表面積與表面吉布斯能ppt課件

1、第八章第八章 外表景象外表景象水滴為什么是圓水滴為什么是圓形而不是方形？形而不是方形？荷葉效應(yīng)荷葉效應(yīng)外表景外表景象象物理化學(xué)意義上的相物理化學(xué)意義上的相界面是指兩相之間具有界面是指兩相之間具有幾個(gè)分子直徑厚度的過(guò)幾個(gè)分子直徑厚度的過(guò)渡區(qū)。渡區(qū)。氣氣液界面：涂層、潤(rùn)濕、泡沫液界面：涂層、潤(rùn)濕、泡沫氣氣固界面：吸附、催化、污染、氣固界面：吸附、催化、污染、氣-液色譜液色譜液液液界面：乳液、凈洗、三次采油液界面：乳液、凈洗、三次采油液液固界面：洗滌和凈化、粘合、光滑、膠體固界面：洗滌和凈化、粘合、光滑、膠體固固固界面固界面根據(jù)構(gòu)成界面的物質(zhì)的聚集形狀可將界面分為根據(jù)構(gòu)成界面的物質(zhì)的聚集形狀可將界面

2、分為1、定義有點(diǎn)模糊；、定義有點(diǎn)模糊；2、具有、具有“穩(wěn)定的邊境；穩(wěn)定的邊境；3、能量最低原理。、能量最低原理。第一節(jié)外表積與外表吉布斯能第一節(jié)外表積與外表吉布斯能凝聚相的物質(zhì)的外表積與分散程度有關(guān)，凝聚相的物質(zhì)的外表積與分散程度有關(guān)，分散程度越高，外表積越大。分散程度越高，外表積越大。 一、外表一、外表積積通常用單位質(zhì)量物質(zhì)所具有的外表積通常用單位質(zhì)量物質(zhì)所具有的外表積as表示物質(zhì)的分散程度表示物質(zhì)的分散程度 比外表比外表specific surface area mAa s單位體積物質(zhì)所具有的外表積單位體積物質(zhì)所具有的外表積 aVVAaV 單位為單位為m2kg1或或m2g1。 單位為單位為

3、m1。 目前常用的測(cè)定外表積的方法有目前常用的測(cè)定外表積的方法有BET法和色譜法。法和色譜法。如：如： 多孔硅膠的比外表積可達(dá)多孔硅膠的比外表積可達(dá)300700m2g-1,活性活性炭炭10002000 m2g-1。一、外表一、外表積積例例8-1：分割半徑為：分割半徑為r的液滴，使成為半徑的液滴，使成為半徑 的小液的小液滴，假設(shè)液滴為球形，試計(jì)算分割后的液滴總外表積滴，假設(shè)液滴為球形，試計(jì)算分割后的液滴總外表積A1和和原液滴外表積原液滴外表積A之比。之比。 101rr 解解: 球形外表積球形外表積A = 4 r 2 , 體積體積343Vrp=分割后的液滴數(shù)目分割后的液滴數(shù)目 3313143104

4、3rnrpp=分割后液滴的外表積分割后液滴的外表積 A1 = n1 4 r12 = 104 r2 101 AA分割前后液滴外表積之比分割前后液滴外表積之比在高度分散體系中外表效應(yīng)不容忽視。在高度分散體系中外表效應(yīng)不容忽視。 把物質(zhì)分散成細(xì)小微粒的程度稱為分散度?？梢宰C明當(dāng)rn=r/10n時(shí)，An/A=10n，即分散度越高，比外表也越大。邊長(zhǎng)l/m 立方體數(shù) 比外表Av/m2/m3110-2 1 6 102 110-3 103 6 103 110-5 109 6 105 110-7 1015 6 107 110-9 1021 6 109 外表效應(yīng)外表效應(yīng)-指物質(zhì)高度分散，比外表積和比外表能與同種

