第10章界面现象

2020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！1/94物理化学化学学院周建敏[e-mail]祝大家学习愉快，天天进步！主讲：联系电话:短号：69779办电：2923571长号：13500079779QQ:530018104电子邮箱:2020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！3/94物理化学电子教案—第十章2020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！9/94§10.0表面,界面,分散度水滴为什么是球形而不是方形?2020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！10/94§10.0表面,界面,分散度自然界中物质的存在状态：气液固界面现象气—液界面液—液界面固—液界面固—气界面固—固界面界面:存在于两相之间的厚度约为几个分子大小的一薄层，称为界面相，简称界面。体相体相界面层S2020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！11/94若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。§10.0表面,界面,分散度界面的结构和性质与相邻两侧的体相都不相同。界面层分子与内部分子相比，它们所处的环境不同。界面层具有一些独特的性质而表现出不同的表面现象。以液体及蒸气的表面为例。2020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！12/94§10.0表面,界面,分散度液体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，液体内部的分子所受合力为零。故内部分子可以无规则的运动而不消耗功。表面层分子一方面受到体相内相同物质分子的作用，另一方面受到另一相中物质分子的作用，受到体相分子的拉力大，受到气相分子的拉力小（因气相密度低），故表面分子受到一个指向液体内部的力。2020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！13/94§10.0表面,界面,分散度这种作用力使液体表面的分子总是趋于向液体内部移动，力图缩小表面积。而球形是相同体积的物体具有表面积最小的一种形式。所以自然界中气泡、小液滴都呈球形的原因。例：汞滴自动缩成球形，脱脂棉易被水润湿，水在毛细管中自动上升，固体表面会自动吸附其它物质，微小液体易于蒸发，微小晶体易于溶解等—表面现象。自然界中许多现象都与界面的特殊性质有关。2020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！14/94§10.0表面,界面,分散度一般情况下，界面的质量和性质与体相相比，可忽略不计。但物质被高度分散时，界面作用很显著。不可忽略，否则会导致错误结论。分散度：把物质分散成细小微粒的程度，称为分散度例：水滴分散成微小水滴分为1018个直径：10nm表面积：314.16m2直径：1cm表面积：3.1416cm2表面积是原来的106倍一些多孔物质如：硅胶、活性炭等，也具有很大的比表面积。2020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！15/94§10.0表面,界面,分散度物质的分散度可用比表面积as来表示，其定义为as=As/m单位为m2kg-1。人的大脑比猿的大脑总表面积大10倍,据研究资料表明爱因斯坦的大脑的表面积比常人的大的多。材料的比表面大，表面活性质点多，表面现象显著。2020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！16/94§10.0表面,界面,分散度人们把粒径在1～1000nm的粒子组成的分散系统称为胶体(见第十二章)，由于其具有极高的分散度和很大的比表面积，会产生特有的界面现象，所以经常把胶体与界面现象一起来研究，称为胶体表面化学。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，表面效应也就越明显。可见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的研究热点。2020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！17/94§10.0表面,界面,分散度我们身边的胶体界面现象曙光晚霞碧海蓝天雨滴露珠在界面现象这一章中，将应用物理化学的基本原理，对界面的特殊性质及现象进行讨论和分析。2020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！18/94问题2:温度升高表面张力将怎样变化?达临界温度时,又怎样?问题1:产生表面现象的热力学原因是什么?§10.1界面张力2020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！19/94§10.1界面张力1.液体的表面张力，表面功及表面吉布斯函数的由来：表面分子受力不对称受到一个指向液体内部的力，因此，扩展表面要作功。2020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！20/94§10.1界面张力若使膜维持不变，需在金属丝上加一力F，其大小与金属丝长度l成正比，比例系数。因膜有两个表面，故有：（1）液体的表面张力即：/2Fl2Fl实验：l表面张力：在液体的表面上，作用于单位长度线段上的表面紧缩力称为表面张力，单位是N·m-1。方向:垂直于表面的边界，指向液体方向并与表面相切。图上有动画2020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！21/94§10.1界面张力气液气液••••气液气••••••••表面张力:作用于单位长度线段上的表面紧缩力。作用的效果：使液体表面缩小，作用方向：平液面--是沿着液面并与液面平行，弯曲液面--表面张力的作用点在周界线上，方向垂直于周界线并与液面相切。2020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！22/94§10.1界面张力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及方向。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。如果刺破线圈中央的液膜，会怎样？小球上有动画2020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！23/94§10.1界面张力：使系统增加单位表面所需的可逆功，称为表面功。单位：J·m-2。