界面现象

1第九章界面现象讲解：日常生活和生产中，有很多现象和界面有关。如：水在玻璃细管中会上升，这叫毛细现象；水可以在桌面上铺开，水银却成球状等。通常把气液和气固界面成为表面。第一节表面张力和表面吉布斯函数一、表面现象及其本质1.界面层的定义界面的5种类型：g-l,g-s,l-l,l-s,s-s.其中g-l和g-s界面也叫表面。界面分子和内部分子的区别：内部分子受力对称，界面分子受力不对称，不均匀。液体自发使表面积缩小。讲解：测定液体蒸气压，不能有空气存在，液体表面指纯液体与其纯蒸气之间的过渡层，只有几个分子厚。日常生活中讲的液体表面，是指液体与空气之间的界面，其中空气被液体蒸气饱和。2.系统的比表面（分散度）单位质量具有的表面积，或单位体积具有的表面积。defdefSSmVAAAAmV质量表面积体积表面积例：一个边长为0.01米的立方体表面积是多少？把这个立方体分成10-9m的小立方体，求其总面积。解：边长为0.01米的立方体表面积2-421=60.01=610mA321390.011010小立方体的个数为-92213226(10)10610mA小立方体总面积物体被分散后的体积变化，请看358页表9.1。二、表面张力、表面功、表面吉布斯函数在等温等压条件下者3个概念是一回事。讲解：吉布斯函数变就是等温等压条件下可逆过程得体积功。:等温等压下可逆地增加单位表面积所需的功。B,,STpnGA表面张力就是表面功表面张力F:表面上，每米长度所受的收缩力，垂直于表面切线方向。-2-2-1JmNmmNm单位：表面功表面张力22Fl2Fl影响表面张力的因素（1）物质的本性()()sl一般相同聚集态时(金属键）（离子键）（极性共价键）（非极性共价键）讲解：可以看出键的极性越强，越大，因为非极性共价键组成的非极性分子之间只有色散力，极性分子间有色散力、取向力、诱导力。（2）某物质的表面张力与其接触相有关（3）温度升高，表面张力降低。（4）压力增大表面张力降低。讲解：温度上升，分子间作用力减小，故减小。请看362页表9.2，注意温度不同。按照课件纠正362-363页多处印刷错误。361页例9.1：25℃时，可逆地把一个半径为1.00×10-3m的水滴，分散为半径为1.00×10-6m的小水滴。（1）体积表面积为原来的多少倍？（2）分散过程中的吉布斯函数变和功各是多少？已知25℃时水的表面张力为0.07275N·m-1。解：（1）233,216,1243(431.001010001.0010SVVVArAVrrArAr体积表面积公式）体积表面积为原来的1000倍。（2）33,2,111212133226343311()431141.00101.2610m1.00101.0010SVVAVAArrrrrr240.072751.26109.1710JGWA作业：9.12。第二节弯曲液面的附加压力及其后果讲解：液体的界面现象可以为我们所利用，例如，水在植物叶面会形成液珠滑落下来，但我们喷洒液体农药时希望它在叶面铺展。我们清洗物体也希望清洁剂铺展。一、弯曲液面的附加压力3讲解：把一玻璃管插入水中，管内液面上升，且玻璃管越细，上升越多，这就是毛细现象。上升的原因是附加压力。1p（）附加压力产生的原因0ppppppp凸凹水平液面凸面液体凹面液体讲解：如第一节所示，平面液体表面的分子受两侧分子的吸引，形不成向下合力。凸面可形成向下合力，凹面可形成向上合力。2p（）的大小—拉普拉斯公式SSd,dddpVpVAA活塞加压，液滴体积增加体积功。液滴表面积增加，表面功SddpVA324d4d3VRVRR球体2SS4d8dARARR2pR实心液面或液珠讲解：拉普拉斯公式的推导与书中略有不同，结果一样。