第十章界面现象物理化学

第十章界面现象10.1表面吉布斯自由能和表面张力表面和界面界面现象的本质比表面分散度与比表面表面功表面自由能表面张力界面张力与温度的关系影响表面张力的因素表面和界面(surfaceandinterface)界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区，若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。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。严格讲表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间的界面，但习惯上把液体或固体与空气的界面称为液体或固体的表面。表面和界面(surfaceandinterface)常见的界面有：1.气-液界面表面和界面(surfaceandinterface)2.气-固界面表面和界面(surfaceandinterface)3.液-液界面表面和界面(surfaceandinterface)4.液-固界面表面和界面(surfaceandinterface)5.固-固界面界面现象的本质对于单组分体系，这种特性主要来自于同一物质在不同相中的密度不同；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。表面层分子与内部分子相比，它们所处的环境不同。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；但是处在界面层的分子，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，因此，界面层会显示出一些独特的性质。界面现象的本质最简单的例子是液体及其蒸气组成的表面。液体内部分子所受的力可以彼此抵销，但表面分子受到体相分子的拉力大，受到气相分子的拉力小（因为气相密度低），所以表面分子受到被拉入体相的作用力。这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势，并使表面层显示出一些独特性质，如表面张力、表面吸附、毛细现象、过饱和状态等。比表面（specificsurfacearea）比表面通常用来表示物质分散的程度，有两种常用的表示方法：一种是单位质量的固体所具有的表面积；另一种是单位体积固体所具有的表面积。即：//mVAAmAAV或式中，m和V分别为固体的质量和体积，A为其表面积。目前常用的测定表面积的方法有BET法和色谱法。分散度与比表面把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。把一定大小的物质分割得越小，则分散度越高，比表面也越大。例如，把边长为1cm的立方体1cm3逐渐分割成小立方体时，比表面增长情况列于下表：边长l/m立方体数比表面Av/（m2/m3）1×10-216×1021×10-31036×1031×10-51096×1051×10-710156×1071×10-910216×109分散度与比表面从表上可以看出，当将边长为10-2m的立方体分割成10-9m的小立方体时，比表面增长了一千万倍。边长l/m立方体数比表面Av/（m2/m3）1×10-216×1021×10-31036×1031×10-51096×1051×10-710156×1071×10-910216×109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。表面张力（surfacetension）在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着一种张力，它垂直与表面的边界，指向液体方向并与表面相切。将一含有一个活动边框的金属线框架放在肥皂液中，然后取出悬挂，活动边在下面。由于金属框上的肥皂膜的表面张力作用，可滑动的边会被向上拉，直至顶部。把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用g表示，单位是N·m-1。表面张力（surfacetension）如果在活动边框上挂一重物，使重物质量W2与边框质量W1所产生的重力F（F=（W1+W2）g）与总的表面张力大小相等方向相反，则金属丝不再滑动。这时2Flgl是滑动边的长度，因膜有两个面，所以边界总长度为2l，就是作用于单位边界上的表面张力。g表面张力（surfacetension）如果在金属线框中间系一线圈，一起浸入肥皂液中，然后取出，上面形成一液膜。(a)(b)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，见(a)图。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，见(b)图，清楚的显示出表面张力的存在。表面张力（surfacetension）（a）（b）表面功（surfacework）'dWAg式中为比例系数，它在数值上等于当T，P及组成恒定的条件下，增加单位表面积时所必须对体系做的可逆非膨胀功。g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，可逆使表面积增加dA所需要对体系作的功，称为表面功。用公式表示为：表面自由能(surfacefreeenergy)BBBBBBBBBBBBdddddddddddddddddnAPVTSGdnAVPTSFdnAPVSTHdnAVPSTUggggB,,)(nVSAUgB,,)(nPSAHB,,)(nVTAFB,,)(nPTAG由此可得：考虑了表面功，热力学基本公式中应相应增加dA一项，即：g表面自由能(surfacefreeenergy)广义的表面自由能定义：狭义的表面自由能定义：保持温度、压力和组成不变，每增加单位表面积时，Gibbs自由能的增加值称为表面Gibbs自由能，或简称表面自由能或表面能，用符号或表示，单位为J·m-2。