七章表面化学.ppt
《七章表面化学.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《七章表面化学.ppt(69页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、第七章 表面化学,表面和界面(surface and interface),界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区,若其中一相为气体,这种界面通常称为表面。,常见的界面有:气-液界面,气-固界面,液-液界面,液-固界面,固-固界面。,严格讲表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间的界面,但习惯上把液体或固体与空气的界面称为液体或固体的表面。,7-1 引言,常见的界面有:,1.气-液界面,2.气-固界面,3.液-液界面,4.液-固界面,5.固-固界面,界面分子与内部分子的差别 界面的分子与物质内部分子所处的状态是不相同的。 例如:液体与其蒸气所组成的体系。 图7.1 液体表面与体相分子受力情况,内部
2、分子:受到邻近四周分子的作用力是对称 的,这种作用可以相互抵消。 界面分子:靠液体一边,受液体分子作用力大, 靠蒸气一边,蒸气分子密度小, 作用力小。,三. 分散度和比表面 由于界面分子与内部所处的状态不同,就引起一系列的表面性质。 例如:多组分体系,界面的组成与内部组成不同 我们以比表面积(specific surface area)来描述体系的分散程度。 比表面:单位体积(或质量)物质所具有的表面积。 下面举例说明随着分散程度的增大,比表面增大的情况。,将边长为1cm的立方体加以切割,2 表 面 热 力 学 性 质,1. 表面张力 表面层粒子受力不均匀,产生内压力。 表面有自动缩小的趋势,
3、产生表面收缩力。,表面层粒子受力分析,一、表面张力及其影响,例:记 ,金属丝移动 到一定位置时,可以保持不再滑动,表面张力,金属键离子键极性键非极性键, 与压强有关, 与温度有关 一般:温度升高,;教材P544 式(11-3) 温度升高到临界温度Tc时,0, 其它:分散度 ,运动情况等, 与接触相的性质有关(见教材P543表11-2),一般:压强升高,;见教材P544图11-5,2. 影响表面张力的因素, 与物质本性有关,分子间的作用力越大,越大:,接触相相同, 固体 液体,比表面Gibbs自由能和表面张力的比较 比表面Gibbs自由能 表面张力 符号 数值 相等 量纲 相通 单位 J.m-2
4、 N.m-1 标量 矢量 强度性质,7-2 比表面吉布斯自由能和表面张力 一. 比表面吉布斯自由能 物质表面的分子与内部分子受力不同,表面分子受到垂直向下的力,若要扩大物质的表面,就要把一些物质内部的分子变为表面分子,这就要克服分子间的引力作功,所耗费的功变为表面层分子的位能。 表面层分子的能量 内部分子的能量,若增加表面过程是在T=0,P=0,可逆条件下进行的,则 wR=dA 式中: :所耗费的功 。 dA:所增加的面积。 :比例常数, 当dA=1时, 即当体系温度、压力、组成不变时,增加单位表面(积)所耗费的功。,由热力学原理: 在等温、等压的过程中,体系吉布斯自由能的减少= 体系所作最大
5、非体积功。 当体系温度、压力、组成不变,增加单位表面(积)时,体系吉布斯自由能的增量,叫比表面吉布斯自由能(specific surface Gibbs energy) 。 单位:Jm-2。,dG=SdT + vdp + idni + dA 当温度、压力、组成不变时:dG=dA,由热力学原理,dGT,P0为自发过程,所以这种分散度很大,吉布斯自由能很高的体系往往会发生dGT,P0 的自动过程。 dGT,P,n= dA 要使 dGT,P,n 0有两条途径: 减小:后面将讲述的吸附过程。 dA减小:面粉、奶粉长时间放置会自动结块,水滴呈球形等。,二. 表面张力(Surface tension) 1
6、. 定义: 是温度、压力、组成不变,增加单位表面积时,体系吉布斯自由能的增量,单位是 Jm-2 。 J = N m N m m- 2 = N m-1 又可把 看成作用在单位长度界面上使界面收缩的力 表面张力(或沿表面切线方向,垂直作用在单位长度相界面上的表面收缩力)。, 是沿界面,垂直作用在 单位长度上的表面紧缩力。,图7-2 作表面功示意图,2. 影响物质表面张力的因素 表面张力是物质的特性常数,不同种类的物质,分子间力的大小不同, 也不同。,H2O分子有氢键, 较大。 一般来说:金属键离子键极性键非极性键 极性相似 ,分子量大, 大。, 相同的温度、压力下,物质的表面张力大小与共存的另一相
