第四章界面现象和吸附2

产生固-气/固-液界面吸附
液体表面依靠吸附于体系的溶质以降低自由能活 表面张力
产生液-气/液-液界面吸附
2021/1/12
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液-液(气)吸附：
溶质分子在界面聚集或反聚集，导致溶液表面张 力的变化。
➢ 溶质浓度的增加导致表面张力的缓慢增加，如无 机电解质与水分子具有良好的亲和力。
➢ 20溶21/1质/12 浓度的增加导致表面张力的缓慢降低，如11低
脂肪 单月 单棕 单硬 三硬 单油 三油 酸 桂酸 榈酸 脂酸 脂酸 酸 酸
性质： Spans20-40有一定水溶性，用作 O/W型乳化剂，随着脂肪酸链长的增加和脂 肪酸基团数量的增多，疏水性变大，
2021S/1/p12ans60以上用作W/O乳剂的乳化剂。酸、36
2.多元醇型
（2） 聚山梨酯：吐温[Tweens] 即聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯
一、基本概念
界面表面分子收到的作用力和
内部分子受到的作用力和不同。
表面张力：微观上表面分子受到垂直指向液体 内部的合力，宏观上液体表面上任何部分单位 长度直线上的收缩力。
表面张力方向：表面张力的方向与液面相切， 并与液面的任何两部分分界线垂直。单位N/m。
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6
一、基本概念 表面自由能：在表面张力作用下，液面发生收缩，
产品有:泊洛沙姆(poloxamer)，商品名普朗尼 克 (Pluronic),。
202性1/1/1质2 ：为淡黄色液体或固体；分子量
34
2.多元醇型
该类表面活性剂为疏水性脂肪酸与亲水性多元 醇如甘油、季戊四醇、失水山梨醇作用生成的 酯。
1
失水
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4 5
山梨醇

将表面光滑、均匀的固体薄片垂直插入液体中， 如果液体能够润湿此固体，则将沿薄片平面上 升。升高值h与接触角之间的关系为：
sin = 1 (gh2／2LG) 在已知LG的条件下，不难由上式求出。
（3）电子天平法
测定纤维对浸润液的接触角在纤维增强复合材料中非常重要，可用 电子天平法进行测定。
如图5-7所示，设一根纤维浸在某液体中，纤维的另一端挂在电子天 平的测量臂上。用升降装置使液面逐渐下降。纤维经(b)状态脱离液 面，在纤维脱离液面的瞬间，电子天平测出该变化过程中力的变化 P，由记录仪记下如图5-8的曲线。
当s-g > s-l 时，则cos>0，<90，此时为润湿；而且s-g和s-l相差越 大，角越小，润湿性越好。
当s-g < s-l时，则cos<0，>90，此时不润湿；当s-l越大和s-g越小 时，角越大，不润湿程度也越严重。
由Young方程可以看出，表面能高的固体比表面能低的固体更易 被液体所润湿。
>90时称为不润湿，角越大，润湿性越不 好，液体越不容易在固体表面上铺展开，而 越容易收缩至接近呈圆球状。
当=0或180时，则分别称为完全润湿和完 全不润湿。
由Young方程式可得： cos = (s-g s-l ) / l-g 上式表明润湿角的大小与三相界面张力之间的定量关系。
凡是能引起任一界面张力变化的因素都能影响固体表面的润湿性。
① 具有OH， COOH等极性基的有机物，与水分子吸引较强，它们与 水接触后，在水面上能自动铺展，有较大的铺展系数。
② 碳氢化合物及其被卤素取代后的衍生物，因分子的极性减弱，因而铺 展系数也较小。
③ 对于石蜡、溴仿这些极弱的极性键和非极性键物质，与水吸引力很 小，不能在水面上铺展，所以铺展系数为负值。

