大学工科化学第八章表面化学.ppt
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1、第八章第八章 表面化学表面化学一、基本定义一、基本定义界面:界面:紧密接触的两相之间的过渡区域,几紧密接触的两相之间的过渡区域,几个分子的厚度(并非几何学中没有厚度概念个分子的厚度(并非几何学中没有厚度概念的平面或曲面)。的平面或曲面)。表面:表面:包含气相的界面为表面。包含气相的界面为表面。表面化学:表面化学:在原子或分子水平上研究两相界在原子或分子水平上研究两相界面上所发生的化学过程的一门边缘学科。面上所发生的化学过程的一门边缘学科。1编辑ppt界面的种类界面的种类 根根据据物物质质存存在在的的形形态态:固固(s)、气气(g)、液液(l),界界面有面有 5 类:类:气液:气液:g-L 气固
2、:气固:g-S习习惯惯上上称称之之为为“表表面面”(有一相为气相)(有一相为气相)液液:液液:L-L 液固:液固:L-S 固固:固固:S-S“界面界面”2编辑ppt3编辑ppt4编辑ppt8.1表面吉布斯函数与表面张力一、表面状态与表面分子的特性一、表面状态与表面分子的特性以液体和空气相接触的情况为例以液体和空气相接触的情况为例内部分子:内部分子:受邻近各方向的力彼此抵消;受邻近各方向的力彼此抵消;界面分子:界面分子:受不同的两相中的物质分子的作用。受不同的两相中的物质分子的作用。5编辑ppt例如:例如:n表面分子受到指向液体内部的拉力,致使液表面分子受到指向液体内部的拉力,致使液体表面有自发
3、收缩成表面积最小的趋势。体表面有自发收缩成表面积最小的趋势。n亦即一个孤立(忽略重力)的液滴趋于呈球亦即一个孤立(忽略重力)的液滴趋于呈球形,因为球形是表面积与体积比最小的形状。形,因为球形是表面积与体积比最小的形状。6编辑ppt比表面(比表面(A0)把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。常用比表面(常用比表面(A0)来表示多相的分散系统的)来表示多相的分散系统的分散程度。分散程度。(单单位位体体积积物物质质所所具有的表面积)具有的表面积)把一定大小的物质分割得越小,则分散度把一定大小的物质分割得越小,则分散度越高,比表面越高,比表面A0也越大。也越大。7
4、编辑ppt例如,把边长为1cm的立方体1cm3逐渐分割成小立方体时,比表面增长情况列于下表:边长l/m 立方体数 比表面Av/(m2/m3)110-2 1 6 102 110-3 103 6 103 110-5 109 6 105 110-7 1015 6 107 110-9 1021 6 109 可见达到可见达到nm级的超细微粒具有巨大的比表面级的超细微粒具有巨大的比表面积,积,因而具有许多独特的表面效应,成为新因而具有许多独特的表面效应,成为新材料和多相催化方面的研究热点。材料和多相催化方面的研究热点。8编辑ppt二、表面吉布斯函数与表面张力二、表面吉布斯函数与表面张力1.表面吉布斯函数表
5、面吉布斯函数如如前前分分析析,g-L 表表面面相相分分子子受受到到垂垂直直指指向向液液体体内内部部的的吸吸引引力力,即即表表相相分分子子比比本本体体相相分分子子具有额外的(表面)势能。具有额外的(表面)势能。要要使使表表面面积积增增加加,即即把把分分子子从从体体相相拉拉到到表表相相,外界必须做功。外界必须做功。9编辑ppt表表面面功功:在在等等温温等等压压(组组成成不不变变)下下可可逆逆地地使使表表面面积积增增加加A所所需需对对系系统统做做的的功功叫叫表表面功(可逆非体积功)。面功(可逆非体积功)。G表表:表面吉布斯函数:表面吉布斯函数 :比比表表面面吉吉布布斯斯函函数数。等等温温等等压压下下
6、,增增加加单位面积表面时,吉布斯函数的增加。单位面积表面时,吉布斯函数的增加。n等温等压可逆过程:等温等压可逆过程:(G)T,P=Wf(1)=A =G表表10编辑ppt显然系统自由能:显然系统自由能:G=G内内+G表表G内内:若所有分子均为体相分子(内部分子)时的若所有分子均为体相分子(内部分子)时的系统自由能;系统自由能;G表表:表相分子比等量体相分子多出的额外(表面)表相分子比等量体相分子多出的额外(表面)势能。势能。当系统分散度很小时,当系统分散度很小时,G表表 0,G=G内内当系统分散度很大时,当系统分散度很大时,G=G内内+G表表=G内内+A11编辑ppt2、表面张力、表面张力 从从
7、前前面面的的讨讨论论得得知知:“液液体体表表面面具具有有表表面面自自由能。由能。”由由于于系系统统能能量量越越低低越越稳稳定定,所所以以其其表表面面具具有有自动收缩,以减少表面积的趋势。自动收缩,以减少表面积的趋势。可可以以将将这这种种收收缩缩趋趋势势理理解解为为由由表表面面分分子子之之间间相互吸引导致的结果。相互吸引导致的结果。12编辑ppt这种这种“表面收缩力表面收缩力”与表面平行(如图),与表面平行(如图),n垂直于边界线并指向表面内部;垂直于边界线并指向表面内部;n或垂直作用于表面上任一曲线的两边或垂直作用于表面上任一曲线的两边 我们称之为我们称之为“表面张力表面张力”。13编辑ppt