4pR气泡例：如图，2个气泡的趋势：A.一样大B.大的更大，小的更小C.保持现状二、毛细管现象毛细管现象：细管中液面上升或下降的现象。1.液面变化的方向pp能润湿的液体形成凹液面，抵消外压，液面上升。不能润湿的液体形成凸液面，增加外压，液面下降。2.液面升降的高度0190,rr为毛细管半径；为液面的曲率半径。为接触角，说明液体能润湿管壁。11coscosrrrr从数学上讲122cosprr代入拉普拉斯公式得4pghg根据物理知识，有为自由落体加速度2coshrg根据这个公式，测定毛细管中液体升降的高度，可以计算液体的表面张力，如果已知毛细管半径和表面张力，可以预测液面升降高度。15℃时水的极限毛细上升高度，粗砂为0.2m，细砂为1.2m，而纯粘土则为12m。讲解：水在植物的毛细管中上升，使植物吸收水分。土壤中的毛细管，可使地下水上式，供植物吸收，锄地时，切断上面的毛细管，可防止水分蒸发。2块玻璃中间有水，形成凹液面，中间为负压，难以打开。讲解：请看368页例9.2。三、微小液滴的饱和蒸气压—开尔文公式讲解：平面液体的饱和蒸气压主要与温度有关，液气平衡时，蒸气压与外压相等，曲面液体有附加压力，相当于改变了外压，蒸气压也要随之改变，才能平衡。开尔文公式02lnrpMpRTr凸面液体与平面液体相比02lnrpMpRTr凹面液体与平面液体相比凹面蒸气压比平面低，凸面蒸气压比平面高。2121211lnpMpRTrr弯曲程度不同的液体相比四、开尔文公式的应用1.过饱和蒸气压液滴为凸面液体，蒸气压大于平面液体。液滴越小，蒸气压越大，对小液滴不饱和的蒸气，对大液滴饱和或过饱和。讲解：将大小不等的液滴放在钟罩内，小液滴越来越小，大液滴越来越大。液滴都是凸面，小液滴附加压力大，饱和蒸气压高，大液滴附加压力小，饱和蒸气压低，钟罩里同样的蒸气，对小液滴不饱和，小液滴不断蒸发；同样的蒸气对大液滴过饱和，蒸气不断在大液滴上凝结。人工增雨原理：空气中的小液滴蒸气压太高，水蒸气对它不饱和，有时水蒸气的压力已是平面液体水饱和蒸气压的4倍，仍不能下雨。打入大一些的物质，水蒸气在其表面凝结，形成大液滴。2.过饱和溶液小晶体比大晶体溶解度大。52121l-s2121211ln2(s)11ln(s)pMpcpRTrrMccRTrr把亨利定律代入得k由于小晶体溶解度大，溶液对小晶种不饱和，小晶种不易继续增大，形成宏观上的过饱和溶液。可加较大的晶种，大晶种溶解度小，溶液对大晶种过饱和，大晶种可继续增大。3.过热液体沸腾原理：液体内部形成小气泡，小气泡内压力大于外压时，小气泡变大，冲出液面。过热液体的形成：若气泡太小，产生的附加压力相当于增大了外压，气泡无法变大。继续加热，就形成过热液体。防止过热：加入多孔性物质，使形成的气泡大一些。讲解：纠正374页印刷错误。第2行，将“内部气体”改为“承受”；第3行，将第一个“存在”改为“长大”。4.过冷液体讲解：凝固点时，液体水与固体水蒸气压相等。OA线为液体水的蒸气压曲线，OB线为大冰粒饱和蒸气压曲线，O点大冰粒和液体水蒸气压相等，Tf为形成大冰粒的温度；O′A′线为小冰粒饱和蒸气压曲线，O′点小冰粒和液体水蒸气压相等，Tf′为形成大冰粒的温度。防止办法：加大冰粒。5.毛细凝聚毛细管内的液面为凹面，蒸气压低，气体易在毛细管内凝聚。作业：9.16，9.19。第三节润湿和接触角一、润湿的类型沾湿、浸湿、铺展润湿二、铺展润湿sl-sg-lg-sl-sg-lg-sl-sg-lg-sl-sg-lg-s()GAG单位面积时过程自发，能铺展。过程不自发，不能铺展。讲解：纠正375页印刷错误。讲解：液-固和气-固的表面张力现在无法测定，上式只能用作理论分析。研究润湿靠接触角。