化学原理：第三章 表面现象

物理化学中的表面现象和界面反应表面现象和界面反应是物理化学领域中的重要课题，涉及到物质与界面的相互作用、表面结构、表面能量等方面。

本文将以此为主题，介绍表面现象和界面反应的基本概念、研究方法以及在生物、化工等领域的应用。

一、表面现象的基本概念表面现象是指物质与界面之间的相互作用过程，包括液体-气体界面和固体-气体界面。

液体-气体界面的表面现象包括液体表面张力和液滴形成，固体-气体界面的表面现象包括液体在固体表面的吸附、界面活性剂的作用等。

表面现象有其固有的特点，例如，液体分子在液体-气体界面上受到复杂的吸附相互作用，导致液滴形成；而在固体-气体界面上，固体表面原子和分子的排列方式与体相有所不同，表现出特定的性质。

二、研究表面现象的方法研究表面现象的方法主要包括表面张力测定、界面活性剂的表面吸附等实验手段。

例如，通过在液体-气体界面加压，测定液滴的半径变化来确定液体表面的张力。

界面活性剂的表面吸附可以通过测定界面剂溶液的表面张力和浓度来推断。

此外，表面和界面的结构也可以通过许多表征手段进行研究，包括拉曼光谱、X光衍射、透射电子显微镜等技术。

这些方法可以直接或间接地揭示表面分子和原子的排列方式、键长、键角等信息。

三、界面反应的原理与应用界面反应是指液体-液体界面或者固体-液体界面上发生的化学反应。

在界面反应过程中，各相之间的相互作用和传递起着重要的作用。

界面反应在生物、化工等领域有广泛的应用。

例如，生物体内的很多生化反应发生在细胞膜界面上；某些化工过程中，通过控制液体-液体界面上的界面反应，可以实现组分之间的选择性分离和传递，提高反应效率。

四、表面化学在材料制备中的应用表面化学是指通过改变固体表面的结构和性质，来实现功能化、修饰和改进材料性能的一种方法。

例如，通过在金属表面形成一层氧化物薄膜，可以提高金属的耐腐蚀性和强度；通过在纳米颗粒表面修饰有机分子，可以实现药物的缓慢释放，用于肿瘤治疗。

除此之外，表面化学在光电子学、传感器等领域也有广泛的应用。

表面实验课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握表面张力的概念，理解其产生原因及作用；2. 帮助学生了解不同物质表面张力的差异，以及这些差异在实际生活中的应用；3. 使学生掌握表面活性剂的作用原理，并能解释其在洗涤、乳化等方面的应用。

技能目标：1. 培养学生通过实验观察、记录和分析表面现象的能力；2. 提高学生运用所学知识解决实际问题的能力；3. 培养学生合作、沟通、表达的能力。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对化学实验的兴趣，激发他们的探究欲望；2. 培养学生严谨、实事求是的学习态度，提高他们对科学研究的尊重；3. 引导学生关注生活中的化学现象，认识到化学知识在生活中的重要性。

课程性质：本课程为实验课程，侧重于实践操作和观察分析。

学生特点：本课程针对初中年级学生，他们对化学实验充满好奇，具有一定的观察能力和动手能力，但需要进一步引导和培养。

教学要求：结合学生特点，注重启发式教学，引导学生主动探究，注重实践操作与理论知识的结合，提高学生的综合素养。

在教学过程中，将课程目标分解为具体的学习成果，以便进行有效的教学设计和评估。

二、教学内容1. 表面张力概念：讲解表面张力的定义，引导学生理解液体与气体接触时产生的现象。

教材章节：第三章第五节“液体的表面张力”2. 表面张力产生原因及作用：分析表面张力产生的原因，探讨表面张力在自然界和生活中的作用。

教材章节：第三章第五节“液体的表面张力”3. 表面活性剂原理：介绍表面活性剂的定义、分类和作用原理，解释其在洗涤、乳化等方面的应用。

教材章节：第四章第一节“表面活性剂”4. 表面实验操作：组织学生进行实验，观察不同液体表面的现象，测量表面张力，分析数据。

教材章节：实验教程第四章“表面张力实验”5. 实际应用案例分析：分析生活中表面张力及表面活性剂的应用实例，如洗涤剂、乳化剂等。

教材章节：第四章第三节“表面活性剂的应用”教学内容安排与进度：第一课时：讲解表面张力概念、产生原因及作用；第二课时：介绍表面活性剂原理，组织学生进行表面实验操作；第三课时：分析实验结果，讲解实际应用案例，总结课程要点。