7、有关。 293.15 K时 某些液体的表面张力及界面张力 温度升高,体系体积膨胀,分子间距离增大,分子间引力减小,表面张力减小。,7-3 润湿和铺展 一. 润湿(Wetting) 1. 液体在固体表 面的粘性情况 液体在固体表面 粘附情况可分四种:,图7-3 液滴在固体表面上的不同 角,b) 分析以上四种润湿情况的接触角大小 1. 完全润湿:=0 2. 润湿:90 3. 不润湿:90180 4. 完全不润湿:=180,2. 润湿程度的量度接触角(contact angle) a) 接触角:过液、固、气 三相的交点作液面的切线, 切线与液固界面的夹角(包含液体)。 图7-4 接触角与各界面张力的
8、关系,c) 产生润湿、不润湿的原因 当液体以一定的状态粘附在固体表面时,我们认为它呈平衡状态。 s-g = s-l + l-gCOS (合力为零) 的大小由三个 决定。,7-4 弯曲液面下的附加压力 由于表面张力的作用,任何液面都有尽量收紧缩小表面积的趋势,如果液面是弯曲的,则这一表面收缩力将在液面之球心所在的方向上产生一种附加压力,附加压力P的大小与液体的表面张力及液面的曲率半径有关。,如图所示,有一较大的容器连有毛细管,具有水平液面的大量液体通过毛细管与半径为r 的小液滴 相连,液滴外压 P 为 101325 Pa ,弯曲液面的附加压力为P ,大水平液面上的活塞施加的压力为P。,图7-5
9、附加压力与曲率半径的关系,当大量液体与小液滴压力平衡时,有下列关系 P= P+P P = P P 当活塞位置向下作一无限小移动时,大量液体体积减小dv,小液滴体积增加dv,在这一过程中: 环境对体系作功:pdv 体系对环境作功: p dv 体系净得功: pdv p dv = P dv,此功用来克服液滴的表面张力,使液滴的表面积增加dA。 p dv= dA p= dA/dv 小液滴为球形,球的体积 : dv=4r2dr 球的表面积:A=4r2 dA=8rdr 代入上式:,这就是弯曲液面的附加压力与液体表面张力及液面的曲率半径的关系式。可看出: 1. 对指定液体,曲面附加压力与半径r成反比。 a)
10、 水平液面 r= 附加压力p=0。 b) 凸液面 r0, p0 。 凸液面下液体受压比水平液面下液体受压大。 c) 凹液面 r0 , p0。 凹液面下液体受压比水平液面下液体受压小。 附加压力指向曲面的球心。 2. 不同液体,曲率半径相同时,附加压力与表面张力大小 成正比。 假定为肥皂泡,因有内、外两表面,故,7-5 微小液滴和微小晶体的饱和蒸气压及介稳状态 一. 微小液滴的饱和蒸气压 1. 开尔文公式 实验事实 公式推导 在一定温度下,水平液面下的液体受压p(e) 与其饱和蒸气p(g) 达平衡:Gm(e ) = Gm(g) 在相同温度下,将水平液面的液体分散成半径为 r 的小液滴受压 p(e
11、)+p , 小液滴与其饱和蒸气(pr) 达平衡: Gm(e) + dGm(e) = Gm(g)+ dGm(g), Gm(e ) = Gm(g) dGm(e) = dGm(g) Sm(e)dT + Vm(e) dp =Sm(g)dT + Vm(g) dp dT=0 Vm(e) dp(e ) = Vm(g) dp(g) 设Vm(e)不随压力变化,蒸气可视为理想气体。 积分上式: M 是摩尔质量, 是密度。,讨论 开尔文公式用于具有不同曲率半径的液滴的饱和蒸气压的计算。 当 小液滴蒸气压 水平液体蒸气压。 当 小气泡中蒸气压 水平液体蒸气压。,液滴(气泡)半径与蒸气压关系 开尔文公式可用于不同半径液
12、滴的蒸气压计算。,2. 过饱和蒸气,图7-6 产生蒸气过饱和现象示意图,左图为同一种液体的水平液面及小液滴的饱和蒸气压曲线。 oc为小液滴的蒸气 压曲线(r 不同 时有许多条)。 o c为水平液面液体的蒸 气压曲线。 t 为水平液体的凝结点。,过饱和蒸气:达到饱和按常理应该凝结而未凝结的蒸气。,3. 过热液体 沸腾时,在液体内部首先要形成小气泡,但小气泡内的蒸气压 水平液体的蒸气压 ,且凹液面对小气泡的附加压,使小气泡不能形成而过热。 过热液体:在一定压力下,温度超过沸点,应该沸腾而未沸腾的液体称过热液体。,二. 微小晶体的饱和蒸气压 1. 微小晶体的饱和蒸气压大于普通晶体的饱和蒸气压 2.
13、微小晶体的熔点和过冷液体,图7-7 产生过冷液体示意图,纯液体温度降低,当液体的饱和蒸气压 = 固体的饱和蒸气压时达凝固点。 OC:纯液体饱和蒸气压曲线。 AO:普通晶体的饱和蒸气压 曲线。 BD:微小晶体的饱和蒸气压曲线。,过冷液体:将温度低于正常熔点,应该凝固而未凝固的液体称为过冷液体。,3. 微小晶体的溶解度和过饱和溶液 溶液结晶的条件:固态溶质的饱和蒸气压 = 溶液中溶质的饱和蒸气压。溶液中溶质的饱和蒸气压与溶液的浓度,图7-8 分散度对溶解度的影响,有关,浓度越大,溶质的饱和蒸气压越大。 左图中1、2、3、4表示不同浓度时,溶质的饱和蒸气压曲线 浓度:4321 。,AO:固态纯溶质的
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 表面 化学
链接地址:https://www.31doc.com/p-2583078.html