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1、1界面现象在人们所涉及的各个领域都有着很大的应用。日常生活，如吸附、各种表面及处理、人工降雨、 朝霞、晚霞。日用化工，如洗涤、化妆品、涂料、各种面具、防雨 、防潮、防尘、润湿。石油化工、军事、航空航天、材料科学、生命科学、 生物、机械。第十章 界面现象自然现象，如光滑玻璃上的汞会自动呈球形，水在 毛细管中自动上升 。表面：物体与气体相接触的界面。界面：任意两相接 触的界面。界面厚度约为几个分子厚度大小。 比表面积s 物质的分散度可用s来表示。 s定义：物质的表面积与其质量之比。 s As/m 单位m2.kg-1。 硅胶、分子筛、活性炭等s可达300700 m2.kg-1。 10.1 界面张力
2、产生表面现象的原因：物质表面层分子与体相中的分 子所受的力场不相同的。1. 液体的表面张力、表面功及表面吉布斯函数物质内部的分子其周围均有同类分子包围着，平均地看，所受用 围分子的引力是球形对称的，各个 方向的力被此互相抵消，合力为零 ，所以物质内部的分子可以任意移 动，而不消耗功。4而处在表面上的分子则不同，一方面受到体相分子的作用，另一方面又受到性质不同的另一相中物质分子的作用，使得表面层分子受到不对称的作用力。 5如将内部分子移至表面，必须对所移动的分子施加外力、做功，表面层的分子受到指向物体内部并垂直于表面的作用力(合力)，使物体表面有自动缩小的趋势，表面能量较物体内部大。因而产生各种
3、界面现象。如液滴总是球形，肥皂泡用力吹才能变大的原因，因为相同体积的物体球形表面积最小，扩张表面就需对系统做功。6由于表面层的分子受到指向物体内部并垂直 于表面的作用力(合力)，使物体表面有自动缩小的 趋势。7表面张力 即表面张力：引起液体表面收缩的单位长度 上的力。单位Nm-1。 表面张力的方向：与液面相切，并与两部分的 分界线垂直。表面功将内部分子移至表面，必须对所移动的分子施加 外力、做功。表面能量较物体内部大。也表示为使系统增加单位面积所需作的可逆 功，单位为Jm-2。9也称为表面吉布斯函数，表示在恒温恒压下， 系统增加单位面积时所增加的吉布斯函数变。单 位为Jm-2。表面吉布斯函数
4、在恒温恒压下，可逆非体积功应等于系统 的吉布斯函数变。10表面张力、单位面积的表面功 和表面吉布斯函数的关系 (1) 表面张力从力的角度，单位面积的表面功和表面吉布斯函数是从能量角度理解。 (2) 表面张力具有方向性：沿着与表面相切的方向上任何单位长度线上的紧缩力。 (3) 三者在数值上相等，量纲完全一致。Jm-2 = Nm-1 2. 热力学公式l封闭系统恒温恒压，各相物质、不变下，由dGsdAs判断方 向l所以系统通过减少界面面积或界面张力来降低界面吉布斯函 数，使过程自发进行。如小液滴聚成大液滴，多孔固体表面吸 附气体，液体对固体润湿过程。ldGsd（As） = d As +As d 03
5、. 界面张力及其影响因素 （1）与物质的本性有关表面张力是分子间相互作用的总结果，因不同物质其分子间作用力不同，所以表面张力也不同。一般来说，分子间作用力大，其表面张力也大。与所接触的另一相物质有关。 s l g 极性物质 非极性物质 13(2) 温度对界面张力的影响 一般来说，对于同一种物质，温度升高 分子热运动增加分子间作用力减小 表 面张力减小。(3) 压力及其它因素对界面张力的影响 压力对界面张力的影响比较复杂。增加气 体的压力，一般使表面张力下降。 分散度对界面张力的影响只有到物质分散 到的曲率半径接近分子的大小时才比较明 显。 10.2 弯曲液面的附加压力及其后果1. 弯曲液面的附
6、加压力拉普拉斯方 程附加压力产生原因：存在表面张力。附加压力p：弯曲液面内 外压力差。16液面为凸面时液面为凹面时定义附加压力p总是正值，指向凹面曲率半径中心。附加压力的方向17r为弯曲液面的曲率半径， 为表面张力。对于曲率半径为r的小液滴或液体中的小气 泡，其附加压力经推导得拉普拉斯方程：在一定温度下的给定液体，弯曲液面的附加 压力与其曲率半径成反比、与表面张力成正比。拉普拉斯方程肥皂泡的附加压力对于象肥皂泡这样有内外两个表面的 曲率半径为r的小气泡，其附加压力经推导 得：19当液体上升或下降至平衡时，液柱产生的静 压力等于附加压力。弯曲液面的附加压力产生毛细管现象20由于液面曲率半径r1与
7、毛细 管半径r间关系为21A. 在一定的温度下，毛细管越细，液 体的密度越小，液体对管壁润湿得越好 ，液体在毛细管中上升得越高。B. 当液体不润湿管壁，90, cos p 。蒸气对通常液体已到达饱和 状态，在但对微小液滴却未达到饱 和状态，导致过饱和蒸气，所以蒸 气不可能凝结出微小的液滴。+天旱农民锄地保墒。 人工降雨：AgI等微小粒子作成核中心。微小液滴普通液体为什么棉质的衣服或纸张在潮湿的季节 会变得潮湿？ 水对棉质的衣服、纸张润湿，因而纤维间 形成凹形液气界面; 由公式：RTln（Pr/P）=-2M/r，所 以pr 1时， 通过 和和1/p作图法，可求 和b。当bp90o 完全润湿： 0
