10界面现象2全解.pptx

2024/9/6 周五1二、二、凝聚相的界面现象凝聚相的界面现象A.液体对固体的润湿作用液体对固体的润湿作用B.弯曲液面的附加压力和毛细现象弯曲液面的附加压力和毛细现象Laplace 公式公式2024/9/6 周五2毛细现象：毛细现象：2024/9/6 周五3T t实验现象：实验现象：实验现象：实验现象：微小液滴的蒸气压力大于大液滴的蒸气压力，使微小液滴微小液滴的蒸气压力大于大液滴的蒸气压力，使微小液滴的水蒸发成蒸气而凝结在大液滴上。的水蒸发成蒸气而凝结在大液滴上。实验结论：实验结论：物质的饱和蒸气压（物质的饱和蒸气压（物质的饱和蒸气压（物质的饱和蒸气压（p ps s*）除与温度）除与温度）除与温度）除与温度T T 有关，还与物质有关，还与物质有关，还与物质有关，还与物质的分散度（微粒半径的分散度（微粒半径的分散度（微粒半径的分散度（微粒半径 r r ）有关。）有关。）有关。）有关。Kelvin 公式公式C.表面曲率对液体蒸汽压力的影响表面曲率对液体蒸汽压力的影响KelvinKelvin公式公式如何得到？如何得到？同样，对于小液滴与其蒸汽的平衡：液体液体(T,p*l,0)饱和蒸汽饱和蒸汽(T,p*g,0)小液滴小液滴(T,p*l)饱和蒸汽饱和蒸汽(T,p*g)NOTE:为简便省去p的上标*2024/9/6 周五设蒸气相为理想气体：Kelvin 公式，公式，为液体密度为液体密度,kg.m-3,M 为摩尔质量为摩尔质量,g.mol-1。2024/9/6 周五 Kelvin公式也可以表示为两种不同曲率半径的液滴或蒸汽泡的蒸汽压之比：对凸面，R/越小，液滴的蒸汽压越高，或小颗粒的溶解度越大。对凹面:或两种不同大小颗粒的饱和溶液浓度之比：凹面曲率半径R/越小，与其平衡的小蒸汽泡中的蒸汽压越低。特别注意负号特别注意负号2024/9/6 周五820时水滴半径时水滴半径(r)与蒸气压力与蒸气压力pr的关系的关系r/m110-6 1 10-7 1 10-8 1 10-9 pr/p0 1.001 1.011 1.114 2.95Kelvin 公式公式2024/9/6 周五9凸面凸面凹面凹面Discussion:Discussion:2024/9/6 周五101）毛细管凝结毛细管凝结Kelvin公式的应用公式的应用 考虑液体及其饱和蒸气与孔性固体构考虑液体及其饱和蒸气与孔性固体构成的体系。孔内液面与孔外液面的曲率成的体系。孔内液面与孔外液面的曲率不同，导致蒸气压力不同。不同，导致蒸气压力不同。凹液面：凹液面：孔内液体的平衡蒸气压低于液孔内液体的平衡蒸气压低于液体的正常蒸气压。故在毛细管中发生凝体的正常蒸气压。故在毛细管中发生凝结。此即所谓毛细管凝结现象。结。此即所谓毛细管凝结现象。硅胶能作为干燥剂就是因为硅胶能自动地吸附空气中的硅胶能作为干燥剂就是因为硅胶能自动地吸附空气中的水蒸气，使得水气在毛细管内发生凝结。水蒸气，使得水气在毛细管内发生凝结。2024/9/6 周五112 2）过饱和蒸汽）过饱和蒸汽 恒恒温温下下，将将未未饱饱和和的的蒸蒸汽汽加加压压，若若压压力力超超过过该该温温度度下下液液体体的饱和蒸汽压仍无液滴出现，则称该蒸汽为的饱和蒸汽压仍无液滴出现，则称该蒸汽为过饱和蒸汽过饱和蒸汽。原因：液滴小，饱和蒸汽压大，新相难以形成而导致过饱和。原因：液滴小，饱和蒸汽压大，新相难以形成而导致过饱和。