第八章 界面现象

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1、第八章界面现象&8.0绪言48.0.1界面界面：两相的接触面。如：l-g,l-l,l-s,s-g,s-s等界面，其中常把与气体接触的面叫做表面。（1）界面是一个物理区域，而不是一个几何平面，我们也称之为物理界面，以示与几何平面的区别；即界面并不是真正的二维平面，而是一个准三维的区域，其广度是无限的，而厚度约为几个分子的厚度。（2）界面是一个相到另一个相的过渡区域，实际上不存在两个相的截然分界面，因此常把界面当作另一个相来处理，称为界面相（界面区）。（3）界面科学通常称为表面科学，包括表面化学物理和表面物理化学。表面化学物理偏重于界

2、面结构和界面键的研究；而表面物理化学则偏重于整个不均匀体系的化学本性。二者既有区别又有联系，是同一个学科领域内不可截然分开的姐妹学科。48.0.2比表面积过去的物理化学中我们都没有提到表面相。这是因为在宏观物理体系中，表面相的性质对整个体系的性质影响很小，可以完全忽略不计。但是，如果体系的比表面积很大时，这时的表面效应就不能忽略了。比表面积：单位质量物质的表面积，as。；比表面积是物质分散度的度量。高度分散的物质具有较高的比表面积，如将直径1cm的水滴分散为1018个直径10nm的小液滴时，其表面积从3.1416cm2提高到314

3、.16m2，提高6个数量级。另外，还有一些高比表面积的物质，如多孔硅胶、分子筛、活性炭等。多孔硅胶的比表面积可达300～700m2/g，活性炭的比表面积可达1000～2000m2/g，是优良的吸附剂。48.0.3界面科学的发展早在十九世纪中期或更早的时候，科学家就开始注意到界面区是具有特殊性质的体系。不均匀体系的很多行为都取决于界面性质的变化。许多科学家开始重视对界面现象的研究。1875－1878年，Gibbs首先应用数学推理的方法，指出了在界面区上的物质浓度一般不同于在各本体相的浓度，从而一开始就使这个学科建立在稳固的理论基础上

4、。一个多世纪前，很多成熟的表面测试技术已经建立，如液体表面张力的测定，气体在固体表面的吸附量的测量。许多科学家对粘附、摩擦、润滑、吸附等表面现象做了大量的研究工作。其中美国科学家Langmuir，在1913～1942年间在表面化学领域作出了重要的发现，特别是对蒸发、凝聚、吸附、单分子膜等表面现象的研究，为此于1932年获得诺贝尔奖，并被称为表面化学的先驱者和开拓者。随后，表面化学的研究在各个相关领域开展。但这些研究还是集中于宏观现象的认识和猜测，在微观上的认识没有获得进展。当时的一些光谱技术和微观测试技术可以在微观水平上认识化学过

5、程，但这些技术还不能成功应用于表面现象的研究。因为从本体相中区分表面层的分子信息是困难的。如冰的体积密度是3´1022分子/cm3，表面浓度是r2/3，即1015分子/cm2。要在1022分子中得到1015分子的信号是困难的。同时，要获得洁净的表面也是需要高真空的条件。到六十年代末，七十年代初，新的表面技术不断出现，如低能电子衍射、俄歇电子能谱等，在微观上对表面现象的认识获得快速发展，同时表面科学的研究也到了新的高度。&8.1界面张力48.1.1界面张力1．液体的表面张力液体表面分子的受力情况分析（图）球形的表面积最小，所以液体呈

6、球形。结论：液体表面的分子总是受到指向液体内部的力，力图使表面积缩小。结果是在液体表面的切线方向上有一种缩小表面积的力存在，这个力就是表面张力。液体表面张力的实验证明：图略（p152）实验指出，力F的大小与金属丝的长度成正比，与皂膜的大小无关，Fµl，或F=2glg在物理学中称为表面张力系数，在物化里称为表面张力。2是因为皂膜有两个表面。表面张力是施于液体表面单位长度上的力。表面张力的方向是顺沿着液体表面（与液面相切），并且使液体的表面积缩小。单位：N×m-1。液体的表面张力通常是指液体与其饱和蒸汽或空气而言。它们的大小和液体的性

7、质以及温度有关。从获得的数据来看，液态金属的表面张力特别大，其次是一些离子化合物，有机物的表面张力则相当小。这个事实说明，表面张力的大小与其质点（分子、原子或离子）间的相互作用力有密切的关系。质点间的作用力越大，表面张力就越大。2．液－液界面张力液－液界面张力是指两种互不相溶的两种液体接触时，界面上的界面张力。液－液界面张力也是两种液体对界面层分子的吸引力不同而产生的。一些实验结果指出，许多液－液界面张力恰好等于两个液体表面张力之差：、不是纯液体的表面张力，而是一种液体被另一种液体饱和后的表面张力。因为严格地说，没有完全不互溶的液

8、体。上述规则称为安东诺夫规则。3．固体的表面张力固体的表面张力尚不能准确测定。目前所采用的方法是测量劈裂固体所需要的功，或测定一个物质稍高于熔点时液态的表面张力，用外推法延伸到固体。4．表面张力与温度的关系实验指出：大多数液体的表面张力总是随着温度