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1、1 第十章 界面现象 （3）催化作用催化作用 催化反应大多发生在催化剂的界面上。催化反应大多发生在催化剂的界面上。 （2）吸附吸附 如用活性炭脱除有机物；用硅胶脱除水蒸汽等。如用活性炭脱除有机物；用硅胶脱除水蒸汽等。 （1）润湿作用润湿作用 界面现象是自然界普遍存在的现象。界面现象应用主要有：界面现象是自然界普遍存在的现象。界面现象应用主要有： 前前 言言 （4）表面膜表面膜 如微电子集成电路中有重要应用的表面膜等。如微电子集成电路中有重要应用的表面膜等。 2 研究界面的性质及其随物质本性而变化的规律研究界面的性质及其随物质本性而变化的规律，即，即 界面性质随两相中物质性质的变化而变化的规律。
2、界面性质随两相中物质性质的变化而变化的规律。 目前已有发展较系统的学科分支：目前已有发展较系统的学科分支：“表面化学表面化学”、 “表面物理表面物理” 等等。等等。 1. 界面科学：界面科学： 三种相态接触三种相态接触可产生可产生五种界面五种界面 固固液固液液气固气液界面即两相接触的面界面即两相接触的面 2. 界面及界面的种类界面及界面的种类 界面并不是两相接触的几何面，它有一定的厚界面并不是两相接触的几何面，它有一定的厚 度，故有时又将界面称为界面相度，故有时又将界面称为界面相 一般把与气体接触的界面称为表面一般把与气体接触的界面称为表面 （有一相为气相）（有一相为气相） 固体表面固体表面
3、液体表面液体表面 气液气液 气固气固 液液液液 液固液固 固固固固 物质与真空、本身的蒸气或含饱物质与真空、本身的蒸气或含饱 和蒸气的空气相接触的面和蒸气的空气相接触的面 表面表面 3 当物质被当物质被高度分散高度分散时，界面的作用将很明显。时，界面的作用将很明显。 例例10.1 把边长为把边长为1cm的立方体的立方体1cm3逐渐分割成小立方体时，表面逐渐分割成小立方体时，表面 积如何变化？积如何变化？ 边长边长/m 立方体数立方体数 表面积表面积/m2 110-2 1 6 10-4 110-3 110-5 110-7 110-9 103 109 1015 1021 6 10-3 6 10-1
4、 6 101 6 103 由此可见，对于一定量的物质而言，分散度越高，其表面积由此可见，对于一定量的物质而言，分散度越高，其表面积 越大，表面效应也就越明显。越大，表面效应也就越明显。 3. 物质的分散度用物质的分散度用比表面积比表面积as表示表示 /mAassm2kg1 4 10.1 界面张力界面张力 1. 液体的表面张力、表面功及表面吉布斯函数液体的表面张力、表面功及表面吉布斯函数 表面层分子与体相分子所处状态示意图表面层分子与体相分子所处状态示意图 由图可知，液体表面层分子所受合力不为零，而由图可知，液体表面层分子所受合力不为零，而 是受到一个指向液体内部的拉力是受到一个指向液体内部的拉
5、力F。 液体表面有自动收缩的趋势；液体表面有自动收缩的趋势； 导致导致 5 由力由力F引起的这种引起的这种 “表面收缩力”称为“表面收缩力”称为 “表面张力表面张力” 表面层分子与体相分子所处环境不同是产生表面张表面层分子与体相分子所处环境不同是产生表面张 力的根源！力的根源！ F 表面张力与表面相切垂直于边界线并指向表面内部表面张力与表面相切垂直于边界线并指向表面内部 表面张力表面张力 的的定义：定义： 表面单位长度边界线上指向表面内部表面单位长度边界线上指向表面内部（或表面上单位长或表面上单位长度任意曲线两边度任意曲线两边）的表面收缩力的表面收缩力，叫做表面张力叫做表面张力。 表面张力表面
6、张力 的的单位：单位：N / m 6 例例 AB 受到皂膜表面张力受到皂膜表面张力 f 的向左拉力：的向左拉力： F= 2L （肥皂膜有两个表面肥皂膜有两个表面） LF 2单位：单位：N / m 施加作用力施加作用力F对抗表面张力对抗表面张力 使金属丝左移使金属丝左移dl，则液面增加，则液面增加dAs 2Ldl，对系统做的非体积功，对系统做的非体积功表面功。表面功。 sAlLlFWdd2drsAW d r由于恒温恒压下，可逆非体积功等于系统的吉布斯函数变，即由于恒温恒压下，可逆非体积功等于系统的吉布斯函数变，即 spTAGWdd, r故 pTsAG, 表面吉布斯函数表面吉布斯函数 单位：单位：
7、J / m2 单位：单位：J / m2 7 施加作用力施加作用力F对抗表面张力对抗表面张力 使金属丝左移使金属丝左移dl，则液面增加，则液面增加dAs 2Ldl，对系统做的非体积功，对系统做的非体积功表面功。表面功。 sAW d r由于恒温恒压下，可逆非体积功等于系统的吉布斯函数变，即由于恒温恒压下，可逆非体积功等于系统的吉布斯函数变，即 spTAGWdd, r故 pTsAG, 表面吉布斯函数表面吉布斯函数 单位：单位：J / m2 单位：单位：J / m2 sAlLlFWdd2dr2. 热力学公式热力学公式 VpSTUdddpVSTHdddVpTSAdddpVTSGddd8 3. 包含界面能
