第九章界面現(xiàn)象

1、1第九章第九章 界面現(xiàn)象界面現(xiàn)象1 1 界面現(xiàn)象研究的內(nèi)容界面現(xiàn)象研究的內(nèi)容2 2 表面張力與單位表面吉布斯函數(shù)表面張力與單位表面吉布斯函數(shù)3 3 液體的界面現(xiàn)象液體的界面現(xiàn)象5 5 固體表面對(duì)氣體的吸附固體表面對(duì)氣體的吸附4 4 溶液界面上的吸附溶液界面上的吸附2界面：兩相的接觸面。界面：兩相的接觸面。氣液界面固氣界面液液界面固液界面固固界面表面現(xiàn)象氣、液、固氣、液、固表面：固、液相與氣相的接觸面。表面：固、液相與氣相的接觸面。界面現(xiàn)象研究的內(nèi)容界面現(xiàn)象研究的內(nèi)容3常見(jiàn)的界面有常見(jiàn)的界面有：1.氣-液界面42.氣-固界面53.液-液界面64.液-固界面75.固-固界面8B相相A相相界界面面相

2、相特征：幾個(gè)分子厚、特征：幾個(gè)分子厚、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)與兩側(cè)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)與兩側(cè)體相均不同體相均不同 界面界面不是不是接觸兩相間的接觸兩相間的幾何平面幾何平面！界面有一！界面有一定的厚度，所以有時(shí)又稱(chēng)界面為定的厚度，所以有時(shí)又稱(chēng)界面為界面相界面相 。9 phase phase10 日常自然界中許多現(xiàn)象與界面的特殊性質(zhì)有關(guān)日常自然界中許多現(xiàn)象與界面的特殊性質(zhì)有關(guān): :汞在光滑的玻璃上呈球形，在玻璃管中呈凸形。汞在光滑的玻璃上呈球形，在玻璃管中呈凸形。水在光滑的玻璃上完全鋪展，在玻璃管中上升，呈凹形。水在光滑的玻璃上完全鋪展，在玻璃管中上升，呈凹形。固體表面會(huì)自動(dòng)吸附其它物質(zhì)。固體表面會(huì)自動(dòng)吸附其它物質(zhì)。微

3、小液滴更易于蒸發(fā)。微小液滴更易于蒸發(fā)。產(chǎn)生表面（界面）現(xiàn)象的原因產(chǎn)生表面（界面）現(xiàn)象的原因 11 與一般系統(tǒng)相比，小顆粒的分散系統(tǒng)有很大的與一般系統(tǒng)相比，小顆粒的分散系統(tǒng)有很大的表面積，它對(duì)系統(tǒng)性質(zhì)的影響絕對(duì)不可忽略。表面積，它對(duì)系統(tǒng)性質(zhì)的影響絕對(duì)不可忽略。 例：例：總表面積總表面積 314.16m2表面積相表面積相差差 10106 6倍倍直徑直徑10nm的的圓球形小液滴圓球形小液滴分成分成 1018個(gè)個(gè)直徑為直徑為 1cm的的球型小水滴球型小水滴表面積：表面積： 3.1416cm21213把物質(zhì)分散成細(xì)小微粒的程度，稱(chēng)為把物質(zhì)分散成細(xì)小微粒的程度，稱(chēng)為分散度分散度。 通常采用通常采用體積比表

4、面體積比表面或或質(zhì)量比表面質(zhì)量比表面來(lái)表示分散度的來(lái)表示分散度的大小，其定義為：?jiǎn)挝惑w積或單位質(zhì)量的物質(zhì)所具有大小，其定義為：?jiǎn)挝惑w積或單位質(zhì)量的物質(zhì)所具有的表面積。的表面積。體積比表面體積比表面VAAsVdef質(zhì)量比表面質(zhì)量比表面mAAsmdefA As s、V V、m m分別為物質(zhì)的總表面積、體積和質(zhì)量。分別為物質(zhì)的總表面積、體積和質(zhì)量。14 高的表面能必將引起特殊的表面性質(zhì)。高的表面能必將引起特殊的表面性質(zhì)。人腦的總表面積比猿腦大人腦的總表面積比猿腦大1010倍；倍；綠葉具有大的質(zhì)量表面，提高了光合作用的量子綠葉具有大的質(zhì)量表面，提高了光合作用的量子效率；效率；固體催化劑的催化作用，在于

