表面现象生工08级课件

第五章表面现象

利用物理化学的原理研究两相界面上发生的现象表面

表面现象显著的场合主要是具有较高分散度、表面积较大的体系，如胶体体系、粉末状固体颗粒、细小的液滴、具有海绵状构造的多孔性固体等活性炭、硅胶吸附剂surfaceinterface“两相界面”是指相邻两相间极薄的边界层，厚度可以是单分子层或几个分子层气—液、气—固、液—液、液—固、固—固界面1

体系的分散度通常用比表面积S0

来衡量

单位体积(液体)或单位质量(固体)物质所具有的表面积

习题5-11g(1ml)水滴经喷雾器分散成小水滴(10-9m)2水滴半径(m)水滴数目(个)总表面积(m2)比表面积(m2/m3)6.20×10-310.0004834.83×10210-72.39×1014303×10710-82.39×10173003×10810-92.39×102030003×109分散度提高显著增加胶体需功216J相当于升温51.6℃1g(1ml)水分散成小水滴时的变化3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。图10-1-1ABCD若使皂液表面积不变，必然需要一外力。如果在活动边框上挂一重物，重物质量W2与边框质量W1所产生的重力为F[F=（W1+W2）g]。这时，系统处于平衡状态，向上必有一力与之平衡，它们大小相等方向相反，（这种力就是由于液体表面分子受力不均引起的液体表面紧缩力。）则金属丝不再滑动。5

l是滑动边的长度，因膜有两个面，所以边界总长度为2l，σ

就是作用于单位边界上的表面张力。

把作用于单位边界线上的液体表面紧缩力称为表面张力，用σ表示，单位是N·m-1。

在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着一种张力，它垂直于表面的边界，指向液体方向并与表面相切。

这时F=2σl6

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，清楚的显示出表面张力的存在。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。7第二节弯曲液面的特征

液面下的附加压力

Δppθpθpθ

平面凸面凹面

0+–曲率半径指向曲面中心9凸面凹面接触角10

解释毛细管现象水Δppθpθh?rRr——曲面半径R——毛细管半径112.液面上的饱和蒸气压

人工降雨原理：粉末状干冰或AgI晶种作为水蒸气的凝结核心p凸面

>p平面>p凹面水滴半径

r(m)10–610–710–810–9pr/p*1.0011.0111.1112.859

加热液体时放入沸石：提供汽化中心，防止过热，避免暴沸13第三节

溶液的表面吸附1.σ溶液

~

c

的关系0cⅠ无机物、糖Ⅱ普通有机物Ⅲ表面活性剂σ溶液

σ水142.Gibbs吸附等温式溶液表面吸附——溶液表面层与体相溶液的组成不同Ⅱ、Ⅲ类正吸附Ⅰ类负吸附自由能减少原理扩散作用由σ溶液~

c

图上作切线求得平衡15

习题5-6乙醇水溶液的表面吸附由σ=0.072–5×10-4c+2×10-7c2对c偏微分可得

=

6.05×10-5

mol·m-2

mol·dm-3

mol·m-3

正吸附17第四节

表面活性剂1.

定义

表面活性剂在很低浓度时就能使溶液的表面张力显著降低，并能在界面上定向吸附，从而改变界面状态和性质。3.分类4.HLB值(hydrophile—1ipophilebalance)

亲水亲油平衡值——表示表面活性剂的亲水性HLB值越大，其亲水性越强，亲油性越弱HLB值越小，其亲水性越弱，亲油性越强非极性尾极性头疏水基团亲水基团（亲油基团）2.

结构特点18根据需要，可根据HLB值选择合适的表面活性剂。例如：HLB值在2～6之间，可作油包水型的乳化剂；8～10之间作润湿剂；12～18之间作为水包油型乳化剂。HLB值02468101214161820 ||———||——||——||——||

石蜡W/O乳化剂润湿剂洗涤剂增溶剂| |————|聚乙二醇

O/W乳化剂192.起泡作用

“泡”就是由液体薄膜包围着气体。有的表面活性剂和水可以形成一定强度的薄膜，包围着空气而形成泡沫，用于浮游选矿、泡沫灭火和洗涤去污等，这种活性剂称为起泡剂。也有时要使用消泡剂，在制糖、制中药过程中泡沫太多，要加入适当的表面活性剂降低薄膜强度，消除气泡，防止事故。21223.增溶作用

非极性有机物如苯在水中溶解度很小，加入油酸钠等表面活性剂后，苯在水中的溶解度大大增加，这称为增溶作用。增溶作用与普通的溶解概念是不同的，增溶的苯不是均匀分散在水中，而是分散在油酸根分子形成的胶束中。经X射线衍射证实，增溶后各种胶束都有不同程度的增大，而整个溶液的的依数性变化不大。235.洗涤作用

洗涤剂中通常要加入多种辅助成分，增加对被清洗物体的润湿作用，又要有起泡、增白、占领清洁表面不被再次污染等功能。其中占主要成分的表面活性剂的去污过程可用示意图说明：A.水的表面张力大，对油污润湿性能差，不容易把油污洗掉。25B.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。C.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。26第六节

气体在固体表面的吸附

基本概念吸附平衡吸附剂吸附解吸(或脱附)物理吸附化学吸附adsorption吸收

absorption吸附量Γ:

mol·kg-1

或m3·kg-1

吸附热：放热过程吸附等温线：Γ~p曲线吸附等温式：Γ~p关系式29固体表面有剩余价力(剩余力场)表面均匀,各位点能量相同不考虑相邻吸附分子间的作用力单分子层吸附

吸附理论与吸附等温式1.

Freundlich等温式

经验公式无理论依据

2.Langmuir单分子层吸附理论要点及吸附等温式吸附与解吸达到平衡30+气体

吸附平衡1–θ

p

θ

k1k-1吸附速率=解吸速率

k1p(1–

θ)=k-1θ设吸附平衡常数K=k1/k-1

Γ~?31

吸附理论与吸附等温式1.

Freundlich等温式

2.Langmuir单分子层吸附理论要点及吸附等温式32

习题5-8lgplgΓ

pp/ΓFreundlich吸附等温式Langmuir吸附等温式333．BET多分子层吸附理论及吸附等温式测定和计算固体吸附剂的比表面积S0习题5-9498m2/g

34第七节

液体对固体表面的润湿润湿——气-固界面被液-固界面取代的现象润湿程度(自发性)的判断σg-l

σg-s

σl-s

ΔG=G终态–

G始态=σl-s

–

σg-s

–σg-l<035

接触角与润湿的关系θθσg-l

σg-s

σs-l

OO点水平方向受力平衡:使其铺展的力=使其收缩的力

σg-s=σs-l+σg-lcosθθ=0º完全润湿(铺展)

润湿作用的应用——通过润湿剂,人为改变接触角θ<

90º能润湿θ>

90º不能润湿θ=

180º完全不润湿36第八节固体-溶液界面的吸附稀溶液中对溶质分子的吸附

1.吸附量的测定2.吸附等温式3.影响吸附的因素极性（吸附剂与溶质极性相似）溶质溶解度（溶解度小的，吸附量大）温度（升温，吸附量减小）37电解质溶液中对离子的吸附——选择性吸附1.规律：固体总是选择吸附与其组成相同或相似的离子例如：将AgCl晶体加