界面现象PPT学习教案

1、会计学1界面现象界面现象第1页/共133页第2页/共133页第3页/共133页 例：体积为例：体积为1cm3的球型小水滴的球型小水滴分散分散(直径为直径为10nm的小液滴的小液滴)1018倍倍 与一般系统相比，小颗粒的分散系统有很大的与一般系统相比，小颗粒的分散系统有很大的表面积，它对系统性质的影响绝对不可忽略！表面积，它对系统性质的影响绝对不可忽略！表面积：表面积：3.1416cm2表面能：表面能：3.510-5焦耳焦耳表面积：表面积：314.16m2表面能：表面能：220焦耳焦耳 显然，系统的分散程度越大，对系统的影响越显著。显然，系统的分散程度越大，对系统的影响越显著。 如何衡量系统的分

2、散程度？如何衡量系统的分散程度？而这些能量又能使这一克水的温度升高而这些能量又能使这一克水的温度升高50度度, 第4页/共133页第5页/共133页聚集态聚集态气液固气液固气气 液 界液 界面面液液 液 界液 界面面固固 液 界液 界面面固固 气 界气 界面面固固 固 界固 界面面界 面 现界 面 现象象界面类型与界面现象：界面类型与界面现象：第6页/共133页相相界面相界面特征：几个分子界面特征：几个分子厚、结构和性质与两厚、结构和性质与两侧体相均不同侧体相均不同 两相间的界面并非几何平面，而是具有两相间的界面并非几何平面，而是具有一定厚度的界面层界面相一定厚度的界面层界面相体相体相第7页/

3、共133页第8页/共133页第9页/共133页第10页/共133页第11页/共133页第12页/共133页1.汞在光滑的玻璃上呈球形，在玻璃管中呈凸形。汞在光滑的玻璃上呈球形，在玻璃管中呈凸形。2.水在光滑的玻璃上完全铺展，在玻璃管中呈凹形。水在光滑的玻璃上完全铺展，在玻璃管中呈凹形。3. 露珠在荷叶、草叶上呈球形。露珠在荷叶、草叶上呈球形。4. 液体的过热、过冷，溶液的过饱和。液体的过热、过冷，溶液的过饱和。产生表面（界面）现象的原因是什么？产生表面（界面）现象的原因是什么？第13页/共133页第14页/共133页第15页/共133页表面积的方法有表面积的方法有BET法和色谱法。法和色谱法。

4、/ /mVAA mAA V或第16页/共133页dWA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，称为表面功。用公式表示为：第17页/共133页BBBBBBBBBBBBdddddddddddddddddnAPVTSGdnAVPTSFdnAPVSTHdnAVPSTUBBBB,)()()()(nPTnVTnPSnVSAGAFAHAU由

5、此可得：由此可得：第18页/共133页B,()p T nGABBBBn ,P,Tn ,V,Tn ,P,Sn ,V,S)AG()AF()AH()AU(第19页/共133页 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。第20页/共133页（a）（b）第21页/共133页 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

6、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 表示，单位是Nm-1。 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。第22页/共133页 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。第23页/共133页恒温恒压下增加肥皂膜面积恒温恒压下增加肥皂膜面积dA时，力时，力F需对体系所作

7、需对体系所作的最小功（可逆非体积功）的最小功（可逆非体积功）：Fdxwr srdA/w ldx 2 sdA dG pTsAG,/ NpTsAG, lF2 表面自由能也可以看作沿着液面垂直作用于表面自由能也可以看作沿着液面垂直作用于单位长度上的紧缩力单位长度上的紧缩力表面张力。表面张力。第24页/共133页BBBdddddnAPVTSGBB,)()(nPAnPTTAS第25页/共133页表面张力的相对大小比较相同条件下下述各）（水）（乙醇）gH第26页/共133页第27页/共133页第28页/共133页第29页/共133页第30页/共133页第31页/共133页第32页/共133页第33页/共1

8、33页第34页/共133页剖 面图第35页/共133页附加压力示意图第36页/共133页)11(21sRRPs2RP第37页/共133页第38页/共133页sddpVA324 d4d3VRVRR24 d8dARAR R2sRp)11(21sRRP第39页/共133页说明：说明：该形式的该形式的Laplace公式适用于球形液面。公式适用于球形液面。 根据数学上规定，凸面的曲率半径取正值，凹面的根据数学上规定，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。附加压力指

9、向气体，即附加压力总是指向球面的球心。 R越小，越小，ps 越大；越大；R 越大，越大，ps 越小。越小。 对平液面：对平液面：R，ps0，（并不是，（并不是R= 0） ps永远指向球心。永远指向球心。公公式式LaplaceR2Ps第40页/共133页毛细管连通的大小不等的毛细管连通的大小不等的气泡气泡 p加热p加热R2psR2pS 小液滴小液滴液体中的气泡液体中的气泡肥皂泡肥皂泡R4R2R2ps分析分析：第41页/共133页第42页/共133页3.毛细现象毛细现象第43页/共133页)gh(R2pPgslgl ghR2plsgRgRhcos221第44页/共133页gRcos2gR2h1第4