5、其高活性的表面；固體催化劑的催化作用，在于其高活性的表面；達(dá)到達(dá)到nm級(jí)的超細(xì)微粒具有巨大的比表面積，因而級(jí)的超細(xì)微粒具有巨大的比表面積，因而具有許多獨(dú)特的表面效應(yīng)，成為新材料和多相催具有許多獨(dú)特的表面效應(yīng)，成為新材料和多相催化方面的研究熱點(diǎn)?；矫娴难芯繜狳c(diǎn)。15立方體邊長(zhǎng)l/m粒子數(shù) 總表面積As/m2體積表面AVm-110-21610-4610210-3103610-3610310-4106610-2610410-5109610-1610510-610126100610610-710156101610710-810186102610810-9102161036109表表 1cm1cm3

6、3立方體分散為小立方體時(shí)體積表面的變化立方體分散為小立方體時(shí)體積表面的變化16 1.1.表面張力表面張力 物質(zhì)表面層的分子與體相中分子所處的力場(chǎng)是不同物質(zhì)表面層的分子與體相中分子所處的力場(chǎng)是不同的。以氣的。以氣- -液表面分子與內(nèi)部分子受力情況為例，如左下液表面分子與內(nèi)部分子受力情況為例，如左下圖。圖。 液體內(nèi)部的任一分子，皆處于液體內(nèi)部的任一分子，皆處于同類(lèi)分子的包圍之中，平均來(lái)看，同類(lèi)分子的包圍之中，平均來(lái)看，該分子與周?chē)肿娱g的吸引力是球該分子與周?chē)肿娱g的吸引力是球形對(duì)稱(chēng)的，各個(gè)方向上的力彼此抵形對(duì)稱(chēng)的，各個(gè)方向上的力彼此抵消，其合力為零。然而表面層的分消，其合力為零。然而表面層的分子

7、處于不對(duì)稱(chēng)的環(huán)境中。子處于不對(duì)稱(chēng)的環(huán)境中。17為什么小液滴總是呈球形為什么小液滴總是呈球形因?yàn)榍蛐伪砻娣e最小因?yàn)榍蛐伪砻娣e最小，肥皂泡要用力吹才能變大肥皂泡要用力吹才能變大擴(kuò)大表面積需要對(duì)系統(tǒng)擴(kuò)大表面積需要對(duì)系統(tǒng)作功。作功。 液體內(nèi)部分子對(duì)它的吸引力，液體內(nèi)部分子對(duì)它的吸引力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液面上蒸氣分子對(duì)于它的遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液面上蒸氣分子對(duì)于它的吸引力。使表面層分子受到指向液吸引力。使表面層分子受到指向液體內(nèi)部的合力。體內(nèi)部的合力。 因而液體表面的分子總是趨向因而液體表面的分子總是趨向移往液體內(nèi)部，移往液體內(nèi)部，力圖縮小表面積力圖縮小表面積。18dAs，srdAWBnPTsrdAW,）（表面功表面功19

8、 表面張力表面張力的作用方向的作用方向 縮小表面積縮小表面積 力力 若想若想維持膜維持膜大小不變，加相反的外力大小不變，加相反的外力F，與，與 l 成正比成正比, 比例系數(shù)比例系數(shù) lF圖圖9-2 表面功示意圖表面功示意圖表面膜表面膜dx 表面張力表面張力引起液體表面收縮的引起液體表面收縮的單位長(zhǎng)度單位長(zhǎng)度上的力；上的力； 方向方向 垂直于單位長(zhǎng)度的邊界、與表面相切并指向液體方向。垂直于單位長(zhǎng)度的邊界、與表面相切并指向液體方向。F=2 l = F/(2l)單位單位： Nm-1 2液膜有兩個(gè)面。液膜有兩個(gè)面。 204.4.影響表面張力的因素影響表面張力的因素表面張力與物質(zhì)的本性有關(guān),分子之間的作

9、用力越大則表面張力也越大. (金屬) (離子)(極性)(非極性)與接觸相的性質(zhì)有關(guān)溫度增加,分子之間的作用力減弱,所以大多數(shù)物質(zhì)的表面張力也都將減小與溶液的組成有關(guān)21液面液面分為分為 水平液面水平液面 彎曲液面彎曲液面 凸液面凸液面(氣相中的液滴氣相中的液滴)，凹液面，凹液面(液體液體中的氣泡中的氣泡)液面與壓力液面與壓力 一定外壓，水平液面下的液體承受的壓一定外壓，水平液面下的液體承受的壓力力 = = p外外； 凸液面下的液體承受的凸液面下的液體承受的壓力壓力= = p外外+ p (彎曲彎曲液面產(chǎn)生的液面產(chǎn)生的附加壓力附加壓力)(1)彎曲液面的附加壓力彎曲液面的附加壓力 p 9.3 9.3

