林化表面化学.pptx
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1、界面化学研究涉及领域界面化学研究涉及领域农业农业 生物学与医学生物学与医学日用品的生产与使用日用品的生产与使用 轻工业轻工业环境科学环境科学 分析化学分析化学材料材料 海洋科学海洋科学天文与气象学天文与气象学 油田开发油田开发界面化学与其他学科的联系界面化学与其他学科的联系界界面面化化学学 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(LBLB膜,微电子器件)膜,微电子器件)一些涉及界面化学的实例一些涉及界面化
2、学的实例v分析化学分析化学中的吸附指示剂、色谱等;中的吸附指示剂、色谱等;v物理化学物理化学中的成核作用、过饱和、液晶等;中的成核作用、过饱和、液晶等;v生物化学和分子生物学生物化学和分子生物学中的电泳、膜现象蛋白质和中的电泳、膜现象蛋白质和核酸等;核酸等;v化学制造中化学制造中的催化剂、洗涤剂、润滑剂、粘合剂、的催化剂、洗涤剂、润滑剂、粘合剂、农药;农药;v环境科学环境科学中的气溶胶、泡沫、污水处理;中的气溶胶、泡沫、污水处理;v材料科学材料科学中陶瓷制品、水泥、涂料等;中陶瓷制品、水泥、涂料等;v日用品日用品中的牛奶、豆浆等;中的牛奶、豆浆等;v石油工业石油工业中的油品回收、乳化。中的油品
3、回收、乳化。与界面现象相关的几个问题与界面现象相关的几个问题v为什么为什么自然界中液滴、气泡总是球形的?自然界中液滴、气泡总是球形的?为什为什么么与液滴相比气泡容易破裂?与液滴相比气泡容易破裂?v毛细现象毛细现象为什么为什么会产生?会产生?v天空天空为什么为什么会下雨?人工降雨依据什么原理?会下雨?人工降雨依据什么原理?向高空抛撒粉剂向高空抛撒粉剂为什么为什么能人工降雨?能人工降雨?v为什么为什么会产生液体过热现象?蒸馏过程会产生液体过热现象?蒸馏过程为什么为什么在体系中加入沸石?原理是什么?在体系中加入沸石?原理是什么?v水在干净的玻璃上能铺展,水银在玻璃上却形水在干净的玻璃上能铺展,水银在
4、玻璃上却形成液滴?成液滴?为什么为什么?怎样让水在玻璃上成滴?怎样让水在玻璃上成滴?v活性碳活性碳为什么为什么可以做防毒面具或冰箱除臭剂?可以做防毒面具或冰箱除臭剂?v为什么为什么在参观面粉厂时在参观面粉厂时,不能穿带铁钉鞋不能穿带铁钉鞋?v土壤土壤为什么为什么能将水份保存起来能将水份保存起来?旱季旱季为何为何要锄地要锄地?v沙漠地带水沙漠地带水为何为何容易蒸发容易蒸发?如何抑制如何抑制v木制家具和油画木制家具和油画为什么为什么会自动裂损会自动裂损?v鸭子鸭子为什么为什么会浮在水中会浮在水中?v洗衣粉洗衣粉为什么为什么有去污作用有去污作用?v明矾明矾为什么为什么能净水能净水v肥皂肥皂为什么为什
5、么能去污?能去污?v什么是表面活性剂?选择性的加入一些表面活什么是表面活性剂?选择性的加入一些表面活性剂,性剂,为什么为什么起到净化水质的作用?起到净化水质的作用?v为什么为什么利用矿物浮选可得到高品位的矿利用矿物浮选可得到高品位的矿?v怎样除烟去尘怎样除烟去尘?2024/8/27 周二第八章第八章 表面化学表面化学v8.1 8.1 表面张力与表面表面张力与表面GibbsGibbs自由能(自由能(掌握概念掌握概念)v8.2 8.2 弯曲液面的特性弯曲液面的特性 掌握掌握弯曲液面的特性及拉普拉斯方程、开尔文方程的应用弯曲液面的特性及拉普拉斯方程、开尔文方程的应用v8.3 8.3 吸附现象吸附现象
6、 1.1.溶液的表面吸附;溶液的表面吸附;2 2 气固界面吸附;气固界面吸附;3 3 液固界面吸附液固界面吸附 v8.4 8.4 润湿作用润湿作用 了解了解液体对固体表面的润湿作用;液体对固体表面的润湿作用;理解理解杨氏方程杨氏方程v8.5 8.5 表面活性剂表面活性剂 了解了解表面活性物质的结构特点及其应用;表面活性物质的结构特点及其应用;了解了解HLBHLB值,值,了解了解表面膜、胶束;表面膜、胶束;v表面和界面表面和界面v界面现象的本质界面现象的本质v比表面比表面v分散度与比表面分散度与比表面v表面功表面功v表面自由能表面自由能v表面张力表面张力v影响表面张力的因素影响表面张力的因素8.
