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-表面现象与分散体系.ppt
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1、第九章第九章 表面现象与分散体系表面现象与分散体系.9.1 表面现象表面现象水滴为什么是圆水滴为什么是圆形而不是方形形而不是方形.表面现象表面现象它们为什么可以它们为什么可以漂在水面上漂在水面上.水水ps水在毛细管中为水在毛细管中为什么会上升什么会上升.界面界面是相与相之间的交界是相与相之间的交界所形成的物理区域所形成的物理区域界面相界面相 是一个准三维区是一个准三维区域,其广度无限,而厚域,其广度无限,而厚度约为几个分子的线度度约为几个分子的线度体系性质在体相为常数,体系性质在体相为常数,表面相是体系性质连续变表面相是体系性质连续变化的一个过渡区域化的一个过渡区域界面(界面(Interfac
2、e)按物质聚集状态,界面可分为五类:按物质聚集状态,界面可分为五类:固气(固气(S-g)、固液)、固液(S-l)、固固()、固固(S-S)、液气()、液气(l-g)、液液()、液液(l-l).表面(表面(Surface)表面:表面:凝聚态物质相对于其纯气相的界面。凝聚态物质相对于其纯气相的界面。Sg、Lg界面算作表面界面算作表面 许多文献中也常常将两个不同体相间的界面称许多文献中也常常将两个不同体相间的界面称为表面,表面化学这一术语也被大家广泛接受了为表面,表面化学这一术语也被大家广泛接受了.表面化学与其他学科的联系表面化学与其他学科的联系表表面面化化学学生命科学(生物膜及膜模拟化学)生命科学
3、(生物膜及膜模拟化学)能源科学(三次采油、煤的液化、化学电源)能源科学(三次采油、煤的液化、化学电源)材料科学(超细材料、材料的表面改型)材料科学(超细材料、材料的表面改型)信息科学(信息科学(LB膜,微电子器件)膜,微电子器件)界面化学的发展和现状界面化学的发展和现状1805 T.Young 提出界面张力概念提出界面张力概念1806 P.S.Laplase 表面张力与曲率半径关系表面张力与曲率半径关系1878 Gibbs 表面吸附方程表面吸附方程1916 Langmuir 固体吸附等温方程式固体吸附等温方程式.物质的表面特性 表面现象在某个确定的体系中表现出来的明显程度,主要取决于表面层分子
4、(或原子、离子)所占的比例。对一定量的某物质来说,当其表面积较小时,则表面性质对物质的一般性质的影响可以忽略;而当物质的分散程度(即粉碎程度或分散度)很大时,表面层分子所占的比例较大,表面现象也就表现得突出了。.一、比表面积与分散度一、比表面积与分散度 比表面积:单位体积的物质所具有的表面积。以比表面积:单位体积的物质所具有的表面积。以As表示。表示。式中,式中,A表示某物质的表面积;表示某物质的表面积;V表示该物质的体积;表示该物质的体积;比表面积比表面积As的单位是的单位是m-1。.1).对于边长为对于边长为l的立方体颗粒,其比表面积:的立方体颗粒,其比表面积:2).对于半径为对于半径为r
5、的球形颗粒,其比表面积:的球形颗粒,其比表面积:.对于松散的聚集体或多孔性物质,其分散程对于松散的聚集体或多孔性物质,其分散程度常用单位质量所具有的表面积度常用单位质量所具有的表面积Aw来表示,即:来表示,即:对于边长为对于边长为l的立方体,则有:的立方体,则有:式中,式中,为密度,单位是为密度,单位是kg/m3;l为立方体的边长,单位是为立方体的边长,单位是m;Aw的单位是的单位是m2/kg。.二、表面现象的微观成因二、表面现象的微观成因.表面现象的微观成因表面现象的微观成因表面相分子受力不均匀,表面相分子受力不均匀,其分子有被拉入液相的趋其分子有被拉入液相的趋势。势。这种受力不均匀性是表面
6、这种受力不均匀性是表面现象产生的微观成因。现象产生的微观成因。液体的液体的表面积因而有自发表面积因而有自发收缩的收缩的趋势。趋势。这解释了为什么液滴会以这解释了为什么液滴会以球形的形态存在球形的形态存在液相液相气相气相.三、表面自由能三、表面自由能(Surface Free Energy)使液体表面积增大的过程是克服液相分子吸引力使液体表面积增大的过程是克服液相分子吸引力,使体相使体相分子转移到表面相的过程,需要环境对体系做功。以可逆方分子转移到表面相的过程,需要环境对体系做功。以可逆方式做功最少,称之为表面功:式做功最少,称之为表面功:由吉布斯自由能性质可知,在恒温恒压下,此表面功即由吉布斯
7、自由能性质可知,在恒温恒压下,此表面功即等于体系吉布斯自由能的变化量的相反数:等于体系吉布斯自由能的变化量的相反数:此式表明,考虑表面相贡献的多相体系,除了温度、压力、组此式表明,考虑表面相贡献的多相体系,除了温度、压力、组成等因素,成等因素,表面积也是影响体系热力学函数的一个重要变量。表面积也是影响体系热力学函数的一个重要变量。.表面自由能表面自由能(Surface Free Energy)表面化学基本热力学关系式:表面化学基本热力学关系式:.表面自由能表面自由能(Surface Free Energy)由热力学基本关系式可知表面自由能的:由热力学基本关系式可知表面自由能的:1.狭义定义:保