10、 液體的界面現(xiàn)象液體的界面現(xiàn)象1 彎曲液面的附加壓力彎曲液面的附加壓力拉普拉斯方程拉普拉斯方程22 彎曲液面的附加壓力彎曲液面的附加壓力 pgplpgpl p pg ppl pl =pgpl pgpl pg , pl = pg+ p 凸液面的附加壓力凸液面的附加壓力 壓力壓力表示表示 p內(nèi)內(nèi) 彎曲液面凹面一側(cè)的壓力彎曲液面凹面一側(cè)的壓力(pl )； p外外 彎曲液面凸面一側(cè)的壓力彎曲液面凸面一側(cè)的壓力(pg)附加壓力附加壓力 = 彎曲液面內(nèi)外的壓力差彎曲液面內(nèi)外的壓力差 p。附加壓力附加壓力定義定義： p= p內(nèi)內(nèi)-p外外 方向方向指向曲率半徑中心指向曲率半徑中心 液珠液珠(凸液面凸液面) p

11、= p內(nèi)內(nèi)-p外外= pl - pg 液體中氣泡液體中氣泡(凹液面凹液面) p= p內(nèi)內(nèi)-p外外= pg - pl p總是總是024（2） 拉普拉斯方程拉普拉斯方程2Prr: 彎曲液面的曲率半徑附加壓力與曲率半徑成反比,其方向指向曲率中心當(dāng)r一定時(shí), P與成正比凸形液面: r0, P0， PlPg，指向液體 凹形液面: r0,P 0， Pl0, Pr P （半徑越小蒸汽壓越大）凹形液面:r0, PrP(平面)P(凹形液面)（半徑越小偏離程度越大）實(shí)驗(yàn)表明，微小液滴的飽和蒸氣壓高于平面液體的飽和蒸氣實(shí)驗(yàn)表明，微小液滴的飽和蒸氣壓高于平面液體的飽和蒸氣壓，這說(shuō)明，蒸氣壓不但與溫度，壓力與物質(zhì)本性有

12、關(guān)，還壓，這說(shuō)明，蒸氣壓不但與溫度，壓力與物質(zhì)本性有關(guān)，還與液滴的大小，即其曲率半徑有關(guān)。與液滴的大小，即其曲率半徑有關(guān)。BBrRTrMpp2ln263.3.液體對(duì)固體的潤(rùn)濕作用液體對(duì)固體的潤(rùn)濕作用 潤(rùn)濕潤(rùn)濕是指：固體表面上的氣體是指：固體表面上的氣體( (或液體或液體) )被液體被液體( (或另一種液體或另一種液體) )取代的現(xiàn)象。取代的現(xiàn)象。 潤(rùn)濕類(lèi)型可分為：沾附潤(rùn)濕、浸漬潤(rùn)濕、鋪展?jié)櫇駶?rùn)濕類(lèi)型可分為：沾附潤(rùn)濕、浸漬潤(rùn)濕、鋪展?jié)櫇?潤(rùn)濕的三種類(lèi)型(a)沾濕固體液體固體液體(b)浸漬潤(rùn)濕(c)鋪展?jié)櫇窆腆w液體27 沾附潤(rùn)濕沾附潤(rùn)濕: 氣氣- -固界面和氣固界面和氣- -液界面被液界面被 液液

13、- -固界面所取代的過(guò)程固界面所取代的過(guò)程. 沾濕過(guò)程沾濕過(guò)程(動(dòng)畫(huà)動(dòng)畫(huà))2. 浸濕潤(rùn)濕浸濕潤(rùn)濕: 固體浸入液體時(shí)氣固體浸入液體時(shí)氣- -固界面固界面完全被液完全被液- -固界面所取代的過(guò)程固界面所取代的過(guò)程.浸濕過(guò)程浸濕過(guò)程(動(dòng)畫(huà)動(dòng)畫(huà))28s3.鋪展鋪展: 少量液體在光滑固少量液體在光滑固(或液或液)體表面展體表面展開(kāi)成薄膜的過(guò)程（液體則不互溶）開(kāi)成薄膜的過(guò)程（液體則不互溶）.29SL-g界面可忽略界面可忽略Sg界面界面SSL界面界面Lg界面界面鋪展過(guò)程鋪展過(guò)程30鋪展系數(shù)鋪展系數(shù)(spreading coefficient)-s -gl -s - lgsAG當(dāng)當(dāng) G0時(shí)，鋪展過(guò)程可以自發(fā)進(jìn)

