物理化學(xué)表面物理化學(xué)分析PPT課件

1、2021-11-15第八章 表面物理化學(xué) 8.1 表面吉布斯自由能 8.2 彎曲液面的特性 8.3 溶液表面吸附 8.4 表面膜 8.5 表面活性物質(zhì) 第1頁/共64頁2021-11-15第八章 表面物理化學(xué) 8.6 膠束 8.7 氣-固界面吸附 8.8 液-固界面吸附8.9 潤濕作用 第2頁/共64頁2021-11-158.1 表面吉布斯自由能 1.1.比表面比表面 2.2.比表面自由能和表面張力比表面自由能和表面張力 第3頁/共64頁2021-11-151.比表面 兩相界面是指相鄰兩相間極薄的邊界層，厚度可以是單分子層或幾個兩相界面是指相鄰兩相間極薄的邊界層，厚度可以是單分子層或幾個分子層

2、。分子層。液體氣體液體氣體固體氣體固體氣體表面表面（surface)液體液體液體液體液體固體液體固體固體固體固體固體界面界面（interface)第4頁/共64頁2021-11-151.比表面 比表面通常用來表示物質(zhì)分散的程度，有兩種常用的表示方法：比表面通常用來表示物質(zhì)分散的程度，有兩種常用的表示方法： 單位質(zhì)量的物體所具有的表面積；單位質(zhì)量的物體所具有的表面積； 單位體積的物體所具有的表面積。單位體積的物體所具有的表面積。 00mASVAS 或或（8-18-1） 把物質(zhì)分散成細小微粒的程度稱為分散度。把一定大小的物質(zhì)分割把物質(zhì)分散成細小微粒的程度稱為分散度。把一定大小的物質(zhì)分割得越小，則分

3、散度越高，比表面也越大。得越小，則分散度越高，比表面也越大。第5頁/共64頁2021-11-152.比表面自由能和表面張力 圖圖8-1 8-1 分子在液體內(nèi)部和表面受力情分子在液體內(nèi)部和表面受力情況況 液體內(nèi)部分子：受力彼此抵消，所受合力液體內(nèi)部分子：受力彼此抵消，所受合力為零。為零。 表面層分子：因氣、液兩相密度差別較大，表面層分子：因氣、液兩相密度差別較大，受到一指向液體內(nèi)部的合力。受到一指向液體內(nèi)部的合力。 溫度、壓力和組成恒定時，可逆增加表面積，溫度、壓力和組成恒定時，可逆增加表面積，環(huán)境對體系所做的表面功環(huán)境對體系所做的表面功 W 與體系表面積的與體系表面積的增加增加dA成正比成正比

4、 為比例常數(shù)為比例常數(shù) W = dA （8-28-2）第6頁/共64頁2021-11-152.比表面自由能和表面張力 ,dGW W = dA （8-28-2） 的物理意義是當?shù)奈锢硪饬x是當T、p及組成恒定時及組成恒定時,增加單位表面積所引起的吉布斯自由能的增加單位表面積所引起的吉布斯自由能的增量增量. npTAG,)( （8-38-3） 稱為比表面自由能稱為比表面自由能,單位單位Jm-2 為體系的強度性質(zhì)。為體系的強度性質(zhì)。值與共存的兩相性質(zhì)、值與共存的兩相性質(zhì)、T等有關(guān)。等有關(guān)。常見物質(zhì)的常見物質(zhì)的可從手冊查得?？蓮氖謨圆榈谩５?頁/共64頁2021-11-152.比表面自由能和表面張力 在

5、相表面的切面上，垂直作用于表面上任意單位長度切線上的表面緊縮力在相表面的切面上，垂直作用于表面上任意單位長度切線上的表面緊縮力表面張力表面張力，亦用，亦用 表示表示：Nm-1表面張力與比表面自由能數(shù)值相等，表示符號亦相同，但物理意義不同。表面張力與比表面自由能數(shù)值相等，表示符號亦相同，但物理意義不同?？蓮膶嶒炆蠝y定，常用的實驗方法有：吊環(huán)法、吊片法、最大泡壓法可從實驗上測定，常用的實驗方法有：吊環(huán)法、吊片法、最大泡壓法等。等。一般一般T升高，液體分子間引力減弱，升高，液體分子間引力減弱， 值減小。值減小。第8頁/共64頁2021-11-158.2 彎曲液面的特性 1.1.彎曲液面的附加壓力彎曲

