物理化学(下)第10章-界面现象课件.ppt
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1、第十章第十章界面现象界面现象气相气相液相液相固相固相气气-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-固界面固界面界面:界面:两相的接触面。两相的接触面。常把与气体接触的界面称为常把与气体接触的界面称为表面表面。界面是界面是约几个分子厚度约几个分子厚度的过渡区。的过渡区。界面的结构和性质与相邻两侧的体相不同。界面的结构和性质与相邻两侧的体相不同。界面相示意图界面相示意图体相内部分子受四周邻近相同分子的作体相内部分子受四周邻近相同分子的作用力用力对称对称,各方向的力,各方向的力彼此抵销彼此抵销;但界面层分子,一方面受体相内相同物质分子的作用,另一方但界面层分子,一方面
2、受体相内相同物质分子的作用,另一方面受性质不同的另一相中物质分子的作用,其面受性质不同的另一相中物质分子的作用,其作用力未必能相互抵作用力未必能相互抵销销。显示。显示独特性质独特性质。身边的胶体界面现象身边的胶体界面现象雨滴雨滴露珠露珠曙光晚霞曙光晚霞碧海蓝天碧海蓝天10.1界面张力界面张力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10.3 固体表面固体表面10.4固固-液界面液界面10.5 溶液表面溶液表面第十章第十章界面现象界面现象本章小结本章小结10.1界面张力界面张力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2、热力学公式、热力
3、学公式2、界面张力及其影响因素、界面张力及其影响因素若使膜维持不动,需在金属丝上加一相若使膜维持不动,需在金属丝上加一相反外力反外力F,大小与金属丝长度,大小与金属丝长度 l 成正比,比成正比,比例系数例系数。因膜有上、下两表面,。因膜有上、下两表面,引起表面收缩的单位长度上的力;引起表面收缩的单位长度上的力;单位:单位:Nm-1。(1)液体的表面张力液体的表面张力 :表面张力表面张力 的方向:的方向:与液面与液面相切相切,并与,并与两相的分界线两相的分界线垂直垂直。表面收缩:表面收缩:表面张力的存在,表面张力的存在,使液体表面使液体表面总是趋向尽可能缩小。总是趋向尽可能缩小。故微小液滴呈圆球
4、形。故微小液滴呈圆球形。使系统增加单位表面所需的可逆功;单位:使系统增加单位表面所需的可逆功;单位:Jm-2。当用外力当用外力F 使皂使皂膜面积增大膜面积增大dA时,即时,即金属丝右移距离金属丝右移距离dx时,时,需克服表面张力作可需克服表面张力作可逆表面功,逆表面功,(2)表面功表面功:恒温、恒压下的可逆非体积功等于系统的吉布斯函数变,恒温、恒压下的可逆非体积功等于系统的吉布斯函数变,恒温恒压增加单位表面所增加的恒温恒压增加单位表面所增加的Gibbs函数函数;单位:;单位:Jm-2。三者物理意义不同,但量值和量纲等同,单位可相互换算。三者物理意义不同,但量值和量纲等同,单位可相互换算。(3)
5、表面吉布斯函数表面吉布斯函数 :3.界面张力及其影响因素:界面张力及其影响因素:(2)温度温度的影响:的影响:温度升高,界面张力下降温度升高,界面张力下降。T临界温度临界温度Tc时,时,相界面相界面消失,消失,0。(1)与物质的与物质的本性本性有关有关分子间相互作用力越大,分子间相互作用力越大,越大。越大。气气-液界面:液界面:(金属键金属键)(离子键离子键)(极性键极性键)(非极性键非极性键);(固体固体)(液体液体)。(0与与n为经验常数为经验常数)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1、弯曲液面的附加压力、弯曲液面的附加压力拉普拉斯方程拉普拉斯方程2、微小液滴的饱
