表面现象合课件

第三章表面现象界面与表面：密切接触的两相的过渡区，称为界面，如果其中一相为气相，称为表面。气液、气固、液液、液固、固固界面界面现象：

指发生在界面上的一切物理现象（如吸附、润湿）和化学现象（如在固体催化剂表面上发生催化反应）。第三章表面现象界面与表面：本章内容1表面张力2曲界面两侧的压力差3吸附4润湿5毛细管现象本章内容1表面张力第一节表面能与表面张力第一节表面能与表面张力一、表面张力1净吸引力。2净吸引力指向液体内部。3克服净吸引力做功。4表面能。一、表面张力1净吸引力。2净吸引力指向液体3克服净吸引单位表面所具有的表面能（能量）增加单位表面所需要做的功（功）作用在单位长度表面的力（力）单位表面所具有的表面能（能量）从力角度理解表面（界面）张力（1）作用在表面的边界线上；（2）垂直于边界线；（3）指向表面的中心并与表面相切从力角度理解表面（界面）张力（1）作用在表面的边界线上；

二、影响表面张力大小的因素表面张力净吸引力二、影响表面张力大小的因素表净二、影响表面张力大小的因素1、温度越高，表面张力越低二、影响表面张力大小的因素1、温度越高，表面张力越低2压力变高，表面张力变低;压力对液液界面张力影响小

二、影响表面张力大小的因素2压力变高，表面张力变低;压力对液液界面张力影响小

二、影响表面张力大小的因素3相界面性质(1)取决于物质本性

二、影响表面张力大小的因素3相界面性质第三章表面现象合课件二、影响表面张力大小的因素3相界面性质(2)取决于相界面性质(水-空气)=72.0mN/m(水-苯)=32.6mN/m

气体内部水内部苯内部水内部二、影响表面张力大小的因素3相界面性质气体内部水内部苯

二、影响表面张力大小的因素3相界面性质(1)液气与液液(2)界面上吸附的物质表面活性物质表面活性剂二、影响表面张力大小的因素3相界面性质三、表面能自动趋于减少的规律在净吸引力的作用下，表面有自动收缩的倾向（液体表面就如同一层绷紧了的富于弹性的橡皮膜，不是很贴切的类比）。在等温条件下，表面能自动趋于减少。曲界面压力差、吸附、润湿和毛细管现象都是该规律起作用的表现。三、表面能自动趋于减少的规律在净吸引力的作用下，表面有自动收第三章表面现象合课件第三章表面现象合课件第二节曲界面两侧的压力差第二节曲界面两侧的压力差曲界面压差的实验证明p1p2p1p2p2P1>P2曲界面压差的实验证明p1p2p1p2p2P1>P2从能量的角度阐述曲界面两侧压差产生原因：气泡能否自发形成？不会气泡形成的过程，是表面能增大的过程。要形成气泡，必须对体系做功。保持p=p1–p2,使气泡膨胀——膨胀功

最终膨胀功

等于表面能的变化表面能自动趋于减少的规律起作用的结果内侧压力外侧压力从能量的角度阐述曲界面两侧压差产生原因：气泡能否自发形成？不对于液体下的一个气泡，半径为r，我们试图使其半径增加dr，则体积增加

，表面积增加

，此过程作功：从能量角度推导曲界面两侧压差公式：膨胀功dV=4r2drdA=8rdr

W=pdV=p4r2dr对于液体下的一个气泡，半径为r，我们从能量角度推导曲界面两侧曲界面两侧压差公式推导按照表面能的概念，表面能增加dA=8rdr因此p4r2dr=

8rdr曲界面两侧压差公式推导按照表面能的概念，表面能增加曲界面压差公式推导曲界面压差公式推导说明r为曲率半径；p1/r；只适用于球形界面；说明r为曲率半径；说明曲界面两侧压差，方向会判断凹液面：凸液面P外P内P外P内曲界面曲心一侧的压力大说明曲界面两侧压差，方向会判断凹液面：凸液面P外P内P例题1hP1P2Rrpa例题1hP1P2Rrpa例2例2练习104页7题312练习104页7题312

