《第十章界面象InterfacePhenomena》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第十章界面象InterfacePhenomena（19页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、Interface Phenomena界面（相界面/界面相）：密切接触的两相之间的过渡区（约几个分子的厚度）界面的类型：气液、气固、液液、液固、固固表面 surface界面现象的原因：“表里不一”_ 表面积A分散度:比表面 _质量m或体积V多孔硅胶300700，活性炭10002000 m2 .g-110.1 表面吉布斯自由能和表面张力一、表面功、表面吉布斯自由能、表面张力液体都有自动缩小其表面积的趋势Y dA =閃=dG TPsrT,P表面功_（ d G ）Y _ .E丿s T ,P ,nBY 称为比表面吉布斯自由能，单位： J .m-2 ，物理意义 定温定压定组成条件下，系统增加单位表面积时
2、所增加的吉 布斯自由能，也即单位面积表面层的分子比相同数量的内部 分子所多出来的那部分能量。如：20C的纯水，y = 0.072751g （10 -6 m3）球形水滴半径1 nm 的小水滴半径0.62 cm1 nm个数12.39 x 1020表面积 4.83 x 10 - 4 m23.01 x 103 m2AG = yAA = 219 J（相当于使这1g水升温52.4 K）s系统比表面越大，能量越高，越不稳定。粉尘爆炸极限：淀粉/硫磺 7mg/L 空气，面粉/糖粉 10，煤粉 17。= Y dAs = Y .21 dx= F dxrF 力y2l 总长意义：垂直作用于单位长度相界面上的表面紧缩张
3、力。任意形状自由移动张开成圆（面积最大）单位面积的表面功、比表面吉布斯自由能、表面张力：数值、量纲相同，物理意义、单位不同。Y称为表面张力surface tension,单位：N .m-1，物理二、热力学基本方程（考虑表面功）dU = T dS p dV + E B dnB + y dAs dH = T dS + V dp + E B dnB + y dAs dA = - S dT - p dV + E B dnB + y dAs dG = - S dT + V dp + E B dnB + y dAsOU I %& dA )I oA )I OA )I OAs S,V,nBs S,p,nBs
4、T,V ,nBs T,p,nB三、表面张力的影响因素 相互接触的两相物质的性质、温度、压力等。四、表面张力的测定方法 最大气泡压力法、毛细管升高法、滴重（体积）法、拉环法等10.2 弯曲液面的附加压力和蒸气压一、弯曲液面下的附加压力拉普拉斯 Laplace 方程凸液面液体承受的压力凹液面液体承受的压力PA P dV =5 W 二丫 dArs._ 丫dA丫8兀rdr2yA P = s =dV4兀 r2 drr.D ( 1 1 )(对一般曲面，AP =丫 - + 。)I ri r2 丿(1) 水平液面，r = s,AP = 0凸液面，r 0,AP 0(3) 凹液面, r 0,AP 0 ，Pr P0
5、r0喷雾干燥工艺(3)凹液面，r 0 ,Pr P0r0毛细管凝结现象微小固体具有较大的蒸气压、较大的溶解度、较低的熔点。小液滴（晶体/气泡）变小大液滴（晶体/气泡）变大三、亚稳状态及新相的生成（过饱和现象）10.3 固体表面吸附adsorption：在相界面上某种物质的浓度不同于体相 浓度的现象。吸附剂adsorbent、吸附质adsorbate一、物理吸附和化学吸附吸附力吸附层数吸附热选择性可逆性吸附平衡物理吸附范德华力单、多层小（液化热）无或很差可逆容易达到化学吸附化学键力单层大（反应热）较强不可逆不易达到二、吸附等温线（定温下，吸附量与气体平衡压力之间的关系曲线）吸附量q所吸附气体的体积
6、或物质的量、质量吸附剂的质量厂吸附等温线q = f ( T, p W吸附等压线l吸附等量线吸附等温线的五种类型：单层吸附最为普遍 第一层吸附热 第一层吸附热 b + 毛细凝结 c + 毛细凝结大于凝结热 小于凝结热三、弗伦德利希 Freundlich 吸附等温式 q = k p n（ 中压， 0 n 1）四、朗缪尔 Langmuir 吸附等温式（单分子层吸附理论，1916）基本假设：a、固体表面对气体分子只能发生单分子层吸附b、固体表面各处的吸附能力均等C、被吸附分子之间不存在相互作用d、吸附平衡是动态平衡吸附过程可表示为： A （g） + M （表面）设某一时刻固体表面的覆盖率为kdAM0：