6、和蒸气压、微小液滴的饱和蒸气压开尔文公式开尔文公式3、亚稳状态及新相的生成、亚稳状态及新相的生成plpg一般液体表面是水平的,水平液一般液体表面是水平的,水平液面下液体所受压力即为外界压力。面下液体所受压力即为外界压力。圆圆周周线线上上表表面面张张力力的的合合力力对对凸凸液液面面下下的的液液体体造造成成额额外外压压力力:pg+p=pl将将凹凹液液面面一一侧侧压压力力以以p内内表表示示,凸凸液液面面一一侧侧压压力力用用p外外表表示示,弯弯曲曲液液面面内内、外外压压力力差差:附附加加压压力力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
7、后果1、弯曲液面的附加压力、弯曲液面的附加压力拉普拉斯方程拉普拉斯方程弯曲液面附加压力弯曲液面附加压力p与液面曲率半径之间的关系:与液面曲率半径之间的关系:将表面张力分解为两分力:将表面张力分解为两分力:各水平分力相互平衡,垂直分力各水平分力相互平衡,垂直分力指向液体内部,单位周长垂直分指向液体内部,单位周长垂直分力大小为力大小为 cos。球缺底面圆周长为球缺底面圆周长为2 r1,得垂直分力在整个圆周上的合力:,得垂直分力在整个圆周上的合力:F=2 r1 cos 因因cos=r1/r,球缺底面面积为,球缺底面面积为r12,故弯曲液面对于单位水平面上的附加压力故弯曲液面对于单位水平面上的附加压力
8、整理,得:整理,得:Laplace方程方程(r为曲率半径为曲率半径)该形式的该形式的Laplace公式只适用于公式只适用于球形液面,球形液面,凸、凹均可。凸、凹均可。曲面内曲面内(凹凹)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。p永远永远指向球心指向球心(凹面凹面曲率半径中心曲率半径中心)。空气中的气泡空气中的气泡(肥皂泡肥皂泡),有内、外两气,有内、外两气-液界面,液界面,p=4 /r。Laplace方程方程(r为曲率半径为曲率半径)若液体若液体能润湿能润湿管壁,液体在管中管壁,液体在管中呈呈凹液面凹液面,接触角,
9、接触角 0。毛细现象:毛细现象:(r为毛细管半径,为毛细管半径,r1为曲率半径为曲率半径)若液体若液体不能润湿不能润湿管壁,液体管壁,液体在管中呈在管中呈凸液面凸液面,接触角,接触角 90o,液体在毛细管中下降,液体在毛细管中下降,h p平平p凹凹。毛细管凝结:硅胶做干燥剂。毛细管凝结:硅胶做干燥剂。凸液面凸液面凹液面凹液面(1)过饱和蒸气:过饱和蒸气:蒸气凝结过程蒸气凝结过程在正常相平衡条件下应该凝结而未凝结的蒸气,称在正常相平衡条件下应该凝结而未凝结的蒸气,称过饱和蒸气过饱和蒸气。A点蒸气点蒸气p0对通常液体已达饱对通常液体已达饱和;但对微小液滴尚未达饱和,和;但对微小液滴尚未达饱和,故故
10、A点还不会凝结。点还不会凝结。提高压力至提高压力至B点,达到小液滴点,达到小液滴的饱和蒸气压的饱和蒸气压p 时,才可能凝结时,才可能凝结出微小液滴。出微小液滴。3、亚稳状态及新相的生成、亚稳状态及新相的生成由由于于小小颗颗粒粒物物质质的的表表面面特特殊殊性性,造造成成新新相相难难以以生生成成,形形成成热热力力学不完全稳定的状态学不完全稳定的状态(亚稳态亚稳态)。人工降雨人工降雨微小液滴饱和蒸气压微小液滴饱和蒸气压液体内部产生气泡所需压力:液体内部产生气泡所需压力:p内部内部=p大气大气+p静压力静压力+p p大气大气所需温度:所需温度:T内部内部T正常正常,故极,故极易产生易产生暴沸暴沸。按照
11、相平衡条件,应当沸腾而不沸腾的液体,称为按照相平衡条件,应当沸腾而不沸腾的液体,称为过热液体过热液体。(2)过热液体:过热液体:液体沸腾过程液体沸腾过程防止过热防止过热(除暴沸除暴沸):投入沸石:投入沸石弯曲液面的附加压力弯曲液面的附加压力(4)过饱和溶液:过饱和溶液:溶液浓度已超过饱和液体,但仍溶液浓度已超过饱和液体,但仍未析出晶体的溶液称为未析出晶体的溶液称为过饱和溶液过饱和溶液。微小晶体饱和蒸气压恒大于普通晶体饱和蒸气压。溶解度升高。微小晶体饱和蒸气压恒大于普通晶体饱和蒸气压。溶解度升高。O点对普通晶体的稀溶液达饱和;点对普通晶体的稀溶液达饱和;但对微小晶体尚未达饱和,故但对微小晶体尚未