解决办法：引入凝结核心解决办法：引入凝结核心如人工降雨，向空中撒凝结核心如人工降雨，向空中撒凝结核心AgI，使凝聚水滴的初始曲，使凝聚水滴的初始曲率半径加大，其相应的饱和蒸气压小于高空中已有的水蒸气率半径加大，其相应的饱和蒸气压小于高空中已有的水蒸气压力，因此蒸气会迅速凝结成水，便成了雨。压力，因此蒸气会迅速凝结成水，便成了雨。2024/9/6 周五123 3）过热液体（过冷液体）过热液体（过冷液体）沸沸腾腾(结结晶晶)是是液液体体从从内内部部形形成成气气泡泡(微微小小晶晶体体)、在在液液体体表表面面上上剧剧烈烈汽汽化化的的现现象象。但但如如果果在在液液体体中中没没有有提提供供气气泡泡(晶晶体体)的的物物质质存存在在时时，液液体体在在沸沸点点(凝凝固固点点)时时将将无无法法沸沸腾腾(结结晶晶)。我我们们将将这这种种按按相相平平衡衡条条件件，应应当当沸沸腾腾(结结晶晶)而而没没有有沸沸腾腾(结结晶晶)的液体，称为的液体，称为过热液体过热液体(过冷液体过冷液体)。原原因因：液液体体过过热热(过过冷冷)现现象象的的产产生生是是由由于于液液体体在在沸沸点点(结结晶晶)时时无无法法形形成成微微小小气气泡泡(微微小小晶晶体体)所所造造成成的的，这这样样便便造造成成了了液液体体在在沸沸点点(凝凝固固点点)时时无无法法沸沸腾腾(结结晶晶)而而液液体体的的温温度度继继续续升升高高(降低降低)的过热的过热(过冷过冷)现象。过热较多时，极易暴沸。现象。过热较多时，极易暴沸。解决办法：为防止暴沸，可事先加入一些解决办法：为防止暴沸，可事先加入一些？。2024/9/6 周五吸附：吸附：吸附：吸附：以一种物质的原子或分子附着在另一种物质的以一种物质的原子或分子附着在另一种物质的表面上的现象表面上的现象,或者说物质在相界面上浓度自动变化的或者说物质在相界面上浓度自动变化的现象。现象。吸附剂：吸附剂：吸附剂：吸附剂：具有吸附作用的物质。具有吸附作用的物质。吸附质：吸附质：吸附质：吸附质：被吸附的物质。被吸附的物质。吸附的热力学原理：吸附的热力学原理：吸附的热力学原理：吸附的热力学原理：固体表面质点处于力场不平衡状态固体表面质点处于力场不平衡状态,表面具有过剩的能量（表面能）。表面具有过剩的能量（表面能）。三、三、固体固体表面的吸附作用表面的吸附作用132024/9/6 周五物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附吸附作用力吸附作用力范德华力范德华力化学键力化学键力吸附选择性吸附选择性无无有有(需要形成吸附化学键需要形成吸附化学键)吸附分子层吸附分子层单分子层、多分子层单分子层、多分子层单分子层单分子层吸附热吸附热较小，近似气体凝结热较小，近似气体凝结热(40kJ.mol-1)吸附温度吸附温度较低较低常在较高温度下常在较高温度下吸附速率吸附速率快快(不需要活化能不需要活化能)，易达吸附平衡易达吸附平衡较慢较慢(需要活化能需要活化能)，吸附平衡慢吸附平衡慢物理吸附与化学吸附比较物理吸附与化学吸附比较物理吸附与化学吸附比较物理吸附与化学吸附比较NoteNote：同一系统中，随外界条件的变化两类吸附可相伴发生。：同一系统中，随外界条件的变化两类吸附可相伴发生。：同一系统中，随外界条件的变化两类吸附可相伴发生。：同一系统中，随外界条件的变化两类吸附可相伴发生。