14、行時(shí)，鋪展過(guò)程可以自發(fā)進(jìn)行SAGs- -g- ll - sg- s31潤(rùn)濕作用應(yīng)用潤(rùn)濕作用應(yīng)用 增加潤(rùn)濕作用增加潤(rùn)濕作用 降低潤(rùn)濕作用降低潤(rùn)濕作用 礦物浮選礦物浮選321 農(nóng)藥噴灑農(nóng)藥噴灑.由于大多農(nóng)藥水溶性差由于大多農(nóng)藥水溶性差,對(duì)植物的對(duì)植物的莖葉莖葉潤(rùn)潤(rùn)濕不好濕不好,一是滾落浪費(fèi)一是滾落浪費(fèi),二是不能展開(kāi)而殺蟲(chóng)效果差二是不能展開(kāi)而殺蟲(chóng)效果差,此此時(shí)就要用到表面活性劑時(shí)就要用到表面活性劑surface active agent-SAA,加入表面活性劑加入表面活性劑,提高潤(rùn)濕程度提高潤(rùn)濕程度,即可大大提高藥效即可大大提高藥效.2另一類(lèi)也是利用表面活性劑另一類(lèi)也是利用表面活性劑,但作用正相反但

15、作用正相反,使某些物使某些物質(zhì)本是潤(rùn)濕的變成不潤(rùn)濕質(zhì)本是潤(rùn)濕的變成不潤(rùn)濕去潤(rùn)濕作用去潤(rùn)濕作用.原理是用表原理是用表面活性物質(zhì)的極性部分選擇性吸附面活性物質(zhì)的極性部分選擇性吸附,非極性部分向外呈非極性部分向外呈憎水性憎水性.典型的就是礦石的浮選典型的就是礦石的浮選,富集礦物富集礦物. 一次性抽血器中盛血的玻璃管一次性抽血器中盛血的玻璃管(定量的定量的),內(nèi)壁要疏內(nèi)壁要疏水化水化,使用的是硅偶聯(lián)劑使用的是硅偶聯(lián)劑,使血液在管內(nèi)不殘留使血液在管內(nèi)不殘留. 33浮游選礦浮游選礦 首先將粗礦磨碎，傾入浮選池中。在池水中加入首先將粗礦磨碎，傾入浮選池中。在池水中加入捕集劑和起泡劑捕集劑和起泡劑等表面活性劑

16、。等表面活性劑。 攪拌并從池底鼓氣，帶有有效礦粉的氣泡聚集表攪拌并從池底鼓氣，帶有有效礦粉的氣泡聚集表面，收集并滅泡濃縮，從而達(dá)到了富集的目的。面，收集并滅泡濃縮，從而達(dá)到了富集的目的。 不含礦石的泥砂、巖石留在池底，定時(shí)清除。不含礦石的泥砂、巖石留在池底，定時(shí)清除。34浮游選礦浮游選礦浮游選礦的原理圖 選擇合適的捕集劑，使它的親水基團(tuán)只吸在礦砂的表面，憎水基朝向水。 當(dāng)?shù)V砂表面有5%被捕集劑覆蓋時(shí)，就使表面產(chǎn)生憎水性，它會(huì)附在氣泡上一起升到液面，便于收集。35接觸角接觸角(contact angle)接觸角的示意圖：接觸角的示意圖：潤(rùn)濕潤(rùn)濕親液性固體親液性固體lsgANM s-l s-g l

17、-g 36不潤(rùn)濕不潤(rùn)濕憎液性固體憎液性固體lsgANM s-l s-g l-g 接觸角接觸角(contact angle)37 在氣、液、固三相交界點(diǎn)，氣-液與液-固界面張力之間的夾角稱(chēng)為接觸角(contact angle)，通常用 表示。 若接觸角大于90，說(shuō)明液體不能潤(rùn)濕固體，如汞在玻璃表面； 若接觸角小于90，液體能潤(rùn)濕固體，如水在潔凈的玻璃表面。38接觸角接觸角(contact angle)cos)()()(lgslsgYoung方程方程: s-l s-g l-g )()()(coslgslsg-39接觸角接觸角(contact angle)YoungYoung方程方程（1 1）完全潤(rùn)

