固液界面講稿

1、關(guān)于固液界面第一張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4.1 Young方程和接觸角 潤(rùn)濕作用實(shí)際上涉及氣、液、固三相界面。 因?yàn)楣腆w表面的不均勻性及固體表面能不能直接測(cè)量，加上液體分子結(jié)構(gòu)與固態(tài)相比沒(méi)有那么整齊，與氣體相比分子間距又很小，分子間作用力不能不考慮，這就使得固一液一氣三相界面十分復(fù)雜。第二張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 將一液滴滴在固體表面上，形狀如圖：Young方程和接觸角第三張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 固氣界面張力為SG 固液界面張力為SL 液氣界面張力為L(zhǎng)G 重點(diǎn)：根據(jù)界面張力的定義，平衡時(shí)，3個(gè)界面張力在O點(diǎn)處相互作用的合力為0Young方

2、程和接觸角第四張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 接觸角的定義 在三相交界處自固液界面經(jīng)液體內(nèi)部到氣液界面的夾角 三相界面張力服從Young方程，即Young方程和接觸角第五張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 通過(guò)的大小來(lái)判斷潤(rùn)濕性的好壞 =0 cos=1 ，液體完全潤(rùn)濕固體表面， 即液體在固體表面鋪展。 090， 液體可潤(rùn)濕固體，且越小， 潤(rùn)性越好。 90180，液體不潤(rùn)濕固體。 =180， 完全不潤(rùn)濕，液體在固體表 面凝聚成小球 。 Young方程和接觸角第六張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4.2 粘附功和內(nèi)聚能 一、粘附功 將結(jié)合在一起的兩相分離成獨(dú)立的兩相外界

3、所做的功。（重點(diǎn)） 如圖所示 第七張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月粘附功和內(nèi)聚能 有單位面積的-兩相 ，其界面張力 ，在外力的作用下分離為獨(dú)立的相和相，其表面張力分別為 和 ，在這一過(guò)程中，外界所做的功Wa為 ： Wa是將結(jié)合在一起的兩相分離成獨(dú)立的兩相外界所做的功，稱(chēng)作黏附功 。第八張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 二、內(nèi)聚能 將單位面積的均相物質(zhì)分離成兩部分，產(chǎn)生兩個(gè)新界面所做的功。（重點(diǎn)） 如圖所示:粘附功和內(nèi)聚能第九張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 兩均相 分成兩部分，產(chǎn)生的新界面的表面張力均為 ，即 （即界面張力為0） 所以：Wc=2，這里Wc稱(chēng)作內(nèi)聚功

4、或內(nèi)聚能。物體的內(nèi)聚能越大，將其分離產(chǎn)生新表面所需的功也越大。 故：粘附功和內(nèi)聚能均是表面化學(xué)中的重要物理量。 粘附功和內(nèi)聚能第十張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4-3 Young-Dupre公式 Young方程： 固-氣 固-液 液-氣 粘附功： 如將潤(rùn)濕現(xiàn)象與黏附功結(jié)合起來(lái)考慮。對(duì)固一液界面，有： 第十一張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月Young-Dupre公式 注意：式中 嚴(yán)格的講，是固體處在真空中的表面張力。 而 是固體表面為液體蒸汽飽和時(shí)的表面張力。 二者存在的關(guān)系： 稱(chēng)為擴(kuò)展壓。因?yàn)樵跉庖灰阂还倘嘞到y(tǒng)中，固一氣、液一氣均達(dá)到平衡，即固、液表面都吸附了氣體，因此

5、式寫(xiě)成： 第十二張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 與Young方程結(jié)合可得： 即為Young-Dupre方程 固一液之間的黏附功與接觸角的關(guān)系為 =0，則： 粘附功=內(nèi)聚能， 固體被液體完全濕潤(rùn) =180，則： 液一固分子之間沒(méi)有吸引力，分開(kāi)固一液界 面不需做功，此時(shí)固體完全不為液體潤(rùn)濕。 Young-Dupre公式第十三張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 實(shí)際上，固一液之間多少總存在吸引力，接觸角在0180之間。接觸角越小，黏附功越大，潤(rùn)濕性越好。 Young-Dupre公式第十四張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4-4 接觸角的測(cè)定方法 一、停滴法 在光滑、均勻、

6、水平的固體表面上放一小液滴，因液滴很小，重力作用可忽略。將液滴視作球形的一部分，測(cè)出液滴高度h與底寬2r（如圖） 。 由簡(jiǎn)單的幾何分析可求出： 第十五張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月二、吊片法： 將表面光滑、均勻的固體薄片垂直插人液體中，如果液體能夠潤(rùn)濕此固體，則將沿薄片平面上升（見(jiàn)圖）升高值h與接觸角之間的關(guān)系為為液體的密度； 表面張力 接觸角的測(cè)定方法第十六張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 三、纖維對(duì)液體的接觸角測(cè)定 測(cè)定纖維對(duì)液體的接觸角非常重要，接觸角可用電子天平法進(jìn)行測(cè)定。 1.單一液體接觸角測(cè)定 步驟： （1）將一根纖維浸在某液體中，纖維的另一端掛在電子天平的測(cè)