尽管表面积随着粗糙度增大而增大，但其中 有相当多的孔穴，粘稠的液体是无法流入的。无 法流入液体的孔不仅造成界面脱粘的缺陷，而且
也形成了应力集中点。
20
（6）变形层理论
该理论认为，压件表面有一层偶联剂涂层是柔性层，提供 具有“自愈能力”的化学键，在外载作用下，处于不断形 成于断裂的动态平衡。
（7）优先吸附理论
界面的比表面积或界面相的体积分数很大（尤其是纳米
复合材料）界面效应显著：复合材料复合效应产生的根源
界面缺陷形式多样（包括残余应力），对复合材料性能
影响十分敏感
6
复合材料的综合性能并不是由各单一组分性能
的简单加合，而是一种线性关系；
各组分既独立又相互依存，这种是由复合材料
的界面决定的。
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界面效应
和，即物理和化学吸附作用。
高聚物的粘结作用分两个阶段： 第一阶段：高聚物大分子借助于宏观布朗运动从液体或熔 体中，移动到纤维表面，大分子链节逐渐向纤维表面极性 基团靠近； 第二阶段：发生吸附作用。当纤维与聚合物分子间距 <0.5nm，形成各种分子间作用力（吸附产生的根本原因）。
16
润湿吸附理论的局限性：
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在复合材料的指制备中，一般都有一个要求，即 要求组分间能牢固地结合，并且有足够的强度。 要实现这一点，必须要使材料在界面上形成能量 的最低结合，存在液体对固体的良好浸润。 浸润： 是把液滴放到固体表面，液滴会立即铺展开来，遮盖 固体表面，这一现象称为浸润。
Water droplet on a lotus leaf
纤维及树脂间的化学变化，引起界面粘结破坏。 （1）水的浸入 水分子体积小，极性大，易浸入界面； 水 吸 附 特 点
玻璃纤维吸附水能力很强，且吸附可通过水膜进行传递， 形成多层吸附，即较厚的水膜；

De : 一孤对粒子从无穷远至键合离子间的平衡距离 re 的结合能； r: 孤对原子中表面一原子与吸附质原子间任意的距离。 a:双原子分子的弹力系数。
③化学吸附具有选择性
如：CO在金属表面上的吸附
O C MM
OO CC MM
NO + 1/2O2 CH2=CH2 + 1/2O2
NO2 O
NO只在Pt上吸附 只用Ag作催化剂。
无选择性；吸附热与气体凝聚热相近；吸附速度快；多层吸附。
（2）相互作用势能
设 f 代表作用力，r 为粒子间距离，U(r)为粒子间相互作用势能，有：
f U (r) r
或
r
U(r)
f dr
永久偶极矩相互作用势能为：
U (r)
2 3
12 22
3k Tr 6
诱导偶极矩相互作用势能为：
Ui(r)
( i 2 12
使体相中某些组分在表面区产生富集的现象。 其特点为组成随表面吸附质不同而变化。
如：Ag-Pd合金，吸附CO时，体相中的Pd可通过扩散到达 表面与CO形成羰基键，从而使表面富Pd。除去CO后，表面 组成由回到原来的状态。
第二节 物理吸附和化学吸附
1、物理吸附与Lennard-Jone势能曲线
（1）物理吸附特点
S
RT
则：
p
或： bp
b(1 )
1 bp
若有两种气体存于表面而发生竞争吸附时：
则：
A
பைடு நூலகம்
bA pA 1 bA pA bB
pB
B
bB pB 1 bA pA bB
pB
如果吸附解离成两个碎片，且各占据一个吸附位置，则：
f ( ) (1 )2 f '( ) 2

