界面现象概要

1、2022-2-61A. 液体对固体的润湿作用液体对固体的润湿作用B. 弯曲液面的附加压力和毛细现象弯曲液面的附加压力和毛细现象2pR Laplace 公式公式 cos/气气 固固液液 固固气气 液液2022-2-62毛细现象：毛细现象：/2hRg 31/kg mm9.80N kgmmhgRR 液液体体的的密密度度, , 液液柱柱上上升升的的高高度度, , 重重力力加加速速度度, , 曲曲率率半半径径, , 毛毛细细管管半半径径, , 2 coshR g 2022-2-63T t微小液滴的蒸气压力大于大液滴的蒸气压力，使微小液滴微小液滴的蒸气压力大于大液滴的蒸气压力，使微小液滴的水蒸发成蒸气而凝

2、结在大液滴上。的水蒸发成蒸气而凝结在大液滴上。实验结论：实验结论： ln/2/roppMRTr Kelvin 公式公式C. 表面曲率对液体蒸汽压力的影响表面曲率对液体蒸汽压力的影响KelvinKelvin公式公式同样，对于小液滴与其蒸汽的平衡：mmgg( )(g)ddllTTGlGpppp mm =0 ( )(g) GlG ，即即：液体液体(T, p*l,0 ) 饱和蒸汽饱和蒸汽(T, p*g,0)小液滴小液滴(T, p*l ) 饱和蒸汽饱和蒸汽(T, p*g)NOTE: 为简便省去p的上标*2022-2-6mmg( )d(g)d= dlnlgVlpVpRTp 设蒸气相为理想气体：,0,0mm

3、g( )d(g)d= dlnlglgpplgppVlpVpRTp m00( )- lngllgpVlppRTp ，Kelvin 公式，公式， 为液体密度为液体密度,kg.m-3, M 为摩尔质量为摩尔质量, g.mol-1。0/2- = llpppR ，m/0g2( )2ln= VlpMRTpRR /0g22ln= =mVpMRTpRR 2022-2-6 Kelvin公式也可以表示为两种不同曲率半径的液滴或蒸汽泡的蒸汽压之比：1212112lnRRMppRT12s12112lnRRMccRTl对凸面，R/ 越小，液滴的蒸汽压越高，或小颗粒的溶解度越大。对凹面:或两种不同大小颗粒的饱和溶液浓度之

4、比：/0g2ln= - mVpRTpR 凹面曲率半径R/ 越小，与其平衡的小蒸汽泡中的蒸汽压越低。特别注意负号特别注意负号2022-2-680rprTpM 半半径径为为 的的液液滴滴在在温温度度 时时的的蒸蒸气气压压； 平平液液面面液液体体同同温温度度下下的的蒸蒸气气压压； 、液液体体的的摩摩尔尔质质量量、密密度度。20时水滴半径时水滴半径 (r) 与蒸气压力与蒸气压力pr的关系的关系r /m110-6 1 10-7 1 10-8 1 10-9 pr / p0 1.001 1.011 1.114 2.95 ln/2/roppMRTr 凸凸凹凹Kelvin 公式公式2022-2-69 ln/(

5、)2/roppMRTr 凸凸凹凹ln/0roroppppln/0roropppp凸面凸面凹面凹面ppp凹凹平平面面凸凸2022-2-6101） 毛细管凝结毛细管凝结Kelvin公式的应用公式的应用 考虑液体及其饱和蒸气与孔性固体构考虑液体及其饱和蒸气与孔性固体构成的体系。孔内液面与孔外液面的曲率成的体系。孔内液面与孔外液面的曲率不同，导致蒸气压力不同。不同，导致蒸气压力不同。凹液面：凹液面：孔内液体的平衡蒸气压低于液孔内液体的平衡蒸气压低于液体的正常蒸气压。故在毛细管中发生凝体的正常蒸气压。故在毛细管中发生凝结。此即所谓毛细管凝结现象。结。此即所谓毛细管凝结现象。 硅胶能作为干燥剂就是因为硅胶

6、能自动地吸附空气中的硅胶能作为干燥剂就是因为硅胶能自动地吸附空气中的水蒸气，使得水气在毛细管内发生凝结。水蒸气，使得水气在毛细管内发生凝结。2022-2-6112 2）过饱和蒸汽）过饱和蒸汽 恒温下，将未饱和的蒸汽加压，若压力超过该温度下液体恒温下，将未饱和的蒸汽加压，若压力超过该温度下液体的饱和蒸汽压仍无液滴出现，则称该蒸汽为的饱和蒸汽压仍无液滴出现，则称该蒸汽为过饱和蒸汽过饱和蒸汽。原因：液滴小，饱和蒸汽压大，新相难以形成而导致过饱和。原因：液滴小，饱和蒸汽压大，新相难以形成而导致过饱和。解决办法：引入凝结核心解决办法：引入凝结核心如人工降雨，向空中撒凝结核心如人工降雨，向空中撒凝结核心A