6、液面的附加壓力 2.2.彎曲液面的蒸氣壓彎曲液面的蒸氣壓 3.3.亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài) 第9頁/共64頁2021-11-151.彎曲液面的附加壓力 prABp0凸面凸面ABprp0凹面凹面圖圖8-2 8-2 彎曲液面的附加壓力彎曲液面的附加壓力 （8-4）第10頁/共64頁2021-11-151.彎曲液面的附加壓力 334rV rrVd4d224 rArrp0prp圖圖8-3 體積功與體積功與表面吉布斯自由表面吉布斯自由能能VpVppVpVpWd)d(dd0r0rrrrrpd8d42rp2 （8-5）rrAd8d,AGWdd AVpdd第11頁/共64頁2021-11-151.彎曲液面的附加壓力 rp

7、4 rp2（8-5） )11(21rrp第12頁/共64頁2021-11-151.彎曲液面的附加壓力 。圖圖8-4 毛細管現(xiàn)象毛細管現(xiàn)象 (a) 液體在毛細管中上升液體在毛細管中上升h(b) 液體在毛細管中下降液體在毛細管中下降h第13頁/共64頁2021-11-151.彎曲液面的附加壓力 ？ 土壤間隙被認為是一些毛細管，水在其中呈凹液面。天旱無雨時，農(nóng)民通過鋤地來保持土壤水分，因為鋤地可切斷地表的土壤間孔隙(即毛細管)，以防止土壤中水分沿毛細管進一步上升蒸發(fā)。圖圖8-58-5 第14頁/共64頁2021-11-151.彎曲液面的附加壓力 在無外力場影響時，自由的液滴或氣泡常呈球形。圖圖8-6

8、 8-6 不規(guī)則形狀液滴上各點的附加壓力方向不規(guī)則形狀液滴上各點的附加壓力方向第15頁/共64頁2021-11-15,ddgl ppRTd pRTpVdlndlm, r0r0dlndlm,PPpppRTpV0r0rlm,ln)(ppRTppV,lm, MV pVddlm,lpVTSGddddmmmpVddgm,g pRTdln ,20rrppprRTMpp12ln0r(8-6) 第16頁/共64頁2021-11-152.彎曲液面的蒸氣壓 rRTMpp12ln0r(8-6) 第17頁/共64頁2021-11-152.彎曲液面的蒸氣壓 第18頁/共64頁2021-11-153.亞穩(wěn)態(tài) 過飽和蒸氣、

9、過冷液體、過飽和溶液等過飽和蒸氣、過冷液體、過飽和溶液等亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)rRTMccs12lnls0r （8-7）第19頁/共64頁2021-11-158.3 溶液表面吸附 1.溶液的表面張力溶液的表面張力 2.吉布斯吸附定溫式吉布斯吸附定溫式 3.吸附層上分子的定向排列吸附層上分子的定向排列 第20頁/共64頁2021-11-151.溶液的表面張力 cIIIIII圖圖8-7 8-7 溶液表面張力與濃度的關(guān)系溶液表面張力與濃度的關(guān)系第21頁/共64頁2021-11-152. 吉布斯吸附定溫式 TcRTc 第22頁/共64頁2021-11-152. 吉布斯吸附定溫式 TcRTc Tc)( 0 Tc

10、0 Tc ，Tc 第23頁/共64頁2021-11-153.吸附層上分子的定向排列 c=m圖圖8-8 8-8 吸附量與濃度的關(guān)系吸附量與濃度的關(guān)系圖圖8-9 8-9 表面吸附層分子狀態(tài)表面吸附層分子狀態(tài)LAm1 （8-98-9）第24頁/共64頁2021-11-158.4 表面膜 1.1.不溶性單分子膜不溶性單分子膜 2.2.生物膜生物膜 第25頁/共64頁2021-11-151.不溶性單分子膜 許多不溶性物質(zhì)如一些長鏈的醇、酸等有機化合物（許多不溶性物質(zhì)如一些長鏈的醇、酸等有機化合物（表面活性劑表面活性劑）溶于揮）溶于揮發(fā)性溶劑中，滴在水面，可鋪展成單分子膜。分子的極性基伸入水中，非極性發(fā)性

11、溶劑中，滴在水面，可鋪展成單分子膜。分子的極性基伸入水中，非極性基指向空氣，這種膜稱不溶性單分子膜?；赶蚩諝?，這種膜稱不溶性單分子膜。 在純水表面放一很薄的浮片，在浮片的一邊滴油，由于油滴在水面上鋪展，在純水表面放一很薄的浮片，在浮片的一邊滴油，由于油滴在水面上鋪展，會推動浮片移向純水一邊。鋪展的膜在表面上對單位長度浮片的推動力稱為會推動浮片移向純水一邊。鋪展的膜在表面上對單位長度浮片的推動力稱為表面表面壓壓（surface pressure)。第26頁/共64頁2021-11-151.不溶性單分子膜 RTaMm amRTM RTna （8-108-10）第27頁/共64頁2021-11-1

