1、物理化学第十章界面现象选编 第十章 界面现象10.1 界面张力界面：两相的接触面。五种界面：气液、气固、液液、液固、固固界面。一般常把与气体接触的界面称为外表，气液界面=液体外表，气固界面=固体外表。 界面不是接触两相间的几何平面！界面有一定的厚度，有时又称界面为界面相(层 。特征：几个分子厚，结构与性质与两侧体相均不同 比外表积：s=As/m单位：- 1对于一定量的物质而言，分散度越高，其外表积就越大，外表效应也就越明显，物质的分散度可用比外表积s来表示。与一般体系相比，小颗粒的分散体系有很大的外表积，它对系统性质的影响不可忽略。1. 外表张力，比外表功及比外表吉布斯函数物质外表层的分子与体
2、相中分子所处的力场是不同的所有外表现象的根本原因！外表的分子总是趋向移往内部，力图缩小外表积。液体外表如同一层绷紧了的富有弹性的橡皮膜。 称为外表张力：作用于单位界面长度上的紧缩力。单位：N/m,方向：外表平面、曲面的切线方向 可理解为：增加单位外表时环境所需作的可逆功，称比外表功。 单位：J m-2。恒温恒压：所以： 等于恒温、恒压下系统可逆增加单位面积时，吉布斯函数的增加，所以， 也称为比外表吉布斯函数或比外表能。单位 J m-2外表张力、比外表功、比外表吉布斯函数三者的数值 、量纲和符号等同，但物理意义不同，是从不同角度说明同一问题。(1J=1Nm故1Jm-2=1Nm-1，三者单位皆可化
3、成Nm-1)推论：所有界面液体外表、固体外表、 液-液界面、 液-固界面等，由于界面层分子受力不对称，都存在界面张力。2. 不同体系的热力学公式 对一般多组分体系，未考虑相界面面积时： 当体系作外表功时，G 还是面积A的函数 在恒温、恒压、组成不变的情况下，使面积减小或外表张力减小，致系统总界面吉布斯函数减小的外表过程可以自发进行。 3.界面张力的影响因素 物质的本性：1 不同的物质，分子间的作用力不同，对界面上分子的影响也不同。分子间相互作用力越大，界面分子受力不平衡程度就越大，越 大。 一般有：(金属键) (离子键) (极性键) (非极性键) 2固体分子间的相互作用力远远大于液体的, 固体
4、物质要比液体物质具有更高的外表张力。3两种互不混溶的液体形成液-液界面时，界面层分子所处力场取决于两种液体。所以不同液-液对界面张力不同。 温度T 压强及其它因素：通常每增加 1 MPa 约10 大气压的压强，外表张力约降低 1 mN m-1 。 10.2 弯曲液面的附加压力及其后果1. 弯曲液面的附加压强拉普拉斯Laplace方程一般情况下，水平液面下液体所受压强即为外界压强，水中的气泡凹面及小液滴凸面，外表是弯曲的。弯曲液面下的液体不但受到外界压强，还要受到弯曲液面的附加压强 p 。圆周界线上外表张力的合力对底面下液体造成额外压力。假设弯曲液面凹面一侧压强以p内表示，凸面一侧压强用p外表示
5、，定义附加压强： p = p内p外 p 总是一个正的值，它的方向指向凹面曲率半径的中心 小结：1弯曲液面会产生附加压力，水平液面无附加压力；2附加压力产生原因：外表张力不能相互抵消；3附加压力的方向：指向弯曲液面的曲率中心。弯曲液面附加压强p 与液面曲率半径的关系:因为球缺底部圆周长 2 r1 ， 得垂直方向在圆周上合力为： 因为， cos = r1/ r ，球缺底面积为r12，所以弯曲液面对单位水平面上附加压强为： 拉普斯方拉程说明弯曲液面附加压强与液体外表张力成正比，与曲率半径成反比。其中，曲率半径 r ，总取正值，p 指向凹面中心，总取正值。对于气泡空气中的肥皂泡，其有内外两个气-液界面