7、gI，使凝聚水滴的初始曲，使凝聚水滴的初始曲率半径加大，其相应的饱和蒸气压小于高空中已有的水蒸气率半径加大，其相应的饱和蒸气压小于高空中已有的水蒸气压力，因此蒸气会迅速凝结成水，便成了雨。压力，因此蒸气会迅速凝结成水，便成了雨。2022-2-6123 3）过热液体（过冷液体）过热液体（过冷液体） 沸腾沸腾( (结晶结晶) )是液体从内部形成气泡是液体从内部形成气泡( (微小晶体微小晶体) )、在液体表、在液体表面上剧烈汽化的现象。但如果在液体中没有提供气泡面上剧烈汽化的现象。但如果在液体中没有提供气泡( (晶体晶体) )的物质存在时，液体在沸点的物质存在时，液体在沸点( (凝固点凝固点) )时

8、将无法沸腾时将无法沸腾( (结晶结晶) )。我们将这种按相平衡条件，应当沸腾我们将这种按相平衡条件，应当沸腾( (结晶结晶) )而没有沸腾而没有沸腾( (结结晶晶) )的液体，称为的液体，称为过热液体过热液体( (过冷液体过冷液体) )。 原因：液体过热原因：液体过热( (过冷过冷) )现象的产生是由于液体在沸点现象的产生是由于液体在沸点( (结结晶晶) )时无法形成微小气泡时无法形成微小气泡( (微小晶体微小晶体) )所造成的，这样便造成所造成的，这样便造成了液体在沸点了液体在沸点( (凝固点凝固点) )时无法沸腾时无法沸腾( (结晶结晶) )而液体的温度继续而液体的温度继续升高升高( (降

9、低降低) )的过热的过热( (过冷过冷) )现象。过热较多时，极易暴沸。现象。过热较多时，极易暴沸。 解决办法：为防止暴沸，可事先加入一些解决办法：为防止暴沸，可事先加入一些？。2022-2-6以一种物质的原子或分子附着在另一种物质的以一种物质的原子或分子附着在另一种物质的表面上的现象表面上的现象, ,或者说物质在相界面上浓度自动变化的或者说物质在相界面上浓度自动变化的现象。现象。具有吸附作用的物质。具有吸附作用的物质。被吸附的物质。被吸附的物质。固体表面质点处于力场不平衡状态固体表面质点处于力场不平衡状态, ,表面具有过剩的能量（表面能）。表面具有过剩的能量（表面能）。132022-2-6物

10、理吸附物理吸附化学吸附化学吸附吸附作用力吸附作用力范德华力范德华力化学键力化学键力吸附选择性吸附选择性无无有有(需要形成吸附化学键需要形成吸附化学键)吸附分子层吸附分子层单分子层、多分子层单分子层、多分子层单分子层单分子层吸附热吸附热较小，近似气体凝结热较小，近似气体凝结热( 40kJ.mol-1 )吸附温度吸附温度较低较低常在较高温度下常在较高温度下吸附速率吸附速率快快(不需要活化能不需要活化能)，易达吸附平衡易达吸附平衡较慢较慢(需要活化能需要活化能)，吸附平衡慢吸附平衡慢142022-2-6固体表面的特点固体表面的特点 固体表面原子或分子处于力场不平衡状态，表面具有过固体表面原子或分子处

11、于力场不平衡状态，表面具有过剩的能量（表面能）。剩的能量（表面能）。 1固体表面分子固体表面分子(或原子或原子)移动困难，表面积不能缩小，移动困难，表面积不能缩小，会自动与外来分子结合来降低表面自由能。会自动与外来分子结合来降低表面自由能。 2固体表面是很不均匀的，不同类型的原子的化学行为、固体表面是很不均匀的，不同类型的原子的化学行为、吸附热、催化活性和表面态能级的分布都是不均匀的。吸附热、催化活性和表面态能级的分布都是不均匀的。 3固体表面层的组成与体相内部组成不同。固体表面层的组成与体相内部组成不同。 152022-2-6本体中气体分子本体中气体分子A吸附态分子吸附态分子A S吸附吸附解

12、吸解吸吸附量吸附量单位质量的固体所吸附气体的物质的量或体积。单位质量的固体所吸附气体的物质的量或体积。-1 (mol g )xm 吸吸附附量量 mL gVm吸吸附附量量吸附量与温度和气体的压力有关：吸附量与温度和气体的压力有关： xfp, Tm 吸吸附附量量1、基本概念162022-2-6 xf Tm 吸吸附附量量p常数：常数：吸附等压线吸附等压线 xf pm 吸吸附附量量吸附等温线吸附等温线T常数常数 pf T 吸附等量线吸附等量线常数常数 mx xfp, Tm 吸吸附附量量172022-2-6 当压力一定时，温度越高吸附量越小，即随着温度的增当压力一定时，温度越高吸附量越小，即随着温度的增