7、量臂上，用升降裝置使液面逐漸下降。 （2）纖維經(jīng)(b）狀態(tài)脫離液面進(jìn)入（c）狀態(tài)，在纖維脫離液面的瞬間，由于表面張力消失發(fā)生了力的突變，電子天平測(cè)出該變化過(guò)程中力的變化p 。 接觸角的測(cè)定方法第十七張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 （3）記錄儀記錄的曲線(xiàn)。（如圖） 接觸角的測(cè)定方法第十八張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 （4）由 r為纖維半徑 p為力的變化 可求出液體的表面張力 如果液體與纖維之間的接觸角為，則有： 接觸角的測(cè)定方法第十九張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 接觸角的測(cè)定方法 2.兩種互不相溶液體之間的界面張力和界面接觸角 步驟： （1）L1和L2為互

8、不相溶的兩種液體。纖維S插入通過(guò)L1、L2的界面 。 （2）當(dāng)升降裝置下降，在纖維離開(kāi)L1L2界面的瞬間，電子天平測(cè)出該過(guò)程的力并紀(jì)錄下來(lái)。 （3）若完全潤(rùn)濕，則 若界面張力 已知，液體與纖維之間的接觸角為 則 ，求出第二十張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4-5 接觸角的滯后現(xiàn)象 一般，接觸角是指在光滑，組成均勻的表面上的平衡接觸角，即Young接觸角。 實(shí)際中，表面都是粗糙的或是不均勻的，即出現(xiàn)接觸角的滯后現(xiàn)象。 第二十一張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月接觸角的滯后現(xiàn)象一、前進(jìn)角和后退角 1.若表面是理想光滑和均勻，則在這液滴上加少量液體 液滴周界的前沿向前拓展 但接觸角

9、保持不變；在液滴中抽去少量液體 液滴的周界前沿向后收縮 但接觸角保持不變。第二十二張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 2.若表面為粗糙，不均勻表面，則向液滴加入少量液體 液滴只會(huì)變高，周界不動(dòng) 接觸角變大。此時(shí)的接觸角稱(chēng)為前進(jìn)角a；從液滴中取出少量液體 液滴周界不動(dòng)，只會(huì)變低 接觸角變小。此時(shí)的接觸角稱(chēng)為后退角r。 接觸角的滯后現(xiàn)象第二十三張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 在上面情況中，若加入足夠多的液體，液滴的周界會(huì)突然向前蠕動(dòng)，此突然運(yùn)動(dòng)剛要發(fā)生時(shí)的角度稱(chēng)為最大前進(jìn)角a，max； 反之，當(dāng)抽走足夠多的液體，液滴周界前沿會(huì)突然收縮，此突然收縮剛要發(fā)生時(shí)的角度稱(chēng)為最小后退角r

10、.min。接觸角的滯后現(xiàn)象第二十四張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 在傾斜角上，同時(shí)可看到液體的前進(jìn)角和后退角（圖4-12）。假如沒(méi)有接觸角滯后，丙班只要稍?xún)A斜，液滴就會(huì)滾動(dòng)。接觸角滯后使液滴能穩(wěn)定在斜面上。接觸角滯后的原因是由于液滴的前沿存在著能壘。第二十五張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月二、接觸角的滯后原因（重點(diǎn)） 1.由于表面粗糙引起的滯后 粗糙表面的真正表面積與表觀表面積是不相同的。 定義真正表面積A與表觀表面積A之比為表面粗糙度r，則： rAA 接觸角的滯后現(xiàn)象第二十六張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 2.由于表面不均勻性和多相性的滯后 在相的交界處存在

11、著能壘 ，液體的前沿往往停留在相的交界處。 前進(jìn)角：一般反映表面能較低的區(qū)域，或反映與液體親和力弱的那部分固體表面的性質(zhì)。 后退角：一般反映表面能較高的區(qū)域，或反映與液體親和力強(qiáng)的那部分固體表面的性質(zhì)。 接觸角的滯后現(xiàn)象第二十七張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月對(duì)于由兩種潤(rùn)濕性質(zhì)不同的小片組成的復(fù)合表面，設(shè)其面積分?jǐn)?shù)分別為f1與f2，則有 如下關(guān)系：接觸角的滯后現(xiàn)象第二十八張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 3.表面污染引起的滯后 表面污染是常見(jiàn)的接觸角滯后的原因之一 。 表面污染往往來(lái)自液體和固體表面的吸附作用，從而使接觸角發(fā)生顯著變化。 例如：水在清潔的玻璃表面上是完全潤(rùn)濕