6、： 2.毛细管现象当液体在毛细管中呈弯曲液面时，管内高度管外高度，即管内外存在高度差。总结：1水在毛细管中呈凹液面，毛细管内液面上升；2水银在毛细管中呈凸液面，毛细管内液面下降。R 毛细管的半径；r 液体的密度；q 液体与毛细管的接触角；g 液体的外表张力；h 毛细管内液面上升的高度 由上式可知，在一定温度下，毛细管越细，液体的密度越小，液体对管壁的润湿越好，即接触角越小，液体在毛细管中上升的越高。当液体不能润湿管壁。即90，cos0时，液体在毛细管内呈凸液面，h为负值，代表液面在管内下降的深度。温度影响外表张力，所以h反比于T。 3. 微小液滴的饱和蒸气压开尔文 Kelvin公式蒸气压与物质
7、本性, 温度，组成, 压强有关，还与液滴的大小，即其曲率半径有关开尔文公式- 液体密度(kg/m3)；M 液体摩尔质量(kg/mol)；Vm 液体摩尔体积(m3/mol)。滴越小，饱和蒸气压越大！ 对于凹液面或液体中的气泡，开尔文公式变为：曲率半径越小，饱和蒸气压越小。毛细管凝结:回潮；硅胶做枯燥剂1 对于液滴凸面，其蒸气压大于平面 情况下的蒸气压力，且液滴半径越小，蒸气压越大。2对于气泡凹面，其泡内蒸气压小于平面情 况下的蒸气压力，且气泡半径越小，蒸气压越低。3. 亚稳态及新相的生成过饱和蒸气、过饱和溶液、过冷液体、过热液体等，这些状态都是亚稳态。是热力学不完全稳定的状态。一旦新相生成，亚稳
8、态即失去稳定，变成稳定的相态。1过饱和蒸气T l g小液滴气液平衡线正常气液平衡线 按相平衡条件应当凝结而未凝结的蒸气，称为过饱和蒸气。 2过热液体： 按照相平衡条件，应当沸腾而不沸腾的液体，称为过热液体 3过冷液体：微小晶体的凝固点，低于普通晶体！按照相平衡条件，应当凝固而未凝固的液体，称为过冷液体。4过饱和溶液：在一定温度下，溶液浓度已经超过了饱和浓度，但仍未析出晶体的溶液，称为过饱和溶液。其产生原因是，同样温度下，小晶体溶解度大于普通晶体溶解度。小晶体不容易产生。而小晶体溶解度较大的原因是，小晶体的饱和蒸气压大于普通晶体的蒸气压。10.3 固体外表吸附:在相界面上，某种物质的浓度与体相浓
9、度不同的现象吸附只指外表效应，即气体被吸附后，只停留在固体外表，并不进入固体内部。假设气体进入到固体内部，那么称为吸收。吸附剂adsorbent ：具有吸附能力的固体物质活性炭，硅胶吸附质adsorbate ：被吸附的物质甲烷、氢气吸附的热力学解释: 固体从外部空间吸引气体分子到外表，可减小外表分子受力不对称程度，从而降低外表张力及外表吉布斯函数。固体外表的吸附的应用: 具有高比外表的多孔固体，如活性炭、硅胶等可作为吸附剂等，用于气体纯化、反响催化、环境保护。 应用吸附剂于氢气、甲烷的吸附存储，以及空气、石油气的变压吸附别离等。物理吸附与化学吸附按吸附质与吸附剂间作用力本质的不同，可将吸附分为
10、物理吸附与化学吸附。物理吸附-以范德华引力相互作用化学吸附-以化学键相结合。物理吸附与化学吸附是共存的：1 一个外表上，不同的吸附部位，可能有不同的吸附；2 低温时物理吸附为主，高温时化学吸附为主。2.等温吸附吸附量：当吸附平衡时， 吸附速率=解吸速率，单位质量吸附剂所吸附的气体的物质的量n或体积V 一般用换算成标准状况0 ，101.325 kPa下的体积。吸附量是温度与压强的函数。研究中常常固定一个变量，研究其它两个变量间的关系： 1压强p一定，吸附量与温度关系，吸附等压线：2吸附量一定，平衡压强与温度关系，吸附等量线3温度一定，吸附量与压强关系，吸附等温线其中最常用的是吸附等温线。吸附等温
