第9章 界面现象

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1、工科物理化学课件兰州理工大学石油化工学院第9章界面现象§9.1表面张力§9.2弯曲液面的附加压力及毛细管现象§9.3开尔文公式及亚稳状态§9.4润湿现象§9.5溶液表面的吸附引言主要内容§9.6固体表面上的吸附作用表面和界面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。引言引言1.气-液界面2.气-固界面引言3.液-液界面引言4.液-固界面引言5.固-固界

2、面引言界面现象的本质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。引言对于单组分体系，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，则这种特性来自于界面层的组成与任一相的组成均不相同。处于任何相态的任何物质的表面与其体相相比较,二者在组成、结构、分子所处的能量状态和受力情况等方面均有差别，由此而产生的各种物理和化学现

3、象称之为表面(界面)现象。引言日常生活中的表面现象水滴为什么是圆形而不是方形？引言比表面：单位体积的物质所具有的表面积。比表面表示了物质的分散度。球体表面积：球体体积：对于松散的聚集体或多孔性物质，其分散度常常用单位质量的物质所具有的表面积表示。§9.1表面张力9.1.1分散度和比表面表面现象涉及的范围很广：自然现象、工农业生产过程、生理现象、科学研究、多相催化，甚至日常生活。1gH2O表面积(m2)表面能(J)呈一球形水滴4.84×10-43.5×10-510-7m微小质点6000434§9.1表面张力把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。把一定大小的物质分割得越

4、小，则分散度越高，比表面也越大。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：§9.1表面张力可见，达到nm级的超细微粒具有巨大的比表面积，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。边长l/m立方体数比表面Av/（m2/m3）1×10-216×1021×10-31036×1031×10-51096×1051×10-710156×1071×10-910216×109§9.1表面张力产生界面现象的原因：物质表面层分子与内部分子所具有情况(能量、作用力)不相同。1.表面现象9.1.2表面张力§9.1表面张力物质内部

5、的分子其周围均有同类分子包围着，平均地看，所受周围分子的引力是球形对称的，各个方向的力彼此互相抵消，合力为零，所以物质内部的分子可以任意移动，而不消耗功。§9.1表面张力而处在表面上的分子则不同，一方面受到体相分子的作用，另一方面又受到性质不同的另一相中物质分子的作用，使得表面层分子受到不对称的作用力。§9.1表面张力如将内部分子移至表面，必须对所移动的分子施加外力、做功，表面层的分子受到指向物体内部并垂直于表面的作用力(合力)，使物体表面有自动缩小的趋势，表面能量较物体内部大。因而产生各种表面现象。§9.1表面张力2.表面张力由于表面层的分子受到指向物体内部并垂直

6、于表面的作用力(合力)，使物体表面有自动缩小的趋势。如对于液体，液体内部的分子对表面层中分子的吸引力，使表面层中的分子恒受到指向液体内部的拉力，力图缩小液体表面积。液体表面上如同绷紧了一层富于弹性的橡皮膜。§9.1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。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。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，清楚地显示出表面张力的存在。§9.1表面张力表面张力σ：在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着一种张力，它垂直于表

7、面的边界，指向液体方向并与表面相切。把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力。用σ表示，单位是N·m-1。l是滑动边的长度，因膜有两个面，所以边界总长度为2l，就是作用于单位边界上的表面张力。s§9.1表面张力意义：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，或可逆地增加表面积，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，可逆地使表面积增加dA所需要对体系做的功，称为表面功。用公式表示为：9.1.3表面功