13、加，吸附剂的吸附能力逐渐降低。加，吸附剂的吸附能力逐渐降低。钯对钯对 CO的吸附等压线的吸附等压线20406080100吸附量吸附量2001000+100+200AB121.物理吸附物理吸附2.化学吸附化学吸附182022-2-61001500.20.40.60.81.0吸附量吸附量dm3.kg-1151.58030023p/101.325 kPa各种温度时，氨吸附在炭粒上的吸附等温线各种温度时，氨吸附在炭粒上的吸附等温线：直线：直线：增加程度减小：增加程度减小：几乎不变，饱和吸附：几乎不变，饱和吸附192022-2-6典型的五种吸附等温线典型的五种吸附等温线吸附等温线可以反映出吸附剂的表面性

14、质、孔分布以及吸附剂与吸附等温线可以反映出吸附剂的表面性质、孔分布以及吸附剂与吸附质之间的相互作用情况。吸附质之间的相互作用情况。202022-2-6adV1.0/sp p在在2.5 nm 以下以下微孔吸附微孔吸附剂上的吸附等温线剂上的吸附等温线属于属于这种类型。这种类型。 例如例如78 K时时 N2 在活性在活性炭上的吸附及水和苯蒸炭上的吸附及水和苯蒸汽在分子筛上的吸附。汽在分子筛上的吸附。(1)p/ps比压比压，ps是吸附质在该温度时的饱和蒸汽压，是吸附质在该温度时的饱和蒸汽压，p为吸附质的压力。为吸附质的压力。V饱和饱和Vad212022-2-6adV1.0/sp p图中曲线常称为图中曲

15、线常称为S型等型等温线温线。吸附剂孔径大小。吸附剂孔径大小不一，发生多分子层吸不一，发生多分子层吸附。附。在比压接近在比压接近1时，发生时，发生毛细管凝聚现象毛细管凝聚现象。(2)222022-2-6adV1.0/sp p这种类型较少见。当吸附这种类型较少见。当吸附剂和吸附质相互作用很弱剂和吸附质相互作用很弱时会出现这种等温线时会出现这种等温线。 如如 352 K 时，时，Br2在硅在硅胶胶上的吸附上的吸附属于这种类型属于这种类型。(3)232022-2-6adV1.0/sp p多孔吸附剂发生多分子多孔吸附剂发生多分子层吸附时会出现这种等层吸附时会出现这种等温线。在比压较高时，温线。在比压较高

16、时，有毛细凝聚现象。有毛细凝聚现象。 例如在例如在323K时，苯在时，苯在氧化铁凝胶上的吸附属氧化铁凝胶上的吸附属于这种类型于这种类型。(4)242022-2-6adV1.0/sp p发生多分子层吸附，有发生多分子层吸附，有毛细凝聚现象。毛细凝聚现象。 例如例如373K时，水汽在时，水汽在活性炭上的吸附属于这活性炭上的吸附属于这种类型。种类型。(5)252022-2-6兰格缪尔吸附理论要点：兰格缪尔吸附理论要点：2、单分子层吸附理论Langmuir吸附等温式(1) 固体表面均匀，各处的吸附能力相同；固体表面均匀，各处的吸附能力相同；(2) 被吸附的分子之间无相互作用；被吸附的分子之间无相互作用

17、；(3) 固体表面存在不饱和力场，作用范围大约相当于分固体表面存在不饱和力场，作用范围大约相当于分子直径大小，所以只形成单分子层吸附；子直径大小，所以只形成单分子层吸附；(4) 一定条件下，吸附与解吸建立动态平衡；一定条件下，吸附与解吸建立动态平衡；本体中气体分子本体中气体分子A吸附态分子吸附态分子A S吸附吸附解吸解吸262022-2-6表面吸附分子所占的表面百分数。表面吸附分子所占的表面百分数。dk 解解吸吸 1ak p吸吸附附ka吸附速率常数吸附速率常数kd解吸速率常数解吸速率常数吸附达平衡时：吸附达平衡时： 1adk pkadkbk 吸附平衡常数吸附平衡常数1aadk pbpk pkb

18、p Langmuir吸附等温式吸附等温式272022-2-6 一定量吸附剂所吸附的物质的平衡吸附量；一定量吸附剂所吸附的物质的平衡吸附量；mol kg-1 相同相同量吸附剂所能吸附的最大量吸附剂所能吸附的最大(饱和饱和)吸附量；吸附量；mol kg-11bpbp Langmuir吸附等温式吸附等温式282022-2-629 美国物理化学家IRVING LANGMUIR。1881年1月31日生于纽约的一个贫民家庭。1903年毕业Clumbia大学矿业学院。不久去德国留学，1906年获得哥丁根大学的博士学位，同年秋天赴新泽西州史蒂文森理工学院任教。1909年起到通用电气公司在纽约东部的斯克内克塔迪电气工程实验所工作，1932年后任该