11、线大致有以下五种类型：其中除第一种为单分子层吸附外，其余均为多分子层吸附。3.吸附经验式弗罗因德利希公式弗罗因德利希提出含有两个常数的指数经验方程，来描述中压范围内，第一类吸附等温线：n 在0 与1 之间，k可视为单位压力下的吸附量，其单位与Va相同k ,n 的数值可由实验数据推求: 上式两边取对数：将测得的不同p下V a的实验数据处理后,作lgV a- lgp 图,斜率n,截距求k4.朗缪尔Langmuir单分子层吸附理论及吸附等温式单分子层吸附理论四个根本假设.气体在固体外表上单分子层吸附。固体外表吸附力场作用范围只有分子直径大小 (0.20.3 nm) ，只有气体分子碰到固体空白外表，进
12、入此力场，才可能被吸附。.固体外表均匀。各个晶格位置的吸附能力相同，每个位置吸附一个分子，吸附热为常数，与覆盖率q 无关。.被吸附在固体外表的相邻分子间无作用力，在各晶格 位置上吸附与解吸难易程度，与周围有无被吸分子无关.吸附和解吸脱附呈动态平衡。当吸附速率等于解吸速率时，从表观看，气体不再被吸附或解吸，实际上两者仍不断地进行，只是到达了吸附动态平衡。此时，固体外表有固定的覆盖率、平衡吸附量。朗缪尔吸附等温式的推导：覆盖率-任一瞬间，固体外表被覆盖的比率V a：覆盖率是 q 时的平衡吸附量。： 在压强足够高的情况下，固体外表的吸附位置完全被气体分子占据， q = 1 。到达吸附饱和状态，此时的
13、吸附量称为饱和吸附量。吸附速率与A的压强 p 及外表上的空位数 ( 1- q )N 成正比。N：固体外表上具有吸附能力的总的晶格位置数吸附位置数解吸速率与固体外表上被覆盖的吸附位置数，即被吸附的分子数成正比。动态平衡时,吸附速率与解吸速率相等：v 吸附= v 解吸 假设设： b为吸附作用平衡常数(吸附系数)，单位pa-1。可得： -朗缪尔吸附等温式因为：所以有朗缪尔吸附等温式还可写成以下形式：朗缪尔公式能较好地描述第I类吸附等温线在不同压力范围内的吸附特征：V1p/px01.压强很低时，b p 1， 那么有：3. 压强适中时，吸附量与平衡压强呈曲线关系。假设每个被吸附分子的截面积 am 及饱和
14、吸附量可用下式计算吸附剂的比外表积10.4 液 - 固界面1. 接触角与杨氏方程润湿是固体外表上的气体被液体取代的过程。定义：当一液滴在固体外表上不完全展开时，在气、液、 固三相会合点O，液-固界面张力或界面的切线通过液体与气-液界面切线之间的夹角q ，称为接触角。杨氏方程2. 润湿现象 一定温度和压强下，润湿的程度可用润湿过程的Gibbs函数改变量来衡量。Gibbs函数降低越多，越易润湿。 按润湿程度深浅分类： 1沾湿ahhensional wetting:气-固，气-液界面消失，形成液-固界面的过程假设沾湿过程为自发，那么：沾湿的逆过程需要的功，称为沾湿功。 2浸湿immersional wetting气-固界面完全被液-固界面取代的过程。它的逆过程所需的功为浸湿功 3铺展spreading wetting在固体外表上自动展开，形成一层薄膜的过程。它实际上是以液-固界面取代气-固界面，同时又增加气-液界面的过程。铺展前以液滴的面积忽略不计，对于单位面积铺展系数铺展必要条件为：S越大，铺展性能越好单位均为将杨氏方程代入粘湿、浸湿、铺展三过程的DG 计算式。G0过程方能进行，由此推出条件显然沾湿过程是任何液体与固体之间都可进行的过程。3.