7、1 8.1 表面张力与表面表面张力与表面GibbsGibbs自由能自由能表面和界面表面和界面(surface and interface)界面是指两相接触的约界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区几个分子厚度的过渡区,若其中一相为气体,这种界面通常称为若其中一相为气体,这种界面通常称为表面表面。常见的常见的界面界面有:气有:气-液界面,气液界面,气-固界面,液固界面,液-液液界面,液界面,液-固界面,固固界面,固-固界面。固界面。严格讲表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间严格讲表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间的的界面界面,但习惯上把液体或固体与空气的界面称为,但习惯上把液体或固体与空气的界面
8、称为液体或固体的液体或固体的表面表面。表面和界面表面和界面(surface and interface)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(surface and interface)2.气气-固界面固界面表面和界面表面和界面(surface and interface)3.液液-液界面液界面表面和界面表面和界面(surface and interface)4.液液-固界面固界面表面和界面表面和界面(surface and interface)5.固固-固界面固界面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。最简单的例子是液体及其蒸气
9、组成的表面。液体内部分子所受的力可以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,受到气相分子的分子的拉力大,受到气相分子的拉力小(因为气相密度低),拉力小(因为气相密度低),所所以表面分子受到被拉入体相的作以表面分子受到被拉入体相的作用力。用力。这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势,并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,使表面层显示出一些独特性质,如表面张力、表面吸如表面张力、表面吸附、毛细现象、过饱和状态等。附、毛细现象、过饱和状态等。比表面(比表面(specific surface area)比表面通常用
10、来表示物质分散的程度,有两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有的表面积;另一种是单位体积固体所具有的表面积。即:面积。即:式中,式中,m和和V分别为固体的质量和体积,分别为固体的质量和体积,A为其表为其表面积。目前常用的测定表面积的方法有面积。目前常用的测定表面积的方法有BET法和法和色谱法。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,把一定大小的物质分割
11、得越小,则分散度越高,比表面也越大。比表面也越大。例如,把边长为例如,把边长为1cm的立方体的立方体1cm3逐渐分割逐渐分割成小立方体时,比表面增长情况列于下表:成小立方体时,比表面增长情况列于下表:边长边长l/m 立方体数立方体数 比表面比表面Av/(m2/m3)110-2 1 6 102 110-3 103 6 103 110-5 109 6 105 110-7 1015 6 107 110-9 1021 6 109 分散度与比表面分散度与比表面 从表上可以看出,当将边长为从表上可以看出,当将边长为10-2m的立方体分的立方体分割成割成10-9m的小立方体时,比表面增长了一千万倍。的小立方
12、体时,比表面增长了一千万倍。边长边长l/m 立方体数立方体数 比表面比表面Av/(m2/m3)110-2 1 6 102 110-3 103 6 103 110-5 109 6 105 110-7 1015 6 107 110-9 1021 6 109 可见达到可见达到nm级的超细微粒具有巨大的比表面积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。催化方面的研究热点。表面张力(表面张力(surface tension)(a)(b)m1m2表面张力示意图v从力学角度考虑,表面从力学角度考虑,表面层分子因
