表面化学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第十三章表面化学第1页表面现象表面现象水滴为何是圆形水滴为何是圆形而不是方形而不是方形第2页表面现象表面现象它们为何能够漂它们为何能够漂在水面上在水面上第3页水水ps水在毛细管中为水在毛细管中为何会上升何会上升第4页界面界面是相与相之间交界所是相与相之间交界所形成物理区域形成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线度度约为几个分子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改表面相是体系性质连续改变一个过渡区域变一个过渡区域界面（界面（Interface）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）第5页表面（表面（Surface）表面：表面：凝聚态物质相对于其纯气相界面。凝聚态物质相对于其纯气相界面。Sg、Lg界面算作表面界面算作表面 许多文件中也经常将两个不一样体相间许多文件中也经常将两个不一样体相间界面称为表面，表面化学这一术语也被大家界面称为表面，表面化学这一术语也被大家广泛接收了广泛接收了第6页表面化学与其它学科联络表面化学与其它学科联络表面化学表面化学生命科学（生物膜及膜模拟化学）生命科学（生物膜及膜模拟化学）能源科学（三次采油、煤液化、化学电源）能源科学（三次采油、煤液化、化学电源）材料科学（超细材料、材料表面改型）材料科学（超细材料、材料表面改型）信息科学（信息科学（LB膜，微电子器件）膜，微电子器件）界面化学发展和现实状况界面化学发展和现实状况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第7页 表面与界面化学虽是物理化学传统表面与界面化学虽是物理化学传统研究领域，但因为电子能谱、扫描隧道研究领域，但因为电子能谱、扫描隧道显微镜等新试验技术出现，使得表面、显微镜等新试验技术出现，使得表面、界面效应及粒子尺寸效应知识呈指数上界面效应及粒子尺寸效应知识呈指数上升式积累，提出了在分子水平上进行基升式积累，提出了在分子水平上进行基础研究要求。当前包括这一领域研究已础研究要求。当前包括这一领域研究已成为催化、电化学、胶体化学前沿课题，成为催化、电化学、胶体化学前沿课题，并与生命科学、材料科学、环境科学、并与生命科学、材料科学、环境科学、膜技术及医药学亲密相关，是这些相关膜技术及医药学亲密相关，是这些相关学科要研究和处理关键课题之一。学科要研究和处理关键课题之一。第8页期刊期刊Applied Surface Science Elsevier(NL)EProgress in Surface Science Elsevier(NL)ESurface and Coatings Technology Elsevier(NL)ESurface and Interface Analysis Wiley DSurface Science Elsevier(NL)ESurface Science Reports Elsevier(NL)EThin Solid Films Elsevier(NL)EVacuum Surface Engineering,Surface Instrumentation&Vacuum Technology.Elsevier(NL)E第9页表面现象微观成因表面现象微观成因第10页表面现象微观成因表面现象微观成因表面相分子受力不均表面相分子受力不均匀，其分子有被拉入匀，其分子有被拉入液相趋势。液相趋势。这种受力不均匀性是这种受力不均匀性是表面现象产生微观成表面现象产生微观成因。因。液体液体表面积因而有自表面积因而有自发收缩发收缩趋势。趋势。这解释了为何液滴会以这解释了为何液滴会以球形形态存在球形形态存在液相液相气相气相 第11页表面自由能表面自由能(Surface Free Energy)使液体表面积增大过程是克服液相分子吸引力使液体表面积增大过程是克服液相分子吸引力,使体相分使体相分子转移到表面相过程，需要环境对体系做功。以可逆方式做子转移到表面相过程，需要环境对体系做功。以可逆方式做功最少，称之为表面功：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改变量相反数：等于体系吉布斯自由能改变量相反数：此式表明，考虑表面相贡献多相体系，除了温度、压力、组成此式表明，考虑表面相贡献多相体系，除了温度、压力、组成等原因，等原因，表面积也是影响体系热力学函数一个主要变量。表面积也是影响体系热力学函数一个主要变量。第12页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：第13页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：由热力学基本关系式可知表面自由能：1.狭义定义：保持体系温度、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，体系吉布斯自由能改变位表面积，体系吉布斯自由能改变2.