（IUPAC以此来定义表面张力）在恒温、恒压可逆（缓慢）地在力F作用下移动距离dx，使膜表面积增加dA时，需克服表面张力作可逆表面功。（2）表面功d2ddWFxlxA即：rsdWA图上有动画2020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！24/94§10.1界面张力恒温、恒压下的可逆非体积功等于系统的吉布斯函数变（3）表面吉布斯函数：：恒温恒压下，增加单位表面时系统所增加的Gibbs函数。单位：J·m-2。三者物理意义不同，但量值和量纲等同，单位均可化为：N·m-1r,sddTpWGA即：sT,p,NGA2020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！25/94§10.1界面张力当系统作表面功时，G还是面积A的函数，若系统内只有一个相界面，且两相T、p相同，2.热力学公式),,,(CBnnpTfG对一般多组分体系：(,,,,)sBCGfTpAnnB()B()sBdddddGSTVpnA同理2020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！26/94§10.1界面张力BBBBBBBBBBBBddddddddddddUTSpVdnHTSVpdnASTpVdnGSTVpdndsAdsAdsAdsA相应的热力学基本方程B()B()B()B()ssssT,p,nS,V,nS,p,nT,V,nGUHAAAAA2020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！27/94§10.1界面张力在恒温恒压,各相组成不变的情况下SdG=γdA积分得:SG=γA当系统有多个界面,则BSBBG=γA，恒T、p、、恒组分下积分，有：ssGA全微分得：s,ssdddTpGAA可知自发降低G有两种途径——降低表面积降低表面张力dT,pGs02020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！28/94§10.1界面张力3.表面张力及其影响因素：（3）温度的影响：温度升高，界面张力下降。极限情况：T→Tc时，→0。（1）与物质的本性有关——分子间相互作用力越大，越大。例：气－液界面：(金属键)(离子键)(极性键)(非极性键)（2）与接触相的性质有关。其中：0与n为经验常数。01ncT/T因T升高，物质体积膨胀，分子间距离增加，分子间相互作用减弱，表面张力也减小。2020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！29/94§10.1界面张力（4）压力的影响。P↑a．表面分子受力不对称的程度↓b．气体分子可被表面吸附，改变,↓c．气体分子溶于液相成分↓1atmH2O=72.8mN/m10atmH2O=71.8mN/m一般：p↑10atm,↓1mN/m，例:2020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！30/94表面张力的测定方法2020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！31/94表面张力的测定方法当r气泡＝r毛细管时，r最小，p有最大值max2pr毛细管2pr气泡2020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！32/94问题1:在装有纯水的玻璃毛细管外，在水的右端微微加热，液面将向哪边移动？在装有纯汞的玻璃毛细管外，在汞的右端微微加热，液面将向哪边移动？§10.2-问题12020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！33/94问题2:如图所示，在一玻璃管的两端连有一大一小的两个肥皂泡。现打开活塞使两气泡相通时，试问两个泡的大小有什么变化?．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．§10.2-问题22020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！34/94§10.2弯曲液面的附加压力及其后果341.弯曲液面的附加压力——Laplace方程弯曲液面可分两种：凸液面和凹液面。由于弯曲液面表面张力的合力不为零,在其两侧存在一压力差△p，称为弯曲液面的附加压力。p内和p外—分别为(球心)内侧相和外侧相的压力。定义为:液气••••••••pgpl气液ppgpl气液••••气plpgpΔp=p内－p外弯曲液面的附加压力2020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！35/94§10.2弯曲液面的附加压力及其后果凸液面:△p的方向指向液体内部。△p=p内-p外=pl-pg0△p=p内-p外=pg-pl0结论:凹液面:△p的方向指向液体外部。平液面:p内=p外，△p=p内-p外=0，无附加压力。附加压力p≥0，总是指向球面的球心。2020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！37/94§10.2弯曲液面的附加压力及其后果①该形式的Laplace公式只适用于球形液面。②曲面内(凹)的压力大于曲面外(凸)的压力，Δp＞0。③r越小，Δp越大；r越大，Δp越小。平液面：r→∞，Δp→0，（并不是=0）④Δp永远指向球心。⑤对于空气中的小气泡，有内外两个表面，故2pr——Laplace方程r---液面曲率半径Δp4γr注意2020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！38/94p=2γrTp问题1--答案pppp问题1:在装有纯水的玻璃毛细管外，在水的右端微微加热，液面将向哪边移动？在装有纯汞的玻璃毛细管外，在汞的右端微微加热，液面将向哪边移动？右移左移2020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！39/94．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．问题2---答案问题1:如图所示，在一玻璃管的两端连有一大一小的两个肥皂泡。现打开活塞使两气泡相通时，试问两个泡的大小有什么变化?Δp4γr泡的受力情况：如图p内=△p＋p外因P外相等，故小泡变小，大泡变大。直到两边曲率半径相等。﹒•外pΔpp内p内∝1/r小球上有动画2020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！40/94§10.2-问题3问题3：锄地保墒的原理是什么？2020/6/3祝大家学习愉快，天天进步！41/94§10.2弯曲液面的附加压力及其后果毛细现象：将毛细管插入液面后，会发生液面沿毛细管上升（或下降）的现象，称为毛细管现象。产生这种现象的原因?若液体（例如水）能够润湿毛细管,则液体在毛细管中呈凹液面。以毛细管上升为例图上有动画图上有动画2020/6/3祝大家学