12、52.生物膜 細胞的表面膜和內(nèi)膜系統(tǒng)細胞的表面膜和內(nèi)膜系統(tǒng)生物膜生物膜 生物膜結(jié)構(gòu)是細胞結(jié)構(gòu)的組織形式，也是生命活動的主要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。生物膜結(jié)構(gòu)是細胞結(jié)構(gòu)的組織形式，也是生命活動的主要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。 許多基本的生命過程，如能量轉(zhuǎn)換、物質(zhì)運送、信息識別與傳遞等都與生許多基本的生命過程，如能量轉(zhuǎn)換、物質(zhì)運送、信息識別與傳遞等都與生物膜有密切的關(guān)系。物膜有密切的關(guān)系。 人們從生物膜的成分、結(jié)構(gòu)和功能的研究中得到啟示，開發(fā)合成的人工膜，人們從生物膜的成分、結(jié)構(gòu)和功能的研究中得到啟示，開發(fā)合成的人工膜，如反滲透膜、超濾膜，可應(yīng)用于廢水處理、物質(zhì)的提純和氣體的分離，在化學(xué)工如反滲透膜、超濾膜，可應(yīng)用于廢水處理、

13、物質(zhì)的提純和氣體的分離，在化學(xué)工業(yè)有廣闊的前景。業(yè)有廣闊的前景。 第28頁/共64頁2021-11-158.5 表面活性物質(zhì) 1.1.表面活性物質(zhì)表面活性物質(zhì) 2.2.表面活性物質(zhì)的表面活性物質(zhì)的HLB值值 第29頁/共64頁2021-11-151.表面活性物質(zhì) 表面活性物質(zhì)，又稱 表面活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點：具有雙親結(jié)構(gòu)， 同一分子含有同一分子含有親水基親水基和和親油基親油基表面活表面活性劑的性劑的類型類型離離子子型型非離子非離子型型陰離子型陰離子型RCOOM,RSO3M,ROSO3M,ROPO3M陽離子型：陽離子型：X,RNH3 ,X)(CHNR33 NR X兩兩 性性 型：型： COOCH)

14、(CHNR,COOCHCHNR22322等等HO)CHRCOO(CHH,O)CHRO(CHn22n22第30頁/共64頁2021-11-152.表面活性物質(zhì)的HLB值 HLB愈大，親水性越強，疏水性越弱。愈大，親水性越強，疏水性越弱。規(guī)定：石蠟：規(guī)定：石蠟：HLB=0；十二烷基硫酸鈉：HLB=40表面活性劑表面活性劑HLB：040HLB值 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 | | | | | | 石蠟 W/O乳化劑 潤濕劑 洗滌劑 增溶劑 | | 聚乙二醇 O/W乳化劑第31頁/共64頁2021-11-158.6 膠束 1.表面活性物質(zhì)的臨界膠束濃度 2.增溶作用 第32

15、頁/共64頁2021-11-151.表面活性物質(zhì)的臨界膠束濃度 圖圖8-10 8-10 膠束的形狀膠束的形狀圖圖8-11第33頁/共64頁2021-11-152.增溶作用 第34頁/共64頁2021-11-158.7 氣固界面吸附 1.1.固體表面特性固體表面特性 2.2.吸附作用吸附作用 3.3.吸附理論吸附理論 4.4.吸附作用的應(yīng)用吸附作用的應(yīng)用 第35頁/共64頁2021-11-151.固體表面特性 固體表面不均勻固體表面不均勻固體表面分子、原子或離子較難移動固體表面分子、原子或離子較難移動固體表面層的組成與體相組成不同固體表面層的組成與體相組成不同第36頁/共64頁2021-11-1

16、52.吸附作用 mn , mV 第37頁/共64頁2021-11-152.吸附作用 第38頁/共64頁2021-11-152.吸附作用 ),(pTf )( pfT 一一定定：)(Tfp 一一定定：)(Tfp 一一定定：第39頁/共64頁2021-11-153.吸附理論 /n1kp (8-11) pnkln1lnln 第40頁/共64頁2021-11-15第41頁/共64頁2021-11-15 2d1a)1(kr;pkr 吸附平衡時：吸附平衡時： 21da)1(;kpkrr ,pkkpk121 21kkb 令令,bpbp 1 ,m m飽和吸附量飽和吸附量bpbp 1m（8-128-12）第42頁