12、的，接觸角為零，但實(shí)際情況卻不是。 因此接觸角在測(cè)定中影響因素較多，如不干凈的儀器或者用手指觸及試樣，都會(huì)影響接觸角測(cè)定的準(zhǔn)確性，所以在測(cè)定時(shí)，要盡可能控制測(cè)定環(huán)境的溫度、濕度、液體的蒸氣壓、固體表面的清潔度和粗糙度等因素。接觸角的滯后現(xiàn)象第二十九張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4-6 潤(rùn)濕過(guò)程的三種類(lèi)型 粘附潤(rùn)濕三種類(lèi)型 浸濕 鋪展?jié)櫇駶?rùn)濕：固體表面上的氣體被液體取代的過(guò)程。第三十張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4-6 潤(rùn)濕過(guò)程的三種類(lèi)型一、粘附潤(rùn)濕過(guò)程 1、粘附潤(rùn)濕過(guò)程：液體與固體從不接觸到接觸，液體直接接觸固體. 2、實(shí)質(zhì)：變氣一液界面和氣一固界面為液一固界面過(guò)程 液

13、體黏附固體表面的過(guò)程，如圖所示。第三十一張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 潤(rùn)濕過(guò)程的三種類(lèi)型 3、潤(rùn)濕條件： 液體與固體接觸時(shí)，液體能否潤(rùn)濕固體，從熱力學(xué)的角度分析，即恒溫恒壓下體系的表面自由焓是否降低，如果降低就能潤(rùn)濕，降低越多，潤(rùn)濕越好。 設(shè)：液體黏附在固體上的面積為單位面積，則體系自由焓降低為： 或第三十二張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月式中 分別為氣固、液固與氣固界面的自由焓。即 為形成單位液固界面自由焓的降低值，此值又稱(chēng)為粘附功。即： ，此式可理解為將單位液一固界面分開(kāi)為單位氣一固與氣一液界面時(shí)所需的可逆功。Wa越大則液一固界面的黏附越牢固；任何使減小的作用都可增

14、大發(fā)生黏附的傾向與增加黏附的牢固度。 潤(rùn)濕過(guò)程的三種類(lèi)型第三十三張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月二、浸濕過(guò)程 浸濕：是將固體直接浸入液體的過(guò)程，使原來(lái)的氣一固表面為液一固界面所代替的過(guò)程，而液體表面在過(guò)程中無(wú)變化。 潤(rùn)濕過(guò)程的三種類(lèi)型第三十四張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 若固體表面積為a，則浸濕過(guò)程中系統(tǒng)自由焓降低為： 或式中，Wi稱(chēng)為浸濕功，它的大小可以反映液體在固體表面上取代氣體的能力。 潤(rùn)濕過(guò)程的三種類(lèi)型第三十五張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月令A(yù)一Wi，A稱(chēng)為黏附張力。由熱力學(xué)平衡準(zhǔn)則可知，只有當(dāng)Gi0，即A0的過(guò)程才能發(fā)生浸濕，AO不能浸濕。這時(shí)密度

15、小于液體的固體將浮在液面上，而密度大于液體的固體雖可沉入液體中，但取出時(shí)可發(fā)現(xiàn)沒(méi)有被浸濕。這是因?yàn)轲じ綇埩為負(fù)值，液體分子與固體表面上分子的黏附力小于液體分子自身的內(nèi)聚力之故。 潤(rùn)濕過(guò)程的三種類(lèi)型第三十六張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三、鋪展?jié)櫇襁^(guò)程 液體與固體表面接觸后，在固體表面上排除空氣而自行鋪展的過(guò)程，亦即一個(gè)以液一固界面和液氣表面取代氣一固表面的過(guò)程。（以液固界面取代氣固的同時(shí)，還擴(kuò)展了氣液界面）鋪展過(guò)程如圖 潤(rùn)濕過(guò)程的三種類(lèi)型第三十七張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月若液體從C自發(fā)鋪展至B，覆蓋面積為a，則相應(yīng)的自由焓下降為：或 即，在恒溫恒壓下， 時(shí)，液體取

16、代固體表面上的空氣而自由鋪展。（1） 若，則 WaWc。換言之，當(dāng)固一液的黏附功大于液體的內(nèi)聚能時(shí)，液體可以自行鋪展在固體表面上。 潤(rùn)濕過(guò)程的三種類(lèi)型第三十八張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（2）粘附張力則鋪展系數(shù) 即，當(dāng)黏附張力大于液體表面張力時(shí)，可以發(fā)生鋪展。 潤(rùn)濕過(guò)程的三種類(lèi)型第三十九張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月四、潤(rùn)濕過(guò)程的比較（重點(diǎn)） 粘附潤(rùn)濕 浸濕 鋪展?jié)櫇駥?duì)于同一系統(tǒng)，三種潤(rùn)濕可依次表示W(wǎng)aA 潤(rùn)濕過(guò)程的三種類(lèi)型第四十張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1.若 ，必有WaA0，故凡能鋪展?jié)櫇竦谋啬莛じ綕?rùn)濕和浸濕反之則未必。因此，鋪展是潤(rùn)濕程度最高的一種潤(rùn)濕。上列三式中都涉及粘附張力 顯然， 越大， 越小， 差值就越大，越有利于潤(rùn)濕。 潤(rùn)濕過(guò)程的三種類(lèi)型第四十一張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2.上面三式原則上可判別潤(rùn)濕進(jìn)行的程度，但由于