第九章 ( 界面现象)

第九章 界面现象讲解：日常生活和生产中，有很多现象和界面有关。

如：水在玻璃细管中会上升，这叫毛细现象；水可以在桌面上铺开，水银却成球状等。

通常把气液和气固界面成为表面。

第一节 表面张力和表面吉布斯函数一、表面现象及其本质 1.界面层的定义界面的5种类型：g-l,g-s,l-l,l-s,s-s. 其中g-l 和g-s 界面也叫表面。

界面分子和内部分子的区别：内部分子受力对称，界面分子受力不对称，不均匀。

液体自发使表面积缩小。

讲解：测定液体蒸气压，不能有空气存在，液体表面指纯液体与其纯蒸气之间的过渡层，只有几个分子厚。

日常生活中讲的液体表面，是指液体与空气之间的界面，其中空气被液体蒸气饱和。

2.系统的比表面（分散度）单位质量具有的表面积，或单位体积具有的表面积。

def defS S m V A AA A m V==质量表面积体积表面积例：一个边长为0.01米的立方体表面积是多少？把这个立方体分成10-9m 的小立方体，求其总面积。

解：边长为0.01米的立方体表面积 2-421=60.01=610m A ⨯⨯()321390.011010-=小立方体的个数为-92213226(10)10610m A =⨯⨯=⨯小立方体总面积物体被分散后的体积变化，请看358页表9.1。

二、表面张力、表面功、表面吉布斯函数 在等温等压条件下者3个概念是一回事。

讲解：吉布斯函数变就是等温等压条件下可逆过程得体积功。

:γ等温等压下可逆地增加单位表面积所需的功。

B,,S T p n G A γ⎛⎫∂=⎪∂⎝⎭ 表面张力就是表面功表面张力F:表面上，每米长度所受的收缩力，垂直于表面切线方向。

-2-2-1J m N m m N m⋅=⋅⋅=⋅单位： 表面功 表面张力2F l γ= 2Flγ= 影响表面张力的因素 （1）物质的本性()()s l γγ>一般相同聚集态时(γγγγ>>>金属键）（离子键）（极性共价键）（非极性共价键）讲解：可以看出键的极性越强，σ越大，因为非极性共价键组成的非极性分子之间只有色散力，极性分子间有色散力、取向力、诱导力。

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。

●例：20℃时，将0.001 kg的球形水滴分散成直径2 nm的小水滴。

1)求分散前后水滴的表面积和比表面积并进行比较；2)系统Gibbs函数增大多少？已知20℃时水的 为72.75×10-3J·m-2。

●解:[复习: 球的表面积A=4 r2，体积V= 4 r3/3，比表面积Asp =A/V总，1 nm=1×10-9m]●1)20℃时水的密度为1000 kg·m-3，故0.001 kg水滴的体积V=0.001 kg/1000 kg·m-3=1×10-6m3先计算大滴半径r：4 r3/3= 1×10-6，r= 0.62×10-2(m)表面积：A=4 r2=……=4.83×10-4(m2)比表面积：Asp=A/V=4.83×10-4/(1×10-6)=4.83×102(m-1)●将0.001 kg水滴分散成直径为2 nm的小水滴，个数为0.001 kg/[4 (1×10-9)3 /3]=……=2.39×1020个表面积：A=4 (1×10-9)2×2.39×1020=…=3.01×103(m2)比表面积：Asp=A/V=3.01×103/(1×10-6)=3.01×109(m-1)d G=d( A)= d A+A d总●1、当 一定，改变A时，d G= d A，因 >0，所以只有d A<0，才能有d G<0。

即恒温、恒压下，缩小表面积是系统G 的过程(自发过程)，使系统处于稳定状态。

如：●常见水面上的小气泡自动合并成大气泡；●熔融金属中也存在小气泡自动合并成大气泡的过程；●固体小晶粒自动合并成大晶粒●太空航天员喝球形果汁等，都是使表面积减小的过程●2、当A一定(分散度不变)时，d G=A d ，欲使d G<0，必然d<0，即表面张力减小的过程是自发过程。

