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1、界面现象 Interface Phenomenon10.1 界面现象研究的内容和方法10.1 界面现象研究的内容和方法1、界面现象研究的内容、界面现象研究的内容 (1) 界面层的定义界面层的定义在多相系统中，相与相之间存在着 相界面，称为界面界面（interface）。 气液和气固界面称为表面表面 (surface)。(2) 系统的分散度系统的分散度物质分散成细小微粒的程度称为分 散度分 散度(dispersity)。体积表面体积表面(volume surface) AV ：质量表面质量表面(massic surface) Am：VAAVsdef =mAAmsdef =AV的SI单位为m-1，
2、Am的SI单位为m-2kg-1表表 101 1cm3立方体分散为小立方 体时系统的总表面及体积表面的变化立方体分散为小立方 体时系统的总表面及体积表面的变化立方体边长 l m小立方体 数总表面积 As m2比表面 Av m-1 10-21610-46102 10-3103610-36103 10-4106610-26104 10-5109610-16105 10-6101266106 10-710156106107 10-8101861026108 10-91021610361092、界面现象研究的方法、界面现象研究的方法物理领域 化学领域 胶体科学 材料科学 生物科学 催化化学10.2 表面
3、张力与单位表面吉布斯函数表面张力与单位表面吉布斯函数1、表面功及表面张力、表面功及表面张力在温度、压力和组成恒定时，可 逆地使表面积增加dAs，环境对系统做 的功，称为表面功表面功（surface work）WrdAs表面张力表面张力（surface tention）或界面张力界面张力 （interfacial tension） 表面张力的SI单位为Jm-2表面张力的物理意义是：当T、p和组成恒定的条件下，增加单位表面积时必须对系统做的可逆非体积功。B,srnpTAdW =f2l表面张力是沿着表面的切线方向， 垂直地作用于单位长度的表面边缘，并 指向表面中心力图使表面积收缩的力。2、表面张力的
4、作用方向、表面张力的作用方向Nm-1Nmm-2 Jm-23、高度分散系统的热力学基本方程与单 位表面吉布斯函数、高度分散系统的热力学基本方程与单 位表面吉布斯函数(1) 高度分散系统的热力学基本方程高度分散系统的热力学基本方程 +=BBBSd ddddnAVpSTU+=BBBSd dddSdnApVTH +=BBBSd ddddnAVpTSA+=BBBSd ddddnApVTSG(2) 高度分散系统的单位表面吉布斯函数高度分散系统的单位表面吉布斯函数( )B,SnpTAG =单位表面吉布斯函数的物理意义是在定温、定压和定组成的情况下，系统吉布斯函数随表面积的变化率。S(B)ddAGnp,T,=
5、例 101例 10125时，把半径为1.0010-3m 的水滴分散成半径为1.0010-6m的小水滴 。（1）其体积表面增加了多少倍？ （2）单位表面吉布斯函数增加了多少？ （3）完成该变化时，环境至少要做多少功 ？已知该温度时，水的表面张力为0.07275 Nm-1。解：解：已知：r11.0010-3m r21.0010-6m 0.07275Nm-1(1)rrr VAAV334432 S= 000 11000. 11000. 163211 ,2,=mm rr AAVV体积表面增加了1 000倍。(2)SS=dAAdGG=() = =1 43334212 1 123 11 ,2,Srrrrrr
6、AAVAVV()22 63231026. 111000. 11000. 11000. 14mmmm = =G(0.072 75 Jm-2)(1.2610-2 m2) 9.1710-4J WrG9.13010-4J4、 影响表面张力的因素、 影响表面张力的因素(1) 表面张力与物质本性的关系表面张力与物质本性的关系（金属键）（离子键）（极性共价键）（非极性共价键）表表 102一些固态物质的表面 张力一些固态物质的表面 张力物 质t（-1）气 氛 铜1 0501.670Cu 蒸气 锡2150.685真空 苯5.50.0520.007 冰00.1200.010 氧化铝1 8500.905 云母204
7、.500真空表表 103 一些液态物质的表面张力一些液态物质的表面张力物 质t(Nm-1) Cl2300.025 56 (C2H5)2O250.026 43 H2O200.072 88 Na2SiO3(水玻璃)1 0000.250 FeO1 4270.582 Ag1 1000.878 5 Cu1 0831.300(2) 表面张力与接触相间的关系表面张力与接触相间的关系20时水和不同液体接触时的界面张力时水和不同液体接触时的界面张力WB W,g （-1） B,g （-1） W,B （-1） 水苯0.072 750.028 90.035 0 水四氯化碳0.072 750.026 80.045 0
8、水正己烷0.072 750.018 40.051 1 水汞0.072 750.470 00.375 0 水辛醇0.072 750.027 50.008 5(3) 表面张力与温度的关系表面张力与温度的关系液 体020406080 水0.075 640.072 750.069 560.066 180.062 61 乙醇0.024 050.022 270.020 600.019 01 甲醇0.024 50.022 60.020 9 四氯化碳0.026 80.024 30.021 9 丙酮0.026 20.023 70.021 20.018 60.016 2 甲苯0.030740.028430.026