铺展示意图pT水的相图OBO′B′Tf′TfACpT水的相图OBO′B′Tf′TfAC6讲解：水在木头表面能铺展，汞在木头表面不能铺展。三、接触角与润湿的关系g-sl-sg-l=cos力平衡g-sl-sg-lcos00g-sl-s0g-sl-scos090,0cos090,时，，润湿。铺展润湿。时，，不润湿。作业：4.14，4.15。第四节表面活性剂一、种类和结构表面活性剂：能显著降低溶液表面张力的有机物。阳离子型离子型阴离子型表面活性剂两性型非离子型1633316333+17351735CHNHClCHNHClCHCOONaCHCOONa阳离子型阴离子型33++-22CHCH||R-N-CHCOONaR-N-CHCOONa|两性型33|CHCH非离子型：酯类等。二、胶束和临界胶束浓度讲解：溶液很稀时形不成胶束，增加浓度时，表面活性剂分子自动聚集于表面，以降低表面张力，当表面铺满以后，在增加浓度，就会在溶液内部形成胶束。g-lg-sl-sl-sg-sg-lg-lg-sl-sl-sg-sg-lg-sl-sl-sg-sg-l液滴形状与接触角示意图7临界胶束浓度：表面活性剂分子在溶液表面形成单分子层，开始出现胶束，这时的表面活性剂浓度称为临界胶束浓度。胶束类型：球状、腊肠状、层状等。三、亲水-亲油平衡讲解：亲水能力和亲油能力的评价，目前没有统一的标准，因为亲水基和亲油基都有不同的类型，例如羟基和羧基都亲水，不好比较强弱。类型相同时，亲油基越长，亲油作用越大，乙酸根中的亲油基是甲基，不起什么作用，到十七、八个碳原子的烃基，亲油作用就很明显了。1945年格里芬提出的HLB值，为表面活性剂的应用提供了参考依据。非离子型表面活性剂：HLB=20+亲水基质量亲油基质量亲水基质量HLB越大亲水能力越大。四、表面活性剂的作用1.润湿作用降低农药的表面张力，可使农药附着在植物叶面。低表面张力的物质可制成螺栓松动剂。增加表面张力，可制成防雨布。浮游选矿原理：捕集剂包在在矿物表面形成憎水表面，使其脱离无用的矿石。加起泡剂，使矿物附着在气泡表面，浮出水面，收集气泡，灭泡，获得矿物质。第三次采油原理：第一、二次采的油只占储量的30%多。第三次采油，表面活性剂与岩砂润湿，占据岩砂表面，使石油脱离岩砂，浮出水面。2.起泡和消泡作用起泡剂：显著降低表面张力的物质。明胶和蛋白质虽然降低表面张力不多，但形成的泡很牢固，也是很好的起泡剂。消泡剂：降低膜表面牢固程度的物质，如植物油、高碳醇等。3.增溶作用表面活性剂可以增加有机物在水中的溶解度。表面活性剂达到临界胶束浓度以上，在溶液中形成胶束，胶束促使有机物溶解，溶解原理有2种：有机物被夹在胶束内部，如饱和脂肪烃、环烷烃等。有机物吸附在胶束表面，如有机染料离子。增溶以后，溶液透明。依数性变化不大，说明胶束数目没有增加，有机物也没有离解成离子，而是整个被夹在胶束中。4.乳化作用乳状液的种类水包油型，如牛奶、油包水型，如石油。检验方法：加入水溶性的亚甲蓝和油溶性的苏丹红Ⅲ染料。水包油型加入亚甲蓝完全呈蓝色，加入苏丹红只显星星点点红色；油包水型加入亚甲蓝只显星星点点蓝色，加入苏丹红完全显红色。应用：把油溶性药与水溶性药做成一个制剂，用油作溶剂，把油溶性药溶解在溶剂中，把水溶性药以油包水方式也溶进去。85.洗涤作用表面活性剂表面张力小，更能与衣物结合，使污物脱离，表面活性剂的胶束把污物夹在胶束中，胶束吸附在泡沫表面。6.莲花效应荷叶表面具有疏水、自洁、防尘功能。荷叶表面有很小的突起的表皮细胞，表皮细胞上疏水的蜡质，水珠在荷叶上滚动时带走灰尘。7.超双疏、双亲界面双疏：既疏水又疏油。双亲：既亲水又亲油。讲解：在输油管内壁做成双疏表面，可降低阻力；在帆布上做成双疏表面，可防水、防雨。玻璃、瓷砖做成双亲表面有自洁、防雾功能。8