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1、界面现象和胶体分散体系 弯曲液体的表面现象2015/3/9 物理化学 II 1物理化学弯曲液体表面现象 及 润湿和铺展界面现象和胶体分散体系 弯曲液体的表面现象2015/3/9 物理化学 II 2弯曲表面下的附加压力1.在平面上2.在凸面上3.在凹面上 Young-Laplace公式 Kelvin公式 2 弯曲液体的表面现象界面现象和胶体分散体系 弯曲液体的表面现象2015/3/9 物理化学 II 31. 在平面上剖面图液面正面图研究以 AB为直径的一个环作为边界 ， 由于环上每点的两边都存在表面张力 ， 大小相等 ， 方向相反 ，所以无附加压力 。设向下的大气压力为 Po， 向上的反作用力也
2、为 Po ， 附加压力 Ps等于零 。Ps = Po -Po = 0弯曲表面下的附加压力界面现象和胶体分散体系 弯曲液体的表面现象2015/3/9 物理化学 II 4（ 2）在凸面上：剖面图附加压力示意图研究以 AB 为弦长的一个球面上的环作为边界。由于环上每点两边的表面张力都与液面相切，大小相等，但 不在同一平面上 ，所以会产生一个 向下的合力 。所有点产生的总压力为 Ps ，称为附加压力 。凸面上受的总压力为：Po+ PsPo 为大气压力， Ps 为附加压力。弯曲表面下的附加压力界面现象和胶体分散体系 弯曲液体的表面现象2015/3/9 物理化学 II 5（ 3）在凹面上：剖面图附加压力示
3、意图研究以 AB为弦长的一个球形凹面上的环作边界 。 由于环上每点两边的表面张力都与凹形液面相切 ， 大小相等 ， 但不在同一平面上 ， 所以会 产生一个向上合力 。所有的点产生的总压力为 Ps ， 称为附加压力 。 凹面上向下的总压力为： Po-Ps ， 所以凹面上所受的压力比平面上小 。弯曲表面下的附加压力界面现象和胶体分散体系 弯曲液体的表面现象2015/3/9 物理化学 II 61805 年 Young-Laplace导出了附加压力与曲率半径之间的关系式：特殊式（对球面）：s2RP据数学上规定 ， 凸面的曲率半径取正值 ， 凹面的曲率半径取负值 。 故凸面的附加压力指向液体 ， 凹面的
4、附加压力指向气体 ， 即附加压力总是指向球面的球心 。一般式：)11( 21s RRP 杨 -拉普拉斯公式界面现象和胶体分散体系 弯曲液体的表面现象2015/3/9 物理化学 II 71. 曲率半径 R与毛细管半径 R的关系：R=R/cosq2. ps=2/R=(rl-rg)gh如曲面为球面，则 R=R。因 rlrg 所以： ps=2/R=rlgh一般式： 2cosq/R=Drgh附加压力与毛细管中液面高度的关系界面现象和胶体分散体系 弯曲液体的表面现象2015/3/9 物理化学 II 81）液体 在地层和纺织品中的流动原油和水在地层中的流动属液体在不均匀孔径的毛细管中的流动，当忽略重力作用时
5、，由于不同管径的曲率半径不同，造成两部分液面的附加压力不同（毛细压差）。因此，液体将往附加压力大的方向流动。若要改变其流动方向，必须施加一克服此压力差的力，若采用表面化学方法改变体系表面张力和液面曲率，可以改变体系毛细压差以利于实现所要求的流动。这是三次采油的关键问题之一。几种毛细现象界面现象和胶体分散体系 弯曲液体的表面现象2015/3/9 物理化学 II 92）关于 泡沫和乳状液的稳定性泡沫和乳状液是由两种不相混溶的流体相形成的的分散体系。泡沫是大量气体分散在少量液体中构成的，而乳状液是一种液体以微小液滴状态分散在另一液相中。泡沫的片膜与片膜之间构成具有不同曲率的连续液体，由于附加压力不同
