第10章界面现象ppt课件.ppt
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1、2新作业物理化学电子教案物理化学电子教案第十章第十章第十章第十章-教学目的要求教学目的要求1. 掌握比表面自由能,表面张力等基本概念。掌握比表面自由能,表面张力等基本概念。2. 掌握液体弯曲液面的特性及掌握液体弯曲液面的特性及Laplace方程方程、Kelvin方方程程等相关公式及其应用。等相关公式及其应用。3. 掌握溶液的表面吸附,掌握溶液的表面吸附, 理解表面过剩物质的概念;理解表面过剩物质的概念; 理解理解 Gibbs方程。方程。4. 了解表面活性物质的结构特点及其应用,了解了解表面活性物质的结构特点及其应用,了解HLB值。值。5.掌握气固界面的吸附作用、特性及掌握气固界面的吸附作用、特
2、性及Langmuir(兰格(兰格缪尔)单分子层吸附定温式缪尔)单分子层吸附定温式等相关吸附理论。等相关吸附理论。6.了解液体对固体表面的润湿作用。理解接触角和了解液体对固体表面的润湿作用。理解接触角和 Young(杨氏)方程。(杨氏)方程。第十章第十章-教学重点教学重点比表面吉布斯函数,表面张力等基本概念。比表面吉布斯函数,表面张力等基本概念。液体弯曲液面的特性及液体弯曲液面的特性及Laplace(拉普拉斯)(拉普拉斯)公式、公式、Kelvin(开尔文)方程等。(开尔文)方程等。气固界面的吸附作用、特性。气固界面的吸附作用、特性。Langmuir(兰(兰格缪尔)单分子层吸附定温式等相关吸附理论
3、,格缪尔)单分子层吸附定温式等相关吸附理论,物理吸附和化学吸附的意义和区别,物理吸附和化学吸附的意义和区别,接触角和接触角和 Young(杨氏)方程。(杨氏)方程。第十章第十章-教学难点教学难点液体弯曲液面的特性、表面过剩物质的量液体弯曲液面的特性、表面过剩物质的量的概念。的概念。 Langmuir(兰格缪尔)单分子层吸附定温(兰格缪尔)单分子层吸附定温式及相关吸附理论。式及相关吸附理论。接触角的概念和接触角的概念和 Young(杨氏)方程。(杨氏)方程。第十章第十章 界面现象界面现象表面化学表面化学-溅水鱼跃出水面在树叶上产卵溅水鱼跃出水面在树叶上产卵-表面张力表面张力溅水鱼的鱼苗从树溅水鱼
4、的鱼苗从树叶上培育出来叶上培育出来第十章第十章 界面现象界面现象 溅水鱼却用非常特殊的方法,保护自己的卵在产卵时,溅水鱼却用非常特殊的方法,保护自己的卵在产卵时,雌雄种鱼雌雄种鱼会跳出水面,而会跳出水面,而将卵产于将卵产于鱼类不能到达之鱼类不能到达之岸边的岩岸边的岩石或水草上石或水草上, ,将产出的卵粘贴其上将产出的卵粘贴其上。每次产卵数为每次产卵数为100100 300300粒,粒,约经约经3 3日就可孵化。在孵化期间,雄鱼就在附近看守,经常用日就可孵化。在孵化期间,雄鱼就在附近看守,经常用其其尾鳍向鱼卵泼水,以防止卵的干燥,因得尾鳍向鱼卵泼水,以防止卵的干燥,因得“溅水鱼溅水鱼”之名。之名
5、。 10.0 表面表面,界面界面,分散度分散度水滴为什么是球水滴为什么是球形而不是方形形而不是方形?10.0 表面表面,界面界面,分散度分散度自然界中物质的存在状态:自然界中物质的存在状态:气气液液 固固界面现象界面现象气气液界面液界面液液液界面液界面固固液界面液界面固固气界面气界面固固固界面固界面 体相体相 体相体相界面层界面层S S 若其中一相为气体,这种界面通常称为若其中一相为气体,这种界面通常称为表面表面。10.0 表面表面,界面界面,分散度分散度 界面层分子与内部分子相比,它们所处的环境界面层分子与内部分子相比,它们所处的环境不同。不同。 界面层具有一些独特的性质而表现出不同的界面层
6、具有一些独特的性质而表现出不同的表面现象。表面现象。以液体及蒸气的表面为例。以液体及蒸气的表面为例。10.0 表面表面,界面界面,分散度分散度 液体内部分子液体内部分子所受四所受四周邻近相同分子的作用力周邻近相同分子的作用力是对称的,各个方向的力是对称的,各个方向的力彼此抵销,彼此抵销,液体内部的分液体内部的分子所受合力为零。故内部子所受合力为零。故内部分子可以无规则的运动而分子可以无规则的运动而不消耗功。不消耗功。 表面层分子表面层分子一方面受到体相内相同物质分子的作用,另一方面受到体相内相同物质分子的作用,另一方面受到另一相中物质分子的作用,受到体相分子的拉力一方面受到另一相中物质分子的作
