第七章-表面现象PPT课件

1、1基基 本本 要要 求求1.表面张力和表面表面张力和表面Gibbs函数的概念。函数的概念。2.弯曲液面附加压力概念和弯曲液面附加压力概念和拉普拉斯方程拉普拉斯方程。3.开尔文公式开尔文公式及其应用。及其应用。4.铺展和铺展系数、润湿、接触角和铺展和铺展系数、润湿、接触角和杨氏方程杨氏方程。5.物理吸附物理吸附和和化学吸附化学吸附的含义和区别。的含义和区别。6.兰格缪尔吸附模型和吸附等温式。兰格缪尔吸附模型和吸附等温式。7.了解溶液界面吸附和表面活性物质的作用，了解溶液界面吸附和表面活性物质的作用，第1页/共32页2界面：界面：任意两相的接触面称为任意两相的接触面称为界面界面。表面：表面：物质与

2、真空、与本身的饱和蒸气或与被蒸气饱和了物质与真空、与本身的饱和蒸气或与被蒸气饱和了的空气相接触的面称为的空气相接触的面称为表面表面。表面现象：表面现象：相界面上发生的物理化学现象相界面上发生的物理化学现象 。比表面比表面(As)：单位体积的物质所具有的表面积：单位体积的物质所具有的表面积：A s = A / V 比表面比表面(Aw) ：单位质量的物质所具有的表面积：单位质量的物质所具有的表面积： Aw=A / m 界面非几何平面，是约有几分子厚度的薄层。界面非几何平面，是约有几分子厚度的薄层。 松散聚集体或多孔性物质的比表面以松散聚集体或多孔性物质的比表面以Aw 表示，常用比表示，常用比表面表

3、面As 表示物质的表示物质的分散度分散度。第2页/共32页31. 表面张力表面张力()： 在与液面相切的方向上，垂直作用于单位长度线段上的紧缩力。在与液面相切的方向上，垂直作用于单位长度线段上的紧缩力。N m -1 方向：方向：弯曲液面：与液面相切，促使其表面积缩小的方向弯曲液面：与液面相切，促使其表面积缩小的方向 平液面：与液面平行平液面：与液面平行7-1 表表 面面 张张 力力液体表面分子受力示意图液体表面分子受力示意图 表面张力的作用表面张力的作用物质表面层分子与其相内分子所处力场不同。物质表面层分子与其相内分子所处力场不同。第3页/共32页42. 表面功与表面吉布斯函表面功与表面吉布斯

4、函数数,r,ddT pT pWGAGA 比表面吉布斯函数：比表面吉布斯函数：恒温恒压下液体增加单位表面积时系统吉恒温恒压下液体增加单位表面积时系统吉布斯函数的增量。单位：布斯函数的增量。单位：Jm 2 rrdd2ddWxxFlWAA 比表面功：比表面功：增加液体单位表面积时系统所得到的可逆非体积功。增加液体单位表面积时系统所得到的可逆非体积功。 单位：单位：J m 2 第4页/共32页5 表面张力、比表面功和比表面吉布斯函数虽为不同表面张力、比表面功和比表面吉布斯函数虽为不同物理量，但数值和量纲相等：物理量，但数值和量纲相等： 1 N m 1 1 J m 2 dA 0, dG 0, ln(pr

5、/p)0 , pr p 凹液面：凹液面：0, ln(pr/p)0 , prp 开尔文公式也可用于气开尔文公式也可用于气-固界面的计算。固界面的计算。 应用：毛细管内的凝结现象。应用：毛细管内的凝结现象。 baGG2lnrpMRTpr （开尔文公式（开尔文公式)第15页/共32页16 过饱和蒸气过饱和蒸气 虚线：虚线：微小液滴饱和蒸气压曲线微小液滴饱和蒸气压曲线; 实线：通常液体饱和蒸气压曲线实线：通常液体饱和蒸气压曲线.产生过饱和蒸气示意图产生过饱和蒸气示意图2. 亚稳定状态：亚稳定状态：过饱和蒸气过饱和蒸气, 过热液体过热液体, 过冷液体过冷液体, 过饱和溶液。过饱和溶液。在温度在温度t 时

