表面現(xiàn)象12-1

1、表面現(xiàn)象表面現(xiàn)象物理化學(xué)電子教案物理化學(xué)電子教案第十二章第十二章 表面現(xiàn)象是普遍存在的，從工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)到人們的日常生活，幾乎是到處都涉及表面現(xiàn)象。比如：人工降雨、過(guò)冷水、過(guò)飽和蒸汽、過(guò)飽和溶液等，都與表面現(xiàn)象有關(guān)。 另外，表面現(xiàn)象在科學(xué)研究領(lǐng)域：如材料物理、生命科學(xué)、液體體系的交叉的研究與應(yīng)用都起著非常重要的作用?，F(xiàn)代表面科學(xué)能在分子和原子層次上揭示諸多交叉科學(xué)中的科學(xué)本質(zhì)。 在不遠(yuǎn)的將來(lái)，表面科學(xué)可能會(huì)在材料科學(xué)、生命科學(xué)、天體物理學(xué)、環(huán)境科學(xué)等方面出現(xiàn)新的突破。第十二章第十二章表面現(xiàn)象表面現(xiàn)象2007年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者是來(lái)自德國(guó)馬普弗利茲-哈伯研究所的格哈特埃爾特（Gerhard Ertl

2、）。他是因在固體表面的化學(xué)過(guò)程研究中所作出的開(kāi)拓性貢獻(xiàn)獨(dú)得該獎(jiǎng)。格哈特埃爾特（Gerhard Ertl）第十二章第十二章表面現(xiàn)象表面現(xiàn)象 格哈特埃特爾是首批發(fā)現(xiàn)新技術(shù)潛力的科學(xué)家之一。他逐步建立表面化學(xué)的研究方法，向人們展示不同實(shí)驗(yàn)過(guò)程產(chǎn)生表面反應(yīng)的全貌。這門科學(xué)需要先進(jìn)的真空實(shí)驗(yàn)設(shè)備，以觀察金屬上原子和分子層次如何運(yùn)作，確定何種物質(zhì)被置入系統(tǒng)。 他應(yīng)用哈伯-博施法可以從空氣中提取氮，這一點(diǎn)具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。埃特爾還對(duì)鉑催化劑上一氧化碳氧化反應(yīng)進(jìn)行研究，這種化學(xué)反應(yīng)主要發(fā)生在汽車催化劑中，以過(guò)濾汽車產(chǎn)生的廢氣。第十二章第十二章表面現(xiàn)象表面現(xiàn)象12.1 表面自由能和表面張力12.2 彎曲液面的

3、附加壓力和蒸汽壓12.3 溶液的表面吸附12.4 表面膜12.5 潤(rùn)濕與鋪展12.6 表面活性劑及其應(yīng)用12.7 固體表面的吸附第十二章第十二章表面現(xiàn)象表面現(xiàn)象 表面現(xiàn)象及其本質(zhì) 表面自由能 表面張力 表面張力與體系的熱力學(xué)性質(zhì)12.1 表面自由能和表面張力什么是表面? 凝聚態(tài)(液態(tài)、固態(tài))物質(zhì)與其飽和蒸氣或空氣達(dá)成平衡時(shí)，在兩相緊密接觸、約有幾個(gè)分子厚度的過(guò)渡區(qū)，稱為該凝聚態(tài)的表面（surface）。什么是界面? 不同相態(tài)之間，兩相緊密接觸、約有幾個(gè)分子厚度的過(guò)渡區(qū)，稱為該兩相的界面（interface）。12.1.1 表面現(xiàn)象及其本質(zhì) 常見(jiàn)的界面有： 氣-液界面 但沒(méi)有氣-氣界面，不同氣體

4、接觸總是很快就混合均勻。氣-固界面液-液界面液-固界面固-固界面12.1.1 表面現(xiàn)象及其本質(zhì)氣-液界面空氣空氣4CuSO溶液氣氣- -液液界面界面12.1.1 表面現(xiàn)象及其本質(zhì)氣-固界面氣氣- -固界面固界面氣氣- -固界面固界面12.1.1 表面現(xiàn)象及其本質(zhì)液-液界面2H OHg液-液界面12.1.1 表面現(xiàn)象及其本質(zhì)液-固界面玻璃板玻璃板Hg2H O液液- -固界面固界面12.1.1 表面現(xiàn)象及其本質(zhì)固-固界面鐵管鐵管CrCr鍍層鍍層固固- -固界面固界面12.1.1 表面現(xiàn)象及其本質(zhì)表面現(xiàn)象的本質(zhì) 表面層分子與內(nèi)部分子相比，它們所處的環(huán)境不同，受力不等。 體相內(nèi)部分子所受四周鄰近相同分