142024/9/6 周五固体表面的特点固体表面的特点 固固体体表表面面原原子子或或分分子子处处于于力力场场不不平平衡衡状状态态，表表面面具具有有过过剩的能量（表面能）。剩的能量（表面能）。固体表面的特点：固体表面的特点：固体表面的特点：固体表面的特点：1固固体体表表面面分分子子(或或原原子子)移移动动困困难难，表表面面积积不不能能缩缩小小，会自动与外来分子结合来降低表面自由能。会自动与外来分子结合来降低表面自由能。2固固体体表表面面是是很很不不均均匀匀的的，不不同同类类型型的的原原子子的的化化学学行行为为、吸附热、催化活性和表面态能级的分布都是不均匀的。吸附热、催化活性和表面态能级的分布都是不均匀的。3固体表面层的组成与体相内部组成不同。固体表面层的组成与体相内部组成不同。152024/9/6 周五A.A.吸附平衡和吸附量吸附平衡和吸附量吸附平衡和吸附量吸附平衡和吸附量本体中气体分子本体中气体分子A吸附态分子吸附态分子A S吸附吸附解吸解吸吸附量吸附量单位质量的固体所吸附气体的物质的量或体积。单位质量的固体所吸附气体的物质的量或体积。吸附量与温度和气体的压力有关：吸附量与温度和气体的压力有关：1、基本概念162024/9/6 周五p常数：常数：吸附等压线吸附等压线吸附等温线吸附等温线T常数常数吸附等量线吸附等量线B.B.吸附曲线吸附曲线吸附曲线吸附曲线172024/9/6 周五吸附等压线吸附等压线吸附等压线吸附等压线 当压力一定时，温度越高吸附量越小，即随着温度的增当压力一定时，温度越高吸附量越小，即随着温度的增加，吸附剂的吸附能力逐渐降低。加，吸附剂的吸附能力逐渐降低。钯对钯对 CO的吸附等压线的吸附等压线20406080100吸吸附附量量2001000+100+200AB121.物理吸附物理吸附2.化学吸附化学吸附182024/9/6 周五吸附等温线吸附等温线吸附等温线吸附等温线1001500.20.40.60.81.0吸附量吸附量dm3.kg-1151.58030023p/101.325 kPa各种温度时，氨吸附在炭粒上的吸附等温线各种温度时，氨吸附在炭粒上的吸附等温线：直线：直线：增加程度减小：增加程度减小：几乎不变，饱和吸附：几乎不变，饱和吸附192024/9/6 周五典型的五种吸附等温线典型的五种吸附等温线吸附等温线可以反映出吸附剂的表面性质、孔分布以及吸附剂与吸附等温线可以反映出吸附剂的表面性质、孔分布以及吸附剂与吸附质之间的相互作用情况。吸附质之间的相互作用情况。202024/9/6 周五在在2.5 nm 以下以下微孔吸附微孔吸附剂上的吸附等温线剂上的吸附等温线属于属于这种类型。这种类型。例如例如78 K时时 N2 在活性在活性炭上的吸附及水和苯蒸炭上的吸附及水和苯蒸汽在分子筛上的吸附。汽在分子筛上的吸附。(1)p/ps比压比压，ps是吸附质在该温度时的饱和蒸汽压，是吸附质在该温度时的饱和蒸汽压，p为吸附质的压力。为吸附质的压力。V饱和饱和Vad212024/9/6 周五图中曲线常称为图中曲线常称为S型等型等温线温线。吸附剂孔径大小。吸附剂孔径大小不一，发生多分子层吸不一，发生多分子层吸附。附。在在比比压压接接近近1时时，发发生生毛细管凝聚现象毛细管凝聚现象。(2)222024/9/6 周五这种类型较少见。当吸附这种类型较少见。