6、，蒸气对通常液体达到时，蒸气对通常液体达到饱和状态，对微小液滴没有达饱饱和状态，对微小液滴没有达饱 和和状态，蒸气不能凝结成微小液滴状态，蒸气不能凝结成微小液滴.过饱和蒸气：按相平衡条件，应当凝结而未凝结的蒸气。过饱和蒸气：按相平衡条件，应当凝结而未凝结的蒸气。 第16页/共32页17 在在101.325 kPa, 100 纯水中，纯水中，0.02 m深处存在深处存在 r =10 nm 小气泡。小气泡。 已知：已知：p = 11.77103 kPa p静静 =g h = 0.1878 kPa 气泡内气体应反抗的压力：气泡内气体应反抗的压力： p = p大气大气 + p静静 + p = 11.8

7、7103 kPa 小气泡产生条件：小气泡产生条件： p 11.87103 kPa 过热液体过热液体产生过热液体示意图产生过热液体示意图 小气泡产生时液体的温度高于其正常沸点小气泡产生时液体的温度高于其正常沸点过热液体：过热液体：按相平衡条件应沸腾而不沸腾的液体。按相平衡条件应沸腾而不沸腾的液体。第17页/共32页18原因原因: 一定温度下，微小晶体的饱和一定温度下，微小晶体的饱和蒸气压蒸气压大于大于普通晶体的饱和蒸气压。普通晶体的饱和蒸气压。 BC: 平面液体饱和蒸气压曲线平面液体饱和蒸气压曲线 AB: 普通晶体饱和蒸气压曲线普通晶体饱和蒸气压曲线 AB: 微小晶体饱和蒸气压曲线微小晶体饱和蒸

8、气压曲线 tf：普通晶体熔点：普通晶体熔点 tf ：微小晶体熔点：微小晶体熔点 过冷液体过冷液体产生过冷液体示意图产生过冷液体示意图 正常熔点时平面液体饱和蒸气压对微晶尚未达正常熔点时平面液体饱和蒸气压对微晶尚未达 饱和状态，没有微晶析出。饱和状态，没有微晶析出。过冷液体：过冷液体：按相平衡条件应当凝固而未凝固的液体。按相平衡条件应当凝固而未凝固的液体。 第18页/共32页19将溶液恒温蒸发，溶质浓度增大到普将溶液恒温蒸发，溶质浓度增大到普 通晶体溶质的饱和浓度时，因微晶溶通晶体溶质的饱和浓度时，因微晶溶 解度较大，没有微晶析出。解度较大，没有微晶析出。 过饱和溶液过饱和溶液 AB：普通晶体饱

9、和蒸气压曲线：普通晶体饱和蒸气压曲线CD：微小晶体饱和蒸气压曲线：微小晶体饱和蒸气压曲线1, 2：不同浓度下溶质饱和蒸气压：不同浓度下溶质饱和蒸气压与与 温度关系曲线（温度关系曲线（c1c2） 过饱和溶液过饱和溶液：按相平衡条件应有晶体析出而未析出的溶液。按相平衡条件应有晶体析出而未析出的溶液。产生过饱和溶液示意图产生过饱和溶液示意图第19页/共32页20吸附：吸附：一定条件下，一种物质的分子、原子或离一定条件下，一种物质的分子、原子或离子自动附着在某固体表面上的现象。子自动附着在某固体表面上的现象。7-5 固体表面的吸附作用固体表面的吸附作用吸附剂吸附剂(基质基质)：具有吸附能力的物质。具有