第9章表面现象和胶体化学1 基本概念1.1界面和表面不同物质或同种物质的密切接触的两个相之间的过渡区叫界面，如液态水和冰的接触面，水蒸气和玻璃的接触面等等。

表面是指固体对真空或固体和液体物质与其自身的蒸气相接触的面。

显然，表面包括在界面的概念之内，但通常并没严格区别两者，“表面”和“界面”互相通用。

1.2 表面能、表面函数和表面功表面上的物质微粒比他们处于体相内部时多出的能量叫表面能或总表面能。

由于表面的变化通常在等温等压条件下进行，因此这时的表面能实际上就是表面吉布斯函数。

在等温等压下且组成不变的条件下以可逆方式增加体系的表面积时所做的非体积功叫表面功，它在量值上等于表面吉布斯函数。

1.03 表面张力（比表面能）简单的说，表面张力就是单位面积上的表面能量，即比表面能，因为它与力有相同的量纲，故叫表面张力。

实际上，表面张力是表面层的分子垂直作用在单位长度的线段或边界上且与表面平行或相切的收缩力。

1.04 附加压力弯曲液面下的附加压力是指液面内部承受的压力与外界压力之差，其方向指向曲面球心。

1.5 铺展和铺展系数某一种液滴在另一种不相溶的液体表面上自行展开形成一层液膜的现象叫铺展，也叫展开。

铺展系数就是某液滴B在液体A的表面上铺展时比表面吉布斯函数的变化值，常用符号为S B/A1.6 湿润凡是液体沾湿在固体表面上的现象都叫润湿，其中又分为铺展润湿（液体在固体表面上完全展开），沾湿湿润（液体在固体表面形成平凹透镜）和浸没湿润（固体完全浸渍在液体中），三种湿润程度的差别是：浸没湿润〉铺展湿润〉沾湿湿润1.7 沾湿功和湿润功在定温定压下，将单位面积的固-液界面分开时外界所做的可逆功叫沾湿功。

这一概念对完全不相溶的两种液体间的界面也适用。

结合功是指定温定压下，将单位面积的液柱拉开时外界所做的可逆功，又叫内聚功。

它是同种分子相互吸引能力的量度。

1.08 接触角液体在固体表面达到平衡时，过三相接触点的切线与固-液界面所夹的最大角叫平衡接触角或润湿角，常用符号θ。

物理化学中的界面现象物理化学作为研究物质和能量相互作用的学科，广泛关注物质的界面现象。

界面现象是指不同相（例如气相、液相、固相）之间的交界处所表现出的一系列特殊性质和现象。

本文将对物理化学中的界面现象进行探讨，包括界面张力、胶溶体和表面活性剂等方面。

首先，我们来讨论界面张力。

界面张力是界面上单位长度所具有的能量。

液体的界面张力是由分子间吸引力和排斥力所引起的。

分子间吸引力导致液体分子之间靠近，而分子间排斥力使液体分子远离界面。

这种分子间的不均匀排布导致了界面张力的存在。

界面张力使得水滴在平面上形成球状，也使得液体能够在毛细管中上升。

接下来，我们将讨论胶溶体。

胶溶体是由固体分散在液体中形成的混合物。

在胶溶体中，固体颗粒通过与液体分子的相互作用形成一个三维网络结构。

这种网络结构赋予了胶溶体特殊的物理性质，如黏度的增加和凝胶的形成。

在生活中，我们可以看到许多胶溶体的运用，比如胶水、果冻和凝胶电池等。

最后，我们来探讨表面活性剂。

表面活性剂是一类具有亲水性头部和疏水性尾部的分子。

在液体表面，表面活性剂的头部与水分子相互作用，而尾部则与空气或其他非极性物质相互作用。

这种分子的不均匀性导致表面活性剂在液体表面形成一个稳定的单分子层，称为胶束。

表面活性剂的存在使液体的表面张力减小，也可以使油与水相溶。

这种特性使得表面活性剂广泛应用于洗涤剂、乳化剂和泡沫剂等领域。

总而言之，物理化学中的界面现象涵盖了界面张力、胶溶体和表面活性剂等方面。

这些现象的研究不仅可以深化我们对物质相互作用的理解，也为许多实际应用提供了基础。

通过进一步研究和探索界面现象，我们可以更好地理解和应用物理化学的知识。

第九章界面现象一、本章小结1.表面张力、表面功及表面吉布斯函数表面张力γ：引起液体或固体表面收缩的单位长度上的力，单位为N·m1。

表面功：δWr'/dA，使系统增加单位表面所需的可逆功，单位为J·m2。

表面吉布斯函数：(G/A)T,p,nB()，恒温恒压下系统增加单位表面时所增加的吉布斯函数，单位为J·m2。

表面吉布斯函数的广义定义：UHAG)S,V,nB()()S,p,nB()()T,V,nB()()T,p,nB()AAAA(Wr'dAdGT,pdA 表面张力是从力的角度描述系统表面的某强度性质，而表面功及表面吉布斯函数则是从能量角度和热力学角度描述系统表面的某一性质。

三者虽为不同的物理量，但它们的数值及量纲等同的，均可化为N·m1。

在一定温度、压力下，若系统有多个界面，其总界面吉布斯函数：GiAii2.弯曲液面的附加压力、拉普拉斯方程附加压力：Δp=p内p外拉普拉斯方程：p2r规定弯曲液面凹面一侧压力位p内，凸面一侧压力位p外；γ为表面张力；r为弯曲液面的曲率半径，△p一律取正值；附加压力方向总指向凹面曲率半径中心。

3.毛细现象毛细管内液体上升或下降的高度h2corg式中：γ为表面张力；ρ为液体密度；g为重力加速度；θ为接触角；r为毛细管半径。

当液体不能润湿管壁，θ>90°即co0时，h为负值，表示管内凸液体下降的深度。

279物理化学解题指导4.微小液滴的饱和蒸汽压——开尔文公式RTlnpr2M2Vmprrr为弯曲液面的曲率半径，无论凸凹液面，均取正值；pr为气泡的饱和蒸汽压；p为平液面的饱和蒸汽压；ρ为液体密度，M为液体的摩尔质量，γ为液体的表面张力。