8、o 完全不润湿： 180o 在杨氏方程适用范围内，接触角越小，润湿性 能越好。接触角 可用来衡量润湿性能的优劣。例：已知苯-水 = 3510-3 Nm-1， 苯 = 28.910-3 Nm-1， 水 = 72.710-3 Nm-1。互溶达饱和后水 = 62.410-3 Nm-1 ， 苯 = 28.810-3 Nm-1，请判断在293K时苯在清洁的水 面上能否铺展？ 解：开始时 S = （苯-水+ 苯 水） 0.0088Nm-1 S 0 ，所以能铺展。 互溶后 S = （苯-水 +苯 水） 0.0014 Nm-1 S 90o，这时水在布上呈球状，不易进 入布的毛细孔中，经振动容易脱落。这是 雨衣
9、和防雨设备的原理。 农药喷洒在植物上。 设备的润滑、矿物的浮选、注水采油、金 属焊接、印染及洗涤等。3. 固体自溶液中的吸附 固体自溶液中的吸附在许多工业领域及科 研中有应用，如织物的染色、糖液的脱色 、离子交换、水的净化及胶体的稳定。 根据相似相溶的原理，极性的硅胶易从从 有机溶剂中吸附微量的水，非极性的活性 炭对染料、蔗糖水溶液进行脱色。 10.5 溶液表面 溶液表面的吸附：溶液表面浓度与本体浓 度不等的现象。 溶液的表面张力不仅是温度、压力的函数 ，还是溶液组成的函数。1. 溶液表面的吸附现象正吸附 若要使溶剂中加入溶质后 表面张力降低，即d0， 则溶质从表面 层自动地富集于溶液的本 体
10、中，降低表面浓度。 负吸附：溶质表面浓度小 于本体溶液中浓度的现象 。表面活性剂 表面活性剂：溶入少 量的物质就能显著降 低表面张力的物质。 表面活性物质：凡能 使溶液的表面张力降 低的物质。包括正吸 附的物质和表面活性 剂。2. 表面过剩浓度和吉布斯等温吸附式 溶液的表面吸附量(表面过剩)：单位面积 的表面层中，所含溶质的物质量与同量溶 剂在本体溶液中所含溶质物质的量的差值 。(1) 如果d/dc 0，正吸附。 (2) 如果d/dc 0， 0，负吸附。 (3) 如果d/dc = 0， = 0，无吸附。 吉布斯等温吸附式 吉布斯等温吸附式是描述在一定温度下溶 液浓度、表面张力和溶液的表面吸附量
11、之 间的定量关系式。3. 表面活性物质在吸附层的定向排列 在一般情况下，表面活性物质 在溶液中的吸附等温线(-c 线)与Langmuir吸附等温线 很相似。 因此，表面活性物质在溶液中 的吸附等温式可用 Langmuir吸附等温线描述 。吸附系数k 饱和吸附量m表面活性物质分子的横截面Am 表面活性物质在吸附层的定向排列，由饱 和吸附量m可计算每个被吸附剂的表面活 性物质分子的横截面As。L为阿伏加德罗常数(1) 表面活性物质分类表面活性剂：加少 量就能够显著降低表面 张力的物质。通常所指的表面活 性物质均是指表面活性 剂。4. 表面活性物质表 面 活 性 剂离子型表 面活性剂非离子型表 面活
12、性剂阴离子型表面活性剂 如RCOONa（肥皂）等阳离子型表面活性剂 如胺盐RNH4+Cl等两性表面活性剂 如氨基酸类 RNHCH2COOH等如聚乙二醇HORnOH等表面活性剂的分类1)结构上：有亲水基和憎水基两亲结构，使得表面活性 剂的分子能定向地排列于容易两相之间的界面层 。 2) 性质特点：A. 能显著降低表面张力正吸附B. 随着浓度增加，能形成各种聚集体。(2) 表面活性物质的基本性质临界胶束浓度（CMC）：开始形成胶束所需要的表面活性 剂的最低浓度。存在临界胶束浓度是表面活性物质的一个基本特性参 数。在临界胶束浓度时，界面上已达饱和，表面活性物质 在界面上定向单分子排列形成单分子膜。超
13、过临界胶束浓度时，表面活性物质在溶液中形成胶束。B. 随着浓度增加，能形成各种聚集体。C. 因胶束的性质 与原表面活性物 质分子不同，导 致在临界胶束浓 度前后，溶液的 性质发生改变。HLB (Hydrophile-Lipophile Balance, 亲水亲油平衡 )HLB = 亲水基部分的摩尔质量表面活性剂的摩尔质量石碏完全没有亲水基，所以其HLB = 0。聚乙二醇完全是亲水基，所以其HLB = 20。(5) HLB值A. 去污作用B. 助磨作用（4）表面活性物质的作用小 结 熟练掌握界面张力； 熟练掌握弯曲液面的附加压力及后果、毛 细现象； 熟练掌握固体表面的单分子层吸附作用； 熟练掌握液固界面现象（扬氏方程、润湿 现象、固体自溶液中的吸附）； 熟练掌握溶液表面现象。 重 点：附加压力、开尔文公式、朗谬尔吸 附等温式、溶液表面的吸附。