当x=∞时，dψ/dx＝0，则
D σ =− 4π
⎛ dψ ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ dx ⎠ x =0
因此由ψ（x）取向的初始斜率就可得到固体表面电荷密度。 因为
zeψ y= kT
，则
kT ⎛ dy ⎞ ⎛ dψ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ze ⎝ dx ⎠ x = 0 ⎝ dx ⎠ x = 0
根据（4－12）式：
第四章 固液界面的电性质
4.1.带电来源 固体表面上的电荷来源有以下途径：电离、吸附、摩擦接触和晶格取代 1）电离是不难想象的，例如肥皂可以电离出钠离子，肥皂本身则带负电。玻璃可以 电离出钠离子、钾离子、钙离子等，玻璃本身也带负电。 2）吸附则是指固体表面吸附液体中的某种离子，固体表面对溶液中离子的吸附是有 选择性的。固体表面上吸附了正离子，固体就带正电，固体表面吸附了负离子，固体 就带负电。一般说来，凡是能够与固体表面形成不电离、不溶解物质的离子，就有条 件被牢固地吸附在固体表面。被固体表面吸附，而使固体表面带电的离子称为定位离 子（ Potential-determining ion ） ，或称为电位决定离子。 3）对于非离子的物质和非水解质，认为这种环境中电荷的来源是固体质点和液体介 质之间的摩擦，就象琥珀棒与丝绸摩擦而生电一样。二相接触时对电子有不同的亲和 力，这就使电子由一相流入另一相，在这种情况下，可用柯恩（ Cohen）的经验规律 来判断固体表面带正电还是带负电。该经验规律认为，当二相接触时，介电常数大的 一相带正电，介电常数小的一相带负电。水、玻璃、苯的介电常数分别为81，6， 2.3，水与玻璃形成界面时，玻璃带负电，水带正电，但是当苯与玻璃形成界面时， 则玻璃带正电，苯带负电。应注意，这个规律只适用于非导体，并且我们将只讨论固 体与电解质水溶液相接触的情况。

太原理工大学物理化学第八章界面现象界面是指相互接触的两相的交界面。

自然界中的物质一般以三种聚集状态存在，三种相态相互接触可 以形成五种界面：液-气、固-气、液-固、液-液和固-固界面。

习惯上将液-气和固-气界面称为表面；而其余 的相界面都称为界面。

由于历史的原因， “表面”和“界面”这两个词经常混用。

界面并不是一个几何平 面，它是从一个相到另一个相的过渡层，有一定的厚度，通常称为界面相或界面层，与界面层相邻的两相 称为体相。

界面现象就是在相界面上所发生的物理化学现象。

许多自然现象、生理现象、工农业生产以至日常生 活上的许多问题都与界面现象有密切的关系，如：液滴呈球形、活性炭能脱色、粉尘容易爆炸等都与界面 现象有关。

产生界面现象的根本原因是由于界面相中的分子与体相中的分子所处的力场不同，因此界面相 的性质和两个体相的性质就会不一样。

在一般情况下，系统所具有的比表面积相当小，表面上的物质、能 量都比体相小得多， 故表面的特殊性质可不考虑。

但当系统的表面积很大时，表面分子所占的比例就很大， 它的特殊性质就成为矛盾的主要方面而表现出各种界面现象。

为了便于比较不同物质的表面性质，提出了比表面积的概念。

比表面积（as）是指单位质量或单位体 积的物质所具有的表面积，用公式表示为： as = As / m 或 as = As / V通常用比表面积来表示物质的分散程度，即分散度。