7、用,受到体相分子的拉力大,受到气相分子的拉力小(因气相密度低),故大,受到气相分子的拉力小(因气相密度低),故表面分子表面分子受到一个指向液体内部的力。受到一个指向液体内部的力。10.0 表面表面,界面界面,分散度分散度 这种作用力使液体表面的分子总是趋于向液体内部这种作用力使液体表面的分子总是趋于向液体内部移动,移动,力图缩小表面积。力图缩小表面积。而球形是相同体积的物体具有表而球形是相同体积的物体具有表面积最小的一种形式面积最小的一种形式。 所以自然界中气泡、小液滴都呈球形的原因。所以自然界中气泡、小液滴都呈球形的原因。例:汞滴自动缩成球形,脱脂棉易被水润湿,水在毛细管例:汞滴自动缩成球形
8、,脱脂棉易被水润湿,水在毛细管中自动上升,固体表面会自动吸附其它物质,微小液体易中自动上升,固体表面会自动吸附其它物质,微小液体易于蒸发,微小晶体易于溶解等于蒸发,微小晶体易于溶解等自然界中许多现象都与界面的特殊性质有关。自然界中许多现象都与界面的特殊性质有关。10.0 表面表面,界面界面,分散度分散度 一般情况下一般情况下,界面的质量和性质与体相相比,可忽,界面的质量和性质与体相相比,可忽略不计。略不计。但物质被高度分散时但物质被高度分散时,界面作用很显著。不可,界面作用很显著。不可忽略,否则会导致错误结论。忽略,否则会导致错误结论。 分散度分散度:把物质分散成细小微粒的程度,称为分散度:把
9、物质分散成细小微粒的程度,称为分散度 例:水滴分散成微小水滴例:水滴分散成微小水滴分为分为1018个个 直径:直径:10nm表面积:表面积:314.16 m2 直径:直径:1cm表面积:表面积:3.1416 cm2表面积是原来的表面积是原来的10106 6倍倍 一些多孔物质如:硅胶、活性炭等,也具有很大的比表面积。一些多孔物质如:硅胶、活性炭等,也具有很大的比表面积。10.0 表面表面,界面界面,分散度分散度 物质的分散度可用物质的分散度可用比表面积比表面积as来表示,其定义为来表示,其定义为 as = As/m单位为单位为m2 kg-1。 人的大脑比猿的大人的大脑比猿的大脑总表面积大脑总表面
10、积大1010倍倍, ,据据研究资料表明爱因斯坦研究资料表明爱因斯坦的大脑的表面积比常人的大脑的表面积比常人的大的多。的大的多。 材料的比表面大,表面活性质点多,表面现象显著。材料的比表面大,表面活性质点多,表面现象显著。10.0 表面表面,界面界面,分散度分散度 人们把粒径在人们把粒径在1 11000nm1000nm的粒子组成的分散系统称为的粒子组成的分散系统称为胶体胶体( (见第十二章见第十二章) ),由于其具有极高的分散度和很大的,由于其具有极高的分散度和很大的比表面积,会产生特有的界面现象,所以经常把胶体与比表面积,会产生特有的界面现象,所以经常把胶体与界面现象一起来研究,称为界面现象一
11、起来研究,称为胶体表面化学。胶体表面化学。 把一定大小的物质分割得越小,把一定大小的物质分割得越小,则分散度越高,比表面也则分散度越高,比表面也越大,表面效应也就越明显。越大,表面效应也就越明显。 可见可见nmnm级的超细微粒具有巨大的比表面积,因而具有许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的研究热点。多独特的表面效应,成为新材料和多相催化的研究热点。10.0 表面表面,界面界面,分散度分散度我们身边的胶体界面现象我们身边的胶体界面现象曙光晚霞曙光晚霞雨滴雨滴露珠露珠 在界面现象这一章中,将应用物理化学的基本原理,对界面的特殊性质在界面现象这一章中,
12、将应用物理化学的基本原理,对界面的特殊性质及现象进行讨论和分析。及现象进行讨论和分析。问题问题2:2:温度升高表面张力将怎样变化温度升高表面张力将怎样变化? ? 达临界温度时达临界温度时, ,又怎样又怎样? ?问题问题1:1:产生表面现象的热力学原因是什么产生表面现象的热力学原因是什么? ?1.1.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 的由来:的由来:表面分子受力不对称表面分子受力不对称受到一个指向液体内部的力,因此,受到一个指向液体内部的力,因此,。 若使膜维持不变,需若使膜维持不变,需在金属丝上加一力在金属丝上加一力F,其大,其大小与金属丝长度小与金
13、属丝长度 l 成正比,成正比,比例系数比例系数 。因膜有两。因膜有两个表面,故有:个表面,故有:即:即:/2/2FlFl 2 2FlFl 实验:实验:l表面张力表面张力 :在液体的表面上,作用于单位长度线段上的表在液体的表面上,作用于单位长度线段上的表面紧缩力称为表面张力面紧缩力称为表面张力 ,单位是单位是Nm-1。方向方向:垂直于表面的边界,指向液体方向并与表面相切。垂直于表面的边界,指向液体方向并与表面相切。图上有动画气气液液气气液液 气气液液气气 表面张力表面张力: :作用于单位长度线段上的表面紧缩力。作用于单位长度线段上的表面紧缩力。作用的效果:作用的效果:使液体表面缩小,使液体表面缩
