第十章-界面现象(1).ppt
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1、第十章第十章 界面现象界面现象三种相态接触可产生五种界面界面即两相接触的面常把与气体接触的界面称为表面表面界面并不是两相接触的几何面,它有一定的厚度,故有时又将界面称为界面相当物质被高度分散时,界面的作用则很明显。直径为1 cm的球形液滴,表面积是3.1416 cm2直径为10 nm的球形液滴,表面积是314.16 m2物质的分散度用比表面积as表示m2kg110.1 界面张力1.液体的表面张力、表面功及表面吉布斯函数图10.1.1界面层分子与体相分子所处状态不同液体蒸气F0f=0 由图可知,液体表面层分子所受合力不为零,而是受到一个指向液体内部的拉力F。液体表面有自动收缩的趋势;界面层分子有
2、自发与外来分子发生化学或物理结合的趋势。导致图图10.1.2 表面功示意图表面功示意图如图10.1.2在金属框上形成肥皂膜,若施加作用力F对抗表面张力使金属丝左移dl,则液面增加dAs2Ldl,对系统做功。由于恒温恒压下,可逆非体积功等于系统的吉布斯函数变,即故表面吉布斯函数2.热力学公式2.热力学公式式中在恒温恒压、各相中物质的物质的量不变时在恒温恒压、各相中物质的物质的量不变时界面吉布斯函数变对积分系统有多个界面在恒温恒压条件下,系统总界面吉布斯函数减少的过程为自发过程。如:液体对固体的润湿;小液滴聚集成大液滴;不变,表面面积减少多孔固体表面吸附气体;界面面积不变,减小3.界面张力及其影响
3、因素(1)界面张力与物质的本性有关极性物质有较大的表面张力;非极性物质的表面张力则较小;熔融的盐以及熔融的金属,分子间分别以离子键和金属键相互作用,故它们的表面张力也很高;固体分子间的相互作用力远大于液体,所以固体物质一般要比液体物质具有更高的表面张力。不同的物质,分子之间的作用力不同,对界面上的分子影响不同。表10.1.1 某些液态物质的表面张力物 质t/mNm-1正己烷2018.4正辛醇2021.8乙醇2022.3乙醚2526.43H2O2072.75NaCl803113.8LiCl614137.8Na2SiO3(水玻璃)1000250FeO1427582Al2O32080700Ag110
4、0878.5Cu10831300Pt1773.51800表10.1.2 一些固体物质的表面张力物 质气 氛t/mNm-1铜Cu蒸气10501670银7501140锡真空215685苯5.5527冰012010氧化镁真空251000氧化铝1850905云母真空204500石英(1010晶面)1961030表10.1.3 20某些液液界面张力(两液体已相互达到饱和)界 面/mNm-1界 面/mNm-1水正己烷51.1水乙醚10.7水正辛烷50.8水苯35.00水氯仿32.8水硝基苯25.66水四氯化碳45水汞375水正辛醇8.5苯汞357(2)温度对界面张力的影响n界面张力一般随温度的升高而减小。
5、n液体的表面张力受温度的影响较大,且表面张力随温度的升高近似呈线性下降。n当温度趋于临界温度时,饱和液体与饱和蒸气的性质趋于一致,相界面消失,此时液体的表面张力趋于零。表10.1.4 不同温度下液体表面张力(单位:mNm1)020406080100水75.6472.7569.5866.1862.6158.85乙醇24.0522.2720.6019.01甲醇24.522.620.915.7四氯化碳26.824.321.9丙酮26.223.721.218.616.2甲苯30.7428.4326.1323.8121.5319.39苯31.628.926.323.721.3温度表面张力液体(3)压力及