比表面积越大，分散度越高，表面效应就越明显， 这必然对系统的物理化学性质产生影响，此时就必须考虑界面的特殊性。

这种特殊性反映出的宏观现象就 是人们观察到的界面现象，其具体体现就是界面张力。

§ 8.11．液体的表面吉布斯函数和表面功界面张力界面现象产生的根本原因是由于两相界面上的分子与体相分子所 处环境不同引起的，以液-气界面为例说明之。

如图 8.1.1 所示，处于液 体内部的分子，受周围各分子对它的作用力是对称的，可以相互抵消， 这些分子在液体内部运动时无须对它做功。

电极溶液界面的吸附现象
电极溶液界面的吸附现象是电化学研究中的重要现象之一，它是描述电化学过程中离子、分子在电极表面的吸附现象。

在电化学反应过程中，电极表面的离子、分子与电极之间存在一种相互作用，称为电化学吸附，它极大地影响着电化学反应的速率和机理。

1. 离子吸附
离子与电极表面间的吸附作用可以是物理吸附或化学吸附。

物理吸附是指离子与电极表面通过静电相互作用而产生的吸附作用；化学吸附是指离子与电极表面形成化学键而产生的吸附作用。

离子吸附是电极表面电荷的来源，对电极的反应速率和反应路径有影响。

3. 水合物吸附
许多离子在溶解于水中时与水分子形成水合物，而这些水合物和离子可吸附在电极表面。

水合物吸附对电解质电导度的测量、离子交换、膜生长等过程有着重要的影响。

在电化学研究中，吸附现象对电极的反应活性有着重要的影响。

通过研究电极表面的吸附现象，可以揭示反应过程中离子或分子吸附的量、类型和质量分布等信息，从而促进电化学反应的研究和探索。

物理化学中的界面现象物理化学是研究物质结构和性质，探究物质变化和反应机理的学科。

在复杂化学结构中，界面现象是一个重要的研究领域。

界面现象在物理化学中有着广泛的应用，教育学者用来解释液体物理现象、悬浮液体、乳液的形成及表面活性剂现象。

本文将深入探讨物理化学中的界面现象。

一、界面现象概述界面现象是物理化学中的一个重要概念，指两种物质之间的界面区域，具有独特的物理化学特性。

例如，液体与气体之间的表面产生的现象，或者两种液体或固液之间的接触面。

形成界面是由于不同物质间的接触，形成一个分界面，具有独特的能量和化学特性。

物理化学中常常以界面和晶界为结合点，展示物质结构和性质方面的共通性和特殊性。

界面现象对于物质的粘度、湿润、流变性质、变形行为等方面产生重要影响。

因此，研究界面现象对于理解物质的特性和属性，以及探究物质结构、能量转移和反应机理是至关重要的。

二、界面现象的分类物理化学中的界面现象可以分为气液界面、液液界面、液固界面、气固界面四个类别。

下面将分别进行讲解。

1. 气液界面气液界面是指气体与液体之间的界面现象。

这种界面现象常常被观察到，例如许多常见的液滴、气泡和泡沫。

气液界面有着重要的物理和化学特性，包括表面张力、液体湿润性、表面活性剂和胶体等。

2. 液液界面液液界面指两种不同液体之间的界面现象。

例如，油和水的混合物中的液液界面。

液液界面的特性包括表面张力、液体改成、液体分离等，这些特性在工业和科学上有着广泛的应用。

3. 液固界面液固界面指液体和固体之间的界面现象。

例如：在某些材料的表面，吸附了液体，所形成的界面。

在液固界面上的特性包括表面张力、液体吸附、电位差和化学反应等。

4. 气固界面气固界面指气体和固体之间的界面现象。

例如，气体在固体表面的吸附现象。

气固界面影响着固体材料表面的化学反应，对于分子分布和传输行为有着重要的影响。

三、界面现象在物理化学中的应用界面现象在物理化学中有着广泛的应用。