13、受到来自体相层分子因受到来自体相分子的引力,液体表面分子的引力,液体表面有自动收缩能力。有自动收缩能力。v其方向平行或切于液体其方向平行或切于液体表面。表面。v定义定义作用在单位长度上作用在单位长度上的表面收缩力的表面收缩力,称作,称作表表面张力面张力 。v的量纲的量纲 N.mN.m-1-1表面张力(表面张力(surface tension)影响表面张力的因素影响表面张力的因素(1)分子间相互作用力的影响)分子间相互作用力的影响(2)温度的影响)温度的影响 温度升高,表面张力下降。温度升高,表面张力下降。(3)压力的影响)压力的影响 表面张力一般随压力的增加而下降。表面张力一般随压力的增加而下
14、降。一般一般化学键越强,表面张力越大化学键越强,表面张力越大。(金属键金属键)(离子键离子键)(极性共价极性共价键键)(非极性共价键非极性共价键)表面功(表面功(surface work)式中式中为比例系数,它为比例系数,它在数值上等于当在数值上等于当T,P及组成及组成恒定的条件下,增加单位表面积时所必须对体系恒定的条件下,增加单位表面积时所必须对体系做的做的可逆非膨胀功可逆非膨胀功。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,就果要把分子从内部移到界面,或可逆的增加表面积,就必须必须克服体系内部分子之间
15、的作用力克服体系内部分子之间的作用力,对体系做功。,对体系做功。温度、压力和组成恒定时,可逆使表面积增加温度、压力和组成恒定时,可逆使表面积增加dA所需要对体系作的功,称为所需要对体系作的功,称为表面功表面功。用公式表示为:。用公式表示为:W=dA表面自由能表面自由能(surface free energy)由此可得:由此可得:考虑了考虑了表面功,热表面功,热力学基本公力学基本公式中应相应式中应相应增加增加 dA一项,即:一项,即:表面自由能表面自由能(surface free energy)广义的表面自由能定义:广义的表面自由能定义:狭义的表面自由能定义:狭义的表面自由能定义:保持温度、压力
16、和组成不变,增加单位表面上保持温度、压力和组成不变,增加单位表面上的分子比体相内部相当量分子所多出的那部分能的分子比体相内部相当量分子所多出的那部分能量,又叫量,又叫表面过剩表面过剩Gibbs自由能自由能,也称,也称表面能表面能,单,单位为位为Jm-2。保持相应的特征变量不变,每增加单位表面积保持相应的特征变量不变,每增加单位表面积时,相应热力学函数的增值。时,相应热力学函数的增值。为什么在参观面粉厂时为什么在参观面粉厂时,不能穿带铁钉鞋不能穿带铁钉鞋?v在煤粉或在面粉厂,因为细小的煤粉或面在煤粉或在面粉厂,因为细小的煤粉或面粉悬浮在空中,形成巨大的表面,有着巨粉悬浮在空中,形成巨大的表面,有
17、着巨大的表面能。大的表面能。v一个小小的火星,会加速煤粉或面粉表面一个小小的火星,会加速煤粉或面粉表面上发生的氧化反应,反应中放出的热量又上发生的氧化反应,反应中放出的热量又加速了其它颗粒表面的氧化反应加速了其它颗粒表面的氧化反应,因,因此,引起爆炸!此,引起爆炸!v一大块煤燃烧为什么不爆炸?一大块煤燃烧为什么不爆炸?为什么把泉水小心注入干燥杯子时,水面会高为什么把泉水小心注入干燥杯子时,水面会高 出杯面?为什么井水比河水有较大的表面张力?出杯面?为什么井水比河水有较大的表面张力?比表面比表面GibbsGibbs自由能、表面张力二者的概念、单自由能、表面张力二者的概念、单 位是否相同?位是否相
18、同?固体表面有过剩的固体表面有过剩的GibbsGibbs自由能吗?它与液体的自由能吗?它与液体的 有何不同?有何不同?大小相同的水泡,水滴,气泡,表面自由能大小相同的水泡,水滴,气泡,表面自由能 的大小的大小gglggl8.2 8.2 弯曲液面的性质弯曲液面的性质 弯曲液面的附加压力弯曲液面的附加压力1.在平面上在平面上2.在凸面上在凸面上3.在凹面上在凹面上 Young-Laplace公式公式 Klvin公式公式附加压强附加压强p p:由表面张力的合力产生,指向由表面张力的合力产生,指向“球心球心”的压强的压强pABp0p=p0+p凸面凸面AB pp0p=p0-p凹面凹面ABABp0平面平面
19、p=p0 一、弯曲液面的附加压力一、弯曲液面的附加压力 1805年Young-Laplace导出了附加压力与曲率半径之间的关系式:杨杨-拉普拉斯公式拉普拉斯公式特殊式(对球面):特殊式(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。一般式:一般式:杨杨-拉普拉斯公式拉普拉斯公式水泡的附加压力水泡的附加压力 肥皂泡两个肥皂泡两个l-g界面,界面,r1r