12、达饱和,故O点点还不会析出。还不会析出。进一步蒸发至进一步蒸发至O点,溶液浓度点,溶液浓度达微小晶体的溶解度时,才能达微达微小晶体的溶解度时,才能达微小晶体饱和状态而开始析出。小晶体饱和状态而开始析出。防止过饱和:投入小晶体以获得大晶体防止过饱和:投入小晶体以获得大晶体10.3固体表面固体表面1、物理吸附与化学吸附、物理吸附与化学吸附2、等温吸附、等温吸附3、吸附经验式、吸附经验式弗罗因德利希公式弗罗因德利希公式4、朗缪尔单分子层吸附理论及吸附等温式、朗缪尔单分子层吸附理论及吸附等温式*5、多分子层吸附理论、多分子层吸附理论BET公式公式6、吸附热力学、吸附热力学1.物理吸附与化学吸附:物理吸
13、附与化学吸附:性质性质物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附吸附力吸附力范德华力范德华力化学键力化学键力吸附层数吸附层数单层或多层单层或多层单层单层吸附热吸附热小小(近于近于液液化热化热)大大(近于反应热近于反应热)选择性选择性无或很差无或很差较强较强可逆性可逆性可逆可逆不可逆不可逆吸附平衡吸附平衡易达到易达到不易达到不易达到表表10.3.12.等温吸附等温吸附吸吸附附量量:吸吸附附平平衡衡时时,单单位位质质量量吸吸附附剂剂所所吸吸附附的的吸吸附附质质的的物物质的量质的量或其在标准状态下或其在标准状态下(0oC,101.325kPa)所占有的所占有的体积体积。固体对气体的吸附量是固体对气体的吸附量是
14、T,p的函数:的函数:Va=f(T,p)T 一定,一定,Va=f(p)吸附等温线吸附等温线(最常用最常用)p 一定,一定,Va=f(T)吸附等压线吸附等压线 na一定,一定,p=f(T)吸附等量线吸附等量线(mol kg-1)(m3 kg-1)吸附等温线吸附等温线 p:达平衡时的吸附压力;:达平衡时的吸附压力;p*:该温度下的吸附气体的饱和蒸气压。:该温度下的吸附气体的饱和蒸气压。3.吸附经验式吸附经验式弗罗因德利希公式弗罗因德利希公式(k,n 经验常数,与吸附体系及经验常数,与吸附体系及T 有关有关)斜率斜率n;截距截距k(p=1时的吸附量时的吸附量)直线式:直线式:对对I类吸附类吸附(单分
15、子层吸附单分子层吸附)等温线:等温线:4.朗缪尔单分子层吸附理论及吸附等温式朗缪尔单分子层吸附理论及吸附等温式朗朗缪缪尔尔提提出出适适用用于于固固体体表表面面对对气气体体吸吸附附(I型型)的的单单分分子子层层吸吸附理论。附理论。四个基本假设:四个基本假设:(1)气体在固体表面上气体在固体表面上单分子层吸附单分子层吸附;(2)固体表面是固体表面是均匀均匀的的;(3)被吸附被吸附在固体表面上的分子在固体表面上的分子相互之间无作用力相互之间无作用力;(4)吸附平衡是吸附平衡是动态平衡动态平衡。=被吸附质覆盖的固体表面积被吸附质覆盖的固体表面积固体总的表面积固体总的表面积覆盖率:覆盖率:任一瞬间固体任
16、一瞬间固体表面被覆盖的分数,表面被覆盖的分数,p 较低时,较低时,p,;p足够高时,足够高时,1。v解吸解吸=k1Nv吸附吸附=k1p(1)NN:具吸附能力的总的晶格位置数。:具吸附能力的总的晶格位置数。1:固体表面上空白面积的分数;:固体表面上空白面积的分数;吸附平衡时:吸附平衡时:v吸附吸附=v解吸解吸 k1p(1)N=k-1NLangmuir吸附等温式吸附等温式 b:吸附系数或吸附平衡常数,:吸附系数或吸附平衡常数,b=k1/k-1,与吸附剂、吸附与吸附剂、吸附质、质、T有关。有关。b,吸附能力吸附能力。以以1/Va对对1/p作图,截距、作图,截距、斜率斜率Vam和和b。或直线式:或直线
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- 物理化学 10 界面 现象 课件
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