gB,,()pTnGAg保持相应的特征变量不变，每增加单位表面积时，相应热力学函数的增值。界面张力与温度的关系温度升高，界面张力下降，当达到临界温度Tc时，界面张力趋向于零。这可用热力学公式说明：因为运用全微分的性质，可得：BB,,,,)()(nPAnPTTASg等式左方为正值，因为表面积增加，熵总是增加的。所以随T的增加而下降。g影响表面张力的因素（1）分子间相互作用力的影响（2）温度的影响温度升高，表面张力下降。（3）压力的影响表面张力一般随压力的增加而下降。因为压力增加，气相密度增加，表面分子受力不均匀性略有好转。另外，若是气相中有别的物质，则压力增加，促使表面吸附增加，气体溶解度增加，也使表面张力下降。对纯液体或纯固体，表面张力决定于分子间形成的化学键能的大小，一般化学键越强，表面张力越大。(金属键)(离子键)(极性共价键)(非极性共价键)gggg两种液体间的界面张力，界于两种液体表面张力之间。10.2弯曲表面下的附加压力与蒸气压弯曲表面下的附加压力1.在平面上2.在凸面上3.在凹面上Young-Laplace公式Klvin公式弯曲表面下的附加压力1.在平面上剖面图液面正面图研究以AB为直径的一个环作为边界，由于环上每点的两边都存在表面张力，大小相等，方向相反，所以没有附加压力。设向下的大气压力为Po，向上的反作用力也为Po，附加压力Ps等于零。Ps=Po-Po=0弯曲表面下的附加压力（2）在凸面上：剖面图附加压力示意图研究以AB为弦长的一个球面上的环作为边界。由于环上每点两边的表面张力都与液面相切，大小相等，但不在同一平面上，所以会产生一个向下的合力。所有的点产生的总压力为Ps，称为附加压力。凸面上受的总压力为：Po+PsPo为大气压力，Ps为附加压力。弯曲表面下的附加压力（3）在凹面上：剖面图附加压力示意图研究以AB为弦长的一个球形凹面上的环作为边界。由于环上每点两边的表面张力都与凹形的液面相切，大小相等，但不在同一平面上，所以会产生一个向上的合力。所有的点产生的总压力为Ps，称为附加压力。凹面上向下的总压力为：Po-Ps，所以凹面上所受的压力比平面上小。杨-拉普拉斯公式1805年Young-Laplace导出了附加压力与曲率半径之间的关系式：'s2RPg根据数学上规定，凸面的曲率半径取正值，凹面的曲率半径取负值。所以，凸面的附加压力指向液体，凹面的附加压力指向气体，即附加压力总是指向球面的球心。附加压力与毛细管中液面高度的关系1.曲率半径R'与毛细管半径R的关系：R'=R/cosq2.ps=2g/R'=(rl-rg)gh如果曲面为球面，则R'=R。因rlrg所以：ps=2g/R'=rlgh一般式：2gcosq/R=Drgh弯曲表面上的蒸汽压——开尔文公式对小液滴与蒸汽的平衡，应有相同形式，设气体为理想气体。mmlglg(l)(g)ddTTGGppppmlmg(l)d(g)dVpVplgl,0g,0mlg(l)ddlnppppVpRTpgdlnRTpmm(l)(g)GG液体(T,pl)饱和蒸汽(T,pg)弯曲表面上的蒸汽压——开尔文公式g0mllg,0(l)()lnpVppRTpmg02(l)2ln()''pVMRTpRRggr这就是Kelvin公式，式中r为密度，M为摩尔质量。0llsppp2'Rg弯曲表面上的蒸汽压——开尔文公式Kelvin公式也可以表示为两种不同曲率半径的液滴或蒸汽泡的蒸汽压之比，或两种不同大小颗粒的饱和溶液浓度之比。'1'212112lnRRMppRTrg'1'2s12112lnRRMccRTlrg对凸面，R'取正值，R'越小，液滴的蒸汽压越高，或小颗粒的溶解度越大。对凹面，R'取负值，R'越小，小蒸汽泡中的蒸汽压越低。亚稳状态及新相的生成常见的亚稳状态有：过饱和蒸气、过热液体、过冷液体、过饱和溶液。常见的亚稳态•过饱和蒸气OC：通常液体的饱和蒸气压曲线O´C´：微小液滴的饱和蒸气压曲线按照相平衡条件，应当凝结而未凝结的蒸气称为过饱和蒸气。应用：喷洒微小AgI颗粒的人工降雨。pT正常TlgT小CC´AOO´p0过热液体•按照相平衡条件，应当沸腾而不沸腾的液体称为过热液体。ρghp大气压Dp23HO211.8710kPapppppghprgrDg大气静大气假设在101.325kPa、100℃距离液面0.02m的深度处有半径为10nm的小气泡，其承受的压力：消除：投入沸石等。过冷液体•O´C：平面液体的饱和蒸气压曲线•AO：普通晶体的饱和蒸气压曲线•A´O´：微小晶体的饱和蒸气压曲线一定外压下，温度低于正常凝固点还不凝固的液体称为过冷液体。TTfTfp*AAOOC过饱和溶液•一定温度下，溶液浓度已超过饱和浓度而仍未析出晶体的溶液称为过饱和溶液。同样温度下，小颗粒的溶解度大于普通晶体的溶解度。产生原因：消除：结晶操作中，溶液过饱和程度大会生成细小的晶粒，不利于后续操作。常采用投入晶体种子的方法，获得较大颗粒的晶体。消除亚稳态——加入新相的种子：沸石、晶种等；利用亚稳态——金属淬火等；小结——亚稳态及其产生原因亚稳态：热力学上不稳定，但又能够在一定条件下稳定存在的状态。产生的原因：新相的种子难以生成。固体表面的特性固体表面上的原子或分子与液体一样，受力也是不均匀的，而且不像液体表面分子可以移动，通常它们是定位的。固体表面是不均匀的，即使从宏观上看似乎很光滑，但从原子水平上看是凹凸不平的。同种晶体由于制备、加工不同，会具有不同的表面性质，而且实际晶体的晶面是不完整的，会有晶格缺陷、空位和位错等。正由于固体表面原子受力不对称和表面结构不均匀性，它可以吸附气体或液体分子，使表面自由能下降。而且不同的部位吸附和催化的活性不同。吸附剂和吸附质(adsorbent,adsorbate)当气体或蒸汽在固体表面被吸附时，固体称为吸附剂，被吸附的气体称为吸附质。常用的吸附剂有：硅胶、分子筛、活性炭等。为了测定固体的比表面，常用的吸附质有：氮气、水蒸气、苯或环己烷的蒸汽等。物理吸附具有如下特点的吸附称为物理吸附：1.吸附力是由固体和气体分子之间的范德华引力产生的，一般比较弱。2.吸附热较小，接近于气体的液化热，一般在几个kJ/mol以下。3