10、吸附能力的物质。吸附质：吸附质：被吸附的物质。被吸附的物质。解吸作用：解吸作用：被吸附物质脱离吸附层回到原介质的过程。被吸附物质脱离吸附层回到原介质的过程。 1.吸附是表面效应，被吸附物质只停留在固体表面。吸附是表面效应，被吸附物质只停留在固体表面。 2.吸附作用可发生在各种不同的相界面上。吸附作用可发生在各种不同的相界面上。第20页/共32页21 物理吸附与化学吸附的区别物理吸附与化学吸附的区别 不易达到不易达到易达到易达到吸附平衡吸附平衡 不可逆不可逆可可 逆逆可逆性可逆性较强较强无或很差无或很差选择性选择性大大 (近似于反应热近似于反应热)小小 (近似于液化热）近似于液化热）吸附热吸附热

11、 单层单层单层或多层单层或多层 吸附层数吸附层数 化学健力化学健力范德华力范德华力 吸附作用力吸附作用力 化学吸附化学吸附 物理吸附物理吸附 性质性质固体吸附分类固体吸附分类低温下一般以物理吸附为主，高温下一般以化学吸附为主。低温下一般以物理吸附为主，高温下一般以化学吸附为主。第21页/共32页221. 吸附等温线吸附等温线 吸附平衡：吸附速率等于解吸速率时对应的状态。吸附平衡：吸附速率等于解吸速率时对应的状态。 吸附量吸附量()：吸附平衡时的吸附量。：吸附平衡时的吸附量。 7-6 等温吸附等温吸附吸附量表示方法：吸附量表示方法： a. 单位质量吸附剂所吸附气体的物质的量：单位质量吸附剂所吸附

12、气体的物质的量： n/m (molkg-1 ) b.单位质量吸附剂所吸附气体在标准状态（单位质量吸附剂所吸附气体在标准状态（0 , 101.325 kPa）下占）下占 有的体积：有的体积： = V/m (m3kg-1) 气体吸附量为压力和温度的函数：气体吸附量为压力和温度的函数：= f (T, p)。吸附等温线：吸附等温线：一定温度下吸附量与平衡压力的关系曲线一定温度下吸附量与平衡压力的关系曲线第22页/共32页23 压力一定，温度愈低吸压力一定，温度愈低吸附量愈大。附量愈大。 温度一定温度一定, 吸附量随压吸附量随压力升高而增大。力升高而增大。 低压低压:与与P呈直线关系呈直线关系; 高压高

13、压:与与P呈曲线关系呈曲线关系; 压力足够大压力足够大: 趋于定值趋于定值. 吸附等温线特点吸附等温线特点不同温度下不同温度下NH3(g)在炭粒上吸附等温线示意图在炭粒上吸附等温线示意图饱和吸附量饱和吸附量()：吸附达饱和状态时对应的吸附量吸附达饱和状态时对应的吸附量。第23页/共32页24(1). 固气表面单分子层吸附理论的基本假设：固气表面单分子层吸附理论的基本假设： 单分子层吸附：单分子层吸附：吸附力场作用范围约为分子直径大小气体吸附力场作用范围约为分子直径大小气体分子只能发生单分子层吸附。分子只能发生单分子层吸附。 固体表面均匀：固体表面均匀：固体表面各晶格位置的吸附能力相同，吸固体表

14、面各晶格位置的吸附能力相同，吸附热不随覆盖程度的大小而变化。附热不随覆盖程度的大小而变化。 被吸附分子间无相互作用力：被吸附分子间无相互作用力：分子吸附与解吸难易程度与分子吸附与解吸难易程度与周围分子无关。周围分子无关。 动态平衡：动态平衡：吸附速率与解吸速率相等时达到吸附平衡。吸附速率与解吸速率相等时达到吸附平衡。2. 兰格缪尔单分子层吸附理论兰格缪尔单分子层吸附理论第24页/共32页25解吸速率：解吸速率：与固体表面被覆盖的吸附位置数成正比：与固体表面被覆盖的吸附位置数成正比： 1kN 解解 吸吸(2) 兰格缪尔吸附等温式兰格缪尔吸附等温式 吸吸 附附解解 吸吸AMAM 吸附平衡：吸附平衡