练习：推导肥皂泡内外压差计算公式·R2R1···CAB练习：推导肥皂泡内外压差计算公式·R2R1···CA练习：推导肥皂泡内外压差计算公式练习：推导肥皂泡内外压差计算公式第三节吸附第三节吸附基本概念吸附：相表面浓度与相内部浓度不同的现象。正吸附：相表面浓度大于相内部浓度的现象。负吸附：相表面浓度小于相内部浓度的现象。基本概念吸附：相表面浓度与相内部浓度不同的现象。基本概念表面活性物质：产生正吸附从而使表面张力降低的现象。有机酸、醇、醛、酮等。表面惰性物质：产生负吸附从而使表面张力升高的现象。无机酸、碱、盐等。基本概念表面活性物质：产生正吸附从而使表面张力主要内容一、气液界面上的吸附二、液液界面上的吸附三、固体从溶液中吸附主要内容一、气液界面上的吸附一、气液界面上的吸附吸附量：单位面积上吸附的物质的量。脂肪酸的吸附规律甲酸乙酸丙酸丁酸一、气液界面上的吸附吸附量：单位面积上吸附的物质的量。一、气液界面上的吸附亲油非极性基团亲水极性基团亲油基增大一、气液界面上的吸附亲油亲水亲油基增大一、气液界面上的吸附一、气液界面上的吸附脂肪酸取代界面分子后，净吸引力降低脂肪酸取代界面分子后，净吸引力降低脂肪酸在界面的存在状态决定了降低界面张力的能力饱和吸附脂肪酸在界面的存在状态决定了降低饱和吸附十二烷基硫酸钠0.5nm2.1nm十二烷基硫酸钠0.5nm2.1nmGibss吸附等温式作用：描述吸附量与溶液浓度、表面张力随浓度变化率的关系。内容：Gibss吸附等温式作用：描述吸附量与溶液浓度、表面张力随浓Gibss吸附等温式Г-吸附量，mol/m2C-吸附质在溶液内部的浓度，mol/LR-通用气体常数，N.m/(K.mol)T-热力学温度，Kσ-表面张力，N/mGibss吸附等温式Г-吸附量，mol/m2说明1、注意单位的使用2、d/dc的含义及求法3、d/dc与吸附量的符号4、由热力学导出，适应于气液界面和液液界面（稀溶液）说明1、注意单位的使用第三章表面现象合课件练习在25C时，乙醇的水溶液的表面张力与其浓度的关系为（Cb为乙醇的浓度）：σ=72–0.5Cb+0.2Cb2式中，σ的单位为mN·m-1，Cb的单位为mol·L-1。计算乙醇的浓度在0.5mol·L-1的吸附量。练习在25C时二、液液界面上的吸附液液界面与气液界面的相同点：表面活性物质发生正吸附表面活性物质在界面上定向排列Gibbs吸附等温式可用液液界面与气液界面的不同点：液液界面张力小于气液界面张力表面活性物质与两相的亲力对吸附量有很大影响二、液液界面上的吸附液液界面与气液界面的相同点：烃链长度合适，则极性合适，对两相的亲力相近，吸附量最大烃链长度合适，则极性合适，对两相的亲力相近，吸附量最大三、固体从溶液中吸附溶质、溶剂都有可能在固体界面上吸附，因此溶质和溶剂相互影响，存在竞争吸附，所以固体从溶液中的吸附比较复杂，至今未建立起成熟的理论来解释固体从溶液中叙吸附的全部规律。本节主要介绍一些经验规律和经验公式。三、固体从溶液中吸附溶质、溶剂都有可能在固体界1、经验公式(1)Freundlish吸附等温式Г-每千克固体所吸附溶质的物质的量，mol/kgC-溶液中溶质的浓度，mol/lβ，n-与温度、溶质、溶剂和固体性质有关的常数1、经验公式(1)Freundlish吸附等温式1、经验公式(1)Freundlish吸附等温式1、经验公式(1)Freundlish吸附等温式1、经验公式(2)Langmuir吸附等温式Г-每千克固体所吸附溶质的物质的量，mol/kgC-溶液中溶质的浓度，mol/lb-吸附系数，mol/l,与温度、溶质、溶剂和固体性质有关的常数饱和吸附量1、经验公式(2)Langmuir吸附等温式饱和吸附量1、经验公式(2)Langmuir吸附等温式1、经验公式(2)Langmuir吸附等温式第三章表面现象合课件2、经验规律（1）溶质为非电解质或弱电解质，固液界面的吸附规律（2）溶质为电解质时的吸附规律

（法扬斯法则，Fajans'rule）2、经验规律（1）溶质为非电解质或弱电解质，固液界面的吸附规（1）极性固体易于吸附极性溶质，非

极性固体易于吸附非极性溶质

（极性相近规则）（1）极性固体易于吸附极性溶质，非

（2）极性固体从非极性溶剂中吸附带烃链的表面活性物质时，烃链越长，吸附量越小；非极性固体从极性溶剂中吸附带烃链的表面活性物质时，烃链越长，吸附量越大代表脂肪酸（2）极性固体从非极性溶剂中吸附带烃链的表面活性物质时，烃链（3）若溶质在不同的溶剂中有不同的溶解度，则溶解度越小的溶质在固体表面的吸附量越大。苯甲酸在四氯化碳和苯中的溶解度之比为4.18:12.43，若用硅胶吸附苯甲酸，则在四氯化碳的吸附量大。（3）若溶质在不同的溶剂中有不同的溶解度，则溶解度越小的溶质温度升高，固体对溶质的吸引力减少;温度升高，溶质在溶剂中的溶解度会发生变化（增加或减少）.（4）温度对吸附量的影响温度升高，固体对溶质的吸引力减少;（4）温度对吸附量的影响溶质为电解质时的吸附规律

