表面现象及分散体系

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1、第八章表面现象及分散体系§8.1表面自由能与表面张力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。§8.1表面自由能与表面张力常见的界面有：1.气-液界面§8.1表面自由能与表面张力2.气-固界面§8.1表面自由能与表面张力3.液-液界面§8.1表面自由能与表面张力4.液-固界面§8.1表面自由能与表面张力5.固-固界面§8.1表面自由能

2、与表面张力对于单组分体系，这种特性主要来自于同一物质在不同相中的密度不同；对于多组分体系，则特性来自于界面层的组成与任一相的组成均不相同。表面层分子与内部分子相比，它们所处的环境不同。体相内部分子所受四周邻近相同分子的作用力是对称的，各个方向的力彼此抵销；但是处在界面层的分子，一方面受到体相内相同物质分子的作用，另一方面受到性质不同的另一相中物质分子的作用，其作用力未必能相互抵销，因此，界面层会显示出一些独特的性质。§8.1表面自由能与表面张力最简单的例子是液体及其蒸气组成的表面。液体内部分子所受的力可以彼此抵销，但表面分子受到体相分子的拉力大，

3、受到气相分子的拉力小（因为气相密度低），所以表面分子受到被拉入体相的作用力。这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势，并使表面层显示出一些独特性质，如表面张力、表面吸附、毛细现象、过饱和状态等。§8.1表面自由能与表面张力§8.1表面自由能与表面张力式中为比例系数，它在数值上等于当T，P及组成恒定的条件下，增加单位表面积时所必须对体系做的可逆非膨胀功。由于表面层分子的受力情况与本体中不同，因此如果要把分子从内部移到界面，或可逆的增加表面积，就必须克服体系内部分子之间的作用力，对体系做功。温度、压力和组成恒定时，可逆使表面积增加dA所需要对体系作的功

4、，称为表面功。用公式表示为：若表面扩展过程不可逆,则因此有表面自由能§8.1表面自由能与表面张力狭义的表面自由能定义：保持温度、压力和组成不变，每增加单位表面积时，Gibbs自由能的增加值称为表面Gibbs自由能，或简称表面自由能或表面能，用符号或表示，单位为J·m-2。§8.1表面自由能与表面张力在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着一种张力，它垂直与表面的边界，指向液体方向并与表面相切。将一含有一个活动边框的金属线框架放在肥皂液中，然后取出悬挂，活动边在下面。由于金属框上的肥皂膜的表面张力作用，可滑动的边会被向上拉，直至顶部。把作用于单位边

5、界线上的这种力称为表面张力，用g表示，单位是N·m-1。§8.1表面自由能与表面张力§8.1表面自由能与表面张力如果在金属线框中间系一线圈，一起浸入肥皂液中，然后取出，上面形成一液膜。(a)(b)由于以线圈为边界的两边表面张力大小相等方向相反，所以线圈成任意形状可在液膜上移动，见(a)图。如果刺破线圈中央的液膜，线圈内侧张力消失，外侧表面张力立即将线圈绷成一个圆形，见(b)图，清楚的显示出表面张力的存在。§8.1表面自由能与表面张力（a）（b）§8.1表面自由能与表面张力温度升高，界面张力下降，当达到临界温度Tc时，界面张力趋向于零。这可用热力学

6、公式说明：因为运用全微分的性质，可得：等式左方为正值，因为表面积增加，熵总是增加的。所以随T的增加而下降。影响表面张力的因素§8.1表面自由能与表面张力（1）分子间相互作用力的影响（2）温度的影响温度升高，表面张力下降。（3）压力的影响表面张力一般随压力的增加而下降。因为压力增加，气相密度增加，表面分子受力不均匀性略有好转。另外，若是气相中有别的物质，则压力增加，促使表面吸附增加，气体溶解度增加，也使表面张力下降。对纯液体或纯固体，表面张力决定于分子间形成的化学键能的大小，一般化学键越强，表面张力越大。(金属键)>(离子键)>(极性共价键)>(非

7、极性共价键)两种液体间的界面张力，界于两种液体表面张力之间。(1)附加压力§8.2纯液体的表面现象对活塞稍加压力，将毛细管内液体压出少许，使液滴体积增加dV，相应地其表面积增加dA。克服附加压力环境所作的功与可逆增加表面积的吉布斯自由能增加应该相等。代入得：应强调指出,由于表面紧缩力总是指向曲面的球心,球内的压力一定大于球外.对凹液面(如空气中的液滴):对凹液面(如液体中的气泡)对液泡(如肥皂泡)§8.2纯液体的表面现象(2)曲率对蒸汽压的影响一定温度下,若将1摩尔平面液体分散或半径为R的小液滴,则§8.2纯液体的表面现象小液滴的平面液体的化学势

8、与其饱和蒸气的化学势相等.所以开尔文公式§8.2纯液体的表面现象(3)液体的润湿与铺展§8.2纯液体的表面现象在气、液、固三相交界点，气