液體界面性質(zhì)

關(guān)于液體界面性質(zhì)第1頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三第一章液體界面性質(zhì)1.1表面能與表面性質(zhì)1.2彎曲表面的現(xiàn)象1.3表面張力的測(cè)定1.4表面熱力學(xué)1.5液體與固體的界面第2頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三本章作為膠體與界面化學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)，是貫穿全書(shū)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，要著重理解和掌握表面能、表面張力：含義；異同；附加壓力、表面曲率、表面過(guò)剩量物理意義；潤(rùn)濕作用、接觸角：類(lèi)型及關(guān)系；熱力學(xué)基本關(guān)系式；表面熱力學(xué)：處理各種界面現(xiàn)象；

Laplace方程；吸附公式等。應(yīng)用：了解表面張力的各種測(cè)定方法。第一章液體界面性質(zhì)第3頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三憎液溶膠性質(zhì)特有的分散程度粒子的大小在1－100nm之間，因而擴(kuò)散較慢，不能透過(guò)半透膜，滲透壓低但有較強(qiáng)的動(dòng)力穩(wěn)定性和乳光現(xiàn)象。多相不均勻性具有納米級(jí)的粒子是由許多離子或分子聚結(jié)而成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有的保持了該難溶鹽的原有晶體結(jié)構(gòu)，而且粒子大小不一，與介質(zhì)之間有明顯的相界面，比表面很大熱力學(xué)不穩(wěn)定性因?yàn)榱Ｗ有?，比表面大，表面自由能高，是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，有自發(fā)降低表面自由能的趨勢(shì)，即小粒子會(huì)自動(dòng)聚結(jié)成大粒子。第4頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三膠體膠體是一定分散范圍內(nèi)物質(zhì)存在的一種狀態(tài)，而不是物質(zhì)固有的特性。膠體是高度分散的體系，具有很大的表面積有擴(kuò)散慢和不能透過(guò)半透膜，推斷膠體溶液中的質(zhì)點(diǎn)不是以小分子而是以大粒子形式分散在介質(zhì)中膠體粒子在重力場(chǎng)重不沉降或沉降速度極慢，推斷分散質(zhì)點(diǎn)不會(huì)太大，約1nm-1000nm第5頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三膠體與界面化學(xué)的相關(guān)性膠體的基本特性：特有的分散程度、多相性、聚結(jié)不穩(wěn)定性研究物質(zhì)的界面特性——界面化學(xué)表面張力、表面能、表面現(xiàn)象、表面吸附、單分子膜、表面潤(rùn)濕等研究一群質(zhì)點(diǎn)所構(gòu)成的分散體系的性質(zhì)：膠體化學(xué)

動(dòng)力性質(zhì)、電性質(zhì)、光學(xué)性、流變性質(zhì)、膠體的聚結(jié)與穩(wěn)定性等第6頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三界面（表面）現(xiàn)象（Interface/Surface)兩相界面分子具有特殊的性質(zhì)