6、其它因素对界面张力的影响较复杂一般使表面张力下降。通常每增加1MPa的压力,表面张力约降低1 mNm1.分散度的影响10.2 弯曲液面的附加压力及其后果1.弯曲液面的附件压力拉普拉斯方程弯曲液面可分为两种:凸液面和凹液面图10.2.1 球形弯曲液面(b)气泡(凹液面)液气(a)液滴(凸液面)气液(c)、两相平衡图10.2.2 弯曲液面的附加压力附加压力对于液珠(凸液面)对于液体中的气泡(凹液面)p总是正值(c)附加压力 p 总是指向球面的球心(或曲面的曲心)。附加压力方向示意图气液ppgpl(a)气液pplpg(b)p=0液气plpg推导弯曲液面附加压力与弯曲液面曲率半径的关系图10.2.3
7、弯曲液面的p与液面曲率半径的关系整理后得拉普拉斯(Laplace)方程适用于计算小液滴或液体中的小气泡的附加压力对于空气中的气泡(如肥皂泡)弯曲液面下的附加压力可产生毛细现象毛细管现象毛细管现象 将毛细管插入液面后,会发生液面沿毛细管上升(或下降)的现象,称为毛细管现象毛细管现象。毛细管现象(a)液体在毛细管中上升h(b)液体在毛细管中下降h 产生这种现象的原因是毛细管内的弯曲液面上存在附加压力p。以毛细管上升为例,由于p指向大气,使得管内凹液面下的液体的承受压力小于管外水平液面下的液体所承受的压力,故液体被压入管内,平衡时,则图10.2.4毛细管现象 h润湿液体在毛细管中下降h不润湿表面张力
8、的存在是弯曲液面具有附加压力的根本原因毛细管现象则是弯曲液面具有附加压力的必然结果2.微小液滴的饱和蒸气压开尔文公式实验证明,微小液滴上的饱和蒸气压要高于相应平面上的饱和蒸气压。不仅与物质的本性、温度及外亚有关,还与液滴的大小即曲率半径有关。设有物质的量为dn的微量液体,由平液面转移到半径为r的小液滴的表面上,半径面积表面吉布斯函数增加p蒸气压的平液面pr蒸气压的小液滴上吉布斯函数的增量为由于于是开尔文(Kelvin)公式表10.2.1 20时小液滴的饱和蒸气压与平液面水的饱和蒸气压之比与水滴半径的关系r/m105106107108109pr/p1.00011.0011.0111.1142.9
9、37凹液面凹液面的曲率半径越小,饱和蒸气压越小在某温度下,蒸气对平面液体尚未达到饱和,但在毛细管内的凹液面来讲,可能已经达到过饱和状态,这时蒸气在毛细管内将凝结成液体,这种现象称为毛细管凝结毛细管凝结。3.亚稳状态及新相的生成(1)过饱和蒸气p图10.2.5 产生蒸气过饱和现象示意图3.亚稳状态及新相的生成(1)过饱和蒸气 按照相平衡条件,应当凝结而未凝结的蒸气,称为过饱和蒸气过饱和蒸气。人工降雨新生成的极微小的液滴(新相)的蒸气压大于平液面上的蒸气压。(2)过热液体按照相平衡条件,应当沸腾而不沸腾的液体,称为过热液体过热液体。液体在沸腾时,不仅在液体表面上进行汽化,而且在液体内部要自动地生成
10、微小的气泡(新相)101.325 kPa,100,0.02 m图10.2.6 产生过冷液体示意图(3)过冷液体p(3)过冷液体 在一定温度下,微小晶体的饱和蒸气压恒大于普通晶体的饱和蒸气压是液体产生过冷现象的主要原因。按照相平衡条件,应当凝固而未凝固的液体,称为过过冷冷液体液体(4)过饱和溶液 在一定温度下,溶液浓度已超过了饱和溶液,而仍未析出晶体的溶液称为过饱和溶液过饱和溶液。由于同样温度下小颗粒晶体的溶解度大于普通晶体溶解度的缘故。表10.2.2 一些物质的微小晶体在水中溶解度增加的百分数物 质t/颗粒直径d/m与普通晶体比较溶解度增加的分数/%PbI2 300.42CaSO4H2O300
11、.20.54.412Ag2CrO4260.310PbF2250.39SrSO4300.2526BaSO4250.180CaF2300.318图10.2.8 分散度对溶解度的影响p10.3 固 体 表 面相界面上某种物质的浓度不同于体相浓度的现象称为吸附吸附。具有吸附能力的固体物质称为吸附剂;被吸附的物质称为吸附质。吸附是表面效应1.物理吸附和化学吸附表10.3.1 物理吸附和化学吸附的区别性 质物理吸附化学吸附吸附力范德华力化学键力吸附层数单层或多层单层吸附热小(近于液化热)大(近于反应热)选择性无或很差较强可逆性可逆不可逆吸附平衡易达到不易达到2.等温吸附吸附量的大小,一般用单位质量吸附剂所
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