表面物理化学简答和论述1.什么是表面自憎现象？某种低能液体在高能表面铺展形成单分子铺展层后，多余低能液体在固体表面不能铺展而形成液滴的现象叫做表面自憎现象。

2．什么是毛细凝结？在亲液毛细体系中，液体在毛细管中能够形成凹液面，毛细体系中液体的饱和蒸汽压远小于正常饱和蒸汽压，使饱和蒸汽压在该体系中易于凝结的现象。

3．表面现象有着广泛的应用吸附:如用活性炭脱除有机物；用硅胶或活性氧化铝脱除水蒸汽；用分子筛分离氮气和氧气；泡沫浮选等。

催化作用:在多相催化中使用固体催化剂以加速反应。

如石油工业的催化裂化和催化加氢、胶束催化等。

表面膜:如微电子集成电路块中有重要应用的LB膜；在生物学和医学研究中有重要意义的BL膜和人工膜；能延缓湖泊水库水分蒸发的天然糖蛋白膜等。

新相生成：晶核生成或晶体生长是典型的新相生成，过冷、过热、过饱和等亚稳现象产生的主要原因也是由于新相生成。

泡沫乳状液：如油品乳化、破乳；泡沫灭火等。

润润现象：喷洒农药、感光乳液配制、电镀工件的润湿及利用润湿作用进行浮选等。

洗涤工业。

4.影响表面张力的因素分子间相互作用力的影响：对纯液体或纯固体，表面张力决定于分子间形成化学键能的大小，一般化学键越强，表面张力越大。

两种液体间的界面张力，界于两种液体表面张力之间。

(金属键)>(离子键)>(极性共价键)>(非极性共价键)温度的影响：温度升高，表面张力下降。

压力的影响：表面张力一般随压力的增加而下降。

因为压力增加，气相密度增加，表面分子受力不均匀性略有好转。

另外，若是气相中有别的物质，则压力增加，促使表面吸附增加，气体溶解度增加，也使表面张力下降5.接触角的测定角度测量法:一类应用最广、较方便简单、最直接的方法；长度测量法——垂片法；透过测量法：主要用于固体粉末接触角测量影响接触角测定的因素除平衡时间和温度外，影响接触角稳定的因素还有接触角滞后和吸附作用。

扩散双电层模型的假设：1）固体表面是一个无限大的、带有均匀电荷密度的平面；2）反离子作为点电荷处理，在溶液中的分布服从波尔兹曼能量分布规律；3）溶剂对双电层的影响仅通过介电常数起作用，而溶液中各部分的介电常数又处处相等，不随反离子的分布而异。

第三单元 自然界的水课题1 水的组成一、水的组成1、水的组成：（1）电解水的实验A.装置―――水电解器B.电源种类---直流电C.加入硫酸或氢氧化钠的目的----增强水的导电性D.化学反应：文字表达式：：水（H 2O ）氢气（H 2） + 氧气（O 2） 化学方程式：2H 2O 通电 2H 2↑+ O 2↑ 产生位置 负极 正极 体积比 2 ： 1质量比 1 ： 8E.检验：O 2---出气口置一根带火星的木条----木条复燃H 2---出气口置一根燃着的木条------气体燃烧，发出淡蓝色的火焰（2）结论： ①水是由氢、氧元素组成的。

