10 界面现象.ppt
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1、Interface Phenomena第十章第十章界面现象界面现象表面吉布斯自由能和表面张力表面吉布斯自由能和表面张力表面吉布斯自由能和表面张力表面吉布斯自由能和表面张力弯曲表面下的附加压力和蒸汽压弯曲表面下的附加压力和蒸汽压弯曲表面下的附加压力和蒸汽压弯曲表面下的附加压力和蒸汽压液体界面的性质液体界面的性质液体界面的性质液体界面的性质不溶性表面膜不溶性表面膜不溶性表面膜不溶性表面膜液液液液-固界面现象固界面现象固界面现象固界面现象表面活性剂及其作用表面活性剂及其作用表面活性剂及其作用表面活性剂及其作用固体表面的吸附表面和界面表面和界面(surfaceandinterface)界面是指两相接触
2、的约几个分子厚度的过渡区,若其中一相为气体,这种界面通常称为表面。常见的界面有:气-液界面,气-固界面,液-液界面,液-固界面,固-固界面。严格讲表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间的界面,但习惯上把液体或固体与空气的界面称为液体或固体的表面。表面和界面表面和界面(surfaceandinterface)常见的界面有常见的界面有:1.气气-液界面液界面表面和界面表面和界面(surfaceandinterface)2.气-固界面表面和界面表面和界面(surfaceandinterface)3.液-液界面表面和界面表面和界面(surfaceandinterface)4.液液-固界面固界面表面和界面表
3、面和界面(surfaceandinterface)5.固-固界面界面现象的本质界面现象的本质 表面层分子与内部分子相比,它们所处的环境不同。体相内部分子所受四周邻近相同分子的作用力是对称的,各个方向的力彼此抵销;但是处在界面层的分子,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销,因此,界面层会显示出一些独特的性质。相相界面相界界面面特特征征:几几个个分分子子厚厚、结结构构和和性性质质与与两两侧体相均不同侧体相均不同 两相间的界面并非几何平面,而是具有两相间的界面并非几何平面,而是具有一定厚度的界面层界面相一定厚度的界面层界面相体相体相
4、界面特征界面特征界面现象的本质界面现象的本质最简单的例子是液体及其蒸气组成的表面。液体内部分子所受的力可以彼此抵销,但表面分子受到体相分子的拉力大,受到气相分子的拉力小(因为气相密度低),所以表面分子受到被拉入体相的作用力。这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势,并使表面层显示出一些独特性质,如表面张力、表面吸附、毛细现象、过饱和状态等。界面现象的本质界面现象的本质比表面(比表面(specific surface area)比表面通常用来表示物质分散的程度,有两种常用的表示方法:一种是单位质量的固体所具有的表面积;另一种是单位体积固体所具有的表面积。即:式中,m和V分别为固体的质量和体积,A为
5、其表面积。目前常用的测定表面积的方法有BET法和色谱法。分散度与比表面分散度与比表面把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。把一定大小的物质分割得越小,则分散度越高,比表面也越大。例如,把边长为1cm的立方体1cm3逐渐分割成小立方体时,比表面增长情况列于下表:边长l/m 立方体数 比表面Av/(m2/m3)110-216102110-31036103110-51096105110-710156107110-910216109分散度与比表面分散度与比表面从表上可以看出,当将边长为10-2m的立方体分割成10-9m的小立方体时,比表面增长了一千万倍。边长l/m 立方体数 比表面Av/(m2/m3)
6、110-216102110-31036103110-51096105110-710156107110-910216109可见达到nm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方面的研究热点。比表面积比表面积比表面积是衡量系统分散度的物理量。比表面积是衡量系统分散度的物理量。例如:硅胶,比表面积可达到例如:硅胶,比表面积可达到300700M2g1;活性炭,比表面积可达到活性炭,比表面积可达到10002000M2g1;1.1.汞在光滑的玻璃上呈球形,在玻璃管中呈凸形。汞在光滑的玻璃上呈球形,在玻璃管中呈凸形。2.2.水在光滑的玻璃上完全铺展,在玻璃管中呈凹形。