当吸附剂和吸附质相互作用很弱剂和吸附质相互作用很弱时会出现这种等温线时会出现这种等温线。如如 352 K 时，时，Br2在硅在硅胶胶上的吸附上的吸附属于这种类型属于这种类型。(3)232024/9/6 周五多多孔孔吸吸附附剂剂发发生生多多分分子子层层吸吸附附时时会会出出现现这这种种等等温温线线。在在比比压压较较高高时时，有毛细凝聚现象。有毛细凝聚现象。例例如如在在323K时时，苯苯在在氧氧化化铁铁凝凝胶胶上上的的吸吸附附属属于于这种类型这种类型。(4)242024/9/6 周五发发生生多多分分子子层层吸吸附附，有有毛细凝聚现象。毛细凝聚现象。例例如如373K时时，水水汽汽在在活活性性炭炭上上的的吸吸附附属属于于这这种种类型。类型。(5)252024/9/6 周五兰格缪尔吸附理论要点：兰格缪尔吸附理论要点：2、单分子层吸附理论Langmuir吸附等温式(1)固体表面均匀，各处的吸附能力相同；固体表面均匀，各处的吸附能力相同；(2)被吸附的分子之间无相互作用；被吸附的分子之间无相互作用；(3)固体表面存在不饱和力场，作用范围大约相当于分固体表面存在不饱和力场，作用范围大约相当于分子直径大小，所以只形成单分子层吸附；子直径大小，所以只形成单分子层吸附；(4)一定条件下，吸附与解吸建立动态平衡；一定条件下，吸附与解吸建立动态平衡；本体中气体分子本体中气体分子A吸附态分子吸附态分子A S吸附吸附解吸解吸262024/9/6 周五覆盖度覆盖度覆盖度覆盖度 表面吸附分子所占的表面百分数。表面吸附分子所占的表面百分数。ka吸附速率常数吸附速率常数kd解吸速率常数解吸速率常数吸附达平衡时：吸附达平衡时：吸附平衡常数吸附平衡常数Langmuir吸附等温式吸附等温式272024/9/6 周五 一定量吸附剂所吸附的物质的平衡吸附量；一定量吸附剂所吸附的物质的平衡吸附量；mol kg-1 相同相同量吸附剂所能吸附的最大量吸附剂所能吸附的最大(饱和饱和)吸附量；吸附量；mol kg-1Langmuir吸附等温式吸附等温式282024/9/6 周五朗缪尔的生平简介29Langmuir的生平简介 美国物理化学家IRVING LANGMUIR。1881年1月31日生于纽约的一个贫民家庭。1903年毕业Clumbia大学矿业学院。不久去德国留学，1906年获得哥丁根大学的博士学位，同年秋天赴新泽西州史蒂文森理工学院任教。1909年起到通用电气公司在纽约东部的斯克内克塔迪电气工程实验所工作，1932年后任该所所长。1935年被选为伦敦 皇家学会会员。1951年为法国科学院通讯院士。1941年任美国科学促进协会主席，也是美国文学与科学院 院士。1957年8月16日在Massachusetts州的法尔默斯逝世。终年76岁。2024/9/6 周五他首先发现氢气受热离解为原子的现象，并发明了原子氢焊接法；从分子运动论推导出单分子吸附层理论和著名的等温式；设计了一种“表面天平”，可以计量液面上散布的一层不溶物的表面积，并建立了表面分子定向说；发展了电子价键的近代理论；首次实现了人工降雨，研制出高真空的水银扩散泵；还研究过潜水艇探测器，改进烟雾防护屏等。已发表的论文有200多篇。19321932年，因表面化学年，因表面化学和热离子发射方面的研究成果获诺贝尔化学奖。和热离子发射方面的研究成果获诺贝尔化学奖。Languir的生平简介 p503习题的10.5、10.9、10.15 题。作 业