物理化学中的表面现象与胶体化学

第8章 表面化学与胶体8．1 重要概念和规律1．比表面能与表面张力物质的表面是指约几个分子厚度的一层。

由于表面两侧分子作用力不同，所以在表面上存在一个不对称力场，即处在表面上的分子都受到一个指向体相内部的合力，从而使表面分子具有比内部分子更多的能量。

单位表面上的分子比同样数量的内部分子多出的能量称为比表面能(也称比表面Gibbs函数)。

表面张力是在表面上的相邻两部分之间单位长度上的相互牵引力，它总是作用在表面上，并且促使表面积缩小。

表面张力与比表面能都是表面上不对称力场的宏观表现，即二者是相通的，它们都是表面不对称力场的度量。

它们是两个物理意义不同，单位不同，但数值相同，量纲相同的物理量。

2．具有巨大界面积的系统是热力学不稳定系统物质表面所多余出的能量γA称表面能(亦叫表面Gibbs函数)，它是系统Gibbs函数的一部分，表面积A越大，系统的G值越高。

所以在热力学上这种系统是不稳定的。

根据热力学第二定律，在一定温度和压力下，为了使G值减少，系统总是自发地通过以下两种(或其中的一种)方式降低表面能γA:①在一定条件下使表面积最小。

例如液滴呈球形，液面呈平面；②降低表面张力。

例如溶液自发地将其中能使表面张力降低的物质相对浓集到表面上(即溶液的表面吸附)，而固体表面则从其外部把气体或溶质的分子吸附到表面上，从而改变表面结构，致使表面张力降低。

3．润湿与铺展的区别润湿和铺展是两种与固—液界面有关的界面过程。

两者虽有联系，但意义不同。

润湿是液体表面与固体表面相互接触的过程1因此所发生的变化是由固—液界面取代了原来的液体表面和固体表面。

润湿程度通常用接触角表示，它反映液、固两个表面的亲密程度。

当θ值最小(θ=0o)时,润湿程度最大，称完全润湿。

铺展是指将液体滴洒在固体表面上时，液滴自动在表面上展开并形成一层液膜的过程，因此所发生的变化是由固—液界面和液体表面取代原来的固体表面。

铺展的判据是上述过程的∆G:若∆G<0,则能发生铺展；若∆G≥0，则不能铺展。

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。

胶体: 指具有高度分散的分散体系（亦是研究对象），分散相可以是一相和多相，粒子大小通常为10－7～10－9m之间.胶体的研究内容：表面现象、分散体系、高分子溶液。

表面能δ：恒温恒压下，可逆地增加单位表面积，环境对体系所做的功，单位J·m-2。

表面张力δ：单位长度液体表面的收缩力，单位N·m-1（或mN·m-1）l aplace方程：球面，则R1=R2=R，ΔP=2σR 柱面，则R1=R，R2=∞，ΔP=σ/R 球形气泡，且R1=R2=RΔP=4σ/R表面过剩：界面相与体相的浓度差。

接触角：固液气三相交点处作气液界面的切线，此切线与固液交界线之间的夹角θ。

Gibbs吸附公式：（双组分体系）固体表面张力：新产生的两个固体表面的表面应力之和的一半。

固体表面能：指产生一平方厘米新表面所消耗的等温可逆功。

Laugmuir理论：假设被吸附分子间无作用力，因而分子脱附不受周围分子的影响。

只有碰撞在空间表面的分子才有可能被吸附（单分子层吸附）。

固体表面是均匀的，各处吸附能相同。

BET理论的基本假设：①固体表面是均匀的，同层分子（横向）间没有相互作用，分子在吸附和脱附时不受周围同层分子的影响。

②物理吸附中，固体表面与吸附质之间有范德华力，被吸附分子间也有范德华力，即吸附是多分子层的。

影响溶液中吸附的因素：吸附剂：溶质、溶剂三者极性的影响；温度：溶液吸附也是放热过程，一般T上升，吸附下降；溶解度：吸附与溶解相反，溶解度越小，越易被吸附；同系物的吸附规律一般随C-H链的增长吸附有规律的增加和减少。

Trube规则；吸附剂的孔隙大小；吸附剂的表面化学性质，同一类吸附剂由于制备条件不同，表面活性相差很大，吸附性能也会有很大差异；混合溶剂的影响，色谱法中使用混合溶剂，洗提效果比单纯溶剂好，若自极性相同的混合溶剂中吸附第三组份，等温线界于两单等温线之间；若自极性不相同的混合溶剂中吸附第三组份，吸附量比任何单一溶剂中少，混合溶剂极性一致或不一致情况不同；多种溶质的混合溶液；9、盐的影响，盐的存在通过影响溶质的活度系数、溶解度、溶质的电离平衡而影响吸附。