7、水在光滑的玻璃上完全铺展,在玻璃管中呈凹形。3.3.露珠在荷叶、草叶上呈球形。露珠在荷叶、草叶上呈球形。4.4.液体的过热、过冷,溶液的过饱和。液体的过热、过冷,溶液的过饱和。产生表面(界面)现象的原因是什么?产生表面(界面)现象的原因是什么?自然界中的表面现象举例自然界中的表面现象举例表面功(表面功(surface work)式中 为比例系数,它在数值上等于当T,P及组成恒定的条件下,增加单位表面积时所必须对体系做的可逆非膨胀功。由于表面层分子的受力情况与本体中不同,因此如果要把分子从内部移到界面,或可逆的增加表面积,就必须克服体系内部分子之间的作用力,对体系做功。温度、压力和组成恒定时,可
8、逆使表面积增加dA所需要对体系作的功,称为表面功。用公式表示为:(2)表表面面张张力力无摩擦、可自由活动肥皂膜Fldx现象现象:若撤去外力若撤去外力F,皂膜自动收缩;,皂膜自动收缩;当加大外力当加大外力F,皂膜面积会增大,且,皂膜面积会增大,且F的大小与长度的大小与长度l成正比。成正比。结论结论:即液体表面有自动收缩的趋势。即液体表面有自动收缩的趋势。产生原因:产生原因:液体表面处处存在着一种使液面紧张的力(紧缩力)。液体表面处处存在着一种使液面紧张的力(紧缩力)。相同体积的几何形状中,球形的表面积最小。相同体积的几何形状中,球形的表面积最小。一定量的液体自其他形状变为球形时,就会伴随面积的缩
9、小一定量的液体自其他形状变为球形时,就会伴随面积的缩小定义定义:沿着液面垂直作用于单位长度上的紧缩力:沿着液面垂直作用于单位长度上的紧缩力表面张力:表面张力:F=2 2l l =F/2 2l l 方向方向:对于平面,沿着平面与液面平行;:对于平面,沿着平面与液面平行;对于弯曲液面,应与液面相切对于弯曲液面,应与液面相切。表面张力(表面张力(surface tension)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,上面形成一液膜。(a)(b)由于以线圈为边界的两边表面张力大小相等方向相反,所以线圈成任意形状可在液膜上移动,见(a)图。如果刺破线圈中央的液膜,线圈内侧张力消失,外侧表
10、面张力立即将线圈绷成一个圆形,见(b)图,清楚的显示出表面张力的存在。恒温恒压下增加皂膜面积恒温恒压下增加皂膜面积dA时,力时,力F需对体系所作的需对体系所作的最小功(可逆非体积功)最小功(可逆非体积功):定义表面吉布斯函数:定义表面吉布斯函数:G(G(表面表面)=)=AA 皂膜在恒皂膜在恒T T、p p下收缩时,即下收缩时,即T T、p p、N N恒定时,恒定时,可知自发降低表面吉布斯函数可知自发降低表面吉布斯函数 有两种途径有两种途径dT、pG (离子键离子键)(极性键极性键)(非极性键非极性键)3.界面张力的影响因素界面张力的影响因素与接触相的性质有关与接触相的性质有关例:例:T气相中分
11、子密度降低气相中分子密度降低 液相中分子距离液相中分子距离(有例外)(有例外)温度的影响温度的影响 极限情况:极限情况:TTc时,时,0 压力的影响。压力的影响。分散度、运动情况对分散度、运动情况对也有影响。也有影响。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气体分子溶于液相气体分子溶于液相 1atmH2O=72.8 mN/m10atmH2O=71.8 mN/m一般:一般:p10atm,1mN/m。eg: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 弯曲表面下的附加压力与蒸气压弯曲表面下的附加压力与蒸
12、气压 弯曲表面下的附加压力1.在平面上2.在凸面上3.在凹面上Young-Laplace公式 Klvin公式 弯曲表面下的附加压力弯曲表面下的附加压力1.在平面上剖面图液面正面图研究以AB为直径的一个环作为边界,由于环上每点的两边都存在表面张力,大小相等,方向相反,所以没有附加压力。设向下的大气压力为Po,向上的反作用力也为Po,附加压力Ps等于零。Ps=Po-Po=0弯曲表面下的附加压力弯曲表面下的附加压力(2)在凸面上:剖面图附加压力示意图研究以AB为弦长的一个球面上的环作为边界。由于环上每点两边的表面张力都与液面相切,大小相等,但不在同一平面上,所以会产生一个向下的合力。所有的点产生的总
13、压力为Ps,称为附加压力。凸面受的总压力为:Po+PsPo为大气压力,Ps为附加压力。弯曲表面下的附加压力弯曲表面下的附加压力(3)在凹面上:)在凹面上:剖面图附加压力示意图研究以研究以AB为弦长的一个球为弦长的一个球形凹面上的环作为边界。由于环形凹面上的环作为边界。由于环上每点两边的表面张力都与凹形上每点两边的表面张力都与凹形的液面相切,大小相等,但不在的液面相切,大小相等,但不在同一平面上,所以会同一平面上,所以会产生一个向产生一个向上的合力。上的合力。所有的点产生的总压力为所有的点产生的总压力为Ps,称为附加压力。称为附加压力。凹面上向下的总凹面上向下的总压力为:压力为:Po-Ps,所以