17、/共64頁2021-11-153.吸附理論 bpbp 1m（8-128-12）bpm ， p呈直線呈直線；p=m圖圖8.12第43頁/共64頁2021-11-153.吸附理論 bpbp 1m（8-128-12）bppmm11 pp m 第44頁/共64頁2021-11-153.吸附理論 p/p)C()pp(Cp*m11 (8-13) BET公式公式第45頁/共64頁2021-11-153.吸附理論 /)1(1)(*mppCppCp (8-13) 第46頁/共64頁2021-11-154.吸附作用的應(yīng)用 *p/pCCC)pp(pmm11 )kgm:(113m 標標截截距距斜斜率率 2mN0224

18、0AL.S 第47頁/共64頁2021-11-158.8 液固界面吸附 1.1.溶液中吸附量的測定溶液中吸附量的測定 2.2.稀溶液中溶質(zhì)分子的吸附稀溶液中溶質(zhì)分子的吸附3.3.電解質(zhì)溶液中離子的吸附電解質(zhì)溶液中離子的吸附第48頁/共64頁2021-11-151.溶液中吸附量的測定 mccVmx)(0 (8-14) 式中式中m是吸附劑的質(zhì)量；是吸附劑的質(zhì)量；c1和和c2分別是溶液起分別是溶液起始與平衡的濃度始與平衡的濃度(mo1.dm-3)；V是溶液的體積是溶液的體積(dm3)，x是被是被m克吸附劑所吸附溶質(zhì)的量克吸附劑所吸附溶質(zhì)的量(mol)第49頁/共64頁2021-11-152.稀溶液中

19、溶質(zhì)分子的吸附 吸附定溫線吸附定溫線nkcmx1 cnklg1lglg 以以lg 對對lgc作直線作直線,從直線的斜率和截距可求出從直線的斜率和截距可求出n和和k。bcbc 1mbccmm1 cc1mkgmol1 斜率斜率 S0=mLA, 第50頁/共64頁2021-11-15影響吸附的因素 （1）極性的影響）極性的影響 一般來說，遵循相一般來說，遵循相似相吸的原則。似相吸的原則。 （2）溶質(zhì)溶解度的影響）溶質(zhì)溶解度的影響 溶質(zhì)的溶解溶質(zhì)的溶解度小，越易被吸附。度小，越易被吸附。 （3）溫度的影響）溫度的影響 吸附是放熱過程，吸附是放熱過程，溫度升高，吸附量下降。溫度升高，吸附量下降。2.稀溶

20、液中溶質(zhì)分子的吸附 第51頁/共64頁2021-11-153.電解質(zhì)溶液中離子的吸附 (AgI)m+AgNO3 (AgI)m Ag+ + NO3- (AgI)m+KI(Ag)m I-+K+第52頁/共64頁2021-11-153.電解質(zhì)溶液中離子的吸附第53頁/共64頁2021-11-158.9 潤濕作用 1.1.潤濕現(xiàn)象潤濕現(xiàn)象 2.2.接觸角與潤濕作用接觸角與潤濕作用 第54頁/共64頁2021-11-151.潤濕現(xiàn)象 當液體與固體接觸時，液體能在固體表面上鋪開，即原來的氣當液體與固體接觸時，液體能在固體表面上鋪開，即原來的氣- -固界面固界面被液被液- -固界面代替的過程叫潤濕。固界面代

21、替的過程叫潤濕。 潤濕可分為沾濕、浸濕和鋪展三種情況。潤濕可分為沾濕、浸濕和鋪展三種情況。第55頁/共64頁2021-11-151.潤濕現(xiàn)象 沾濕沾濕 沾濕是指氣沾濕是指氣-液與氣液與氣-固界面轉(zhuǎn)變?yōu)橐汗探缑孓D(zhuǎn)變?yōu)橐?固界面。固界面。該過程吉布斯自由能的變化值為該過程吉布斯自由能的變化值為 G= l-s g-s g-l （8-15）體系體系所做的最大功為所做的最大功為Wa= l-s g-s g-l（8-16） Wa為黏附功，為黏附功， Wa0是液體沾濕固體的條件。是液體沾濕固體的條件。第56頁/共64頁2021-11-151.潤濕現(xiàn)象 浸濕浸濕 浸濕是指固體浸入液體的過程。浸濕是指固體浸入液體的過程。該過程吉布斯自由能的變化值為該過程吉布斯自由能的變化值為 G= l-s g-s（8-17）體系體系所做的最大功為所做的最大功為Wi= l-s g-s（8-18） Wi為為浸濕功，功， Wi0是液體是液體浸濕固體的條件。固體的條件。第57頁/共64頁2021-11-151.潤濕現(xiàn)象 鋪展鋪展鋪展是指液體在固體表面展開的過程。鋪展是指