在一定温度下，液滴越小，饱和蒸气压越大；凹液面的曲率半径越小，饱和蒸气压越小。

5.弗罗因德利希等温吸附经验式Vakpn；k和n是两个经验常数，是温度的函数。

6.朗缪尔吸附等温式bp；1bpθ为覆盖率；b为吸附作用的平衡常数，又称吸附系数；p为吸附平衡时的气液平衡压力。

第9章界面现象习题解答1、293K 时，水的表面张力为0.0728N ·m -1，汞的表面张力为0.483N ·m -1，汞-水的界面张力为0.375N ·m -1。

试判断水能否在汞的表面上铺展？汞能否在水的表面上铺展？解：（1）1lg m N 0352.0375.00728.0483.0-⋅=--=--=∆-=ls sg A A A G S S ＝0.0352N ·m -1＞0，能铺展开（2）1lg m N 7852.0375.0483.00728.0-⋅=--=--=∆-=ls sg A A A G S S ＝-0.7852N ·m -1＜0，不能铺展开答：（1）S ＝0.0352N ·m -1＞0，能铺展开（2）S ＝-0.7852N ·m -1＜0，不能铺展开2、在293.15K 及101.325kPa 下，半径为1×10-3m 的汞滴分散成半径为1×10-9m 的小汞滴，试求此过程系统的表面吉布斯函数变为若干？已知293.15K 汞的表面张力为0.470N ·m -1。

解：每个半径为m 1013-⨯的汞滴的表面积为252321m 10256.1)101(14.344--⨯=⨯⨯⨯==r A π每个半径为m 1019-⨯的汞滴的表面积为2172922m 10256.1)101(14.344--⨯=⨯⨯⨯==r A π将一滴半径为m 10131-⨯=r 的汞滴分散成半径为m 10192-⨯=r 的微粒时，微粒的个数n 为183********101101()(3434⨯=⨯⨯===--r r r n ππ故表面积增加变化25171812m 56.1210256.110256.1101=⨯-⨯⨯⨯=-=∆--A nA A 表面吉布斯函数变化2-1242,7.2810N m (4m 410m )0.914J T p s G A A ππ--∆=∆=⨯⋅⨯-⨯=J903.556.12470.0,=⨯=∆⋅=∆A A G p T 答：5.906J3、在293.15K 时，乙醚-水、乙醚-汞及水-汞的界面张力分别为0.0107N ·m -1、0.379N ·m -1及0.375N ·m -1，若在乙醚与汞的界面上滴一滴水，试求其润湿角。

第九章:界面现象一、选择题1. 下列说法中不正确的是（）。

（A）生成的新鲜液面都有表面张力（B）平面液体没有附加压力（C）弯曲液面的表面张力的方向指向曲率中心（D）弯曲液面的附加压力指向曲率中心2. 液体在毛细管中上升的高度与下列那一个因素无关（）。

（A）温度（B）液体密度（C）重力加速度（D）大气压力3. 把玻璃毛细管插入水中，凹面下液体所受的压力p与平面液体所受的压力p0相比（）。

（A）p = p0 （B）p < p0（C）p > p0（D）不确定4. 将一毛细管端插入水中，毛细管中水面上升 5 cm，若将毛细管向下移动，留了3 cm 在水面，试问水在毛细管上端的行为是（）。

（A）水从毛细管上端溢出（B）毛细管上端水面呈凸形弯月面（C）毛细管上端水面呈凹形弯月面（D）毛细管上端水面呈水平面5. 有一飘荡在空气中的球形液膜，内部也是空气。

若其直径为 2×10-3 m，表面张力为 0.07N·m-1，则液膜所受总的附加压力为（）。

（A）0.14 kPa （B）0.28 kPa （C）0.56 kPa （D）0.84 kPa6. 在相同温度和压力下, 凹面液体的饱和蒸气压p r与水平面液体的饱和蒸气压p0相比（同一种液体）（）。

（A）p r= p0（B）p r< p0（C）p r> p0（D）不能确定7. 用同一滴管分别滴下 1 cm3 NaOH 水溶液、水、乙醇水溶液, 各自的滴数为（）。

（A）水15 滴，NaOH 水溶液 18 滴，乙醇水溶液 25 滴（B）水18 滴，NaOH 水溶液 25 滴，乙醇水溶液 15 滴（C）水18 滴，NaOH 水溶液 15 滴，乙醇水溶液 25 滴（D）三者的滴数皆为18 滴8. 下面说法不正确的是（）。

（A）生成的新鲜液面都有表面张力（B）平面液面没有附加压力（C ）液滴越小其饱和蒸气压越小 （D ）液滴越小其饱和蒸气压越大9. 同一固体, 大块颗粒和粉状颗粒, 其溶解度哪个大（ ）。