表面化学专业知识讲座省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、第十三章第十三章第十三章第十三章 表面化学与胶体基本知识表面化学与胶体基本知识表面化学与胶体基本知识表面化学与胶体基本知识引言:1.表面化学(界面化学):研究各种相界面性质,含有巨大界面积系统特殊性质(界面效应)。2.胶体:是一类含有巨大界面积系统。应用 广泛。2.本章:实用性强,科研活跃。3.以前各章为何不提出表面特殊性。第1页131 表面张力及表面Gibbs自由能gl表面一、表面能一、表面能1.表面分子特殊性受力情况特殊:内部分子:协力为0 热运动不需要做功 表面分子:不对称力场(不均匀力场)分子倾向于钻入液体内部能量特殊:将一个内部分子移动到表面上,环境要克服不对称力场而作功。(表面分子
2、)(内部分子)2.表面能:表面分子比内部分子多出能量第2页二、二、表面吉布斯自由能表面吉布斯自由能将内部分子移至表面,环境作功。结果 (1)分子能 量增加,(2)系统As,所以称“表面功”。定义:在等温等压定组成条件下,可逆地增大系统表面积时所作功,Wf 计算:等T、p、组成时,可逆增大面积dAs,则若百分比系数为-,则1.表面功物理意义:为系统增大1m2表面积时环境所作表面功。第3页2.比表面能:也可看作:1m2表面上分子比同数量内部分子多出能量,称比表面能,J.m-2。表面能:As3.比表面吉布斯自由能:等T、p、组成时,在等T,P及组成不变条件下,系统增大1m2面积时,吉布斯自由能增量,
3、J.m-2。称比表面吉布斯自由能第4页4.表面热力学基本关系式任意系统基本关系式为第5页在表面热力学中,Wf为表面功第6页 以上四式是全微分 其中 分别为比表面Gibbs函数第7页三、表面张力三、表面张力表面不对称力场表面分子企图“钻入”内部表面收缩(A):即宏观存在表面收缩力1.定义:作用在表面上,企图使表面收缩力,N.m-1。它是表面不对称力场度量。表面是平面,则表面张力方向与液面平行弯曲表面上表面张力协力指向圆心第8页2.与比表面吉布斯自由能关系:lFdx膜环境以力F将理想横杆可逆下拉距离dx,则W Fdx (环境作功)F上dx (可逆)2 ldx(膜有两个表面)2 dA即 dA dA
4、第9页结论:结论:与是两个意义不一样、单位不一样、数值相同、量纲相同物理量。二者相通,是同一表面性质两种不一样描述方式。统称表面张力,符号。其它界面张力:s-g,l-l,s-l,s-s第10页3.表面张力大小:P314 表13.2安托诺夫规则表面张力存在结果:液滴总趋于呈圆球型存在第11页3.影响表面张力主要原因所以 与T,p,组成相关。对一指定液体,f(T,p)(1)T 对 影响:T,l-g差异,即 p对 影响很小(2)p对 影响:第12页(3)溶液表面张力与溶液浓度关系在等T等p下:=(cB)*(无机盐)(极性有机物)(表面活性剂)cB 第13页四、巨大表面系统是热力学不稳定系统四、巨大表
5、面系统是热力学不稳定系统表面能A随A增大而增大,比如:1g水(25C)(1)球体,A=4.8510-4 m2,A=3.510-5 J,可忽略;(2)若为r10-9m小球,A=3000 m2,A=220 J。(可使1g水升温50K)所以,巨大表面系统是高G系统第14页132 弯曲表面下附加压力弯曲表面下附加压力一、附加压力产生一、附加压力产生以液体表面为例以液体表面为例ABpp外外平面平面AB,受力平衡,受力平衡,pp外外第15页ABpp外外凸面凸面AB,不能完全抵消,不能完全抵消,协力指向液体内部,协力指向液体内部,p p外外ABpp外外凹面凹面AB,不能完全抵消,不能完全抵消,协力指向外部,
6、协力指向外部,p fB,则,则 bB bBsln (f大者更易进入本体大者更易进入本体)。若若fA fB,则,则 bB 0,正吸附,正吸附,越正表明正吸附越强越正表明正吸附越强 0,正吸,正吸附,附,B在表面上浓集;在表面上浓集;则则 0,负吸附,负吸附,A在表面上浓集;在表面上浓集;(2)求取:求取:方法方法经验公式经验公式试验试验 能够使能够使 降低物种总是相对浓集在表面上降低物种总是相对浓集在表面上二、二、Gibbs吸附方程吸附方程第27页第28页:经经验验常常数数,与与溶溶质质表表面面活活性性大大小小相相关关,即即与与溶质特征相关。能够推出,溶质特征相关。能够推出,a小时,小时,K a