②化学变化中，分子可分而原子不可分。

2、水的性质物理性质：无色无味的液体、40C 时密度最大，为1g/cm3 化学性质：通电分解 文字表达式：水（H 2O ）氢气（H 2） + 氧气（O 2） 化学方程式： 2H 2O 通电 2H 2↑+O 2↑ 3、氢气1、物理性质：密度最小的气体（向下排空气法）（氢气与其它气体的显著区别之处）；难溶于水（排水法）、无色无臭的气体证明氢气密度比空气小的方法：用氢气吹肥皂泡，若肥皂泡上升，则密度比空气小2、化学性质：可燃性（用途：高能燃料；氢氧焰焊接，切割金属）文字表达式：氢气（H 2） + 氧气（O 2）水（H 2O ） 化学方程式：2H 2 + O 2 点燃2H 2O 点燃前，要验纯 现象：发出淡蓝色火焰，放出热量，有水珠产生注意：混有一定量的空气或氧气的氢气遇明火会发生爆炸，因此点燃前必须验纯。

二、物质的分类1、概念单质：由同种元素组成的纯净物 例：氢气、氧气、红磷等化合物：由不同种元素组成的纯净物 例：水、高锰酸钾等氧化物：由两种元素组成，且含有氧元素的纯净物 例：二氧化硫、氧化铁等注意:单质、化合物前提必须是纯净物，即划分单质、化合物的标准是根据纯净物的元素种类来划分的。

若只含一种元素的纯净物就属于单质；若含有几种元素的纯净物就属于化合物2、物质分类的步骤①根据物质种类分为纯净物与混合物②写出纯净物的化学符号③根据元素种类将纯净物分为单质与化合物④在化合物中根据氧化物的概念找出氧化物课题2 分子和原子 点燃 通电通电 电解水口诀：正氧负氢，氢二氧一一、构成物质的微粒：分子、原子等微粒1、由分子构成的物质：例如水、二氧化碳、氢气、氧气等物质2、由原子构成的物质：金属、稀有气体、金刚石、石墨等物质3、物质构成的描述：物质由××分子（或原子）构成。

表面现象课后习题一、是非题下述各题中的说法是否正确?正确的在题后括号内画“√”,错的画“⨯”。

1．液体的表面张力总是力图缩小液体的表面积。

（）2．液体表面张力的方向总是与液面垂直。

（）3．分子间力越大的液体，其表面张力越大。

（）4．通常物理吸附的速率较小，而化学吸附的速率较大。

（）5．兰缪尔定温吸附理论只适用于单分子层吸附。

（）二、选择题选择正确答案的编号，填在各题题后的括号内。

1．液体表面分子所受合力的方向总是：（），液体表面张力的方向总是（）。

（A）沿液体表面的法线方向，指向液体内部；（B）沿液体表面的法线方向，指向气相；（C）沿液体的切线方向；（D）无确定的方向。

2．温度与表面张力的关系是：（）。

（A）温度升高表面张力降低；（B）温度升高表面张力增加；（C）温度对表面张力没有影响；（D）不能确定。

三、计算题习题120℃时汞的表面张力σ=4.85×10-1N·m-1，若在此温度及101.325kPa时，将半径r1=1mm 的汞滴分散成半径为r2=10-5mm的微小液滴时，请计算环境所做的最小功。

习题2泡压法测定丁醇水溶液的表面张力。

20℃实测最大泡压力为0.4217kPa，20℃时测得水的最大泡压力为0.5472kPa，已知20℃时水的表面张力为72.75×10-3N·m-1，请计算丁醇溶液的表面张力。

习题320℃苯蒸气凝结成雾，其液滴半径为1μm，试计算其饱和蒸气压比正常值增加的百分率。

已知20℃时液体苯的体积质量(密度)为0.879g·cm-3，表面张力为0.0289N·m-1，C6H6的摩尔质量为78.11g·mol-1。

习题425℃时乙醇水溶液的表面张力σ随乙醇浓度c的变化关系为：σ/（10-3N·m-1）=72－0.5(c/＋0.2(c/2（a）试分别计算乙醇浓度为0.1mol·dm-3和0.5mol·dm-3时，乙醇的表面吸附量(·dm -3)习题5用活性炭吸附CHCl 3时，0℃时的最大吸附量为93.8dm 3·kg -1已知该温度下CHCl 3的分压力为1.34×104Pa 时的平衡吸附量为82.5dm 3·kg -1，试计算：（1）朗缪尔吸附定温式中的常数b ；（2）CHCl 3分压力为6.67×103Pa 时的平衡吸附量。