8、持体系温度、压力、组成不变时,增加单狭义定义:保持体系温度、压力、组成不变时,增加单 位表面积,体系吉布斯自由能的变化位表面积,体系吉布斯自由能的变化2.广义定义:保持体系相应变量不变时,增加单位表面广义定义:保持体系相应变量不变时,增加单位表面积,体系热力学函数的变化积,体系热力学函数的变化.表面自由能表面自由能(Surface Free Energy)1.由基本关系式可知,在恒温恒压下,体系表面积增加,则由基本关系式可知,在恒温恒压下,体系表面积增加,则体系吉布斯自由能增加,因而该过程不能自发进行。我们体系吉布斯自由能增加,因而该过程不能自发进行。我们可以利用这一结论进行过程可以利用这一结
9、论进行过程方向性判断方向性判断。2.例如:胶体体系中存在大量直径例如:胶体体系中存在大量直径100nm以下的固体小颗粒,以下的固体小颗粒,整个体系固液界面具有很大的表面积,当固体颗粒聚集在整个体系固液界面具有很大的表面积,当固体颗粒聚集在一起时发生聚沉现象,从表面化学的观点看,此时表面积一起时发生聚沉现象,从表面化学的观点看,此时表面积减小,自由能下降,说明聚沉过程自发进行,胶体体系从减小,自由能下降,说明聚沉过程自发进行,胶体体系从热力学角度看是不稳定的。热力学角度看是不稳定的。关于基本关系式的讨论关于基本关系式的讨论.四、表面张力四、表面张力(Surface Tension)从表面现象的微
10、观成因,我从表面现象的微观成因,我们还可以得出一个结论:表们还可以得出一个结论:表面相分子密度较液相分子低,面相分子密度较液相分子低,因而因而表面相分子间存在较大表面相分子间存在较大吸引力吸引力。从宏观层面来看,液体表从宏观层面来看,液体表面仿佛存在一层紧绷的液面仿佛存在一层紧绷的液膜,在膜内处处存在的使膜,在膜内处处存在的使膜紧绷的力即为膜紧绷的力即为表面张力表面张力表面张力的存在解释了针为什么表面张力的存在解释了针为什么可以漂在水面上可以漂在水面上.表面张力表面张力(Surface Tension)在两相界面上,处处存在着一种张力,它垂直于表面的单位在两相界面上,处处存在着一种张力,它垂直
11、于表面的单位线段上,指向使表面紧缩的方向并与表面相切。线段上,指向使表面紧缩的方向并与表面相切。注意:注意:1.表面张力是作用在单位长度线段表面张力是作用在单位长度线段上的力,量纲为上的力,量纲为 m-12.注意区分表面张力产生原因与表注意区分表面张力产生原因与表面张力的表现面张力的表现作用于单位边界线上的这种力称为表面张力,用作用于单位边界线上的这种力称为表面张力,用 表示表示,单位,单位是是Nm-1。肥皂膜肥皂膜F.表面张力表面张力(Surface Tension)请同学们用表面张力的知识思考图中的现象请同学们用表面张力的知识思考图中的现象.五、表面自由能与表面张力五、表面自由能与表面张力
12、 对于表面相,我们从对于表面相,我们从“能能”和和“力力”的角度引出了两个不同的角度引出了两个不同的概念:的概念:表面自由能与表面张力表面自由能与表面张力。事实上这两个概念有着密。事实上这两个概念有着密切的联系切的联系一、两者量纲相同一、两者量纲相同表面自由能的量纲表面自由能的量纲表面张力量纲表面张力量纲.表面自由能与表面张力表面自由能与表面张力二、两者数值相同二、两者数值相同肥皂膜保持张力平衡:肥皂膜保持张力平衡:(肥皂膜有两个表面)(肥皂膜有两个表面)肥皂膜肥皂膜F.1.用表面自由能计算:用表面自由能计算:dx肥皂膜肥皂膜FlW=自由能自由能 A=自由能自由能2ldx.2.用表面张力计算用
13、表面张力计算显然:显然:肥皂膜肥皂膜F.六、溶质对表面张力的影响六、溶质对表面张力的影响1.非表面活性物质 无机盐、不挥发酸碱 2.表面活性物质 短链脂肪酸、醇、醛 3.表面活性剂:明显降低水的表面张力的两亲性质 的有机化合物c20 123.能使水的表面张力明显升高的溶质称为非表面活性物质。如无机盐和不挥发的酸、碱等。这些物质的离子有水合作用,趋向于把水分子拖入水中,非表面活性物质在表面的浓度低于在本体的浓度。表面活性物质表面活性物质(surface active substance)溶液表面张力随浓度增加而逐渐减小。溶液表面张力随浓度增加而逐渐减小。低分子量的极性有机物,如:醇、醛、酸、酯、
14、胺低分子量的极性有机物,如:醇、醛、酸、酯、胺等等.表面活性剂表面活性剂surface active agent(surfactant):当浓度很小时,溶液的表面张力便急剧减小,但减小当浓度很小时,溶液的表面张力便急剧减小,但减小到一定值后就不再随浓度增加而变化。到一定值后就不再随浓度增加而变化。一般为具有长碳链(碳原子数大于一般为具有长碳链(碳原子数大于8)的极性有机化合物)的极性有机化合物.从结构上看,表面活性物质是从结构上看,表面活性物质是两亲分子两亲分子,一端亲水(,一端亲水(OH,COOH,SO3Na等等),另一端亲油(憎水)(另一端亲油(憎水)(R等)。等)。.两亲分子在气液界面上
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