1.压缩因子任何温度下第七章表面现象1.在相界面上所发生的物理化学现象陈称为表面现象。

产生表面现象的主要原因是处在表面层中的物质分子与系统内部的分子存在着力场上的差异。

2.通常用比表面来表示物质的分散度。

其定义为：每单位体积物质所具有的表面积。

3.任意两相间的接触面，通常称为界面（界面层）。

物质与（另一相为气体）真空、与本身的饱和蒸气或与被其蒸汽饱和了的空气相接触的面，称为表面。

4.表面张力：在与液面相切的方向上，垂直作用于单位长度线段上的紧缩力。

5.在恒温恒压下，可逆过程的非体积功等于此过程系统的吉布斯函数变。

6.影响表面及界面张力的因素：表面张力与物质的本性有关、与接触相的性质有关（分子间作用力）、温度的影响、压力的影响。

7.润湿现象：润湿是固体（或液体）表面上的气体被液体取代的过程。

铺展：液滴在固体表面上迅速展开，形成液膜平铺在固体表面上的现象。

8.亚稳状态与新相生成：a.过饱和蒸汽：按通常相平衡条件应当凝结而未凝结的蒸汽。

过热液体：按通常相平衡条件应当沸腾而仍不沸腾的液体。

过冷液体：按相平衡条件应当凝固而未凝固的液体。

过饱和溶液：按相平衡条件应当有晶体析出而未能析出的溶液。

上述各种过饱和系统都不是真正的平衡系统，都是不稳定的状态，故称为亚稳（或介安）状态。

亚稳态所以能长期存在，是因为在指定条件下新相种子难以生成。

9.固体表面的吸附作用：吸附：在一定条件下一种物质的分子、原子或离子能自动地粘附在固体表面的现象。

或者说，在任意两相之间的界面层中，某种物质的浓度可自动发生变化的现象。

吸附分为物理吸附（范德华力）和化学吸附（化学键力）。

具有吸附能力的物质称为吸附剂或基质，被吸附的物质称为吸附质。

吸附的逆过程，即被吸附的物质脱离吸附层返回到介质中的过程，称为脱附（或解吸）。

10.吸附平衡：对于一个指定的吸附系统，当吸附速率等于脱附速率时所对应的状态。

当吸附达到平衡时的吸附量，称为吸附量。

气体在固体表面的吸附量与气体的平衡压力及系统的温度有关。

胶体化学与表面化学胶体化学是胶体体系的科学，随着胶体化学的迅速发展，它已成为一门独立的学科。

这是因为有一方面由于胶体现象很复杂，有它自己独特的规律性；它在科学研究方面发挥着巨大的作用；不仅如此，它与无机化学、材料化学等相关学科也有着密切关系，如利用微乳技术制取纳米颗粒、利用溶胶—凝胶法制压电陶瓷等。

胶体体系的重要特点之一，是具有很大的表面积。

任何表面，在通常情况下实际上都是界面，如水面即液体与气体的界面、桌面即固体与气体的界面等，在任何两相界面上都可以发生复杂的物理或化学现象，总称为表面现象，也就是界面现象。

胶体化学中所说的界面现象，不仅包括物体表面上发生的物理化学现象以及物体表面分子（或原子）和内部的有什么不同，而且还包括一定量的物体经高度分散后（这时表面积将强烈增大）给体系的性质带来怎样的影响，例如粉尘为什么会爆炸、小液珠为什么能成球、汞的小液滴在洁净玻璃上成球而水的小液滴铺展、活性炭为什么能脱色等等，这些问题都与界面现象有关。

界面现象涉及的范围很广，研究界面现象具有十分重要的意义。

表面化学就是研究表面现象的一门学科，从历史角度看，表面化学是胶体化学的一个重要分支，也是其中最重要的一个部门，二者密切相关。

胶体化学与表面化学内容包括胶体的制备和性质、凝胶、界面现象和吸附、乳状液的基本知识及其应用，如丁达尔现象、电泳及电渗、双电层结构和相应电位分布、双电层理论、DLVO理论、表面张力产生原因及肥皂去污等原理。

胶体的制备与性质和表面现象是胶体化学最核心内容。

胶体的制备与性质包括胶体的运动性质、光学性质、电学性质、流变性质、制备及净化方法及胶团的结构和与其相关的双电层理论及模型等相关内容：由于胶粒对光的散射作用产生了丁达尔现象；由于不同溶胶中胶粒的大小不同，使之对透过其中的光的散射、反射作用不同，故使溶胶产生各种颜色；由于胶粒带电的性质使之产生了电泳及电渗现象；由于它带电的性质又产生了双电层理论；又由于它带电的性质引出了DLVO理论及对其聚沉性的研究；在外力作用下胶体具有流变性质，所谓流变性，是指物质在外力作用下的流动和变形的性质。