第三章电极/溶液界面附近液相中的传质过程电极反应的分部步骤：界面附近传质过程，化学转化过程，界面上转化过程，电子转移过程.对于发生在电极/溶液异相界面的电极过程，除了电子转移过程之外，还涉及传质过程及各种表面效应，后者甚至可以成为速控步骤。

一般认为总的电极反应由一系列分步骤所组成。

电极反应的速率由这一系列分步骤的一个控制或若干个混合控制。

这些步骤包括以下几种。

物质传递：反应物从溶液本体相传递到电极表面和产物从电极表面相传递到分布到本体溶液.。

电荷转移：电极/溶液界面的电子传递耦联化学反应：电子传递反应前置或后续的化学转化，这些过程可能是均相也可能是异相过程。

表面转化反应：反应物或产物的吸脱附过程及新相生成（表面沉积、沉淀形成、气体放出）等其他的表面反应。

一般电极反应的基本步骤电极反应的速率大小取决于上述系列反应中受阻最大而进行最慢的步骤，最慢的步骤称速度控制步骤，其动力学特征就反应了整个电极过程的动力学特征。

基础电化学研究的核心内容之一就是识别电极过程包括的各分步骤，确定速度控制步骤，阐明反应机理和速率方程，从而掌握该电极过程的反应规律。

§3.1 研究液相中传质动力学的意义和方法（1）液相传质步骤是整个电极过程中的一个重要环节整个电极反应的基本历程（2）液相传质步骤可能成为许多电极过程的控制步骤，由它来决定整个电极过程的动力学特征。

a 电子传递过程（法拉第过程，电化学过程）进行的很快。

（热力学上）b可以增加过电位使反应的活化能降低，从而使电子传递过程大大加快，导致液相传质过程成为决速步骤。

（动力学）(3) 了解液相中的传质动力学规律有助于寻求提高这一步骤进行速度的方法，并消除由于这一步骤进行缓慢而带来的各种限制作用。

a由于液相中传质速度的限制，致使我们无法观测一些快速分布步骤（特例是电子传递过程）的动力学特征和参数。

b电极反应处于混合区时，可以利用这些规律来校正液相传质步骤的影响。

如何研究液相传质动力学？电极过程各个分部步骤是串联进行的，要想单独研究某一分部步骤，必须首先假定其它步骤进行的速度非常快，处于准平衡态，这样才能使问题得以简化。

人教版高中化学选修一第三章知识点汇总第三章探索生活材料3.1 合金一、认识合金1、合金：是由两种或两种以上的金属(或金属和非金属)熔合而成的具有具有金属特性的物质。

2、合金的物理性质：（1）一般情况下，与各成分的金属相比，合金比纯金属硬度更大、更坚固。

（2）多数合金的熔点一般比它的各成分金属的熔点都低。

（合金是混合物，但与其它的混合物不同，合金有固定的熔、沸点），因为，原子之间吸引力减弱。

（3）一般来说，合金的性质并不是各成分的性质的总和，合金比它的成分金属具有许多良好的物理的、化学的和机械的性能。

（4）合金的性能可以通过所填加的合金元素的种类、合金和生成合金的条件来加以调节。

（如生铁的熔点比纯铁的低）二、使用合金●常使用的合金有铁合金、铝合金、铜合金和新型合金。

生铁和钢是含碳量不同的的两种铁碳合金。

1、铁合金：根据含碳量的不同，铁的合金分为生铁和钢。

●生铁含碳量在2％～4％，还含有硅、锰及少量硫、磷等杂质，机械性能硬而脆，易断裂，可铸不可锻；●钢中含碳量一般在0.03％～2％之间，其它杂质含量也比生铁少，基本上不含硫和磷。