5、大指物質(zhì)高度分散，比外表積和比外表能與同種大塊物質(zhì)相比產(chǎn)生塊物質(zhì)相比產(chǎn)生107倍的變化，給物理性質(zhì)、熱力學(xué)性質(zhì)、倍的變化，給物理性質(zhì)、熱力學(xué)性質(zhì)、動(dòng)力學(xué)性質(zhì)帶來(lái)顯著的影響。動(dòng)力學(xué)性質(zhì)帶來(lái)顯著的影響。二、外表吉布斯能和外表張力二、外表吉布斯能和外表張力 1.外表吉布斯能外表吉布斯能 以以l-g 外表為例，液體外表分子與內(nèi)部分子受力情況不同外表為例，液體外表分子與內(nèi)部分子受力情況不同 內(nèi)部：分子作用力合力內(nèi)部：分子作用力合力0，挪動(dòng)時(shí)能量沒(méi)有變化，挪動(dòng)時(shí)能量沒(méi)有變化 外表：分子作用力合力指向液體內(nèi)部，外表：分子作用力合力指向液體內(nèi)部，環(huán)境作功環(huán)境作功 轉(zhuǎn)化為外表能轉(zhuǎn)化為外表能 外表積添加外表積添加

6、 當(dāng)把體相分子拉向外表時(shí)當(dāng)把體相分子拉向外表時(shí) T,p,n不變不變 體積V外表積S小體積V不變外表積S大根據(jù)熱力學(xué)第二定律根據(jù)熱力學(xué)第二定律 r,dBWGnpT 定義外表吉布斯能定義外表吉布斯能 B,npTAG單位為單位為Jm2。 外表功的大小和外表功的大小和dA成正比：成正比：Wr = dA 式中式中 為比例系數(shù)為比例系數(shù) 二、外表吉布斯能和外表二、外表吉布斯能和外表張力張力 式中式中 為外表吉布斯能或外表能，其物理意義為當(dāng)為外表吉布斯能或外表能，其物理意義為當(dāng)T，P及組成恒定的條件下，添加單位外表積時(shí)體系吉布斯能的及組成恒定的條件下，添加單位外表積時(shí)體系吉布斯能的增量。增量。2. 外表張力

7、外表張力二、外表吉布斯能和外表二、外表吉布斯能和外表張力張力 這些景象闡明，在液體外表存在一種這些景象闡明，在液體外表存在一種使液面收縮的力，稱外表張力使液面收縮的力，稱外表張力surface tension或界面張力或界面張力interfacial tension。外表張力是平行于外表，并垂直作用外表張力是平行于外表，并垂直作用在外表上單位長(zhǎng)度線段上的外表收縮力。在外表上單位長(zhǎng)度線段上的外表收縮力。 外表張力的推導(dǎo)外表張力的推導(dǎo) 膜收縮張力膜收縮張力F F所作的功：所作的功： W = F d x W = F d x 在此過(guò)程中吉布斯能的減少為：在此過(guò)程中吉布斯能的減少為： dA= 2 l d

8、 x dA= 2 l d x 所以所以= F/ 2 l= F/ 2 l2FFll式中式中 為比例常數(shù)，是作用于液面上單位長(zhǎng)度線段上的為比例常數(shù)，是作用于液面上單位長(zhǎng)度線段上的力，即外表張力，單位是力，即外表張力，單位是Nm-1Nm-1。外表張力是強(qiáng)度性質(zhì)。外表張力是強(qiáng)度性質(zhì)。 外表吉布斯能和外表張力是完全等價(jià)的，具有等價(jià)的量外表吉布斯能和外表張力是完全等價(jià)的，具有等價(jià)的量綱和一樣的數(shù)值。綱和一樣的數(shù)值。二、外表吉布斯能和外表二、外表吉布斯能和外表張力張力 液體外表張力的測(cè)定方法有：毛細(xì)管上升法這是最簡(jiǎn)單也是最準(zhǔn)確的方法、最大泡壓法、滴重法、吊片法等。固體外表張力的測(cè)定很困難，直至如今還沒(méi)于直接