6、，液体从曲率小、压力大的片膜流向曲率大、压力小的片膜边界，最后导致泡沫排液、泡膜变薄而破裂。这是影响泡膜稳定的重要原因。几种毛细现象界面现象和胶体分散体系 弯曲液体的表面现象2015/3/9 物理化学 II 10对小液滴与蒸汽的平衡，应有相同形式，设气体为理想气体。mmlglg( l ) ( g )ddT TGG pppp m l m g( l ) d ( g ) dV p V plgl ,0 g ,0m l g( l ) d d l nppV p RT pgd l nR T pmm( l ) ( g) GG液体 (T, pl) 饱和蒸汽 (T, pg)弯曲表面上的蒸汽压 开尔文公式界面现象和
7、胶体分散体系 弯曲液体的表面现象2015/3/9 物理化学 II 112Rg0m l lg,0( l) ( ) l npV p p R Tp这就是 Kelvin公式， 式中 r 为密度， M 为 摩尔质量0l l sp p p02)(2)l n (RMRlVppRT mgr弯曲表面上的蒸汽压 开尔文公式界面现象和胶体分散体系 弯曲液体的表面现象2015/3/9 物理化学 II 12Kelvin公式也可表示为两种不同曲率半径的液滴或蒸汽泡的蒸汽压之比，或两种不同大小颗粒的饱和溶液浓度之比。21 2 12 1 1ln p MRTp R Rrs21 2 12 11ln l McRTc R Rr 对
8、凸面 ， R 取 正值 ， R 越小，液滴的蒸汽压越高，或小颗粒的溶解度越大。对 凹面 ， R 取 负值 ， R 越小，小蒸汽泡中的蒸汽压越低。弯曲表面上的蒸汽压 开尔文公式界面现象和胶体分散体系 弯曲液体的表面现象2015/3/9 物理化学 II 131）过饱和蒸汽恒温下，将未饱和的蒸汽加压，若压力超过该温度下液体的饱和蒸汽压仍无液滴出现，则称该蒸汽为过饱和蒸汽。原因：液滴小，饱和蒸汽压大，新相难成而导致过冷。解决办法：引入凝结核心如人工降雨用的 AgI 或干冰。开尔文公式的应用界面现象和胶体分散体系 弯曲液体的表面现象2015/3/9 物理化学 II 142）过热液体沸腾是液体从内部形成气
9、泡、在液体表面上剧烈汽化的现象。但如果在液体中没有提供气泡的物质存在时，液体在沸点时将无法沸腾。我们将这种按相平衡条件，应当沸腾而不沸腾的液体，称为过热液体。液体过热现象的产生是由于液体在沸点时无法形成气泡所造成的。根据开尔文公式，小气泡形成时期气泡内饱和蒸气压远小于外压，但由于凹液面附加压力的存在，小气泡要稳定存在需克服的压力又必须大于外压。开尔文公式的应用界面现象和胶体分散体系 弯曲液体的表面现象2015/3/9 物理化学 II 15液体 的铺展表面活性物质非表面活性物质 3 润湿和铺展粘附功、接触角界面现象和胶体分散体系 弯曲液体的表面现象2015/3/9 物理化学 II 16一种液体能
10、否在另一种不互溶 的液体上铺展，取决于两种液体本身的表面张力和两种液体之间的界面张力。一般而言，铺展后， 表面自由能下降 ，则这种铺展 是自发的 。大多数表面自由能较低的有机物可以在表面自由能较高的水面上铺展。液体的铺展界面现象和胶体分散体系 弯曲液体的表面现象2015/3/9 物理化学 II 17设 液体 1 和 2 的表面 和界面张力分别为 1,g, 2,g和 1,2 1 2 1,g 1,2 2,g在三相接界点处， 1,g 和 1,2 的作用力企图维持液体 1 不铺展；而 2,g 的作用是使液体铺展，如 2,g ( 1,g+ 1,2)，则液体 1 能在液体 2 上铺展。液体的铺展界面现象和