（法扬斯法则，Fajans'rule）当离子键固体从溶液中吸附离子时，若溶液中的离子能和固体中的异号离子形成难溶盐，则该离子优先被吸附。溶质为电解质时的吸附规律

（法扬斯法则，Fajans'第三章表面现象合课件第四节润湿一、润湿概念二、润湿程度的衡量标准三、润湿程度的决定因素与润湿反转现象第四节润湿一、润湿概念一、润湿概念润湿定义固体表面上一种流体被另一种流体取代引起表面能下降的过程。可理解为：固体表面的A流体能自发取代B流体，认为A在固体表面是润湿的。

一、润湿概念润湿定义二、润湿程度的衡量标准1、接触角2、粘附功二、润湿程度的衡量标准1、接触角定义沿气液固三相交点对液滴表面所作切线与液固界面所夹的角。1、接触角定义1、接触角1、接触角玻璃表面玻璃表面空气空气1、接触角玻璃表面玻璃表面空气空气定义：接触角（润湿角）沿气液固三相交点对液滴表面所作切线与液固界面所夹的角。<90°,润湿好>90°,润湿不好=0°,完全润湿=180°,完全不润湿1、接触角定义：接触角（润湿角）1、接触角玻璃表面玻璃表面空气空气

找接触角步骤（1）找出三相点（2）围绕研究对象，从三相点作两条切线（3）两条切线夹着研究对象的角度即为接触角。玻璃表面玻璃表面空气空气练习找出油滴在砂粒表面的润湿角砂粒油滴水练习找出油滴在砂粒表面的润湿角砂粒油滴水练习找出油滴在砂粒表面的润湿角砂粒油滴水练习找出油滴在砂粒表面的润湿角砂粒油滴水第三章表面现象合课件第三章表面现象合课件投影法测接触角投影法测接触角润湿角测定仪润湿角测定仪第三章表面现象合课件理论推导（杨氏方程）固体液体固液固气液气理论推导（杨氏方程）固体液体固液固气液气液固做功固液2粘附功将单位面积（如1m2）固液界面在第三相中拉开所作之功。

液固做功固液2粘附功将单位面积（如1m2）固液界面在第三相Us=

气液1m2

+气固

1m2

-液固1m2=（气液+气固-液固）1m2W粘=Us

W粘=Us

=气液（1+cos）液固做功固液Us=气液1m2+气固1m2-液固说明1、粘附功意义2、改变粘附功的方式3、第三相也可以指液相W粘=气液（1+cos）说明1、粘附功意义W粘=气液（1+cos）从粘附功分析驱油效率(洗油效率)W粘=油水（1+cos）砂粒油滴水从粘附功分析驱油效率(洗油效率)W粘=油水（1+cos三、润湿程度的决定因素与润湿反转现象1、液体和固体的性质是润湿程度的决定因素2、第三种物质的物质加入（表面活性物质）三、润湿程度的决定因素与润湿反转现象1、液体和固体的性质是润1、液体和固体的性质是润湿程度的决定因素液体的分类极性液体非极性液体固体的分类极性固体，硅酸盐、碳酸盐、硫酸盐非极性固体，有机固体、硫化物液体与固体的润湿性关系1、液体和固体的性质是润湿程度的决定因素液体的分类水水亲水表面反转为亲油表面2、表面活性物质对润湿性的影响与润湿反转水水亲水表面反转为亲油表面2、表面活性物质对润湿性的影响与润油油亲水表面反转为亲油表面2、表面活性物质对润湿性的影响与润湿反转油油亲水表面反转为亲油表面2、表面活性物质对润湿性的影响与润第五节毛细管现象第五节毛细管现象一、毛细管上升或下降现象1hr23456球型曲界面一、毛细管上升或下降现象1hr23456球型曲界面1h23456表面物理化学，谈慕华1h23456表面物理化学，谈慕华第三章表面现象合课件对公式的理解对公式的理解毛细管下降现象毛细管下降现象练习练习在油水半径为0.001cm的毛细管，已知50℃时油水界面张力为30.0mN/m，水对毛细管表面的接触角为45º，油水密度分别为0.92、0.98g/cm3，计算毛细管与油水界面成90º

、60º

、45º

、30º和0º时水在毛细管中移动距离（由液面算起）。解：对一个亲水的毛细管来说，毛细管越倾斜，水在毛细管中移动的距离越长。在油水半径为0.001cm的毛细管，已知50℃时油水界面张力毛细管现象对采油的影响亲水地层，毛细管现象是水驱油的动力亲油地层，毛细管现象是水驱油的阻力力的大