下面将进行列举。

于复合材料的破坏形式随作用力的类型、原 材料结构组成不同而异，故破坏可开始在树 脂基体或增强剂，也可开始在界面。有人通 过力学分析指出，界面性能较差的材料大多 呈剪切破坏，且在材料的断面可观察到脱粘、 纤维拔出、纤维应力松弛等现象。但界面间 粘结过强的材料呈脆性也降低了材料的复合 性能。界面最佳态的衡量是当受力发生开裂 时，这一裂纹能转为区域化而不产生进一步 界面脱粘。即这时的复合材料具有最大断裂 能和一定的韧性。由此可见，在研究和设计 界面时， 不应只追求界面粘结而应考虑到最
第四章 复合材料的界面
4.1 概 述 复合材料的界面是指基体与增强物之间化 学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能 起载荷传递作用的微小区域。界面虽然很小， 但它是有尺寸的，约几个纳米到几个微米， 是一个区域或一个带、或一层，厚度不均匀， 它包含了基体和增强物的部分原始接触面、 基体与增强物相互作用生成的反应产物、此 产物与基体及增强物的接触面，基体和增强 物的互扩散层，增强物上的表面涂层、基体 和增强物上的氧化物及它们的反应产物等。
基体的表面薄层构成的，基体表面层的厚度 约为增强纤维的数十倍，它在界面层中所占 的比例对复合材料的力学性能有很大影响。 对于玻璃纤维复合材料，界面层还包括偶联 剂生成的偶联化合物。增强纤维与基体表面 之间的距离受化学结合力、原子基团大小、 界面固化后收缩等方面因素影响。 2. 界面作用机理 界面层使纤维与基体形成一个整体，并通 过它传递应力，若纤维与基体之间的相容性 不好，界面不完整，则应力的传递面仅为纤 维总面积的一部分。 因此，为使复合材料内
界面虽然很小但它是有尺寸的约几个纳米到几个微米是一个区域或一个带或一层厚度不均匀它包含了基体和增强物的部分原始接触面基体与增强物相互作用生成的反应产物此产物与基体及增强物的接触面基体和增强物的互扩散层增强物上的表面涂层基体和增强物上的氧化物及它们的反应产物等

低系统的总能量和熵值。
03
表面张力
表面张力是液体表面的一种物理性质，表示液体表面收缩的趋势。在界
面吸附过程中，表面张力会影响物质在界面上的吸附量和分布状态。
界面吸附热力学的应用
工业生产
界面吸附热力学在工业生产中有着广泛的应用，如石油工业中的油水分离、化学工业中的 气体吸收和液体萃取等。通过了解界面吸附热力学规律，可以优化生产工艺和提高产品质 量。
微分法
通过求解吸附动力学方 程的微分形式，得到吸
附量与时间的关系。
积分法
通过求解吸附动力学方 程的积分形式，得到吸
附量与时间的关系。
迭代法
通过不断迭代求解吸附 动力学方程，得到吸附
量与时间的关系。
数值解法
通过数值计算方法求解 吸附动力学方程，得到 吸附量与时间的关系。
05
CHAPTER
界面吸附过程的实验研究方 法
实施模拟计算方法需要遵循一定 的步骤，包括建立模型、设置参 数、运行模拟和结果分析等。
在结果分析时，需要运用统计方 法和技术，对模拟结果进行深入 分析和解释。
THANKS
谢谢
热力学第三定律
内容
热力学第三定律表述为绝对零度不能达到原理，即在一个封闭系统中，绝对零 度是不可能达到的最低温度。
应用
在界面吸附过程中，热力学第三定律指导我们理解物质吸附和解吸过程中的相 变现象，以及如何通过调控温度实现高效的吸附和解吸过程。
03
CHAPTER
界面吸附热力学
界面吸附热力学的定义与基本概念
实验研究方法的优缺点
每种实验研究方法都有其独特的优缺点，选择合适的实验方法需要考虑研究目的、实验 条件和资源等因素。
实验研究方法的分类与选择