8、 表面张力表面张力 的的定义:定义:表表面面上上单单位位长长度度边边界界线线上上指指向向表表面面内内部部(或或表表面面上上单单位位长长度度任任意意曲曲线线两两边边)、与与液面相切的表面收缩力,叫做表面张力。液面相切的表面收缩力,叫做表面张力。表面张力表面张力 的的单位:单位:N/m14编辑ppt例例 1:金属环皂膜:金属环皂膜 15编辑ppt例例 2 AB 受到皂膜表面张力受到皂膜表面张力 f 的向左拉力:的向左拉力:f=2l (肥皂膜有两个表面)(肥皂膜有两个表面)若若在在 AB 上上加加一一向向右右的的力力 F,使使 AB 可可逆逆地向右移动地向右移动 x 距离。距离。16编辑ppt则外力
9、对体系做的表面功:则外力对体系做的表面功:W =Fx=f x=2l x 即即 W =A (1)(A=2l x,为为膜膜表表面面积积增增量量,注注意意膜膜有有正、反两面正、反两面。)17编辑ppt表表面面功功即即系系统统表表面面自自由由能能的的增增加加,即即等等温温等等压下:压下:W =Wf=A (2)W =A(1)比较(比较(1),(2)两式:)两式:n表表面面张张力力 与与比比表表面面吉吉布布斯斯自自由由能能 在在数数值值上上是是相等的。相等的。结论:可以用同一符号结论:可以用同一符号“”来表示比表面吉布来表示比表面吉布斯函数或表面张力。斯函数或表面张力。18编辑ppt3、比表面吉布斯函数与
10、表面张力的异同点比表面吉布斯函数与表面张力的异同点 异:物理概念、意义不同:异:物理概念、意义不同:2)表表面面张张力力(通通常常)指指纯纯物物质质的的表表面面层层分分子子间间实实际际存存在在着着的的(收收缩缩)张张力力。单单位位:N/m。1)比比表表面面自自由由能能表表示示形形成成单单位位面面积积新新表表面面时时系系统统表表面面吉吉布布斯斯函函数数的的增增加加(能能量量的的角角度度),单位:单位:J/m2:19编辑ppt同:同:既可表示比表面自由能又可表示表面张既可表示比表面自由能又可表示表面张力,两者量纲相同,数值相等:力,两者量纲相同,数值相等:表面自由能表面自由能 J/m2=N m/m
11、2 =N/m 表面张力表面张力20编辑ppt影响表面张力的因素影响表面张力的因素 :A 温度温度:T B 组成组成:金属键离子键极性共价键非极:金属键离子键极性共价键非极 性共价键性共价键极性极性 21编辑ppt三、表面现象与表面吉布斯函数三、表面现象与表面吉布斯函数1.缩小表面积缩小表面积2.降低表面张力降低表面张力吸附现象吸附现象3.同时变化同时变化润湿现象润湿现象同一质量的物质,分散度(比表面积同一质量的物质,分散度(比表面积A0=A/V)越大,表面吉布斯函数越大,系统总吉布斯函数越大,表面吉布斯函数越大,系统总吉布斯函数越大,系统越不稳定,将向减小吉布斯函数的方越大,系统越不稳定,将向
12、减小吉布斯函数的方向变化。向变化。可通过以下三种方式自发地使系统处于稳定状态可通过以下三种方式自发地使系统处于稳定状态:22编辑ppt8.2吸附作用吸附作用吸附原因吸附原因:表面分子受力不均,存在过剩的表:表面分子受力不均,存在过剩的表面吉布斯函数,可以吸引那些能降低其表面吉面吉布斯函数,可以吸引那些能降低其表面吉布斯函数的气体或液体。布斯函数的气体或液体。一、一、吸附现象及其本质吸附现象及其本质吸附吸附:物质界面吸引了周围介质的质点而使其物质界面吸引了周围介质的质点而使其暂时停留的现象。暂时停留的现象。吸附剂吸附剂:能把周围介质吸引在自己表面上的:能把周围介质吸引在自己表面上的物质物质吸附质
13、吸附质:被吸附剂吸附的物质。:被吸附剂吸附的物质。23编辑ppt吸附为自发过程吸附为自发过程 例如,活性炭表面吸引了乙醚分子或醋酸分子例如,活性炭表面吸引了乙醚分子或醋酸分子后,使得固体表面分子除受内部分子的引力外,后,使得固体表面分子除受内部分子的引力外,又增加了吸附质与吸附剂分子之间的引力,这两又增加了吸附质与吸附剂分子之间的引力,这两种方向相反的力使得表面分子受内部分子的拉力种方向相反的力使得表面分子受内部分子的拉力减弱,固体吸附剂的表面张力下降,表面吉布斯减弱,固体吸附剂的表面张力下降,表面吉布斯函数降低,因此固体能吸附其它物质。函数降低,因此固体能吸附其它物质。G表=A吸附结果 0
14、0G表0 0 自发过程自发过程24编辑ppt二、物理吸附和化学吸附二、物理吸附和化学吸附特点:特点:吸附稳定性不高,吸附和解吸速率都很快;吸附稳定性不高,吸附和解吸速率都很快;吸附无选择性,任何固体可以吸附任何气体,吸附无选择性,任何固体可以吸附任何气体,当然吸附量会有所不同。当然吸附量会有所不同。吸附过程不发生化学反应,不需要活化能;吸附过程不发生化学反应,不需要活化能;放热过程,高温对吸附不利。放热过程,高温对吸附不利。1.物理吸附物理吸附定义:定义:吸附起源于吸附剂与吸附质之间的范德华吸附起源于吸附剂与吸附质之间的范德华力,这种吸附为物理吸附。力,这种吸附为物理吸附。25编辑ppt特点:
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- 大学 工科 化学 第八 表面
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