广义定义：保持体系对应变量不变时，增加单位表面广义定义：保持体系对应变量不变时，增加单位表面积，体系热力学函数改变积，体系热力学函数改变第14页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。我们能够利用这一结论进行过程能自发进行。我们能够利用这一结论进行过程方方向性判断向性判断。2.比如：胶体体系中存在大量直径比如：胶体体系中存在大量直径100nm以下固体小颗粒，以下固体小颗粒，整个体系固液界面含有很大表面积，当固体颗粒聚集在一整个体系固液界面含有很大表面积，当固体颗粒聚集在一起时发生聚沉现象，从表面化学观点看，此时表面积减小，起时发生聚沉现象，从表面化学观点看，此时表面积减小，自由能下降，说明聚沉过程自发进行，胶体体系从热力学自由能下降，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。角度看是不稳定。关于基本关系式讨论关于基本关系式讨论第15页表面自由能表面自由能(Surface Free Energy)2.麦克斯韦关系式麦克斯韦关系式麦克斯韦关系式对于表面化学基本关系式一样成立麦克斯韦关系式对于表面化学基本关系式一样成立反应体系熵变随表面反应体系熵变随表面积改变关系积改变关系反应体系表面张力随反应体系表面张力随压强改变关系压强改变关系第16页表面张力表面张力(Surface Tension)从表面现象微观成因，我们从表面现象微观成因，我们还能够得出一个结论：表面还能够得出一个结论：表面相分子密度较液相分子低，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，液体表面好像存在一层紧绷液膜，面好像存在一层紧绷液膜，在膜内处处存在使膜紧绷在膜内处处存在使膜紧绷力即为力即为表面张力表面张力表面张力存在解释了针为何能够表面张力存在解释了针为何能够漂在水面上漂在水面上第17页表面张力表面张力(Surface Tension)在两相界面上，处处存在着一个张力，它垂直于表在两相界面上，处处存在着一个张力，它垂直于表面单位线段上，指向使表面紧缩方向并与表面相切。面单位线段上，指向使表面紧缩方向并与表面相切。注意：注意：1.1.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力，量纲为上力，量纲为 m m-1-12.2.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表现面张力表现作用于单位边界限上这种力称为表面张力作用于单位边界限上这种力称为表面张力 ，用，用g 表表示示，单位是，单位是Nm-1。肥皂膜肥皂膜F第18页表面张力表面张力(Surface Tension)请同学们用表面张力知识思索图中现象请同学们用表面张力知识思索图中现象第19页表面自由能与表面张力表面自由能与表面张力 对于表面相，我们从对于表面相，我们从“能能”和和“力力”角度引出了两个不角度引出了两个不一样概念：一样概念：表面自由能与表面张力表面自由能与表面张力。实际上这两个概念有着。实际上这两个概念有着亲密联络亲密联络一、二者量纲相同一、二者量纲相同表面自由能量纲表面自由能量纲表面张力量纲表面张力量纲第20页表面自由能与表面张力表面自由能与表面张力二、二者数值相同二、二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第21页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第22页2.用表面张力计算用表面张力计算显然：显然：肥皂膜肥皂膜F第23页4.影响纯物质影响纯物质原因原因(1)物质本身性质（极性液体比非极性液体大，物质本身性质（极性液体比非极性液体大，固体比液体大）固体比液体大）(2)与另一相物质相关与另一相物质相关 /(N m-1)水水-正庚烷正庚烷 0.0502 苯苯 0.0350 汞汞 0.415纯液体表面张力是指与饱和了其本身蒸汽纯液体表面张力是指与饱和了其本身蒸汽空气之间界面张力。空气之间界面张力。第24页(3)与温度相关与温度相关对绝大多数液体对绝大多数液体 T,对对 Cd,Fe,Cu 合金及一些硅酸盐液体，合金及一些硅酸盐液体，T。dp=0,dnB=0时，时，dG=-SdT+dA,由全微分性质，由全微分性质，温度不变时，扩大温度不变时，扩大单位表面所吸热单位表面所吸热(TdS/dA)0,所以所以(/T)A,p,n 0TTc(临界温度临界温度)时，时，0（气液相界面消失）。（气液相界面消失）。第25页(4)与压力关系与压力关系类似，我们有：类似，我们有：等温等压条件下，增加液体表面积，体积几乎不等温等压条件下，增加液体表面积，体积几乎不变，即变，即(V/A)T,p,n 0,所以不考虑气相受压力影所以不考虑气相受压力影响时，有响时，有(/T)A,p,n 0。但但因为压力增加，气因为压力增加，气相密度增加，表面分子受力不均匀性略有好转。另外，相密度增加，表面分子受力不均匀性略有好转。另外，若是气相中有别物质，则压力增加，促使表面吸附增加，若是气相中有别物质，则压力增加，促使表面吸附增加，气体溶解度增加，也使表面张力下降。气体溶解度增加，也使表面张力下降。综上表面张力普通随压力增加而下降，但影响不大。综上表面张力普通随压力增加而下降，但影响不大。第26页