界面现象与分散系统

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1、第八章界面现象与分散系统教学目的：通过本章学习，使学生了解物质高度分散后的性质及不同物质的界面现象，了解表面活性物质的一些基本性质。基本要求：明确表面吉布斯自由能、表面张力的概念，了解表面张力与温度的关系。明确弯曲表面的附加压力产生的原因及与曲率半径的关系，了解弯曲表面上的蒸汽压与平面相比有何不同。学会使用拉普拉斯公式和开尔文公式。理解吉布斯吸附公式的表示形式，各项的物理意义并能用来作简单计算。了解什么叫表面活性物质，了解表面活性剂的分类及几种重要作用。了解液-液、液-固界面的铺展与润湿情况，理解气-固表面的吸附本质及吸附等温线的主要类型。重点和难点：拉

2、普拉斯公式和开尔文公式,以及兰缪尔吸附等温式是本章的重点难点。教学内容：表面现象(通常将气一液、气一固界面现象称为表面现象)所讨认的都是在相的界面上发生的一些行为。物质表面层的分子与内部分子周围的环境不同。内部分子所受四周邻近相同分子作用力是对称的，各个方向的力彼此抵销；但是表面层的分子，一方面受到本相内物质分子的作用；另一方面又受到性质不同的另一相中物质分子的作用，因此表面层的性质与内部不同。最简单的情况是液体及其蒸气所成的体系（见图12-1），在气液界面上的分子受到指向液体内部的拉力，所以液体表面都有自动缩成最小的趋势。在任何两相界面上的表面层都具有

3、某些特殊性质。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；而对于多组分体系，这种特性则来自于表面层的组成和任一相的组成均不相同。物质表面的特性对于物质其他方面的性质也会有所影响。随着体系分散程度的增加，其影响更为显著。因此当研究在表面层上发生的行为或者研究多相的高分散体系的性质时，就必须考虑到表面的特性。通常用表面（A0）表示多相分散体系的分散程度，其定义为:A0=A/V式中A代表体积为V的物质具有的表面积。所以比表面A0就是单位体积（也有用单位质量者）的物质所具有的表面积，其数值随着分散粒子的变小而迅速增加。分散粒子分割得愈细比表面

4、积就愈大。在胶体体系中粒子的大小约在1nm—100nm之间，它具有很大的表面积，突出地表现出表面效应。此外某此多孔性物质或粗粒分散体系也常具有相当大的表面积，其表面效应也往往不能忽略。在本章中将讨论有关表面现象的一些基本概念及其应用。（一）表面现象§8.1表面吉布斯自由能和表面张力一、表面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，称为表面功。用公式表示为：式中为比例系数，它在数值上等于当T，p及

5、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。二、表面自由能考虑了表面功，热力学基本公式中应相应增加dA一项，即由此可得：表面自由能的物理意义有广义和狭义之分，在定温不定压条件下，可逆地增加单位表面积引起体系吉布斯自由能的增量。γ称为表面吉布斯自由能或比表面能。从另一个角度来考虑，如果观察到表面上处处存在着一种张力，称之为表面张力。三、扩大表面积引起的内能和焓的变化§8.2纯液体的表面现象一、弯曲表面下的压力由于表面张力的作用，在弯曲表面下的液体或气体与在平面下情况不同，前者受到附力的压力。静止液体的表面一般是一个平面，但在某此特殊情况

6、下，例如在毛细管中，则是一个弯曲表面。由于表面张力的作用，在弯曲液面的内外，所受到的压力不相等。设在液面上（见图12-3），对某一小面积AB来看，沿AB的四周，AB以外的表面对AB面有表面张斩作用，力的方向与周界垂直，而且沿周界处与表面相切。如果液面是水平的（如图a是液体的剖面）则表面张力γ的也是水平的，当平衡时，沿周界的表面张力互相抵消，此时液体表面内外的压力相等，而且等于表面上的外压力。如果液面是变曲的，则沿AB的周界上的表面张力γ不是水平的，其方向如图（b）、(c)所示。平衡时，表面张力将有一合力，当液面为凸形时，合力指向液体内部，当液面为凹形时，

7、合力指向液体外部。这就是附加压力的来源。对于凸面（图b），AB曲面好象绷紧在液体上一样，使它受到一个附加的压力。因此在平衡时，表面内部的液体分子所受到的压力必大于外部的压力。对照凹面（图c）则AB好象要被拉出液面，因此液体内部的压力将小于外面的压力。总之，由于表面张力的作用，在弯曲表面下的液体与平面不同它受到附加的压力（PS）。经推导得：根据数学上规定，凸面的曲率半径取正值，凹面的曲率半径取负值。所以，凸面的附加压力指向液体，凹面的附加压力指向气体，即附加压力总是指向球面的球心。若曲面为球面则有：二、弯曲液面上的蒸气压考虑液面上平衡：液体(T,pl)饱和

8、蒸汽(T,pg)经推导得出：以上就是Kelvin公式，式中r为密度，M为摩尔质量