5、子的作用力是對(duì)稱的，各個(gè)方向的力彼此抵銷，受力總和為零。如紅色球所示。12.1.1 表面現(xiàn)象及其本質(zhì)因?yàn)樘幵诮缑鎸拥姆肿?，由于兩相密度不等，其作用力不能相互抵銷，如蘭色球所示。正由于這剩余價(jià)力的存在，使界面層顯示出一些獨(dú)特的性質(zhì)。如：表面張力表面吸附毛細(xì)現(xiàn)象潤(rùn)濕與鋪展等等。12.1.1 表面現(xiàn)象及其本質(zhì)什么是表面功?式中 為比例系數(shù) 在溫度、壓力和組成恒定時(shí)，可逆地使表面積增加 dA 所需要環(huán)境對(duì)體系做的功，稱為表面功。用公式表示為： 在數(shù)值上等于在等T，等p及組成恒定的條件下，增加單位表面積時(shí)環(huán)境對(duì)系統(tǒng)做的表面功。.df RWA12.1.2 表面自由能 在等溫、等壓和組成不變的條件下，環(huán)境對(duì)

6、系統(tǒng)做的可逆表面功就等于系統(tǒng)自由能的增加值Bs, ,T p nGA 物理意義： 保持溫度、壓力和組成不變，每增加單位表面積時(shí)，Gibbs自由能的增加值稱為表面Gibbs自由能，或簡(jiǎn)稱表面自由能或表面能。則表面自由能為：?jiǎn)挝粸?J m. f RWdGSdAdG.12.1.2 表面自由能 在等溫、等壓和組成不變的條件下，系統(tǒng)總的表面自由能都有自發(fā)向減小的方向變化的趨勢(shì)。 所以液體都有自動(dòng)收縮，來(lái)降低自身表面積的這種特性。 為什么小液滴、小氣泡都呈球形？ 相同體積的物質(zhì)，構(gòu)成球形時(shí)表面積最小，具有的總表面自由能最低。12.1.2 表面自由能mNJ.11 又因?yàn)?.mN的單位又可化作（牛頓.米-1）由

7、于牛頓是力的單位，所以在物理學(xué)上又叫“又叫表面張力”。 12.1.3 表面張力從能量的角度叫表面自由能從力的角度叫表面張力二者都是強(qiáng)度性質(zhì)，數(shù)值相同，量綱相同，單位不同，物理意義不同。2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l 將一含有一個(gè)活動(dòng)邊框的金屬線框架放在肥皂液中，然后取出懸掛，活動(dòng)邊在下面。 去掉活動(dòng)邊插銷，由于金屬框上的肥皂膜的表面張力作用，可滑動(dòng)的邊會(huì)被向上拉，直至頂部。 12.1.3 表面張力如果在活動(dòng)邊框上掛一重物這時(shí) 12()Fmmg l 是滑動(dòng)邊的長(zhǎng)度，因膜有兩個(gè)面，所以邊界總長(zhǎng)度為2l2 l2m使重物質(zhì)量m2與

8、邊框質(zhì)量m1所產(chǎn)生的重力F與總的表面張力大小相等方向相反，則金屬絲不再滑動(dòng)。2Fl 就是作用于單位邊界上的表面收縮力。 12.1.3 表面張力什么是表面張力？ 在表面上，表面張力無(wú)處不在，只是在液體表面中間，任意邊界兩邊的表面張力對(duì)消,看不出來(lái)罷了。表面張力的單位是： 在一定溫度和壓力下，在兩相(特別是氣-液)界面上，處處存在著一種張力垂直作用于邊界單位長(zhǎng)度線段上的表面收縮力，稱為表面張力。這種力垂直于單位長(zhǎng)度的邊界，指向液體內(nèi)部并與表面相切。1N m 12.1.3 表面張力 在金屬線框中間系一線圈，一起浸入肥皂液中，然后取出，上面形成一液膜。 若刺破線圈中央的液膜，線圈內(nèi)側(cè)張力消失，外側(cè)表面

9、張力立即將線圈繃成一個(gè)圓形，如圖，清楚的顯示出表面張力的存在。 由于以線圈為邊界的兩邊表面張力大小相等方向相反，故線圈成任意形狀可在液膜上移動(dòng)。(a)(b) 12.1.3 表面張力 12.1.3 表面張力溫度升高，表面張力下降 表面張力與溫度的有關(guān)當(dāng)達(dá)到臨界溫度Tc時(shí)，表面張力趨向于零。這是因?yàn)闇囟壬吆螅?）分子振動(dòng)加劇，彼此作用力減弱（2）氣相與液相的密度差下降，表面層分子的剩余價(jià)力變小。 到達(dá)臨界溫度時(shí)氣相與液相的密度相同，氣-液界面消失，表面張力趨向于零。影響表面張力的因素 12.1.3 表面張力表面張力是物質(zhì)本身的特性，不同的物質(zhì)表面張力是不等的對(duì)純液體或純固體，表面張力的大小決定于