15、： 11k pN 吸吸附附吸附速率：与吸附质在气相中的压力及固体表面的空位数吸附速率：与吸附质在气相中的压力及固体表面的空位数 成成正比：正比： k1 ：吸附速率常数：吸附速率常数;: 覆盖度覆盖度; 1-：固体表面上空白面积的分数。：固体表面上空白面积的分数。N：吸附位置数：吸附位置数 (固体表面具有吸附能力的总晶格位置数固体表面具有吸附能力的总晶格位置数)。k-1：解吸速率常数。：解吸速率常数。第25页/共32页26b=k1/k-1：吸附系数，单位：吸附系数，单位：Pa-1，大小与吸附剂、吸附质本性及温度有关。，大小与吸附剂、吸附质本性及温度有关。 饱和吸附量饱和吸附量()：吸附质有效挤满

16、固体表面的吸附量。吸附质有效挤满固体表面的吸附量。 : 覆盖度为覆盖度为 的吸附量。的吸附量。 / 1111bpbpbp 1bpbp (兰格缪尔吸附等温式兰格缪尔吸附等温式) 111kpNkN 吸附平衡：吸附平衡：1/ 1/p 呈直线关系，由直线斜率和截距可计算呈直线关系，由直线斜率和截距可计算b和和。第26页/共32页27兰格缪尔吸附等温式适用范围：单分子层吸附。兰格缪尔吸附等温式适用范围：单分子层吸附。 压力很小或吸附很弱时：压力很小或吸附很弱时：b p1, =，吸附达饱和，吸，吸附达饱和，吸附量达最大值。附量达最大值。 压力适中：压力适中：与与p呈曲线关系。呈曲线关系。吸附剂的比表面：吸

17、附剂的比表面： As=LA ：饱和吸附量，单位：饱和吸附量，单位：molkg-1 ; L：阿伏加德罗常数：阿伏加德罗常数 A：被吸附气体分子的截面积；：被吸附气体分子的截面积； As：m2kg-1 3. 兰格缪尔吸附等温式的应用兰格缪尔吸附等温式的应用/ 1bpbp 第27页/共32页28吸附等温线类型吸附等温线类型 兰格缪尔吸附等温式只符合兰格缪尔吸附等温式只符合(I)型的等温线。型的等温线。第28页/共32页29表面惰性物质表面惰性物质：能使溶液表面张力增加的物质。：能使溶液表面张力增加的物质。表面活性物质表面活性物质：能使溶液表面张力降低的物质。：能使溶液表面张力降低的物质。表面活性剂活

18、性的大小可用表面活性剂活性的大小可用 表示，其值越大，表示，其值越大， 表明溶质浓度对溶液表面张力影响的越大。表明溶质浓度对溶液表面张力影响的越大。 Tc 7-7 溶液表面的吸附溶液表面的吸附1. 溶液表面的吸附溶液表面的吸附 若溶质加入溶剂后溶液表面张力增加，溶质将自动离若溶质加入溶剂后溶液表面张力增加，溶质将自动离开表面层进入本体溶液，而扩散作用使溶液本体及表面层开表面层进入本体溶液，而扩散作用使溶液本体及表面层中溶质浓度趋于一致。中溶质浓度趋于一致。 两种作用达平衡时，若表面层中溶质浓度小于溶液本两种作用达平衡时，若表面层中溶质浓度小于溶液本体中的浓度，则称为体中的浓度，则称为负吸附负吸附，反之称为，反之称为正吸附正吸附。第29页/共32页302. 吉布斯吸附公式吉布斯吸附公式：溶液表面张力；：溶液表面张力； c：本体溶液中溶质的平衡浓度：本体溶液中溶质的平衡浓度：溶质的表面吸附量或表面过剩溶质的表面吸附量或表面过剩 的物理意义：单位面积表面层中所含溶质的物质的物理意