10、5页/共133页第46页/共133页足 够 长 的 时间 大大水水滴滴小小水水滴滴ppp*反比于曲率半径反比于曲率半径结论：根据液体蒸汽的大小决定于液体分子向空间逃逸的倾向，可知结论：根据液体蒸汽的大小决定于液体分子向空间逃逸的倾向，可知：实验： 第47页/共133页1mol液体 1mol小液滴 (p,平面) （ p+p , r） 恒T (1) G1 途径a (3)G3 1mol饱和蒸汽 1mol饱和蒸汽 （p） (pr ， 小液滴) G2=?途径bGb=? 过程恒温恒压可逆 相变 G1 = 0 理想气体恒温变压)ppln(RTGr2 恒温恒压可逆相变： G3 = 0)1.(ln321ppRT

11、GGGGra 恒温下，将1摩尔液体分散为半径为 r的小液滴，如图所示，可按下列途径进行： (2)第48页/共133页 对上述途径b： p由表面张力产生当压力变化不大时Vm(l)近似认为常数Vm(l) = M/ rPPPPPmmbdp) l (Vdp) l (VG(2) r2) l (Vm rM21mol液体 1mol小液滴 (p,平面) （p+p,r） 恒T (1) G1 途径a (3)G3 1mol饱和蒸汽 1mol饱和蒸汽 （p） (pr) (2)G2=?途径bGb=?)1.(ln321ppRTGGGGra Vm(l)p联立（1）（2）：公公式式KelvinrRTMppr 2lnkelve

12、n公式公式第49页/共133页公公式式KelvinrRTMppr 2ln的的函函数数只只是是皆皆为为定定值值，rp,M,Tr0pplnrpprppr第50页/共133页第51页/共133页第52页/共133页第53页/共133页第54页/共133页设液体1和2的表面张力和界面张力分别为1,g, 2,g和1,2。121,g1,22,g在三相接界点处，1,g和1,2的作用力企图维持液体1不铺展； 而2,g的作用是使液体铺展，如果2,g(1,g+1,2)，则液体1能在液体2上铺展。第55页/共133页第56页/共133页rl-grs-lrs-gcoslgslsg扬氏方程g- ls - lg- sco

13、s第57页/共133页、表面惰性物质：无机盐（、表面惰性物质：无机盐（NaClNaCl）、）、无机酸无机酸(H(H2 2SOSO4 4) )、无机碱、无机碱(KOH)(KOH)、多羟基化、多羟基化合物（蔗糖、甘油）合物（蔗糖、甘油）, ,浓度增加，浓度增加， 稍稍有增加。有增加。、醇、酸、醛、酯、酮、醚等极性有、醇、酸、醛、酯、酮、醚等极性有机物，浓度增加，机物，浓度增加， 缓慢减少。缓慢减少。、有机酸、有机胺盐、磺酸盐、苯酸、有机酸、有机胺盐、磺酸盐、苯酸盐。在低浓度时，浓度增加，盐。在低浓度时，浓度增加， 急剧下急剧下降，在一定浓度以上，浓度增加降，在一定浓度以上，浓度增加 几乎几乎不变。

14、不变。习惯称为表面活性物质或表面活性剂。习惯称为表面活性物质或表面活性剂。 c第58页/共133页222dadRTa第59页/共133页A)(202或摩尔分子醇第60页/共133页222dCdRTC第61页/共133页第62页/共133页2m1LA 第63页/共133页)1ln(0bca皆为常数和为纯水的表面张力，b0a的的关关系系。和和浓浓度度 c?1为若干时，饱和吸附量mbc例题：例题：292.15K时丁酸水溶液的表面张力可以表示为时丁酸水溶液的表面张力可以表示为式中式中：（1）试求该溶液中丁酸的表面吸附量）试求该溶液中丁酸的表面吸附量(3)当丁酸的浓度足够大，达到当丁酸的浓度足够大，达到

15、设此时液面上丁酸成单层吸附，试计算在液面上每个丁酸分子所占的截面设此时液面上丁酸成单层吸附，试计算在液面上每个丁酸分子所占的截面积为若干积为若干? ?dmmol200.0cmoldm62.19b,m.mN1.13a23131为为若若干干时时的的试试计计算算）若若已已知知（第64页/共133页微分，得：对浓度c)1ln(0bcabcabdcd1解解(1)将题给关系式将题给关系式将上式代入吉布斯吸附等温式，得表面吸附量将上式代入吉布斯吸附等温式，得表面吸附量的关系。和浓度 c ) 1 (bc1abRTcdcdRTc第65页/共133页2633333mmol10298. 410200. 01062.