18、濕）完全潤(rùn)濕 液體可以在固體表面完全鋪展開(kāi)來(lái)；液體可以在固體表面完全鋪展開(kāi)來(lái)； cos1,0s gs ll g-時(shí)s gs ll g-（2 2）潤(rùn)濕）潤(rùn)濕 固體能為液體所潤(rùn)濕；固體能為液體所潤(rùn)濕； 0 1cos0,90s gs ll g-時(shí)，)()()(coslgslsg-40接觸角接觸角(contact angle)（3 3）不潤(rùn)濕）不潤(rùn)濕 固體不能為液體所潤(rùn)濕；固體不能為液體所潤(rùn)濕； cos0,90180s gs l-時(shí)，coss gs ll g-YoungYoung方程方程41毛細(xì)現(xiàn)象：毛細(xì)現(xiàn)象： 將一支半徑一定的毛細(xì)管垂直插入將一支半徑一定的毛細(xì)管垂直插入某液體中。若某液體中。若 角角

19、Tb才發(fā)生明顯吸才發(fā)生明顯吸附。附。性質(zhì)性質(zhì)602.2.等溫吸附等溫吸附 吸附量：當(dāng)吸附平衡時(shí)，單位質(zhì)量吸附劑，吸附的吸附量：當(dāng)吸附平衡時(shí)，單位質(zhì)量吸附劑，吸附的氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況（氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況（0 C ，100 kPa）下的體積）下的體積V。mV61 固體對(duì)氣體的吸附量是溫度與壓力的函數(shù)。所以在研究固體對(duì)氣體的吸附量是溫度與壓力的函數(shù)。所以在研究中常常固定一個(gè)變量，研究其它兩個(gè)變量間的關(guān)系。經(jīng)常中常常固定一個(gè)變量，研究其它兩個(gè)變量間的關(guān)系。經(jīng)常用的有三種方程：用的有三種方程： 1）壓力壓力（p）一定，吸附量與溫度關(guān)系，一定，吸附量與溫度關(guān)系，吸附等壓線吸附等壓線： const)(pTf con

20、st)(TfppfT或或2）吸附量一定，平衡壓力與溫度關(guān)系，吸附量一定，平衡壓力與溫度關(guān)系，吸附等量線吸附等量線3）溫度一定，吸附量與壓力關(guān)系，）溫度一定，吸附量與壓力關(guān)系，吸附等溫線吸附等溫線const)()(Tpf62五種五種g-s吸附等溫線：吸附等溫線：p*為吸附質(zhì)在測(cè)量溫度下，實(shí)現(xiàn)液化的最小壓力。為吸附質(zhì)在測(cè)量溫度下，實(shí)現(xiàn)液化的最小壓力。V a01 01 01 0101p/p*(Langmuir型型)(S型型)單分子層單分子層多層多層(毛細(xì)毛細(xì)凝結(jié)凝結(jié))無(wú)飽和無(wú)飽和弱吸附弱吸附+aBmV,吸附等溫線吸附等溫線63 對(duì)各種吸附等溫線的說(shuō)明及應(yīng)用對(duì)各種吸附等溫線的說(shuō)明及應(yīng)用：化學(xué)吸附及物理

21、吸附中的微孔吸附：化學(xué)吸附及物理吸附中的微孔吸附(多層與毛細(xì)管凝結(jié)至多層與毛細(xì)管凝結(jié)至孔滿孔滿)。如：。如：O2在硅膠上的吸附；在硅膠上的吸附；NH3在在C上的吸附等。上的吸附等。：5nm以上的微孔吸附：當(dāng)以上的微孔吸附：當(dāng)p/p*為為0-0.1時(shí)，是單分子層吸附，時(shí)，是單分子層吸附，0.1-0.4時(shí)，為多分子層吸附；時(shí)，為多分子層吸附；0.4以上為毛細(xì)管凝結(jié)；最后為以上為毛細(xì)管凝結(jié)；最后為一般冷凝。孔徑無(wú)上限，所以無(wú)飽和。如：低溫一般冷凝。孔徑無(wú)上限，所以無(wú)飽和。如：低溫78K時(shí)，時(shí)，N2在在Si膠及膠及Fe催化劑上的吸附等。催化劑上的吸附等。：微孔徑在：微孔徑在2-20nm間，當(dāng)間，當(dāng)p/p*1時(shí)，大孔被