表面及界面化学一--2011

上一内容下一内容回主目录返回主讲内容:•界面化学的基本现象、概念及规律•材料界面化学的基本知识和一般研究方法•包括：气-液、液-液、液-固、固-固、气-固界面现象及规律；常用界面化学的测试方法及其应用，纳米材料表面化学表面与界面化学上一内容下一内容回主目录返回表面与界面化学表面与界面化学参考教材：•颜肖慈,罗道明编著.界面化学,化学工业出版社,2005.•朱步瑶,赵振国主编.界面化学基础,化学工业出版社.1996.•顾惕人主编.表面化学,科学出版社,2003.•沈钟等.《胶体与表面化学》上一内容下一内容回主目录返回绪论上一内容下一内容回主目录返回水滴为什么是圆形而不是方形表面现象上一内容下一内容回主目录返回表面现象它们为什么可以漂在水面上上一内容下一内容回主目录返回水在毛细管中为什么会上升水ps大气毛细玻璃管上一内容下一内容回主目录返回•为什么自然界中液滴、气泡总是圆形的？为什么气泡比液滴更容易破裂？•毛细现象为什么会产生？•天空为什么会下雨？人工降雨依据什么原理？•为什么会产生液体过热现象？加入沸石为什么能消除过热现象？•水在玻璃上能铺展，水银在玻璃上却形成液滴？为什么？•活性碳为什么可以做防毒面具？冰箱除臭剂？•什么是表面活性剂？选择性的加入一些表面活性剂，为什么起到净化水质的作用？思考题：与界面现象相关的几个问题上一内容下一内容回主目录返回0绪论界面现象0.1表面吉布斯自由能和表面张力0.２液体的界面现象0.３表面活性剂及其作用0.４固体表面的吸附上一内容下一内容回主目录返回0.1表面吉布斯自由能和表面张力表面和界面界面现象的本质分散度与表面功表面自由能表面张力界面张力与温度的关系上一内容下一内容回主目录返回界面是相与相之间的交界所形成的物理区域界面相是一个准三维区域，其广度无限，而厚度约为几个分子的线度体系性质在体相为常数，表面相是体系性质连续变化的一个过渡区域界面（Interface）上一内容下一内容回主目录返回表面和界面(surfaceandinterface)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。按物质聚集状态，界面可分为五类：固－气（S-g）、固－液（S-l）、固－固（S-S）、液－气（l-g）、液－液（l-l）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。上一内容下一内容回主目录返回表面和界面(surfaceandinterface)常见的界面有：1.气-液界面上一内容下一内容回主目录返回表面和界面(surfaceandinterface)2.气-固界面上一内容下一内容回主目录返回表面和界面(surfaceandinterface)3.液-液界面上一内容下一内容回主目录返回表面和界面(surfaceandinterface)4.液-固界面上一内容下一内容回主目录返回表面和界面(surfaceandinterface)5.固-固界面上一内容下一内容回主目录返回界面现象的本质对于单组分体系，这种特性主要来自于同一物质在不同相中的密度不同；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，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，其作用力往往不能相互抵销，因此，界面层会显示出一些独特的性质。上一内容下一内容回主目录返回界面现象的本质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，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。上一内容下一内容回主目录返回界面现象的本质上一内容下一内容回主目录返回分散度与比表面功比表面通常用来表示物质分散的程度，有两种常用的表示方法：一种是单位质量的固体所具有的表面积；另一种是单位体积固体所具有的表面积。即：//mSVSAAmAAV或式中，m和V分别为固体的质量和体积，A为其表面积。目前常用的测定表面积的方法有BET法和色谱法。比表面（specificsurfacearea）上一内容下一内容回主目录返回分散度与比表面功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：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上一内容下一内容回主目录返回分散度与比表面功从表上可以看出，当将边长为10-2m的立方体分割成10-9m的小立方体时，比表面增长了一千万倍。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。上一内容下一内容回主目录返回分散度与比表面功表面功（surfacework）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。上一内容下一内容回主目录返回分散度与比表面功其结果导致：a）液体表面有自动收缩的趋势；b）界面层分子有自发与外来分子发生化学或物理结合的趋势。