9、可靠的測(cè)定方法。外表張力的測(cè)定方外表張力的測(cè)定方法法三、影響外表吉布斯能的要素三、影響外表吉布斯能的要素 1. 組成外表的物質(zhì)組成外表的物質(zhì)物質(zhì)內(nèi)部的分子間引力引起外表吉布斯能，分子間作用力越大，物質(zhì)內(nèi)部的分子間引力引起外表吉布斯能，分子間作用力越大，外表吉布斯能越大。外表吉布斯能越大。外表吉布斯能的大小還和構(gòu)成相界面的另一相有關(guān)。外表吉布斯能的大小還和構(gòu)成相界面的另一相有關(guān)。液體液體/空氣空氣外表能外表能/ Jm2液體液體/液體液體外表能外表能/ Jm2水水72.75103苯苯/水水35.0103苯苯28.88103橄欖油橄欖油/水水22.8103乙醇乙醇22.27103液體石蠟液體石蠟/水

10、水53.1103甘油甘油63.0103乙醚乙醚/水水9.7103液體石蠟液體石蠟33.1103正丁醇正丁醇/水水1.8103橄欖油橄欖油35.8103苯苯/汞汞357103汞汞484103水水/汞汞3751032. 溫度溫度升高溫度升高溫度 分子的動(dòng)能添加分子的動(dòng)能添加 分子間的相互作用力減弱分子間的相互作用力減弱同時(shí)升高溫度同時(shí)升高溫度 使兩相之間的密度差減小。使兩相之間的密度差減小。以此多數(shù)液體物質(zhì)，溫度升高，物質(zhì)的外表張力下降。以此多數(shù)液體物質(zhì)，溫度升高，物質(zhì)的外表張力下降。四、影響外表吉布斯能的要素四、影響外表吉布斯能的要素 一些閱歷公式描畫了外表張力和溫度之間的關(guān)系，其中一些閱歷公式

11、描畫了外表張力和溫度之間的關(guān)系，其中一個(gè)關(guān)于純液體的閱歷公式為一個(gè)關(guān)于純液體的閱歷公式為 = 0 ( 1 T/TC )n式中為式中為TC為臨界溫度，為臨界溫度， 為液體在溫度為液體在溫度T時(shí)的外表張力，時(shí)的外表張力，0 和和 n 為常數(shù)，對(duì)于多數(shù)有機(jī)液體為常數(shù)，對(duì)于多數(shù)有機(jī)液體n等于等于11/ 9。3. 濃度濃度濃度對(duì)外表吉布斯能的影響，與溶液的性質(zhì)有關(guān)。濃度對(duì)外表吉布斯能的影響，與溶液的性質(zhì)有關(guān)。四、外表的熱力學(xué)關(guān)系式四、外表的熱力學(xué)關(guān)系式 在思索到系統(tǒng)做非體積功在思索到系統(tǒng)做非體積功外表功時(shí)，多組分系統(tǒng)的熱外表功時(shí)，多組分系統(tǒng)的熱力學(xué)函數(shù)根本關(guān)系式可以表示為：力學(xué)函數(shù)根本關(guān)系式可以表示為：

12、 在指定變量和組成不變的條件下，外表吉布斯能在指定變量和組成不變的條件下，外表吉布斯能BBBBnpTnVTnpSnVSAGAFAHAU, BBBdd dddnAVpSTU BBBdd dddnApVSTH BBBdd dddnApVTSG BBBdd dddnAVpTSF 外表外表GibbsGibbsHelmholtzHelmholtz公式公式0,AppTTTAH由于外表積添加外表熵也添加，在等溫等壓條件下構(gòu)成新的由于外表積添加外表熵也添加，在等溫等壓條件下構(gòu)成新的外表時(shí)，系統(tǒng)從環(huán)境吸熱。外表時(shí)，系統(tǒng)從環(huán)境吸熱。運(yùn)用全微分的性質(zhì)運(yùn)用全微分的性質(zhì), , 由由dAVdpSdTdG可得：BB, ,n, ,nT PA pSAT BBBBB, ,n, ,n, ,n, ,n, ,nT pT pT pT pp AGHSHTTAAAAT那那么么具有宏大外表積的系統(tǒng)是熱力學(xué)不穩(wěn)定系統(tǒng)具有宏大外表積的系統(tǒng)是熱力學(xué)不穩(wěn)定系統(tǒng)pTAG,在等溫等壓條件下即,T pdGdA對(duì)純液體在一定溫度和壓力下，為一定值。當(dāng)系統(tǒng)分散度越大，A 越大，那么G 越高，闡明了系統(tǒng)更加不穩(wěn)