7、9da 平衡吸附量 q 饱和吸附量 mr吸附r解吸=ka=k dd(1 - ) pb = kak吸附平衡常数或吸附系数d又，bpq = q 9 = q 下 mm 1 + bp111_ + _qqqbpmm若已知饱和吸附量 qm ，即可求得单个吸附质分子的横截面积 am 或吸附剂的比表面积 asa = qm La阿伏加德罗常数m-lmol吸附质的量（体积/摩尔数/质量）（P170）例：239.55 K时测得不同平衡压力下CO气体在活性炭 表面上的吸附量 V （即单位质量活性炭所吸附的 CO 气体的 体积已换算成标准状况下的值） 如下：P/ kPa13.46625.06542.66357.3297
8、1.99489.326V/ dm3.kg -8.5413.118.221.023.826.3试根据朗缪尔吸附等温式，用图解法求 CO 的饱和吸附量Vm，吸附系数b,以及饱和吸附时1 kg活性炭表面上所吸附 的CO的分子数。*五、Brunauer-Emmett-Teller公式（多分子层吸附理论，1938）V _C(P/P*)厂_ (1 - p / p *) T1+(C -1) p / p * m1 C - 1 p+ V (P * - P)VCVC P,丿 mm 吸附温度下吸附质的饱和蒸气压平衡压力P下的吸附量单分子层的饱和吸附量与吸附热有关的常数适用于相对压力 P/P* 在 0.05 0.35
9、 的范围，用于测量固体如催化剂的比表面积。六、吸附热力学自发AG 0混乱度减小AS 0故AH =AG + TAS 0放热（某吸附量下的微分吸附热，实际应是等量吸附热）：吸附热可用量热计测定（积分吸附热），或由吸附等量线计算A H _ -A Hdes m = ads mRT2 RT2（a ln P 克劳修斯一克拉佩龙方程：等量吸附热一般随吸附量的增加而下降，表明固体表面的能量是不均匀 的，吸附总是首先发生在能量较高、活性较大的位置上。10.4 液固界面 （润湿和吸附）一、接触角 contact angle 与润湿作用 wettingYs-g固接触角0：气、液、固三相交界处（O点）气一液界面和 固
10、液界面之间的夹角。 接触角越小，表明液体对固体的 润湿程度越高。 通常以 0 = 90o （半球状） 为分界线：0 90o 为不润湿，0 = 180o （球状） 为完全不润湿。 润湿对人类生活和生产（洗涤/印染/焊接/机械润滑/注水采油等）起着十分重要的作用。接触角0是三种界面张力同时作用于O点的液体所达成的平衡状态，故Y = y +丫 cos 0s - g1 -s1 - gy -y、 cos 0 = s - g1 -s或y杨氏Young T方程(1805)1-g(1)若丫 丫，则cosO 0，0 90o，液体能够润湿固体s-g l-s 若丫 丫】，则cosO 90o，液体不能润湿固体s-g
11、l-s 若Ys-g -Yi-s上Yi-g，O不存在或等于0o，完全润湿 若 Ys-g _Yl-s = _Yl-g，O = 180o，完全不润湿二、沾湿 adhesion、浸湿 immersion、铺展 spreading(a)gAGa = Yl-s - Yl-g Ys-g= - Yl-g (cosO + 1)O 180o 即可自发 任何液固间均可发生AGi = Yl-s - Ys-g= - Yl-g cosO O 90o 时自发。(c) g lsAG = Y + Y - Y s l-s l-g s-g= - Yl-g (cosO - 1)O = 0o 或不存在。液体对固体的润湿过程三、固体自溶液中的吸附V （c - c） 吸附量q二 0mmol . kg -1W ( w - w)或q = mkg -kg-ibc朗缪尔吸附等温式： q=叮话（稀溶液）弗伦德利希吸附等温式：q二kCn极性吸附剂（硅胶）易于从非极性溶剂中吸附极性溶质（水）非极性吸附剂（活性炭）易于从极性溶剂中吸附非极性溶质（染料色素）10.5 溶液表面一、溶液表面的吸附现象表面张力Y无机盐，不挥发性酸、碱，多羟基有机物（蔗糖、甘油）大部分低脂肪酸、醇、醛、酯等有机物 高级脂肪酸盐、烷基苯磺酸盐、烷基硫酸酯盐 ROSO3Na表面活性剂surfactants,正
