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1、上一内容下一内容回主目录第六章第六章 界面现象界面现象界界 面面 现现 象象雨后的荷叶雨后的荷叶(lotus flower after rain)上一内容下一内容回主目录课前指导课前指导 表面吉布斯自由能和表面张力；弯曲表面下的附加表面吉布斯自由能和表面张力；弯曲表面下的附加压力与蒸气压；开尔文公式；液体界面的性质；压力与蒸气压；开尔文公式；液体界面的性质；GibbsGibbs吸附公式；液吸附公式；液- -固界面现象；表面活性剂及其应固界面现象；表面活性剂及其应用；固体表面的吸附；吸附等温线的类型；用；固体表面的吸附；吸附等温线的类型；LangmuirLangmuir吸附等温式，吸附等温式，B
2、ETBET公式，物理吸附和化学吸附。公式，物理吸附和化学吸附。 1.1. 本章的主要内容本章的主要内容上一内容下一内容回主目录课前指导课前指导 理解表面张力及表面吉布斯函数的概念。理解表面张力及表面吉布斯函数的概念。 理解接触角、润湿、附加压力的概念及其与表面张力理解接触角、润湿、附加压力的概念及其与表面张力的关系。的关系。 理解拉普拉斯公式及开尔文公式的应用。理解拉普拉斯公式及开尔文公式的应用。 理解亚稳状态与新相生成的关系。理解亚稳状态与新相生成的关系。 理解物理吸附与化学吸附的含义和区别。理解物理吸附与化学吸附的含义和区别。 了解兰格缪尔单分子层吸附理论，理解兰格缪尔吸附了解兰格缪尔单分
3、子层吸附理论，理解兰格缪尔吸附等温式。等温式。 了解溶液界面的吸附及表面活性物质的作用与应用。了解溶液界面的吸附及表面活性物质的作用与应用。 理解吉布斯吸附公式的含义和应用。理解吉布斯吸附公式的含义和应用。 2.2. 本章的教学要求本章的教学要求上一内容下一内容回主目录课前指导课前指导重点：重点：表面张力和表面吉布斯函数，拉普拉斯方表面张力和表面吉布斯函数，拉普拉斯方程；开尔文公式；程；开尔文公式； GibbsGibbs吸附公式；固体表面的吸附公式；固体表面的吸附；吸附等温线的类型；吸附；吸附等温线的类型；LangmuirLangmuir吸附等温式；吸附等温式；吸附等温式。吸附等温式。难点：难
4、点：表面张力和附加压力；表面活性剂类型，表面张力和附加压力；表面活性剂类型，表面活性剂的重要作用；吸附等温线；吸附等压表面活性剂的重要作用；吸附等温线；吸附等压线；吸附等量线；线；吸附等量线；BETBET公式。公式。 3 3. . 本章的重点和难点本章的重点和难点上一内容下一内容回主目录前言前言考察一个多相体系考察一个多相体系：上一内容下一内容回主目录n 1.相界面对体系性质是否有影响相界面对体系性质是否有影响?n 2.如果有，为什么前面几章没有考虑界面的影响？如果有，为什么前面几章没有考虑界面的影响？例例1. r =1cm的水珠中水分子个数：的水珠中水分子个数：1.41023表面上（水表面上
5、（水-空气界面）水分子个数：空气界面）水分子个数：1.3 1016表面分子数表面分子数/总分子数总分子数=1千万分之一千万分之一上一内容下一内容回主目录例例. V=1cm3的物质分为边长不同的立方体微粒的物质分为边长不同的立方体微粒边长边长/cm微粒数微粒数总面积总面积/cm2 1 1 6 10-1 10 3 60 10 -2 10 6 600 10 -7 10 21 6000m2 从表上可以看出，当将边长为1cm的立方体分割成10-9m的小立方体时，表面积增长了一千万倍。上一内容下一内容回主目录1 cm3边长边长(arris)表面积表面积(surface area)表面原子表面原子% (su
6、rface atom)1 cm6 cm23 10-8 1 m6 104 cm2 301 nm6 107 cm299 107Fe991 nm上一内容下一内容回主目录超细微粒 可见达到nm级的超细微粒具有巨大的比表面积，因而具有许多独特的表面效应，成为新材料和多相催化方面的研究热点。上一内容下一内容回主目录溶解度溶解度 溶解度溶解度（ solubility ）增大增大上一内容下一内容回主目录碳纳米管 (carbon nanotube) 1表表面面效效应应1 Iijima S, Nature, 354, 56 (1991).表面积大，表面原子数多表面积大，表面原子数多上一内容下一内容回主目录固体催化
7、剂固体催化剂衡量固体催化剂的催化活性，其质量（或体积）表面的大小是重要指标之一，如活性炭的质量表面可高于106m2.kg-1，硅胶或活性氧化铝的质量表面也可达5105 m2.kg-1；纳米级超细颗粒的活性氧化锌由于其巨大的质量表面而可作为隐型飞机的表面涂层。上一内容下一内容回主目录结论：结论： 1.同一种物质同一种物质, 质量相同质量相同, 界面积不同界面积不同, 性性质不同。质不同。 2.分散度很大时分散度很大时, 界面对体系性质的影响界面对体系性质的影响不可忽略。不可忽略。界面：两相接触的约几个分子厚度的过渡区；界面：两相接触的约几个分子厚度的过渡区；表面：若其中一相为气体，则该界面称表面
