第十章界面现象.ppt
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1、Interface Phenomena第十章第十章 界面现象界面现象界面与界面相界面与界面相界面:界面:所有两相的接触面。所有两相的接触面。聚集态聚集态气液固气液固界面现象界面现象界面类型与界面现象:界面类型与界面现象:上一页下一页节首界面与界面相界面与界面相界面与界面相界面与界面相上一页下一页节首界面与界面相的性质界面与界面相的性质界面与界面相的性质界面与界面相的性质相相相相界面界面相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侧体体相相均不同均不同两相间的界面并非几何平面,而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是具有一定厚度的界面层界面相体体
2、相相体体相相界面特征界面特征界面与表面界面与表面表面:表面:(1)液、固体与真空的界面(理想状态,不液、固体与真空的界面(理想状态,不 现实)现实)(2)液、固体与其饱和蒸汽的界面(不多见)液、固体与其饱和蒸汽的界面(不多见)(3)液、固体与其空气的界面(常见)液、固体与其空气的界面(常见)当不致发生混淆时,直接将界面称为表面。当不致发生混淆时,直接将界面称为表面。如固体表面、液体表面;如固体表面、液体表面;当容易发生混淆时,应称为界面。当容易发生混淆时,应称为界面。如乙醇水溶液界面、水水银界面。如乙醇水溶液界面、水水银界面。界面现象界面现象n由于系统界面增加对系统性质产生影响而呈现由于系统界
3、面增加对系统性质产生影响而呈现出的特殊现象。出的特殊现象。例:体积为例:体积为1cm3的球型小水滴的球型小水滴相相差差106倍倍分散分散(直直径径为为10nm的的正方型小液滴正方型小液滴)1018倍倍与与一一般般系系统统相相比比,小小颗颗粒粒的的分分散散系系统统有有很很大大的的表表面积,它对系统性质的影响绝对不可忽略!面积,它对系统性质的影响绝对不可忽略!表面积表面积:3.1416cm2表面积表面积:314.16m2通常,系统的分散程度越大,对系统的影响越显著。通常,系统的分散程度越大,对系统的影响越显著。如何衡量系统的分散程度?如何衡量系统的分散程度?比比表面积表面积比比表面积是衡量系统分散
4、度的物理量。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.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.水在光滑的玻璃上完全铺展,在玻璃管中呈凹形。水在光滑的玻璃上完全铺展,在玻璃管中呈凹形。3.露珠在荷叶、草叶上呈球形。露珠在荷叶、草叶上呈球形。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
5、举例在恒温恒在恒温恒压压下下,可逆可逆地增加系地增加系统统的表面的表面积积dAs,则环境对系统所做的功正则环境对系统所做的功正比于表面积的增量比于表面积的增量W=dAs1、表面张力、表面功及比表面、表面张力、表面功及比表面Gibbs函数函数10.1表面张力表面层分子受力与体相不同表面层分子受力与体相不同(2)表表面面张张力力无摩擦、可自由活动无摩擦、可自由活动肥皂膜肥皂膜Fldx现象现象:加大外力加大外力F,膜面积增大,且膜面积增大,且F与长度与长度l 成正比。成正比。结论结论:若撤去外力:若撤去外力F,皂膜自动收缩;即液体表面有自皂膜自动收缩;即液体表面有自动收缩的趋势。动收缩的趋势。产生原
6、因产生原因:液体表面处处存在着一种使液面紧张的力:液体表面处处存在着一种使液面紧张的力(紧缩力)。(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 的的方向方向:平面,与液面平行:平面,与液面平行;弯曲液面,应与液面相切弯曲液面,应与液面相切。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
7、需对体系所作的最小功(可逆非体积功)所作的最小功(可逆非体积功):Fldx定义表面吉布斯函数:定义表面吉布斯函数:G(表面表面)=A皂膜在恒皂膜在恒T、p下收缩时,即下收缩时,即T、p、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气气相相中中分分子子密密度度降降低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。Pa表面分子受