14、凹面上所受,所以凹面上所受的压力比平面上小。的压力比平面上小。拉普拉斯公式拉普拉斯公式1805年年Young-Laplace导出了附加压力与曲率导出了附加压力与曲率半径之间的关系式:半径之间的关系式:对球面对球面:根据数学上规定根据数学上规定,凸面的曲率半径取正值凸面的曲率半径取正值,凹凹面的曲率半径取负值。面的曲率半径取负值。所以,凸面的附加压力指向所以,凸面的附加压力指向液体,凹面的附加压力指向气体,液体,凹面的附加压力指向气体,即附加压力总是即附加压力总是指向球面的球心。指向球面的球心。说明:说明:该形式的该形式的Laplace公式适用于球形液面。公式适用于球形液面。曲面内(凹)的压力大
15、于曲面外(凸)的压力,曲面内(凹)的压力大于曲面外(凸)的压力,p0。r 越小,越小,p 越大;越大;r 越大,越大,p 越小。越小。对平液面:对平液面:r,p0,(并不是,(并不是=0)p永远指向球心。永远指向球心。毛毛细细管管连连通通的的大大小小不不等等的的气泡气泡p加热p加热 小液滴小液滴液体中的气泡液体中的气泡肥皂泡肥皂泡分析分析:rrl hplpg (2).毛细现象:毛细现象:当润湿角当润湿角=0时,时,r曲面曲面=r毛细管毛细管=r (1)由流体静力学有:由流体静力学有:(2).毛细管中液面下降毛细管中液面下降例例当玻璃管插入汞中或水中:当玻璃管插入汞中或水中:制造永动机制造永动机
16、 汞汞 水水 农民为何要锄地?农民为何要锄地?酒精灯的原理酒精灯的原理附加压力与毛细管中液面高度的关系附加压力与毛细管中液面高度的关系1.曲率半径R与毛细管半径R的关系:R=R/cosq2.ps=2g/R=(rl-rg)gh如果曲面为球面,则R=R。因rlrg所以:ps=2g/R=rlgh一般式:2g cosq/R=Drgh附加压力与毛细管中液面高度的关系附加压力与毛细管中液面高度的关系把把一一支支很很细细的的管管子子插插入入水水中中会会发发现现水水在在管管中中会会上上升升一一段段距距离离。这这就就是是我我们们说说的的毛毛细细现现象象。如如图图,若若将将管管子子上上部部分分剪剪去去。水水就就会
17、会源源源源不不断断的的从从上上端端流流出出。如如果果有有足足够够多多的的毛毛细细管管,并并将将流流出出的的水水接接住住,就就可可以以用用这这些些水水发发电电。我我们们就就可可以以不不用用任任何何能能源源而而输输出出大大量量电电能能。一一次次投投资资永永远远受受益益,既既有有很很大大的的社社会会效效益益,又又有有巨巨大大的的经经济济效效益益。请请同同学学们们回回去讨论,并动手实验证实一下。去讨论,并动手实验证实一下。沿虚线剪断思考思考制造永动机制造永动机弯曲表面上的蒸汽压弯曲表面上的蒸汽压开尔文公式开尔文公式 对小液滴与蒸汽的平衡,应有相同形式,设气体为理想气体。液体(T,pl)饱和蒸汽(T,p
18、g)弯曲表面上的蒸汽压弯曲表面上的蒸汽压开尔文公式开尔文公式这就是Kelvin公式,式中r为密度,M 为摩尔质量。弯曲表面上的蒸汽压弯曲表面上的蒸汽压开尔文公式开尔文公式 Kelvin公式也可以表示为两种不同曲率半径的液滴或蒸汽泡的蒸汽压之比,或两种不同大小颗粒的饱和溶液浓度之比。对凸面,R取正值,R越小,液滴的蒸气压越高,或小颗粒的溶解度越大。对凹面,R取负值,R越小,小蒸汽泡中的蒸气 压越低。2.微小液滴的饱和蒸汽压微小液滴的饱和蒸汽压kelven公式公式足够长的时间足够长的时间半径不同的小水滴半径不同的小水滴半径不同的小水滴半径不同的小水滴p*反比于曲率半径反比于曲率半径结结论论:根根据
19、据液液体体蒸蒸汽汽的的大大小小决决定定于于液液体体分分子子向向空空间间逃逸的倾向,可知逃逸的倾向,可知:1mol液体液体 1mol小液滴小液滴(p,平面平面)(p+p,r)恒恒T (1)G1 途径途径a (3)G3 1mol饱和蒸汽饱和蒸汽 1mol饱和蒸汽饱和蒸汽 (p)(pr)(2)G2=?途径途径bGb=?过程恒温恒压可逆过程恒温恒压可逆 相变相变 G1=0 理想气体恒温变压理想气体恒温变压 恒温恒压可逆相变:恒温恒压可逆相变:G3=0 对对上上述述途途径径b:p由表面张力由表面张力产生产生当压力变化不大时当压力变化不大时Vm(l)近似认为常数近似认为常数Vm(l)=M/(2)1mol液
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