16、1911062.190131. 015.2923145. 810200. 0dmmol000.2C)2(式式得得：时时，将将题题给给数数据据代代入入上上当当RTabc）式得：时，代入（当，11)3() 1 (bc1abRTcdcdRTc第66页/共133页2610393. 515.2923145. 80131. 0mmolRTa219623mm1008. 310393. 51002. 61L1a第67页/共133页两大类，离子型中又可分为阳离两大类，离子型中又可分为阳离子型、阴离子型和两性型表面活子型、阴离子型和两性型表面活性剂。常用表面活性剂类型性剂。常用表面活性剂类型R第68页/共133页

17、1.离子型2.非离子型阳离子型阴离子型两性型表面活性剂R-OSO3Na硫酸酯盐R-SO3Na磺酸盐R-OPO3Na2磷酸酯盐RCOONa羧酸盐阴离子表面活性剂第69页/共133页CH3 |R-N-HCl仲胺盐仲胺盐 | HCH3 |R-N-HCl叔胺盐叔胺盐 | CH3CH3 |R-N-HCl叔胺盐叔胺盐 | CH3CH3 |R-N+-CH3Cl-季胺盐季胺盐 | CH3CH3 |R-N+-CH2COO-甜菜碱型甜菜碱型 | CH3第70页/共133页第71页/共133页第72页/共133页第73页/共133页第74页/共133页第75页/共133页第76页/共133页HLB值=亲水基质量亲水

18、基质量亲水基质量亲水基质量+ +憎水基质量憎水基质量100100第77页/共133页HLBHLB值值 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 | | | | | | | | | | 石蜡石蜡 W/OW/O乳化剂乳化剂 润湿剂润湿剂 洗涤剂洗涤剂 增溶剂增溶剂 | | |聚乙二醇聚乙二醇 O/WO/W乳化剂乳化剂第78页/共133页第79页/共133页第80页/共133页第81页/共133页第82页/共133页A.水的表面张力大，对油污润湿性能差，不容易把水的表面张力大，对油污润湿性能差，不容易把油污洗掉。油污洗掉。 B.加入

19、表面活性剂后，憎水基团朝向织物表面和加入表面活性剂后，憎水基团朝向织物表面和吸附在污垢上，使污垢逐步脱离表面。吸附在污垢上，使污垢逐步脱离表面。 C.污垢悬在水中或随泡沫浮到水面后被去除，洁污垢悬在水中或随泡沫浮到水面后被去除，洁净表面被活性剂分子占领。净表面被活性剂分子占领。第83页/共133页第84页/共133页第85页/共133页第86页/共133页第87页/共133页第88页/共133页3-1/ mgqV m单位：-1/ mol gqn m单位：第89页/共133页( , )qf T p第90页/共133页的吸附。的吸附。第91页/共133页第92页/共133页第93页/共133页类型

20、。类型。第94页/共133页第95页/共133页第96页/共133页第97页/共133页1apap第98页/共133页1apap第99页/共133页1apapmmVP aV1 VPmV1aV1m第100页/共133页3-1m/(22.4dm mol ) (STP)n VmSA Ln/AS mm为吸附剂质量为吸附剂质量总表面积总表面积S（标准状况）（标准状况）比表面比表面A第101页/共133页第102页/共133页热。热。在这个基础上他们导出了在这个基础上他们导出了BET吸附吸附二常数公式。二常数公式。第103页/共133页/) 1(1)(ssmppcppcpVV第104页/共133页smms

21、ppcV1ccV1)pp(Vp)(sppVpspp/) 1(1)(ssmppcppcpVV第105页/共133页比压太低，建立不起多分子层物比压太低，建立不起多分子层物理吸附；理吸附；比压过高，容易发生毛细凝聚，比压过高，容易发生毛细凝聚，使结果偏高。使结果偏高。cVcm1cVm1斜率截距1mV第106页/共133页3-1m/(22.4dm mol ) (STP)n VmSA Ln/AS mm为吸附剂质量为吸附剂质量总表面积总表面积S（标准状况）（标准状况）比表面比表面A第107页/共133页第108页/共133页第109页/共133页第110页/共133页第111页/共133页物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附吸附分子层吸附分子层多分子层多分子层单分子层单分子层吸附温度吸附温度低低高高吸附热吸附热小小大大吸附速度吸附速度快快慢慢吸附选择性吸附选择性无无有有第112页/共133页第113页/共133页第114页/共133页R4R22R2R2ps其中2指肥皂泡的两个球面。第115页/共133页第116页/共133页第117页/共133页第118页/共133页第119页/共133页第12