界面现象参考答案界面现象参考答案界面现象是指不同物质之间的接触面上所发生的各种现象和变化。

在我们的日常生活中，界面现象无处不在，无论是液体与固体的接触，气体与液体的接触，还是固体与气体的接触，都存在着各种各样的界面现象。

这些现象既有普遍性的规律，又有独特的特点，对于我们了解物质的性质和相互作用有着重要的意义。

首先，我们来探讨液体与固体的接触。

当液体与固体接触时，往往会出现液体在固体表面上的扩展现象，即液体会在固体表面上形成一层薄膜。

这是因为液体分子与固体表面分子之间存在着吸引力，使得液体分子向固体表面靠拢。

这种现象被称为润湿现象。

润湿现象的强弱可以通过接触角来衡量，接触角越小，说明润湿性越好。

润湿现象在很多领域都有应用，比如涂料的涂布性能、纸张的吸墨性能等。

接下来，我们来讨论气体与液体的接触。

当气体与液体接触时，常常会出现气泡的形成。

气泡的形成是由于气体分子在液体中的溶解度低，当气体分子进入液体中时，会集聚在一起形成气泡。

气泡的大小和数量与气体溶解度有关，溶解度越低，气泡越大，数量越多。

气泡的形成对于我们理解气体溶解和释放的过程有着重要的意义，比如在饮料中的气泡就是二氧化碳气体的溶解和释放过程。

最后，我们来研究固体与气体的接触。

当固体与气体接触时，常常会出现吸附现象。

吸附是指气体分子在固体表面附着的现象。

这种现象是由于固体表面存在着吸附位点，吸附位点上的吸附力使得气体分子停留在固体表面。

吸附现象对于我们理解气体与固体的相互作用有着重要的意义，比如在催化剂中，吸附现象可以提高反应速率。

综上所述，界面现象是一种普遍存在的现象，涉及到液体、固体和气体之间的相互作用。

润湿、气泡形成和吸附是界面现象的三个重要方面，它们在不同领域都有着广泛的应用。

通过对界面现象的研究，我们可以更好地理解物质的性质和相互作用，为科学研究和工程应用提供参考。

界面现象的应用和原理1. 什么是界面现象界面现象是指在物质或能量的相互作用界面上，由于不同物质或相同物质的不同状态之间的相互作用和相互影响所产生的各种现象。

在界面现象中，物质或能量的转换、传递和堆积都会发生。

界面现象的研究对于理解物质和能量的相互作用机制，以及开发各种应用具有重要意义。

2. 界面现象的应用界面现象在许多领域都有广泛的应用，下面列举几个常见的应用：• 1. 液体表面张力在印刷、涂布等领域的应用：–液体表面张力的存在可以使得液体在固体表面形成一种曲面。

利用液体在固体表面上的张力特性，可以使得墨水在印刷时更加均匀分布于印刷媒介上，从而获得更好的印刷效果。

类似地，在涂布过程中，液体也会在固体表面形成一层均匀的涂层。

• 2. 表面活性剂在洗涤、乳化等领域的应用：–表面活性剂是具有可溶于水和油的分子结构，可以在液体表面形成一层薄膜。

在洗涤过程中，表面活性剂可以将油污分子与水分子结合起来，从而起到清洁的作用。

在乳化过程中，表面活性剂可以使得油水两种不相溶的液体均匀混合在一起，形成稳定的乳液。

• 3. 液滴在颗粒物料传输、药物输送等领域的应用：–液滴在不同物质之间的传输具有很好的选择性。

在颗粒物料传输过程中，可以利用液滴的表面张力和粘度特性，将颗粒物料从一处转移到另一处。

在药物输送过程中，可以将药物封装在液滴中，通过液滴在体内的传输来实现药物的定点释放。

3. 界面现象的原理界面现象的产生和发展是由于不同物质或相同物质的不同状态之间存在的相互作用和相互影响。

以下是界面现象的一些基本原理：• 1. 表面张力：–表面张力是指液体表面对于其内部的一种内聚力。

液体分子之间存在着相互吸引的力量，这种力量使得液体分子在其表面形成一层张力薄膜。

表面张力使得液体呈现出具有一定形状的表面，例如水滴的球形形状。

液体表面张力对于液体的流动、分散和吸附等过程具有重要影响。

• 2. 界面活性剂：–界面活性剂是一类具有亲水和疏水两种特性的化学物质。