由于表面层的分子处于不对称的力场中，使表面层的分子受到一个向内的拉力,因此要扩大表面积，必须对系统作功。系统在温度、压力和组成不变的条件下，可逆地增加表面积时对系统作的非体积功称为表面功，表面功与系统增加的面积成正比，即rSWdA上一内容下一内容回主目录返回分散度与比表面功温度、压力和组成不变的条件下，可逆地增加单位表面积对系统作的非体积功，又称为比表面功。,,()BrTPnSWdA表面张力的方向：对于平液面来说，表面张力的方向与液面平行，而对于弯曲液面来说，表面张力的方向总是在弯曲液面的切面上。上一内容下一内容回主目录返回表面自由能(surfacefreeenergy)B,,()SVnUAB,,)(nPSAHB,,)(nVTAFB,,)(nPTAG由此可得：SdA考虑了表面功，热力学基本公式中应相应增加项，即：SBBBdGSdTVdpdAudnSBBBdASdTpdVdAudnSBBBdHTdSVdpdAudnSBBBdUTdSpdVdAudn上一内容下一内容回主目录返回表面自由能(surfacefreeenergy)广义的表面自由能定义：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。B,,()pTnGA保持相应的特征变量不变，每增加单位表面积时，相应热力学函数的增值。上一内容下一内容回主目录返回表面张力（surfacetension）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。把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用或表示，单位是N·m-1。上一内容下一内容回主目录返回表面张力（surfacetension）如果在活动边框上挂一重物，使重物质量W2与边框质量W1所产生的重力F（F=（W1+W2）g）与总的表面张力大小相等方向相反，则金属丝不再滑动。这时2Fl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。上一内容下一内容回主目录返回表面张力（surfacetension）上一内容下一内容回主目录返回表面张力(SurfaceTension)请同学们用表面张力的知识思考图中的现象上一内容下一内容回主目录返回表面张力（surfacetension）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。上一内容下一内容回主目录返回表面张力（surfacetension）（a）（b）上一内容下一内容回主目录返回表面张力(SurfaceTension)在两相界面上，处处存在着一种张力，它垂直于表面的单位线段上，指向使表面紧缩的方向并与表面相切。注意：1.表面张力是作用在单位长度线段上的力，量纲为Ｎ·m-12.注意区分表面张力产生原因与表面张力的表现作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用F表示，单位是N·m-1。肥皂膜FLF=2L上一内容下一内容回主目录返回表面自由能与表面张力对于表面相，我们从“能”和“力”的角度引出了两个不同的概念：表面自由能与表面张力。事实上这两个概念有着密切的联系一、两者量纲相同22JNmNmmm表面自由能的量纲表面张力量纲上一内容下一内容回主目录返回表面自由能与表面张力二、两者数值相同肥皂膜保持张力平衡：2Fl（肥皂膜有两个表面）肥皂膜F上一内容下一内容回主目录返回1.用表面自由能计算：dx肥皂膜FlW=自由能A=自由能·2l·dx上一内容下一内容回主目录返回2.用表面张力计算2WFdxldx表面张力显然：自由能表面张力肥皂膜Fl上一内容下一内容回主目录返回3.表面张力与表面能、力的联系和区别•力的三要素：大小、方向、作用点•表面张力：作用点在表面/弯曲面的切面，表面收缩体现方向，单位长度上的力是大小。•与力的本质区别：作用在单位长度上的力，是二维空间的压力概念。与力、压强、能量不同，但有联系mg平面弯曲液面上一内容下一内容回主目录返回Ldl平液面表面张力示意图球形液面表面张力示意图表面张力上一内容下一内容回主目录返回（4）影响表面张力的因素(1)分子间力的影响σ(金属键)σ(离子键)σ(极性共价键σ(非极性共价键)液体或固体中的分子间的相互作用力或化学键力越大，表面张力越大。一般同一种物质与不同性质的其它物质接触时，表面层中分子所处力场则不同，导致表面(界面)张力出现明显差异。如下表：上一内容下一内容回主目录返回物质/(10-3N·m-1)T/K物质/(10-3N·m-1)T/K水(液)72.75293W(固)29002000乙醇(液)22.75293Fe(固)21501673苯(液)28.88293Fe(固)18801808丙酮(液)23.7293Hg(液)485293正辛醇(液／水)8.5293NaCl(固)227298正辛酮(液)27.5293KCl(固)110298正己烷(液／水)51.1293MgO(固)1200298正己烷(液)18.4293CaF2(固)45078正辛烷(