第十章界面化学

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1、第十章界面化学引言界面：密切接触的两相之间的过渡区（约几个分子的厚度）称为界面，有五类界面，其中一相是气体时也可称为表面。处于表面的分子和处于体相的分子的差异使界面表现出一些独特的性质，在前边的体系的讨论中，由于界面的物质的量和体相比较，微乎其微，所以表面性质的差异对整个体系性质的影响也微不足道，可以不予考虑。但在下面将要研究的体系中，当分散程度增大时，表面性质对体系将起一定的作用，有必要进行专门的讨论。界面科学是化学物理生物材料和信息等学科之间相互交叉和渗透的一门重要的边缘科学，是当前三大科学技术（生命科学，材料科学和信息科学）前沿领域的桥梁。界面化学是在原子或分子尺度上探讨两

2、相界面上发生的化学过程以及化学前驱的一些物理过程。分散程度和表面积的关系：as=As/m。由于在界面上分子的处境特殊，有许多特殊的物理化学和化学性质，随着表面张力，毛细现象和润湿现象等逐渐被发现，并赋予了科学的解释。随着工业生产的发展，与界面现象有关的应用也越来越多，从而建立了界面化学（或表面化学）这一学科分支。表面化学是一门既有广泛实际应用又与多门学科密切联系的交叉学科，它既有传统，唯象的，比较成熟的规律和理论，又有现代分子水平的研究方法和不断出现的新发现。§10.1界面张力1.液体的表面张力、表面功及表面吉布斯函数液体表面张力存在的两个实验：（1）金属园环内肥皂膜的破裂过程。

3、（2）U型框架皂膜的扩大过程。在皂膜的边缘，存在着一种力，趋向使表面收缩的力，称为表面张力（单位：。表面张力：作用于表面的边缘，并且和边缘相切，使表面收缩的力。19表面张力是体系的性质，和体相的种类，温度，压力，组成以及与其共存的另一相的性质有关。当共存的加一相是非气相时，称为界面张力。表面张力产生原因：表面层分子相对体相分子是受力不均的，体相分子对表面层分子的引力有使表面缩小的趋势，因此若使系统的表面积增加（即表层分子增多），外界需要做功（表面功）。所以：也表示为扩大单位表面积环境所需作的可逆表面功。恒温恒压下，故：又表示为系统扩大单位表面积时所增加的吉布斯函数，所以，也称为比

4、表面吉布斯函数。单位J·m-2比表面吉布斯函数为恒T，p及相组成不变条件下，系统由于改变单位表面积而引起系统吉布斯函数的变化量，即。表面张力γ是指沿着液(或固)体表面并垂直作用在单位长度上的表面收缩力，单位为。比表面功γ为在恒温、恒压、相组成恒定条件下，系统可逆增加单位表面积时所获得的可逆非体积功，称比表面功，即。表面张力是从力的角度描述系统表面的某强度性质，而比表面功及比表面吉布斯函数则是从能量角度描述系统表面同一性质。三者虽为不同的物理量，但它们的数值及量纲相同，只是表面张力的单位为力的单位与后两者不同。192.热力学公式考虑表面功时，各热力学函数的变化可以表示如下：当恒温恒

5、压及组成不变时：恒温恒压及组成不变时积分上式：或3.界面张力及其影响因素1、分子间的作用力分子间的作用力（吸引力）→大，表面张力→大即：金属键＞离子键＞极性键＞非极性键2、接触的另一相物质3、温度一般情况：温度→高，表面张力→低注意：临界温度时，气、液相无区别，界面消失，表面张力趋近于零。4、压力及其他因素的表面张力的影响。§10.2弯曲液面的附加压力及其后果1.弯曲液面的附加压力——拉普拉斯方程静止的液面一般是一个平面，但是某些特殊情况下如毛细管中，则是一具弯曲的液面。由于表面张力的作用，在弯曲液面的内外，所受到的压力不同。在凸面上，研究以AB19为弦长的一个球面上的环作为边界

6、。由于环上每点两边的表面张力都与液面相切，大小相等，但不在同一平面上，所以会产生一个向下的合力。凸面上受的总压力为：Pl=Pg+ΔP所以凸面上所受的压力比平面上大（Pg为大气压力，Pll为液体承受的压力）。在凹面上，研究以AB为弦长的一个球形凹面上的环作为边界。由于环上每点两边的表面张力都与凹形的液面相切，大小相等，但不在同一平面上，所以会产生一个向上的合力。凹面上向下的总压力为：Pl=Pg-ΔP，所以凹面上所受的压力比平面上小。ΔP为弯曲液面内外的压力差，即：ΔP=P内-P外凸面上：ΔP=Pl-Pg凹面上:ΔP=Pg-Pl总之，由于表面张力的作用，在弯曲的表面下面的液体与平面不

7、同，它受到一种附加的压力，附加压力的方向指向曲面的圆心。（1）拉普拉斯方程推导设毛细管充满液体，管端有半径为R´的球形液滴与之平衡，若外压为Pg，附加压力为ΔP或，则液体所受到的总压为Pl=Pg+ΔP，如对活塞施加压力，使液滴体积增加，则相应地表面积增加。如在这个过程是在可逆的条件下进行的，环境所消耗的功应和系统增加的表面Gibbs函数相等。在恒温恒压可逆条件下：，则：而：，有：得：，当注意：①计算时，无论凸液面或凹液面，曲率半径r一律取正数，并规定弯曲液面的凹面一侧压力为，凸面