7、2,a2很大时,很大时,2=。因因为为饱饱和和吸吸附附时时,表表面面活活性性物物质质在在表表面面层层浓浓度度远远远远大大于于本本体体浓浓度度,所所以以 2可可看看成成是是单单位位表表面面上上溶质总量,以此可求出分子横截面积。溶质总量,以此可求出分子横截面积。第29页(3)最大吸附量最大吸附量(饱和吸附量饱和吸附量)许多许多 -cB测定结果均为测定结果均为 cB max max意义:意义:代表表面状态:代表表面状态:第30页在水表面上铺展时,会形成一层很薄油层,只在水表面上铺展时,会形成一层很薄油层,只有一个分子厚度,这种膜被称为单分子层表面有一个分子厚度,这种膜被称为单分子层表面膜,其有一近似
8、公式为:膜,其有一近似公式为:As=nRT不溶性表面膜不溶性表面膜人们从很早以前即观察到油滴或一其它难溶性液体人们从很早以前即观察到油滴或一其它难溶性液体 =(0-1):表面压):表面压 其中其中,:加入不溶物质后表面张力。加入不溶物质后表面张力。0:纯水表面张力;纯水表面张力;可由表面压测定仪测定。可由表面压测定仪测定。n:占据表面积为占据表面积为A不溶物物质量。不溶物物质量。第31页应用应用第32页136 固液界面固液界面一、液体对固体润湿作用一、液体对固体润湿作用润湿概念:润湿问题反应润湿概念:润湿问题反应液体表面与固液体表面与固体表面亲合程度体表面亲合程度。比如。比如水表面玻璃表面,称
9、润湿水表面玻璃表面,称润湿汞表面玻璃表面,称不润湿汞表面玻璃表面,称不润湿第33页润湿程度(Moist degree):可用以下过程G表示l-gs-gAAlss-lAlsGG值越负,则润湿程度越大GAs-l(Al-g+As-g)G/m2s-l(l-g+s-g)记作问题:s-l和s-g难于准确测定第34页二、液体在固体表面上铺展二、液体在固体表面上铺展AsG不铺展铺展 铺展定义:铺展过程:一个表面(s-g)消失,两个新 界面(l-g 和s-l)形成第35页若G 0,则铺展若G0,则不铺展 G l-g A+s-l A s-g A即 G/m2 l-g +s-l s-g 0 则铺展 0 则不铺展润湿与
10、铺展问题区分,处理方法共性及普遍意义:第36页 llss s-l s-l l-g l-g s-g s-g 当液滴在固体表面达流动平衡时当液滴在固体表面达流动平衡时 :接触角:接触角 Contact angle,0o 180o s-g=l-gcos +s-lYoung 方程方程代入上式得:代入上式得:G/m2-l-g(1+cos )接触角:指经过液滴中心作一法面垂直于固相表面,接触角:指经过液滴中心作一法面垂直于固相表面,在法面上固、液、气三相交接点处,其气在法面上固、液、气三相交接点处,其气液和固液和固液界面两切线把液相加在角内时所成角。液界面两切线把液相加在角内时所成角。第37页G/m2-l
11、-g(1+cos)G关系:即单调关系:G ,G 90o 称不润湿 =0o 称完全润湿第38页137 表面活性剂Surface active agent(SAA)定义:加入少许少许即能够显著显著降低水表面张力物质。大量正吸附。一、一、SAA分子特征分子特征不对称性:一端是极性亲水基,另一端是非极性憎水基(亲油基)。比如脂肪酸钠CH3-CH2-CH2-COONa憎水亲水第39页gsln(1)SAA分子在溶液表面上定向排列:相界面两侧极性不一样;“相同相溶”原理。(2)在溶液内部形成胶束 定义及产生原因:分类:球状层状棒状第40页 内部形成胶束溶液与真溶液不一样:多相内部形成胶束溶液与普通多相系统不
12、一样:低G,稳定 临界胶束浓度 Critical micellar concentration(CMC)二、二、SAA分类分类离子型:电离,如脂肪酸钠非离子型:不电离,如多元醇第41页三、三、SAA应用应用应用广泛,无处不在,发展快1.改变润湿程度:喷洒农药 棉布防水处理l第42页3.起泡作用:泡沫稳定性是相正确:不稳定性 是绝正确p1p2p2 p12.增溶作用:第43页ppppppPlateau通道Gibbs三角 加入SAA会延长泡沫寿命,即增强稳定性。第44页4.4.反胶束法制备反胶束法制备反胶束法制备反胶束法制备Pt/CPt/C和和和和Pt-Ru/CPt-Ru/C催化剂催化剂催化剂催化剂
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