8、。表面：若其中一相为气体，则该界面称表面。上一内容下一内容回主目录常见的界面常见的界面上一内容下一内容回主目录常见的界面常见的界面上一内容下一内容回主目录上一内容下一内容回主目录上一内容下一内容回主目录界面现象界面现象研究对象：界面效应显著的体系。研究对象：界面效应显著的体系。研究任务：介绍有代表性的界面现象研究任务：介绍有代表性的界面现象, 它们的实质及其热力学规律。它们的实质及其热力学规律。界面现象应用：材料材料界面现象应用：材料材料(纳米胶束、易清洗领纳米胶束、易清洗领 带、隐形飞机）、仿生学、食品药带、隐形飞机）、仿生学、食品药 物、表面活性剂等。物、表面活性剂等。研究方法：宏观热力学
9、。研究方法：宏观热力学。上一内容下一内容回主目录8.1 界面热化学界面热化学界面分子的特殊性界面分子的特殊性界面能与界面张力界面能与界面张力分散度与自由能的关系分散度与自由能的关系上一内容下一内容回主目录6.1.1 界面分子的特殊性界面分子的特殊性表面原子受力不均匀表面原子受力不均匀上一内容下一内容回主目录结论结论界面分子受力不均匀，合力垂直于液面而指向界面分子受力不均匀，合力垂直于液面而指向液体内部。液体内部。所有液体都有收缩其表面积的自发趋势。所有液体都有收缩其表面积的自发趋势。 对于单组分体系，这种特性主要来自于同一物质对于单组分体系，这种特性主要来自于同一物质在不同相中的在不同相中的密
10、度不同密度不同；对于多组分体系，则特性来；对于多组分体系，则特性来自于界面层的组成与任一相的组成均不相同。自于界面层的组成与任一相的组成均不相同。上一内容下一内容回主目录举例举例上一内容下一内容回主目录小麦叶上的露珠小麦叶上的露珠( dewdrop on wheat leaf )雨后的荷叶雨后的荷叶(lotus flower after rain)上一内容下一内容回主目录6.1.2 界面能与界面张力界面能与界面张力 由于表面层分子的受力情况与本体中不同，因此如果要把分子从内部移到界面，或可逆的增加表面积，就必须克服体系内部分子之间的作用力，对体系做功。 温度、压力和组成恒定时，可逆使界面积增加
11、dA所需要对体系作的功，称界（表）面功。界面能： 温度、压力和组成恒定时，界面分子比内部分子多出的一部分能量，又称为界（表）面Gibbs自由能。界面功上一内容下一内容回主目录6.1.2.1 热力学定义热力学定义 在一定在一定T、P下，对一定的液体来说，扩下，对一定的液体来说，扩展界面所作的界面功应与所增加的界面展界面所作的界面功应与所增加的界面面积成正比，即：面积成正比，即：微分式：微分式：写成等式：写成等式：若扩展界面为可逆过程，则：若扩展界面为可逆过程，则：因此：因此：上一内容下一内容回主目录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 上一内容下一内容回主目录狭义定义：广义定
12、义：广义定义：由上式可以得到由上式可以得到的定义的定义上一内容下一内容回主目录不定积分：若T、P及组成一定： -界面能的热力学定义界面能的热力学定义 由此可以讨论一系列界面现象由此可以讨论一系列界面现象上一内容下一内容回主目录6.1.2.2界面现象的一般热力学分析界面现象的一般热力学分析讨论讨论1：一定，一定， d=0，dA 0, dG 0, dG 0。说明：说明：体系增加界面积的过程为非自发过程。体系增加界面积的过程为非自发过程。结论：结论：分散度越大的体系，越是热力学不稳定体系。分散度越大的体系，越是热力学不稳定体系。上一内容下一内容回主目录举例举例Eg1 : 粉状煤自燃Eg2 : 烟道灰
13、爆炸Eg3 : 粉尘爆炸1982年年10月月18日，法，摩泽尔河畔的梅斯日，法，摩泽尔河畔的梅斯新港，新港，7座粮仓，座粮仓，4座发生爆炸，内装面粉。座发生爆炸，内装面粉。1987年年3月月15日，我国，哈尔滨轧麻厂，日，我国，哈尔滨轧麻厂，发生厂房爆炸，原因：粉尘超标。发生厂房爆炸，原因：粉尘超标。上一内容下一内容回主目录讨论讨论2：A A一定，一定， dA = 0，d 0, d G 0；说明：说明：体系体系减小的过程为自发过程。减小的过程为自发过程。dG = A d宏观表现：宏观表现：吸附现象吸附现象上一内容下一内容回主目录例：气相气相 （gas）固体（固体（solid） 固体吸附气体固体吸附气体(adsorption)表面原表面原子子(surface atom)被吸附原子被吸附原子(adsorbed atom)