8、的热力学公式包含界面能的热力学公式 )(d)(dddBBBnpVTSG)(d)(dddBBBnVpSTU)(d)(dddBBBnpVSTH)(d)(dddBBBnVpTSAs B BBdA)(d)(dddnpVTSGs B BBdA)(d)(dddnpVTSGs B BBdA)(d)(dddnpVTSGs B BBdA)(d)(dddnpVTSG式中 )()()()(,BBBBnVTsnpSsnVSsnpTsAA AH AU AG s B BBdA)(d)(dddnpVTSG)(d)(dddBBBnpVTSG , s B BBdA)(d)(dddnpVTSG)(d)(dddBBBnpVTSG
9、, s B BBdA)(d)(dddnpVTSG)(d)(dddBBBnpVTSG , s B BBdA)(d)(dddnpVTSG)(d)(dddBBBnpVTSG , 在恒温恒压、各相中物质的物质的量不变时在恒温恒压、各相中物质的物质的量不变时 sddAG界面吉布斯函数变界面吉布斯函数变 sdGsddAG对 积分 ssAG系统有多个界面系统有多个界面 iiiAGss)(d)(dddBBBnpVTSGs B BBd)(d)(dddAnpVTSG9 界面吉布斯函数判据界面吉布斯函数判据：在恒温恒压各相中物质的物：在恒温恒压各相中物质的物 质的量不变时条件下，系统总界面吉布斯函数减少质的量不变时
10、条件下，系统总界面吉布斯函数减少 的过程为自发过程。的过程为自发过程。 思考题思考题 小液滴聚集成大液滴； 多孔固体表面吸附气体； ssAG4. 界面张力及其影响因素界面张力及其影响因素 （1）界面张力与物质的本性有关）界面张力与物质的本性有关 极性物质极性物质有有较大较大的的界界面张力面张力； 非极性物质非极性物质的的界界面张力则较小面张力则较小； 熔融的盐以及熔融的金属熔融的盐以及熔融的金属，分子间分别以离子键和金属，分子间分别以离子键和金属 键相互作用，故它们的键相互作用，故它们的界界面张力也很高面张力也很高； 固体分子间的相互作用力远大于液体，所以固体分子间的相互作用力远大于液体，所以
11、固体物质固体物质一一 般要般要比液体物质比液体物质具有具有更高更高的的界界面张力。面张力。 不同的物质，不同的物质，分子之间的作用力分子之间的作用力不同，对界面上的不同，对界面上的 分子影响不同。分子影响不同。 10 表表10.1.1 某些液态物质的某些液态物质的界界面张力面张力 物物 质质 t/ /mN m-1 正己烷正己烷 20 18.4 正辛醇正辛醇 20 21.8 乙醇乙醇 20 22.3 乙醚乙醚 25 26.43 H2O 20 72.75 NaCl 803 113.8 LiCl 614 137.8 Na2SiO3（水玻璃）（水玻璃） 1000 250 FeO 1427 582 Al
12、2O3 2080 700 Ag 1100 878.5 Cu 1083 1300 Pt 1773.5 1800 表表10.1.2 一些固体物质的一些固体物质的界界面张力面张力 物物 质质 气气 氛氛 t/ /mN m-1 铜铜 Cu蒸气蒸气 1050 1670 银银 750 1140 锡锡 真空真空 215 685 冰冰 0 12010 氧化镁氧化镁 真空真空 25 1000 氧化铝氧化铝 1850 905 云母云母 真空真空 20 4500 石英石英(1010晶面晶面) 196 1030 11 表表10.1.3 20某些液液界面张力（两液体已相互达到饱和）某些液液界面张力（两液体已相互达到饱和
13、） 界界 面面 /mN m-1 界界 面面 /mN m-1 水正己烷水正己烷 51.1 水乙醚水乙醚 10.7 水正辛烷水正辛烷 50.8 水苯水苯 35.00 水氯仿水氯仿 32.8 水硝基苯水硝基苯 25.66 水四氯化碳水四氯化碳 45 水汞水汞 375 水正辛醇水正辛醇 8.5 苯汞苯汞 357 两种不互溶液体形成两种不互溶液体形成液液界面液液界面时，因界面层中分子所处的时，因界面层中分子所处的 力场力场取决于两种液体取决于两种液体，故，故不同的液液界面的界面张力不同不同的液液界面的界面张力不同。 （2）温度对界面张力的影响）温度对界面张力的影响 界面张力一般界面张力一般随温度的升高而
14、减小随温度的升高而减小。 液体的液体的界界面张力面张力受温度的影响较大，且受温度的影响较大，且界界面张面张 力力随温度的升高近似呈线性下降随温度的升高近似呈线性下降。 当温度趋于当温度趋于临界温度临界温度时，饱和液体与饱和蒸气时，饱和液体与饱和蒸气 的性质趋于一致，相界面消失，此时的性质趋于一致，相界面消失，此时液体的液体的界界 面张力趋于零面张力趋于零。 n cTT)/1 (012 23 表表10.1.4 不同温度下液体界面张力（单位：不同温度下液体界面张力（单位：mN m 1） 0 20 40 60 80 100 水水 75.64 72.75 69.58 66.18 62.61 58.85 乙醇乙醇 24.05 22.27 20.60 19.01 甲醇甲醇 24.5 22.6 20.9 15.7 四氯化碳四氯化碳 26.8 24.3 21.9 丙酮丙酮 26.2 23.7 21.2 18.6 16.2 甲苯甲苯 30.74 28.43 26.13 23.81 21.53 19.39 苯苯 31.6