14、小,作用方向:作用方向: 平液面平液面-是沿着液面并与液面平行,是沿着液面并与液面平行, 弯曲液面弯曲液面-表面张力的作用点在周界线上,方向垂直表面张力的作用点在周界线上,方向垂直 于周界线并与液面相切。于周界线并与液面相切。 如果刺破线圈中央的液膜,线圈内如果刺破线圈中央的液膜,线圈内侧张力消失,外侧表面张力立即将线侧张力消失,外侧表面张力立即将线圈绷成一个圆形,清楚的显示出表面圈绷成一个圆形,清楚的显示出表面张力的存在及方向。张力的存在及方向。 由于以线圈为边界的两边表面张力由于以线圈为边界的两边表面张力大大小相等方向相反小相等方向相反,所以线圈成任意形,所以线圈成任意形状可在液膜上移动。
15、状可在液膜上移动。 如果在金属线框中间系一线圈,一如果在金属线框中间系一线圈,一起浸入肥皂液中,然后取出,上面形起浸入肥皂液中,然后取出,上面形成一液膜。成一液膜。如果刺破线圈中央的液膜,如果刺破线圈中央的液膜,会怎样?会怎样?小球上有动画在恒温、恒压可逆(缓慢)地在力在恒温、恒压可逆(缓慢)地在力F作作用下移动距离用下移动距离dx,使膜表面积增加,使膜表面积增加dA时,需克服表面张力作可逆表面功。时,需克服表面张力作可逆表面功。d2 ddd2 ddWF xl xAWF xl xA 即:即:r rs sd dW WA A 图上有动画r,sr,sddddT pT pWGAWGA s sT ,p,
16、NT ,p,NG GA A 当系统作表面功时,当系统作表面功时,G 还是面积还是面积A的函数,的函数,若系统内若系统内只有一个相界面,且两相只有一个相界面,且两相T、p相同相同 ,),(CBnnpTfG 对一般多组分体系:对一般多组分体系:( , ,)( , ,)sBCsBCGf T p AnnGf T p Ann B ( )B ( )sB ( )B ( )sB BddddddddddGSTVpnAGSTVpnA 同理同理BBBBBBBBBBBBddddddddddddUT Sp VdnHT SV pdnAS Tp VdnGS TV pdn dsAdsAdsAdsA相应的热力学基本方程相应的热
17、力学基本方程B B( ( ) )B B( ( ) )B B( ( ) )B B( ( ) )s ss ss ss sT T , ,p p, , n nS S, , V V , , n nS S, ,p p, , n nT T , , V V , , n nG GU UH HA AA AA AA AA A 在恒温恒压在恒温恒压, ,各相组成不变的情况下各相组成不变的情况下SdG = dA积分得积分得: :SG = A当系统有多个界面当系统有多个界面, ,则则 BSBBG= A,恒恒T、p、 、恒组分恒组分下积分,有:下积分,有:ssGA全微分得:全微分得:s,ssdddTpGAA可知自发降低可知
18、自发降低G有两种途径有两种途径降低表面积降低表面积 降低表面张力降低表面张力dT ,pG s (离子键离子键) (极性键极性键) (非极性键非极性键)(2) 与接触相的性质有关。与接触相的性质有关。其中:其中: 0与与n为经验常数。为经验常数。 0 01 1n nc cT T / /T T 因因T升高,物质体积膨胀,分子间距离增加,分子间相互作升高,物质体积膨胀,分子间距离增加,分子间相互作用减弱,表面张力也减小。用减弱,表面张力也减小。 Pa表面分子受力不对称的程度表面分子受力不对称的程度 b气体分子可被表面吸附,改变气体分子可被表面吸附,改变 , c气体分子溶于液相成分气体分子溶于液相成分
19、 1atm H2O = 72.8 mN/m10atm H2O = 71.8 mN/m一般:一般:p10atm, 1mN/m,例,例:表面张力的测定方法表面张力的测定方法表面张力的测定方法表面张力的测定方法当当r r气泡气泡r r毛细管毛细管时,时,r r最小,最小, p p有最大值有最大值max2pr毛细管2pr 气泡问题问题1:1:在装有纯水的玻璃毛细管外,在水的右端微微加热,液面将向哪边移动?在装有纯汞的玻璃毛细管外,在汞的右端微微加热,液面将向哪边移动?10.2-问问 题题 1问题问题2:2:如图所示,在一玻璃管的两端连有一大一小如图所示,在一玻璃管的两端连有一大一小的两个的两个肥皂泡。
