第8章表面物理化学

本章教学目标掌握比表面自由能、表面张力等基本概念；掌握Laplace方程、Kelvin方程；了解表面活性物质、胶束。掌握溶液的吉布斯吸附定温式、固体吸附；问题的提出问题1：小液滴为何总是呈现球形？问题2：昆虫会游泳吗？表面物理化学是研究两相之间界面上发生的物理化学过程的科学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。简介2007年诺贝尔化学奖获得者格哈德·埃特尔扎扎实实的“表面文章”涂料能源建材冶金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，如毛细现象、过饱和状态等。8.1.2比表面自由能和表面张力过饱和状态------人工降雨比表面自由能：'WdA在定温、定压和组成恒定时，可逆地扩展液体表面积，环境对体系所做的表面功与体系表面积的增量成正比。dG,,TpnGA在定温、定压和组成恒定时，增加单位表面积所引起的吉布斯自由能的增量。单位J·m-2。物理意义物理意义：与液面相切方向上垂直于单位线段上的收缩力称为表面张力，用表示。单位是N·m-1。表面张力(surfacetension)：（1）符号表面张力和比表面自由能的关系（2）数值（3）量纲不同点相同点：（1）物理意义（2）描述表面现象的角度不同例：固体很难通过降低表面积来降低表面能，只能通过吸附来降低界面张力。如活性炭。液体总是将自身的体型设为球形，是为减小表面积。14（1）物质的种类表面张力的影响因素：（2）共存的另一相的性质如：利用温水洗衣服（3）温度（对大多数体系来说，温度升高，表面张力减小）（4）压力表面张力一般随压力的增加而下降。△p=pr－p0△总是指向曲面中心一边。8.2.1弯曲液面的附加压力1.附加压力表面张力的作用使弯曲液面产生的压力差为附加压力。8.2弯曲液面的特性毛细现象当液体（如水）能润湿毛细管内壁时，液体在毛细管内呈凹面。图8-2毛细现象(a)液体在毛细管中上升h(b)液体在毛细管中下降h当液体(如汞）不能润湿毛细管内壁时，液体在毛细管内呈凸面。0prp0p0p0prp1805年Young-Laplace导出了附加压力与曲率半径之间的关系式：根据数学上规定，凸面的曲率半径r取正值，凹面的曲率半径r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。对球面：2pr拉普拉斯方程(Laplaceequation)2.拉普拉斯公式在无外力场影响时，自由的液滴或气泡常呈球形。图8-6不规则形状液滴上各点的附加压力方向3.拉普拉斯公式的应用3.拉普拉斯公式的应用图8-2毛细现象(a)液体在毛细管中上升h(b)液体在毛细管中下降h22hgrgR液气液-2pghr对小液滴与蒸汽的平衡，设气体为理想气体。8.2.2弯曲液面的蒸气压021g*ln()*rpMpRTr这就是Kelvin公式，式中ρ为密度，M为摩尔质量。小液滴的饱和蒸气压大于平液面的饱和蒸气压，并且半径越小，蒸气压越大。1.溶液的表面张力σcⅠⅡⅢ曲线I：如无机盐、酸、碱、甘油等称为表面惰性物质；曲线II：如短链醇、醛、酮、酸等；曲线III：8个碳原子以上的直长链等，称为表面活性物质；8.3溶液的表面吸附2.吉布斯吸附定温式溶质在溶液表面层中的浓度与在溶液本体中的浓度不同的现象称为溶液表面吸附。表面的浓度高于本体浓度，这种现象称为正吸附。表面层的浓度低于本体浓度称为负吸附。那些溶入少量就能显著降低溶液表面张力的物质称为表面活性物质或表面活性剂(surface-activeagent)。在单位面积的表面层中，所含溶质的物质的量与同量溶剂在溶液本体中所含溶质物质的量的差值，称为溶质的表面过剩或表面吸附量。单位mol.m-2TcdRTdc吉布斯吸附公式1.d/dc0，增加溶质的浓度使表面张力下降，为正值，是正吸附。表面层中溶质浓度大于本体浓度。表面活性物质属于这种情况。2.d/dc0，增加溶质的浓度使表面张力升高，为负值，是负吸附。表面层中溶质浓度低于本体浓度。表面惰性物质属于这种情况。8.5表面活性物质1.表面活性物质分类表面活性剂通常采用按化学结构来分类，分为离子型和非离子型两大类，离子型又可分为阳离子型、阴离子型和两性离子型表面活性剂。1.离子型2.非离子型阳离子型阴离子型两性离子型表面活性剂2.表面活性物质的HLB值HLB值—(Hydrophile-lipophilebalance)亲水亲油平衡值。HLB愈大，亲水性越强，疏水性越弱。规定：石蜡：HLB=0；十二烷基硫酸钠：HLB=40表面活性剂HLB：0~40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。吸附一定条件下，一种物质的分子、原子、离子等自动地附着在某些固体表面上，某物质在界面层中的浓度能自动地发生变化的现象吸附剂:具有吸附能力的物质吸附质：被吸附的物质具有较大比表面的物质8.7气-固界面吸附3.弗兰德里希定温式k=f(T、吸附剂种类、表面积)单位压力时的吸附量T↑k↓n=f(T、吸附系统性质)n＞1经验常数②k、n无明确的物理意义，仅概括实验事实。①适用于中压范围，物理及化学吸附均可使用；说明：/n1kppnkln1lnlnmΓ—饱和吸附量4.朗缪尔吸附定温式b—吸附平衡常数，单位是p-1p—吸附平衡压力m1bpΓΓbp课堂练习1．只有在比表面很大时才能明显地看到表面现象，所以体系表面增大是表面张力产生的原因。2．对大多数体系来讲，当温度升高时，表面张力下降。3.液体表面张力的存在力图扩大液体的表面积。4．表面张力在数值上等于定温定压条件下，体系可逆地增加单位表面积时环境对体系所做的非体积功。5.弯曲液面产生的附加压力与表面张力成反比。6.弯曲液面产生的附加压力的方向总是指向曲面的中心。7.同温度下，小液滴的饱和蒸气压恒大于平液面的蒸气压。X√X√X√√课堂练习8.已知20℃时水的表面张力为7.2810-2N·m-1，在此温度和压力下将水的表面积可逆地增大10cm2时，体系的△G等于。A．7.2810-5JB．-7.2810-5JC．7.2810-1JD．-7.2810-1J9.将装有润湿性液体的毛细管水平放置，在其右端加热，则管内液体将。A．向右移动B．向左移动C．不动D．左右来回移动10.液体在毛细管中上升的高度与基本无关。A．温度B．液体密度C．大气压力D．重力加速度ABC课堂练习11.微小晶体与同一种的大块晶体相比较，下列说法中不正确的是。A．微小晶体的饱和蒸气压大B.微小晶体的表面张力未变C.微小晶体的溶解度小D.微小晶体的熔点较低12.水在某毛细管内上升高度为h，若将此管垂直地向水深处插下，露在水面以上的高度为h/2，则。A．水会不断冒出B.水不流出，管内液面凸起C.水不流出，管内凹液面的曲率半径增大为原先的2倍D．水不流出，管内凹液面的曲率半径减小为原先的一半13.人工降雨是将AgI微细晶粒喷洒在积雨云层中，目的是为降雨提供。A.冷量B．湿度C．晶核D．温度CCC