常数。常数。浓度吸附量如：油酸分子模型如：油酸分子模型通常表示表面活性物质分子的模型为：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：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）。等），以及憎水的非极性基团（如碳链或环）。四四 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非极性基团极性基团极性基团表面活性物质的分类表面活性物质的分类离子型：阴离子型离子型：阴离子型-亲水基是阴离子（如硬酯酸钠）亲水基是阴离子（如硬酯酸钠）阳离子型阳离子型-亲水基是阳离子（如十八烷基铵盐）亲水基是阳离子（如十八烷基铵盐）两性型两性型 -同时具有阴离子与阳离子（如氨基酸）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物质的性质表面活性剂的结构特点：两亲分子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，用低浓度，用CMC表示。（看动画，胶束的形成）表示。（看动画，胶束的形成）格里芬的亲水亲油平衡（格里芬的亲水亲油平衡（HLB法）法）-表面活化剂的选择表面活化剂的选择 P189 表面活性物质的应用表面活性物质的应用（1）润显作用）润显作用-淋不湿的服装，矿物浮选淋不湿的服装，矿物浮选（2）去污作用）去污作用（3）增溶作用）增溶作用（4）助磨作用）助磨作用（5）乳化、起泡作用等）乳化、起泡作用等