20、肥皂泡。现打开活塞使两气泡相通时,试问现打开活塞使两气泡相通时,试问两个泡的大小有什么变化两个泡的大小有什么变化? ? 10.2-问题问题210.2 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 34 弯曲液面可分两种:凸液面和凹液面。弯曲液面可分两种:凸液面和凹液面。由于弯曲液面由于弯曲液面表面张力的合力表面张力的合力不为零不为零,在其两侧存在一压力差在其两侧存在一压力差p,称为,称为弯曲液面的附加压力。弯曲液面的附加压力。p内内和和p外外分别为分别为 (球心球心)内侧相和外侧相的压力。内侧相和外侧相的压力。 定义为定义为:液液气气pgpl气气液液 ppgpl气气液液气气plpg p
21、p = p内内p外外弯曲液面的附加压力弯曲液面的附加压力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球形液滴的某一球缺,凸液面上方为气相,压力球形液滴的某一球缺,凸液面上方为气相,压力pg ;下方为液相,压力;下方为液相,压力pl ,底面与球形液滴相交处为一圆周。圆周外液体对球缺表面张力底面与球形液滴相交处为一圆周。圆周外液体对球缺表面张力 作用在圆作用在圆周线上,垂直于圆周线,而且与液滴表面相切。圆周线上表面张力合力对周线上,垂直于圆周线,而且与液滴表面相切。圆周线上表面张力合力对凸液面下液体造成额外压力。凸液面
22、下液体造成额外压力。附加压力附加压力p = p内内p外外 表面张力的方向是和液面相切的,并和两部分的分界线垂直。如果液表面张力的方向是和液面相切的,并和两部分的分界线垂直。如果液面是平面,表面张力就在这个平面上。如果液面是曲面,表面张力则在这面是平面,表面张力就在这个平面上。如果液面是曲面,表面张力则在这个曲面的切面上。个曲面的切面上。 需要说明的一点是,如果在液体表面上任意划一条分界线把液面分成需要说明的一点是,如果在液体表面上任意划一条分界线把液面分成a、b两部分,则两部分,则 a 部分表面层中的分子对部分表面层中的分子对 b 部分的吸引力,一定等于部分的吸引力,一定等于 b 部分对部分对
23、 a 部分的吸引力,这两部分的吸引力大小相等、方向相反。这种表部分的吸引力,这两部分的吸引力大小相等、方向相反。这种表面层中任意两部分间的相互吸引力,造成了液体表面收缩的趋势。由于表面层中任意两部分间的相互吸引力,造成了液体表面收缩的趋势。由于表面张力的存在,液体表面总是趋于尽可能缩小,微小液滴往往呈圆球形,面张力的存在,液体表面总是趋于尽可能缩小,微小液滴往往呈圆球形,正是因为相同体积下球形面积最小。正是因为相同体积下球形面积最小。 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 该形式的该形式的Laplace公式只适用于球形液面。公式只适用于球形液面。 曲面内曲面内(凹凹)
24、的压力大于曲面外的压力大于曲面外(凸凸)的压力,的压力, p0。 r 越小,越小,p越大;越大;r越大,越大,p越小。越小。 平液面:平液面:r ,p0,(并不是,(并不是 = 0) p永远指向球心。永远指向球心。 对于空气中的小气泡,对于空气中的小气泡, 有内外两个表面,故有内外两个表面,故2 2p pr r Laplace方程方程r-液面曲率半径液面曲率半径p4 r 注意p = 2 rT p问问 题题 1-答案答案pppp问题问题1:在装有纯水的玻璃毛细管外,在水的右端微微加热,液面将向哪边移动?在装有纯汞的玻璃毛细管外,在汞的右端微微加热,液面将向哪边移动?右移左移问问 题题 2-答案答
25、案p4 r 外外ppp p内内小球上有动画10.2- 问题问题3问题问题3 3:锄地保墒的原理是什么?锄地保墒的原理是什么?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图上有动画图上有动画ghp 1cosr rgrcos 2h开始时,管内外液体的受力如图:开始时,管内外液体的受力如图:平衡时,则平衡时,则P外外P外外Ph h h hr r r r1 112 r1cos1 rr液体在毛细管内上升的高度公式液体在毛细管内上升的高度公式 gh2 cos r10.2 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液体
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