8、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=72.8mN/m10atmH2O=71.8mN/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1.弯曲液面的附加压力弯曲液面的附加压力Laplace方程方程plplpgpgpplpgppl附加压力附加压力p=p内内p外外(1)Laplace方程方程对球型对球型液滴:液滴:毛细管毛细管r做功使液滴半径增大做功使液滴半径增大dr,则表面积增加则表面积增加dA,体积增加体积增加dV。说明:说明:该形
9、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。曲曲面面内内(凹凹)的的压压力力大大于于曲曲面面外外(凸凸)的的压压力力,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永远指向曲率半径中心。永远指向曲率半径中心。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:毛细管连通的大小不等的气泡毛细管连通的大小不等的气泡p加热加热p加热加热两块用水润湿的玻璃板重叠后很难扮开两块用水润湿的玻璃板重叠后很难扮开分析分析: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
10、面=r毛细管毛细管=r由流体静力学由流体静力学:.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:汞水酒精灯的原理酒精灯的原理制造永动机制造永动机2.微小液滴的饱和蒸汽压微小液滴的饱和蒸汽压kelven公式公式足够长时间足够长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且且p*反比于曲率半径反比于曲率半径原因:原因: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)G31mol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
11、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可逆相变:可逆相变:G3=0对途径对途径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液体液体1mol小液小液滴滴(p,平平面面)(p+p,r)途径bGb=?Vm(l)p联立(1)(2):kelven公式公式讨论讨论(1)对纯液体,当温度一定,)对纯液体,当温度一定,pr=f(r),且且r,pr。(2)凸液面:)凸液面:凹液面:凹液面:(3)毛细管凝结现象毛细管凝结现象a.硅胶为什么能起干燥作用?硅胶为什么能起干燥作用?b.清晨草茎中之水从何而来?清晨草茎中
12、之水从何而来?(4)关于前例的解释)关于前例的解释(1)过饱和蒸气和过热液体。过饱和蒸气和过热液体。定定义义:在在一一定定压压力力下下,温温度度降降到到露露点点以以下下还还不不凝凝结结为为液体的蒸气称为液体的蒸气称为过饱和蒸气过饱和蒸气。在在一一定定压压力力下下,超超过过正正常常沸沸点点还还不不沸沸腾腾的的液液体体称为称为过热液体过热液体。Tp*lg露点露点:T小小T正常正常小液滴气小液滴气液平衡线液平衡线正常气液平衡线正常气液平衡线3.亚稳定状态和新相的生成亚稳定状态和新相的生成pi=p静静+p大气压大气压+p液体内部产生气泡所需的温度液体内部产生气泡所需的温度TiT正常正常,产生暴沸。,产
13、生暴沸。ex:实验中加热为何加沸石,加晶种?铝壶底为何做成波纹状实验中加热为何加沸石,加晶种?铝壶底为何做成波纹状?p大气压大气压静液压静液压p静静 pi(2)kelwin公式对固体也适用。公式对固体也适用。p*饱饱和和蒸蒸气气压压T熔点熔点lT小小T大大三相平衡点三相平衡点小颗粒小颗粒sg大大 颗颗粒粒(3)分散度对熔点的影响和过冷现象)分散度对熔点的影响和过冷现象一一定定压压力力下下,低低于于正正常常熔熔点点还还不不凝凝固固的的液液体体称称为为过过冷冷液体。液体。(4)分散度对溶解度的影响及过饱和现象。)分散度对溶解度的影响及过饱和现象。综综上上所所述述,由由于于小小颗颗粒粒物物质质的的表
14、表面面特特殊殊性性,造造成成新新相相难以生成,从而形成四种不稳定状态(亚稳态)。难以生成,从而形成四种不稳定状态(亚稳态)。在在一一定定压压力力下下,溶溶液液浓浓度度已已超超过过饱饱和和液液体体,但但仍仍未未析析出出晶体的溶液晶体的溶液称为过饱和溶液。称为过饱和溶液。小小晶晶体体为为凸凸面面,prp(蒸蒸气气压压为为气气液液平平衡衡时时的的压压力力)表表明明它它从从固固相相中中逸逸出出的的倾倾向向大大,它它的的浓浓度度大大,它它的的溶溶解解度度大大,造成过饱和现象。造成过饱和现象。10.3 固体表面固体表面固体或液体固体或液体表面的特征表面的特征:本节重点讨论固体表面的吸附。本节重点讨论固体表
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