具有巨大表面積的分散體系，界面分子的性質(zhì)對(duì)體系的性質(zhì)有巨大的影響GasSolid例子：EAST真空制造系統(tǒng)Surface第7頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三界面/表面界面化學(xué)：在分子（原子）尺度上研究界面上的物理和化學(xué)過(guò)程的科學(xué)液體－氣體固體－氣體表面（Surface）液體－液體固體－液體固體－固體界面（Interface）第8頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三表面化學(xué)表面化學(xué)與其它學(xué)科的聯(lián)系生命科學(xué)（生物膜及膜模擬化學(xué)）能源科學(xué)（三次采油、煤的液化、化學(xué)電源）材料科學(xué)（超細(xì)材料、材料的表面改型）信息科學(xué)（LB膜，微電子器件）表面化學(xué)界面化學(xué)的發(fā)展1805T.Young提出界面張力概念1806P.S.Laplase表面張力與曲率半徑關(guān)系1878Gibbs表面吸附方程1916Langmuir固體吸附等溫方程式第9頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三儀器技術(shù)促進(jìn)了界面/表面化學(xué)的發(fā)展表面與界面化學(xué)雖是物理化學(xué)的傳統(tǒng)研究領(lǐng)域,但由于電子能譜、掃描隧道顯微鏡等新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)的出現(xiàn),使得表面、界面效應(yīng)及粒子尺寸效應(yīng)的知識(shí)呈指數(shù)上升式的積累,提出了在分子水平上進(jìn)行基礎(chǔ)研究的要求。當(dāng)前涉及這一領(lǐng)域的研究已成為催化、電化學(xué)、膠體化學(xué)的前沿課題,并與生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、膜技術(shù)及醫(yī)藥學(xué)密切相關(guān),是這些相關(guān)學(xué)科要研究和解決的核心課題之一。第10頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三1.1表面能和表面張力表面分子的受力和能量狀態(tài)液體表面的分子受到指向液體內(nèi)部的合力作用。Gas液體表面分子比內(nèi)部分子具有更高的能量。第11頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三表面能和表面張力是液體界面最根本的性質(zhì)；是其它物理、化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生和變化的基本原因和推動(dòng)力。物質(zhì)的聚集狀態(tài)—相態(tài)物質(zhì)通常有g(shù),l,s三種相態(tài)當(dāng)兩相共存時(shí)g-l,g-s,l-l,l-s,s-s.有五種相界面;g-g共存無(wú)界面;人眼看不見(jiàn)氣相,常將g-l和g-s兩種界面稱(chēng)表面.第12頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三界面層(界面相)分子環(huán)境:界面層中的分子與體相內(nèi)部分子受力不同,表面分子受液體分子對(duì)它的向下吸引力比氣相分子對(duì)它的向上吸引力要大得多,所以表面層分子總是受到指向液體內(nèi)部的吸引力,它有向液相內(nèi)部遷移的趨勢(shì),因此,液相表面積有自動(dòng)縮小的傾向。液相(體相)氣相(體相)界面層(界面相)幾個(gè)分子厚度的能量表現(xiàn)液相內(nèi)部分子移到表面,需要對(duì)它做功,表明:使體系的表面積增加,要增加能量,所以體系比較不穩(wěn)定,為使體系穩(wěn)定,其表面積盡可能取最小值。液滴現(xiàn)象:在不受外力影響時(shí),液滴總?cè)∏蛐巫罘€(wěn)定第13頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三表面能/比表面能：在等溫等壓的條件下,可逆地增加單位表(界)面積所做的功,稱(chēng)為表(界)面功。：在等溫、等壓且體系組成不變的條件下，可逆變化第種組分單位表（界）面積所引起體系Gibbs函數(shù)的變化第14頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三熱力學(xué)函數(shù)基本關(guān)系式第15頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三表面能表面能σ：?jiǎn)挝槐砻娣e表面層的分子比體系內(nèi)部同樣數(shù)量的分子所高出的能量值。第16頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三表面張力表(界)面張力是平行于表面且垂直作用于表面上單位長(zhǎng)度線(xiàn)段上的表面緊縮力。(比)表面Gibbs函數(shù)和表面張力在數(shù)值上是相等的。第17頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三表面張力與表面能異同表面張力和G.自由能是對(duì)于同一表面現(xiàn)象從力學(xué)和熱力學(xué)不同角度的描述。但表述的物理意義不同，前者直觀(guān),易應(yīng)用，后者更反映現(xiàn)象的內(nèi)涵。在分析各種界面同時(shí)存在時(shí)的平衡關(guān)系，應(yīng)用表面張力較為方便；在討論表面熱力學(xué)時(shí)多用表面能的概念。都用σ表示,有相同的量綱。在應(yīng)用適宜單位(表面張力用mN/m或N/m，表面能用mJ/m2或J/m2時(shí))，數(shù)值相同。第18頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三關(guān)于表面張力表面張力是由于處于表面層的分子受到“凈吸力”的作用而產(chǎn)生的與表面相切，與“凈吸力”相互垂直，引起液體表面自動(dòng)收縮的力。表面張力與表面吉布斯自由能是同一數(shù)值的二個(gè)不同概念，前者從力學(xué)角度，而后者從能量角度討論界面所存在現(xiàn)象。表面張力是物質(zhì)的自然屬性，與溫度、壓力、組成以及共存的另一相有關(guān)。第19頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三表面張力的物理意義hσFl用∏形鉑絲浸于液面下,然后垂直上拉,液體表面積增加了,但有一種反抗拉力F,它是使液體表面收縮的力.物理學(xué)上定義:沿著液體表面,垂直作用于單位長(zhǎng)度h的緊縮力σ稱(chēng)表面張力.拉力F對(duì)體系所做的功:

所以表面張力既是表面能σ，又是液體表面的收縮力。第20頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三影響純物質(zhì)的因素物質(zhì)本身的性質(zhì):極性液體比非極性液體大，固體比液體大與相接觸另一相物質(zhì)有關(guān)純液體的表面張力是指與飽和了其本身蒸汽的空氣之間的界面張力。第21頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三大多數(shù)固體比液體具有更高的表面能第22頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三表面張力與溫度的關(guān)系大多數(shù)液體的表面張力隨溫度上升而下降溫度升高,分子間距離增大,分子間相互作用力減小,表面張力σ下降.P10圖1-3是CCl4的表面張力隨溫度升高的變化曲線(xiàn),當(dāng)溫度升至臨界溫度時(shí),界面逐步消失,σ趨于零.第23頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三表面張力與溫度關(guān)系Guggenheim方程：有機(jī)液體n＝11/9，液態(tài)金屬n1大致可用R－S方程描述Tc：臨界溫度Vm：液體的摩爾體積k：經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，對(duì)非締合的非極性液體，k≈2.2×10-7JK-1第24頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三壓力對(duì)表面張力的影響改變氣相分子的密度氣體分子在液體表面的吸附及在液體內(nèi)部的溶解壓力增大，界面張力降低。一般每增加10atm，界面張力約降1mN/m第25頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三碳粉放大鏡聚焦陽(yáng)光，照射碳粉，會(huì)又什么現(xiàn)象發(fā)生？竹管吹泡泡，發(fā)生什么現(xiàn)象？表面張力存在及其與溫度關(guān)系第26頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2