20、2 p=p外外+p内内=4/r r1r2ps,1ps,2气气vLaplace公式的应用公式的应用v 应用应用Laplace公式可解释一些现象。公式可解释一些现象。v1.在在无无外外力力场场影影响响时时,自自由由的的液液滴滴或或气气泡泡常常呈呈球形。球形。n2.2.旱季为何要锄地?旱季为何要锄地?n土壤间隙被认为是一些毛细管,水在其中呈凹液面。土壤间隙被认为是一些毛细管,水在其中呈凹液面。天旱无雨时,农民通过锄地来保持土壤水分,因为天旱无雨时,农民通过锄地来保持土壤水分,因为锄地可切断地表的土壤间孔隙锄地可切断地表的土壤间孔隙(即毛细管即毛细管),以防止,以防止土壤中水分沿毛细管进一步上升蒸发。
21、土壤中水分沿毛细管进一步上升蒸发。把半径为把半径为r的毛细管插入液体中,若液体能润湿管的毛细管插入液体中,若液体能润湿管壁,管中将形成凹面,壁,管中将形成凹面,液体在毛细管中上升液体在毛细管中上升;若不能;若不能润湿管壁,管中将形成凸面,润湿管壁,管中将形成凸面,液体在毛细管中下降液体在毛细管中下降,如图所示。如图所示。毛细管现象毛细管现象图图 毛细管现象毛细管现象(a)液体在毛细管中上升液体在毛细管中上升h(b)液体在毛细管中下降液体在毛细管中下降h2024/8/27 周二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1.1.曲率半径曲率半径r与毛细管半径与毛细管半径r r
22、的关系:的关系:r=r/cosq q2.2.p=2/r=(r rl-r rg)gh如果曲面为球面,则如果曲面为球面,则r=r。因因r rlr rg ps=2/r=r rlgh一般式:一般式:2 cosq q/r=DrDrgh2024/8/27 周二 二、弯曲液面的蒸气压现象:小液滴消失,大液滴变大现象:小液滴消失,大液滴变大原因:小液滴蒸汽压比大液滴大原因:小液滴蒸汽压比大液滴大Kelvin公式公式 弯曲液面的蒸气压 凹液面,凹液面,r0,则:则:pr=p凹凹 p0 且且|r|越小越小,p凹凹越小;越小;凸液面,凸液面,r0,则:则:pr=p凸凸 p0 r/m 10-6 10-7 10-8 1
23、0-9 pr/p0 1.001 1.011 1.114 2.95 物质要小到一定程度,表面效应才显著物质要小到一定程度,表面效应才显著 微小物质的饱和蒸气压微小物质的饱和蒸气压p pr r增大,其化学势增高增大,其化学势增高 微小物质的熔点低(凸面)微小物质的熔点低(凸面)微小物质化学势大块物质化学势,熔融时,则:微物熔融应满足:只有降低熔点,才能使 减小,故有:Tf(微小)Tf(大块)微小固体物质的溶解度大微小固体物质的溶解度大和若r2r1,则c2 c1,即:物质颗粒越小,其溶解度越大物质颗粒越小,其溶解度越大;因为固体颗粒的r0,所以微小物质的溶解度(cr)大于正常条件下物质的溶解度(c0
24、)将开尔文公式与亨利定律结合,推导得:高温液体中微小的起泡难逸出高温液体中微小的起泡难逸出液液体体达达到到沸沸点点,表表面面可可自自由由气气化化,液液体体内内部部若若出出现现的极微小气泡的极微小气泡(新相新相),气泡内为凹液面,压力为,气泡内为凹液面,压力为p。但小气泡受到的压力为:但小气泡受到的压力为:p外外=p大气大气+ps+p静静 p静静=gh ps=2/rpphhp?根据开尔文公式,气泡内液面上的液体饱和蒸气压为根据开尔文公式,气泡内液面上的液体饱和蒸气压为p pr r:所以,必须升高液体温度,使气泡凹液面的饱和蒸气压等所以,必须升高液体温度,使气泡凹液面的饱和蒸气压等于或超过于或超过
25、p外外,才能使液体沸腾,这样就会引起过热导致,才能使液体沸腾,这样就会引起过热导致溶液暴沸。加入多孔沸石、毛细管等可避免暴沸。溶液暴沸。加入多孔沸石、毛细管等可避免暴沸。n微小气泡上承受着外压和很大的附加压力微小气泡上承受着外压和很大的附加压力n p=2/r.n p外外=p大气压大气压+2/r+p静静p大气ph亚稳态亚稳态v 过过饱饱和和蒸蒸气气、过过冷冷液液体体、过过热热液液体体和和过过饱饱和和溶溶液液等等均均是是亚亚稳稳态态。这这是是一一种种不不稳稳定定状状态。态。v 过过热热液液体体是是指指加加热热到到沸沸点点以以上上也也不不沸沸腾腾的的液液体体。沸沸腾腾时时,液液体体生生成成的的微微小
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