10、分子間相互作用能的強(qiáng)弱。一般化學(xué)鍵越強(qiáng)，表面張力越大。 表面張力與物質(zhì)的種類有關(guān) 表面張力與共存的另一相有關(guān)如水與空氣相接觸 20(.0728. 01mN）水與汞相接觸）20(.375. 01mN 12.1.3 表面張力dUTdSPdVdAdHTdSVdPdAdASdTPdVdAdGSdTVdpdA .()()()S VS PT VUHAAAA表面張力與熱力學(xué)性質(zhì) 根據(jù)熱力學(xué)一、二定律聯(lián)合公式，對(duì)純物質(zhì)的可逆過(guò)程,在相應(yīng)特征變量恒定的條件下，可得到：PTAG.)( 12.1.3 表面張力在等溫等壓下：.dGdA.dGSdTdA 在等壓下：.,.()()()()()()P A T PT PT P

11、P AT PP AP AGSATASATGTAT STHGSTGHATTAAP.)(.AG.ATSAP.)(.ATTHAP)(.ATTSTQAPR.)( 12.1.3 表面張力解：GW/.WAATSAP.)(.22214 .4 .Anrrn和r1未知，需要求解。331110 104.3Vr3224.3Vnr可求出r1V1=V2 可求出n代入上邊的式子求出A = 60m2W= 0.432JG0.432J例1：在101.3Ka，室溫下測(cè)得水的表面張力隨溫度的變化關(guān)系式為：（J.m-2)=7.971041.57105 T，求298K、101.3Kpa下，將1滴質(zhì)量為10g的水霧化為粒徑為1m 的水霧

12、時(shí)，最小需做功多少？并求系統(tǒng)的S、G. 12.1.3 表面張力()rsAT 52121.57 10.60J mKm42. 914.10KJ(a) (a) 當(dāng)拉線或拉環(huán)時(shí)當(dāng)拉線或拉環(huán)時(shí)思考題：當(dāng)外力作用時(shí)，對(duì)應(yīng)的表面張力的方向如何？（b b） 在重力作用下的懸滴在重力作用下的懸滴12.2 彎曲液面的附加壓力作業(yè)：399，12. 常壓下水的比表面能（J.m-2）與溫度的關(guān)系為：（7.551021.4104 t/）J.m-2。若在10時(shí)保持水的總體積不變而改變其表面積，試求：（1）使水的表面積可逆增加1.00cm2,必須做多少功？（2）上述過(guò)程中的U、 H、 A、 G以及吸收的熱各為多少？12.2

13、彎曲液面的附加壓力1. 彎曲液面的附加壓力2. Young-Laplace 公式3. 毛細(xì)管現(xiàn)象12.2 彎曲液面的附加壓力12.2.1 彎曲液面的附加壓力12.2 彎曲液面的附加壓力 研究液面任意小圓圈A周圍的受力情況，由于邊界上每點(diǎn)的兩邊都存在表面張力，大小相等，方向相反，所以沒(méi)有附加壓力。 設(shè)向下的大氣壓力為po，向上的反作用力也為po ，附加壓力ps等于零。s000ppp液面正面圖水平液面12.2 彎曲液面的附加壓力0spp凸液面 在液滴球面上A小圈周圍的受力情況,由于每點(diǎn)兩邊的表面張力都與液面相切,大小相等，但不在同一平面上,不能相消,會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向下的合力。這合力稱為附加壓力,指向圓

14、心所有點(diǎn)產(chǎn)生的合力之和為sp球面上受的總壓力為：sp12.2 彎曲液面的附加壓力凹液面0spp這合力稱為附加壓力,指向圓心所有點(diǎn)產(chǎn)生的合力之和為sp氣泡內(nèi)壁受的總壓力為： 在氣泡內(nèi)壁上A小圈周圍的受力情況,由于每點(diǎn)兩邊的表面張力都與內(nèi)壁相切,大小相等，但不在同一平面上,不能相消,會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向圓心的合力。spAsp0p溶液12.2 彎曲液面的附加壓力 1805年Young-Laplace 導(dǎo)出了附加壓力與曲率半徑之間的關(guān)系式.為簡(jiǎn)便起見(jiàn),只考慮球形 在毛細(xì)管內(nèi)充滿液體，管端有半徑為R 的球狀液滴與之平衡。 外壓為 p0 ，附加壓力為 ps ,液滴所受總壓為：0sppspR0p12.2.2 YoungLaplace公式12.2 彎曲液面的附加壓力 對(duì)活塞稍加壓力，將毛細(xì)管內(nèi)液體壓出少許，使液滴體積增加dV，相應(yīng)地其表面積增加dA。R0psp 這時(shí)克服附加壓力ps環(huán)境所作的體積功應(yīng)等于可逆增加表面積環(huán)境所作的表面功（Gibbs自由能）。ssddp VA12.2 彎曲液面的附加壓力s2pR34 3VR代入24AR2 d4dVRRd8dAR Rssddp VA得這就是Young