9、130.023810.02153 苯0.03160.02890.02630.02130.0213不同温度下液体的表面张力不同温度下液体的表面张力 （-1）10.3 液体的界面现象液体的界面现象1、 弯曲液面的附加压力、 弯曲液面的附加压力 (1) 弯曲液面的附加压力弯曲液面的附加压力pplpg水平液面，pg=pl ，p0 凸液面，plpg， p 0 凹液面，pl0， p 0 液滴呈凹面，r 0，G（l/s)，0，铺展润湿 （gs）（ls），cos0， 90，不润湿 180，完全不润湿4、毛细现象、毛细现象毛细管现象毛细管现象 (capillary phenomenon)hrpg2=lglg2
10、Rh =gcos2Rh =10.4 新相生成与亚稳状态新相生成与亚稳状态过饱和蒸气、过热和过冷液体、过 饱和溶液所处的状态称为亚稳状态亚稳状态 (metastable state）。1、过饱和蒸气、过饱和蒸气在一定温度下，当蒸气分压已超过该温 度下的饱和蒸气压，而蒸气仍不凝结的现 象称为蒸气的过饱和现象蒸气的过饱和现象（supersatuared phenomena of vapor），此时的蒸气称为过 饱和蒸气过 饱和蒸气（supersatuared vapor）。TrRMpp2lnr= prp2、过饱和溶液、过饱和溶液在一定温度、压力下，当溶液中溶质的 浓度已超过该温度、压力下溶质的溶解
11、度，而溶质仍不析出的现象称为溶液的 过饱和现象溶液的 过饱和现象（supersatuared phenomena of solution），此时的溶液称为过饱和溶 液过饱和溶 液（supersatuared solution）。 RTrM crc 2)(lnBB=cB(r)cB3、过热液体、过热液体在一定压力下，当液体的温度已高于该压 力下的沸点，而液体仍不沸腾的现象称为 液体的过热现象液体的过热现象（superheated phenomena of liquid），此时的液体称为过热液体过热液体（ superheated liquid）。TrRMpp2lnr=r0，ppr4、过冷液体、过冷液
12、体在一定压力下，当液体的温度已低于 该压力下的凝固点，而液体仍不凝固的现 象称为液体的过冷现象液体的过冷现象（supercooled phenomena of liquid），此时的液体称为过 冷液体过 冷液体（superrcooled liquid）。TrRMpp2lnr=prp在日常生活、生产和科学实验中常遇 到过饱和、过热、过冷等现象 人工降雨 防止爆沸现象 结晶 金属热处理(heat treatment): 淬火(quenching)、退火(annealing)10.5 溶液界面上的吸附溶液界面上的吸附1、溶液表面的吸附作用、溶液表面的吸附作用无机盐类，不挥发性 酸、碱以及含有多个 O
13、H基的有机化合物 低脂肪酸、醇、醛等 有机物质 RX溶液表面的吸附作用正吸附作用正吸附作用 负吸附作用负吸附作用（溶剂）（溶质） （溶剂）（溶质）2、吉布斯模型与吉布斯方程、吉布斯模型与吉布斯方程 (1) 吉布斯模型吉布斯模型表面过剩物质的量表面过剩物质的量(surface excess amount of substance) B)(defBBBBVCVCnn+SB BdefAnB的SI单位:molm2(2) 吉布斯方程吉布斯方程TRT =BB B对于理想稀薄溶液TcRTc =BB BddcB0，B0，正吸附作用 ddcB0，B0，负吸附作用 ddcB0，B0，无吸附作用3、表面活性剂、表面
14、活性剂(1) 表面活性剂的定义及其结构特征表面活性剂的定义及其结构特征某些物质当它们以低浓度存在于某 一系统中时，可被吸附在该系统的表 面(界面)上，使这些表面的表面自由能 发生明显降低的现象，这些物质被称 为表面活性剂表面活性剂(surface-active agent)。两亲分子两亲分子(amphiphilic molecule)胶束胶束(micelle)临界胶束浓度临界胶束浓度C.M.C(CriticaI Micelle Concentration)表面活性剂C.M.C/moldm-3C11H23COOK0.0234C11H23COONa0.024C16H33SO3Na0.00105C1
15、6H33SO4Na0.0004C12H35NHCl0.013 C12H35(CH3) 3NCl0.062C12H25O(C2H4O)6H0.000087(2) 表面活性剂的分类表面活性剂的分类分类名称举例 硬脂酸钠CH3(CH2)16COONa 油酸钠CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COONa阴离子型十二烷基硫酸钠+NaSO)(CHCH41123 十二烷基苯磺酸钠+NaSOHC)(CHCH4461123 阳离子型月桂胺基盐酸盐+BrNH)(CHCH31123 溴代十六烷基三甲胺CH3(CH2)15N(CH3)3Br两性型十二烷基二甲基甜菜碱CH3(CH2)15N(CH3)3 CH 2COO聚氧乙烯类C12H25O(CH2CH2O)nH 非离子型失水山梨醇脂（斯盘，乳化剂 S） RCOOC6H11O4