11、胶体分散体系 弯曲液体的表面现象2015/3/9 物理化学 II 18能使水的表面张力明显降低的溶质称为表面活性物质。这种物质通常含有 亲水的极性基团 和 憎水的非极性碳链或碳环 有机化合物 。 亲水基团进入水中 ， 憎水基团企图离开水而指向空气 ， 在界面定向排列 。表面活性物质 的 表面浓度大于本体浓度 ， 增加单位面积所需的功较纯水小 。 非极性成分愈大 ， 表面活性也愈大 。表面活性物质界面现象和胶体分散体系 弯曲液体的表面现象2015/3/9 物理化学 II 19能使水的 表面张力明显升高 的溶质称为非表面活性物质。如无机盐和不挥发的酸、碱等。这些物质的离子有水合作用，趋向于把水分子
12、拖入水中，非表面活性物质在 表面的浓度低于在本体的浓度如要增加单位表面积，所作的功中还必须包括克服静电引力所消耗的功，所以表面张力升高。非表面活性物质界面现象和胶体分散体系 弯曲液体的表面现象2015/3/9 物理化学 II 20在等温等压条件下， 单位面积的液面与固体表面粘附时对外所作的最大功称为粘附功， 是液体能否润湿固体的一种量度。粘附功越大，液体越能润湿固体，液 -固结合得越牢。在粘附过程中 ， 消失了单位液体表面和固体表面 ，产生了单位液 -固界面 。 粘附功就等于这个过程表面吉布斯自由能变化值的负值 。a l s g l g - s()WG D 粘附功 (work of adhes
13、ion)界面现象和胶体分散体系 弯曲液体的表面现象2015/3/9 物理化学 II 21粘附功 (work of adhesion)界面现象和胶体分散体系 弯曲液体的表面现象2015/3/9 物理化学 II 22等温 、 等压条件下 ， 将具有单位表面积的固体可逆地浸入液体中所作的最大功称为浸湿功 ， 它是液体在固体表面取代气体能力的一种量度 。只有浸湿功大于或等于零 ， 液体才能浸湿固体 。 在浸湿过程中 ， 消失了单位面积的气 、 固表面 ， 产生了单位面积的液 、 固界面 ， 所以浸湿功等于该变化过程表面自由能变化值的负值 。i l s g - si()0WGW D 能 浸 湿 。浸湿功
14、 (work of immersion)界面现象和胶体分散体系 弯曲液体的表面现象2015/3/9 物理化学 II 23浸湿功 (work of immersion)界面现象和胶体分散体系 弯曲液体的表面现象2015/3/9 物理化学 II 24等温、等压条件下，两个单位液面可逆聚合为液柱所作的最大功称为内聚功，是液体本身结合牢固程度的一种量度。内聚时两个单位液面消失，所以，内聚功在数值上等于该变化过程表面自由能变化值的负值。c g - l( 0 2 )WG D 内聚功 (work of cohesion)界面现象和胶体分散体系 弯曲液体的表面现象2015/3/9 物理化学 II 25内聚功
15、(work of cohesion)界面现象和胶体分散体系 弯曲液体的表面现象2015/3/9 物理化学 II 26在气、液、固三相交界点，气 -液与气 -固界面张力之间的夹角称为接触角，通常用 q 表示。若接触角大于 90 ，说明液体不能润湿固体，如汞在玻璃表面；若接触角小于 90 ，液体能润湿固体，如水在洁净的玻璃表面。接触角的大小可用实验测量，也可用公式计算：接触角 (contact angle)s - g l - sl - gc o sq界面现象和胶体分散体系 弯曲液体的表面现象2015/3/9 物理化学 II 27接触角的示意图：接触角 (contact angle)界面现象和胶体分散体系 弯曲液体的表面现象2015/3/9 物理化学 II 2814-4 表面活性剂及其应用14-5 胶体分散体系自学界面现象和胶体分散体系 弯曲液体的表面现象2015/3/9 物理化学 II 29作业：16 - 7, 9, 13, 14
