第六章 界面现象

表面吉布斯自由能和表面张力1、界面：密切接触的两相之间的过渡区（约几个分子的厚度）称为界面（interface），通常有液－气、液－固、液－液、固－气、固－液等界面，如果其中一相为气体，这种界面称为表面（surface）。

2、界面现象：由于界面两侧的环境不同，因此表面层的分子与液体内的分子受力不同：1.液体内部分子的吸引力是对称的，各个方向的引力彼此抵销，总的受力效果是合力为零；2.处在表面层的分子受周围分子的引力是不均匀的，不对称的。

由于气相分子对表面层分子的引力小于液体内部分子对表面层分子的引力，所以液体表面层分子受到一个指向液体内部的拉力，力图把表面层分子拉入内部，因此液体表面有自动收缩的趋势；同时，由于界面上有不对称力场的存在，使表面层分子有自发与外来分子发生化学或物理结合的趋势，借以补偿力场的不对称性。

由于有上述两种趋势的存在，在表面会发生许多现象，如毛细现象、润湿作用、液体过热、蒸气过饱和、吸附作用等，统界面现象。

3、比表面（Ao）表示多相分散体系的分散程度，定义为：单位体积（也有用单位质量的）的物质所具有的表面积。

用数学表达式，即为：A0=A/V高分散体系具有巨大的表面积。

下表是把一立方厘米的立方体逐渐分割成小立方体时，比表面的增长情况。

高度分散体系具有巨大表面积的物质系统，往往产生明显的界面效应，因此必须充分考虑界面效应对系统性质的影响。

4、表面功在温度、压力和组成恒定时，可逆地使表面积增加dA所需要对体系做的功，称为表面功（ω’）。

-δω’=γdA(γ:表面吉布斯自由能，单位：J.m-²)5、表面张力观察界面现象，特别是气-液界面的一些现象，可以觉察到界面上处处存在着一种张力，称为界面张力（interface tension）或表面张力（surface tension）。

它作用在表面的边界面上，垂直于边界面向着表面的中心并与表面相切，或者是作用在液体表面上任一条线两侧，垂直于该线沿着液面拉向两侧。

第十章 界面现象 Interface Phenomena界面(相界面/界面相)：密切接触的两相之间的过渡区(约几个分子的厚度) 界面的类型：气—液、气—固、液—液、液—固、固—固表面 surface界面现象的原因：“表里不一”分散度：比表面 s A m V s a =表面积质量或体积多孔硅胶 300~700 ，活性炭 1000~2000 m 2 . g –1§10.1 表面吉布斯自由能和表面张力一、表面功、表面吉布斯自由能、表面张力液体都有自动缩小其表面积的趋势 γ dA s = δW ΄r = dG T,P 表面功,,B s T P n G A γ⎛⎫∂= ⎪∂⎝⎭ γ 称为比表面吉布斯自由能，单位：J . m –2 ，物理意义：定温定压定组成条件下，系统增加单位表面积时所增加的吉布斯自由能，也即单位面积表面层的分子比相同数量的内部分子所多出来的那部分能量。

如：20℃的纯水，γ = 0.07275 1g (10 –6 m 3) 球形水滴 半径 1 nm 的小水滴 半径 0.62 cm 1 nm 个数 1 2.39 × 1020 表面积 4.83 × 10 – 4 m 2 3.01 × 103 m 2 ΔG = γ ΔA s = 219 J (相当于使这1g 水升温52.4 K)系统比表面越大，能量越高，越不稳定。

粉尘爆炸极限：淀粉/硫磺7mg/L 空气，面粉/糖粉10，煤粉17。

δW΄r = γ dA s = γ .2l d x F δW ΄r = F d x 2F l γ==力总长γ 称为表面张力 surface tension ，单位：N . m –1 ，物理意义：垂直作用于单位长度相界面上的表面紧缩张力。

任意形状自由移动 张开成圆(面积最大) 单位面积的表面功、比表面吉布斯自由能、表面张力：数值、量纲相同，物理意义、单位不同。

二、热力学基本方程(考虑表面功)dU = T dS – p dV + ∑ μB d n B + γ d A sdH = T dS + V dp + ∑ μB d n B + γ d A sdA = – S dT – p dV + ∑ μB d n B + γ d A sdG = – S dT + V dp + ∑ μB d n B + γ d A s,,,,,,,,B B B B s s s s S V n S p n T V n T p n U H A G A A A A γ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫∂∂∂∂==== ⎪ ⎪ ⎪ ⎪∂∂∂∂⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭三、表面张力的影响因素相互接触的两相物质的性质、温度、压力等。

第六章水环境中的胶体与界面作用第六章水环境中的胶体与界面作用天然水体是个多相体系，在水与气体、水与底质、水与生物、水与悬浊物质、胶体粒子相互接触之处，都有巨大的界面。

物质在界面处的行为与均相溶液内不同，水中的化学反应，大多发生在相间不连续的界面上，在很大程度上为发生在界面上的各种现象所制约。

界面上的化学过程极其复杂，本章主要讨论与水生生物活动较为密切相关的液—固及气—液之间的若干重要的物理、化学及生物的作用。

第一节胶体胶体是物质存在的一种特殊状态，它普遍存在于自然界中，与人类的生活密切相关。

胶体由于其具有巨大的比表面、表面能和电荷，能够强烈地吸附各种分子和离子。

天然水体悬浮物和底泥中均含有丰富的胶体，这些胶体与水生生物关系较为密切的是对重金属离子、持久性有机物的吸附作用和凝聚作用。

胶体粒子固有的物理化学特性，使其在海洋化学、环境化学和生物地球化学等研究工作中成为研究热点，许多研究者就环境中胶体粒子的作用及重要性进行了大量的研究，取得了不少成果。

一、胶体的基本知识1、胶体的基本概念（1）胶体的分类在常见的物理化学教科书中，胶体被定义为“任何线形直径在10-9m到10-6m间的粒子”，即胶体粒径大小范围为1-1000nm，故也可称其为“纳米粒子”。

所以在透过0.45μm微孔膜的水样中，除了真正的溶解态组分外，还存在着胶体，此时水中某化学要素的含量，实际上也包括了胶体部分。

在海洋科学中，用0.45μm微孔膜来区分颗粒态与溶解态，膜上截留的为颗粒态，通过滤膜的为溶解态。

故在实际研究工作中，可将胶体粒子定义为“能透过0.45μm 微孔膜，但却能被可截留分子质量1000Dalton以上物质的超滤膜所保留的粒子”。

上世纪初，人们把胶体分为两类：亲液胶体和憎液胶体。

如蛋白质、明胶等容易与水形成胶体的溶液叫做亲液胶体，而那些本质上不溶于介质的物质，必须经过适当处理后，才可将它分散在某种介质中的，叫做憎液胶体。

如金溶胶等，都是典型的憎液胶体。