最新7章-表面化学与胶体化学分析教学讲义PPT课件

缩小表面而取球形的趋势。这就意味着若要把液体内
部分子移至表面（即扩大表面），就必须克服此力而
做功。
例：记 f g(m 1m2)，金属丝移动
到一定位置时，可以保持不再滑动
δW ' ∝ dAs2ldx
δW 'dAsfdx
——表面张力
f 2l
l
σ
m1
m2
f
1. 表面张力 表面层粒子受力不均匀，产生内压力。 表面有自动缩小的趋势，产生表面收缩力。
一、几个概念 表面化学：研究物质相界面上发生的现象的规律。
1. 界面和表面 界面（interface）：密切接触的两相间的过渡区， 约10-9—10 -8 m， 有几个分子层厚。相界面的性质与 相邻两个相的性质不同，通常又将相界面称为表面 相，而将相邻两个相称为体相。表面相的分子和体 相的分子是有差异的。正是由于这种差异而在各种 相界面上发生一系列表面现象。
气
平液面，r→∞,ps→0，
气
2）气泡的附加压强：
7章-表面化学与胶体化学 分析
§1 引 言
➢ 界面无处不在，没有界面的世界是无法想象的。
➢ 界面(表面)现象随处可见 ▪ 球型的液滴和气泡、它们碰撞后的自动聚集长大； ▪ 桌面上水滴与汞滴的不同、及在玻璃管中呈凹和凸 液面； ▪ 液体的过热、过冷，溶液的过饱和； ▪ 活性炭的脱色、多孔硅胶的吸水干燥功能等。
Gs：(比)表面过剩Gibbs自由能，表面过剩自由能
恒T，p下的表面过程有：
自动
dGT,p = dGs =σdAs+ Asdσ≤0平衡
体系中各相组成（ni）恒定，σ确定，则： d表G面s =积σd不As能自≤平动0改衡，变表时面，积d减G小s =为As自dσ动自平≤动0过衡，程；微物 σ减小为自动过程，吸附，润湿等表面过程。
δW'psdV
ps
2
r
球面
δW'dAs
ps
(1
r1
1 )
r2
任意曲面
r
ps
Young-Laplace公式
p0
适用范围：
1)适用毛细管直径＜0.5mm情形
2)适用于r为定值的小液滴或液体中小气泡。
注意：
1) r 的符号：
凸液面，r＞0，ps＞0， r 指向液相(固相)内部
凹液面，r ＜0，ps＜0， r 指向气相
积分：
dG dAW ' G T,P,ni
A s
0
T,P,ni 0
s
r
得：W r'G T,p,ni A sG s 则：σ= Gs/As= Wr’/As
σ：（比）表面Gibbs自由能，表面自由能。也表示恒
T，p，ni下，增加单位面积所必须对体系作的非体积功，
又称比表面功。
单位量纲：J·m-2 J·m-2 = N·m·m-2 = N·m-1
二、表面化学和胶体化学的关系
胶体：粒子粒径在1nm—100nm间的高度分散 的多相体系。
胶体粒子的比表面积极大，表面效应极为显著。
➢界面性质的应用： ▪轻工业(日化、造纸、涂料、橡胶); ▪催化化工; ▪材料制备及加工； ▪採油、选矿及冶金； ▪生物医药； ▪环境治理等。
§2 表 面 热 力 学 性 质
σ金属键＞σ离子键＞σ极性键＞σ非极性键,
★ 与温度有关
一般：温度升高,σ↓；温度升高到临界温度Tc时， σ→0
★ 与接触相的性质有关 接触相相同,σ固体＞σ液体
★ 与压强有关
一般：压强升高,σ↓；
★ 其它：分散度 ,运动情况等
二、比表面Gibbs自由能与表面Gibbs自由能
表面分子具有比内部分子高的能量
例如：一滴水（1克水），比表面积A0=4.85cm2·g-1
表面能约为4.85×72.8×10-7 = 3.5×10-5 J
r =10-7cm小水滴，比表面积 A0’=3.0×107 cm2·g-1
表面能达到 220J，是原有表面能的6.3×106倍。
恒T、P、恒组成、可逆过程，生成dAs新表面需环境 作功：dGT，p=δWr’=σdAs
液面下的液体要受到一个附加的压力,如图。 p0
p0
p0
ps
A
B
A
B
A
B
p = p0
平面
ps p = p0 + ps
凸面ps：由表面张力的合力产生，指向“球心”的压强
其大小与表面的弯曲程度、表面张力的大小相关
p
V 4 r3
3
p dp
As 4r2
pp0 ps
dAs 8rdr dV4r2dr
一、表面张力及其影响
表面相分子和体相分子
表 面
所 具 有 的 能 量 是 不 同 的 ，层 粒
因 它 们 所 处 的 力 场 不 同 。子
以气-液界面为例，如右
受 力
图所示，表面相分子处
分 析
于一个不对称
F≠0 F=0
的力场，因而其所受的合力不为0。在不对称的力场作
用下，表面相分子有钻向体相的趋势。所以液体都有
表面张力：垂直作用于单位长度相界面上，与表 面平行（平面）或相切（曲面）的收 缩力。
力的方向：与液面相切，与单位线段垂直。 力的类型：表面收缩力。 力的单位量纲：N·m-1 表面层分子受力不均匀 内压力 表面张力 体系的一种强度性质，受到多种因素的影响。
2. 影响表面张力的因素
★ 与物质本性有关 分子间的作用力越大，σ越大：
注意：表面自由能与表面张力的代表符相同，均为σ，量纲相
通，但两者的概念不同！！
表面自由能是单位表面积的能量，标量；
表面张力是单位长度上的力，矢量。
讨论：dU =TdS – pdV +σdAs+Σidni dH =TdS + Vdp +σdAs+Σidni dA =-SdT –pdV +σdAs+Σidni dG =-SdT +Vdp +σdAs+Σidni
A G s T ,p ,n i A U s S ,V ,n i A H s S ,p ,n i A A s T ,V ,n i
GT,p =σAs+Σini ，G’T,p =Σini
σ =（GT,p - G’T,p）/As = Gs/As
要点： 1） 表面分子所受到不对称力场 ——表面张力 2） 一切减小 σ，As 的过程为自动过程
提问：表面Gibbs自由能、比表面Gibbs自由能、
表面张力三者的概念、单位是否相同？
如何表示？
固体表面有过剩的Gibbs自由能吗？它与
液体的有何不同？
§3 弯曲表面的特性
一、弯曲液面下的附加压强
弯曲液面的附加压强:由于表面张力的作用，弯曲