表面化学-胶体化学表面化学-胶体化学表面化学是研究物质表面的性质和现象的一门学科，而胶体化学则是表面化学的一个重要分支，研究胶体溶液中物质的性质和行为。

胶体化学的研究内容涉及到胶体的形成、稳定性、表面性质、胶体颗粒的相互作用以及胶体溶液的性质等。

本文将介绍表面化学和胶体化学的基本概念、研究方法以及应用领域。

表面化学最早起源于对溶液表面现象的研究，如水的表面张力、液滴的形成和液体的湿润性等。

表面化学研究的对象是固体和液体的界面以及液体和气体的界面，主要涉及到界面上的吸附现象、界面能和界面活性物质等。

固体-液体界面上的吸附现象包括离子吸附、分子吸附和表面电荷等，而液体-气体界面上的吸附现象则涉及到液滴形成和表面张力等。

胶体化学研究的是胶体溶液中胶体颗粒的性质和行为。

胶体是一种介于溶液和悬浮液之间的物质，其特点是颗粒很小，约为1纳米到1微米大小，并且能够在溶液中均匀分散。

胶体的稳定性是胶体化学研究的重要内容，稳定性的源于胶体颗粒表面的电荷，正负电荷的平衡使得颗粒之间相互排斥，从而保持胶体溶液的稳定性。

此外，胶体溶液中还包含着胶体的吸附、吸附剂的选择、界面张力、胶体性质的测定以及胶体与其他物质的相互作用等方面的研究内容。

表面化学和胶体化学的研究方法主要包括物理化学方法和化学方法两种。

物理化学方法包括表面张力测定、界面能测定、电化学方法、X射线衍射、电子显微镜等。

而化学方法包括有机合成、溶胶-凝胶法、聚合法、共沉淀法等多种方法。

表面化学和胶体化学在许多领域中都有重要的应用。

在光学领域中，胶体颗粒可以通过改变其尺寸和组成来调控其光学性质，从而应用于光学传感器、太阳能电池、红外吸收材料等。

在材料科学领域中，胶体颗粒可以通过自组装形成多孔材料和有序结构，具有较大的比表面积和孔径，被广泛用于催化剂、分离膜和储能材料等。

此外，表面化学和胶体化学还在生物医学、环境污染治理、油水分离、食品加工等领域发挥着重要的作用。

综上所述，表面化学和胶体化学是研究物质表面性质和胶体溶液行为的学科，涉及到物质界面的吸附现象、界面能、表面张力等。

材料物理化学教案中的材料的表面活性与胶体性质在材料物理化学教案中，材料的表面活性与胶体性质是非常重要的概念。

本文将探讨这两个概念，并且分析它们在材料科学中的应用。

一、材料的表面活性表面活性是指材料在其界面上的吸附和反应能力。

在材料的原子、分子尺度上，表面与体相之间存在着巨大的差异，这就导致了材料在表面的活性。

材料的表面活性可以通过表面张力和界面张力来表征。

1. 表面张力表面张力是指液体表面分子间的相互作用力。

液体的分子内部存在着强相互吸引的力，而表面上的分子只能和周围的分子发生相互作用，所以表面分子受到的吸引力比内部的分子受到的力要大，这就导致了液体表面上的分子比内部分子更加紧密，形成了一个薄膜。

这个现象被称为表面张力。

表面张力的大小与液体的种类、温度等因素有关。

通常来说，表面张力越大，液体越难于扩展和湿润其他物体的表面，如水滴在蜷曲的薄玻璃管内。

而表面张力越小，液体越容易扩展和湿润其他物体的表面，如水滴在平面玻璃上的形态。

2. 界面张力界面张力是指两种物质接触面上的分子间相互作用力。

当两种不相溶的物质接触在一起时，它们的分子间的相互作用力很弱，所以两种物质的界面上的分子之间会存在着不平衡的力，导致它们趋向于减小接触面积，形成一个临时的界面张力。

界面张力的存在使得液滴能够成球状，如水滴在空气中的形态，因为球形能够最小化液体与气体界面的接触面积，进而减小界面张力。

二、材料的胶体性质胶体是指由两种或两种以上的物质组成，其中一种物质以微细粒子（分散相）悬浮于另一种物质（分散介质）中。

在胶体中，分散相的粒子通常具有纳米级或亚微米级的尺寸。

胶体的粒子尺寸介于溶液和悬浮液之间，这使得胶体具有独特的物理和化学性质。

根据分散相和分散介质的性质，胶体可以分为固体胶体、液体胶体和气体胶体。

胶体的性质与其表面积有关。

胶体的粒子越小，其表面积就越大，这使得胶体具有较高的活性和较强的吸附能力。

因此，胶体在多个领域有着广泛的应用，例如生物医学、材料科学、环境工程等。