物理化学表面现象讲义.ppt
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1、表面现象表面现象2023-3-28表面积和表面吉布斯能表面积表面吉布斯能和表面张力表面的热力学关系式影响表面吉布斯能的因素表面现象2023-3-28表面和界面界面界面:即相界面,是指两相之间几个分子厚度的过渡区。常见的界面有:气-液界面,气-固界面,液-液界面,液-固界面,固-固界面。表面表面:若两相中有一相为气体,这种相界面习惯称为表面。包括气-液界面,气-固界面。2023-3-28空气空气气气-液界面液界面汽油汽油NaCl溶液溶液盐块盐块液液-液界面液界面固固-液界面液界面表面和界面2023-3-28表面积分散度分散度:把物质分散成细小微粒的程度只有当分散程度较高时,物质表面性质的重要性才
2、明显通常用比表面来反映物质的分散程度比表面有两种常用的表示方法:1. 单位质量的固体所具有的表面积,即:2. 单位体积的固体所具有的表面积,即:VAaV mAam 2023-3-28将半径为0.01m的水珠分散成多滴半径为110-5m的水珠球形颗粒的表面积和体积24 rA 334rV rVAaV3 水滴数增加109倍31323434rrn 表面积增加1000倍2392122122101044)()( rrnrrn球形颗粒的体积比表面表面积2023-3-28表面积比比表表面面效效应应粒子变小粒子变小溶解度大大提高溶解度大大提高表面分子数增加表面分子数增加表面反应速率明显加快表面反应速率明显加快表
3、面积增大表面积增大表面吸附能力增强表面吸附能力增强应应用用举举例例粒径从粒径从1010 m m降至降至 2.62.6 m m灰黄霉素用量可减少一半灰黄霉素用量可减少一半普通普通AuAu变纳米金变纳米金有良好的催化能力有良好的催化能力2023-3-28表面层分子与内部分子相比:表面吉布斯能和表面张力界面层的分子,一方面受到体相内相同物质分子的作用,另一方面受到性质不同的另一相中物质分子的作用,其作用力未必能相互抵销体相内部分子所受四周邻近相同分子的作用力是对称的,各个方向的力彼此抵销;所以表面分子受到被拉入体相的作用力。所以表面分子受到被拉入体相的作用力。2023-3-28 为T,P及n恒定的条
4、件下,可逆增加单位表面积时环境对体系做的表面功。如果要把分子从内部移到界面,就必须克服体系内部分子之间的作用力,即环境对体系做功。表面功表面功:T,p,n恒定时,可逆使表面积增加dA所需要对体系作的功。即 - W= dA表面吉布斯能和表面张力当表面积变化较大时,当表面积变化较大时,- W= A环境做功后,表面积增加,即功转变为表面能2023-3-28表面吉布斯能和表面张力dGT,p,n= - W- W= dAnpTAG, dGT,p,n= dA:T,p,n恒定条件下,可逆增加单位表面积时吉布斯能的增量,定义为表面能。表面能。(J m-2) GT,p,n= A当表面积变化较大时2023-3-28
5、在两相(特别是气-液)界面上,处处存在着一种张力,垂直与表面的边界,指向表面的中心并与表面相切,或者作用于表面上任一条线的两侧,垂直于该线,沿着液面拉向两侧。表面张力表面张力( ( ) ):F lF= l= 2llF2 表面吉布斯能和表面张力2023-3-28如果在金属线框中间系一线圈,浸入肥皂液后,上面形成一液膜。由于以线圈为边界的两边表面张力大小相等方向相反,所以线圈成任意形状可在液膜上移动。如果刺破线圈中央的液膜,线圈内侧张力消失,外侧表面张力立即将线圈绷成一个圆形,清楚的显示出表面张力的存在。表面吉布斯能和表面张力2023-3-28Fdx- W= Fdx= 2ldx- W= dGT,p
6、,n dA= dGT,p,n =Fdx = 2ldx= dA比表面吉布斯能()和表面张力()是两个物理意义不同但完全等价的物理量量纲:Jm-2 = Nmm-2 = Nm-1F= 2l表面吉布斯能和表面张力要增加表面,必须克服表面张力2023-3-28影响表面张力的因素影响表面张力的因素分子间作用力的影响分子间作用力的影响:分子间相互作用力越大,表面张力越大。温度的影响温度的影响:温度升高,表面张力下降。压力的影响压力的影响:表面张力随压力的增加而略微下降表面吉布斯能和表面张力2023-3-28弯曲液面的性质曲面的附加压力曲面的蒸气压亚稳状态和新相生成表面现象2023-3-28平面平面P外P内表
7、面张力的方向与表面相切,与边界线垂直作用在圆周上的表面张力互相抵消,合理为零P内 =p外注意:本分析中将各种力当作标量。注意:本分析中将各种力当作标量。曲面的附加压力2023-3-28P外表面张力的方向与表面相切,与边界线垂直表面张力不在一个平面上,产生个指向液体内部的合力 pP内 =p外P内P内=p外+p凸液面下的液体承受的压力比平面液体大。凸面凸面曲面的附加压力2023-3-28P外表面张力的方向与表面相切,与边界线垂直表面张力不在一个平面上,产生个指向液体外部的合力 pP内 =p外P内P内=p外p凹液面下的液体承受的压力比平面液体小。凹面凹面曲面的附加压力2023-3-28杨杨 拉普拉斯
8、公式拉普拉斯公式1805年Young-Laplace导出了p与r之间的关系式根据体积功定义: - W= p dV根据表面张力定义:- W= dAdrdArA842drrdVrV23434rp 2 可逆使实心液滴半径增大dr。drdrrp8422023-3-28 2111rrp 对于平面:r1=r2=对于球面:r1=r2=r对于柱面:r1=r, r2=0prp2rp若考虑r为矢量,则规定:凸液面:凸液面: r 0, p 为正值。为正值。凹液面:凹液面: r 0,r越小液滴的蒸气压越高,凹面凹面,如水中气泡,r0,r越小气泡内的蒸气压越低。grmppRTplVln)(MlVm)(rp 2 rgll
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