机械性能比生铁优良，硬而韧，有弹性，延展性好，可铸可锻，易加工。

2、钢：一般分为碳素钢和合金钢两大类。

根据含碳量不同，前者可以分为高碳钢、中碳钢和低碳钢。

●含碳量高，硬度大，韧性差、延展性差，含碳量低，硬度小，韧性好、延展性好。

后者最常见的一种是不锈钢，其合金元素主要是Cr和Ni，它在大气中比较稳定，不容易生锈，具有很强的抗腐蚀能力；但不锈钢的不锈是相对的，在海水中会被腐蚀。

3、铝合金●Al是地壳中含量最多的金属元素，纯铝硬度和强度较小，不适于制造机器零件，制成铝合金可改善性能。

常见的铝合金有，硬铝4、常见的铜合金：●有黄铜(Cu-Zn合金，含Zn20%~36%)和青铜(Cu-Sn合金，含Sn10%~30%)5、新型合金：钛合金：被誉为“21世纪金属”的钛所形成的合金，具有质量轻、硬度大、耐腐蚀、良好的抗氧化性，可作为人造骨的材料，又被称为“亲生物金属”。

第一章流体流动质点含有大量分子的流体微团，其尺寸远小于设备尺寸，但比起分子自由程却要大得多。

连续性假定假定流体是由大量质点组成的、彼此间没有间隙、完全充满所占空间的连续介质。

拉格朗日法选定一个流体质点,对其跟踪观察，描述其运动参数(如位移、速度等)与时间的关系。

欧拉法在固定空间位置上观察流体质点的运动情况，如空间各点的速度、压强、密度等，即直接描述各有关运动参数在空间各点的分布情况和随时间的变化。

定态流动流场中各点流体的速度u、压强p不随时间而变化。

轨线与流线轨线是同一流体质点在不同时间的位置连线，是拉格朗日法考察的结果。

流线是同一瞬间不同质点在速度方向上的连线，是欧拉法考察的结果。

系统与控制体系统是采用拉格朗日法考察流体的。

控制体是采用欧拉法考察流体的。

理想流体与实际流体的区别理想流体粘度为零，而实际流体粘度不为零。

粘性的物理本质分子间的引力和分子的热运动。

通常液体的粘度随温度增加而减小，因为液体分子间距离较小，以分子间的引力为主。

气体的粘度随温度上升而增大，因为气体分子间距离较大，以分子的热运动为主。

总势能流体的压强能与位能之和。

可压缩流体与不可压缩流体的区别流体的密度是否与压强有关。

有关的称为可压缩流体，无关的称为不可压缩流体。

伯努利方程的物理意义流体流动中的位能、压强能、动能之和保持不变。

平均流速流体的平均流速是以体积流量相同为原则的。

动能校正因子实际动能之平均值与平均速度之动能的比值。

均匀分布同一横截面上流体速度相同。

均匀流段各流线都是平行的直线并与截面垂直,在定态流动条件下该截面上的流体没有加速度,故沿该截面势能分布应服从静力学原理。

层流与湍流的本质区别是否存在流体速度u、压强p的脉动性，即是否存在流体质点的脉动性。

稳定性与定态性稳定性是指系统对外界扰动的反应。

定态性是指有关运动参数随时间的变化情况。

边界层流动流体受固体壁面阻滞而造成速度梯度的区域。

边界层分离现象在逆压强梯度下，因外层流体的动量来不及传给边界层，而形成边界层脱体的现象。

第三章固气界面§3-1 吸附概述§3-2 吸附等温式§3-3 多孔性固体的吸附性质液体可以通过表面分子数的减少（变为球形），减少表面积，从而降低表面能。

但固体表面的质点不能自由移动，那么，固体降低表面能的方式都有哪些？自行调整外来因素固体可以通过吸附降低表面能。

吸附是固体表面最重要的性质之一。

吸附现象是固气界面普遍存在的一种现象。

由于固体表面上原子或分子的力场是不饱和的，就有吸引其它分子的能力，从而使环境介质在固体表面上的浓度大于体相中的浓度，这种现象称为吸附。

当气体或蒸汽在固体表面被吸附时，固体称为吸附剂（adsorbent），被吸附的气体称为吸附质（adsorbate）。

常用的吸附剂：硅胶、分子筛、活性炭等。

，吸附主要成分即SiO2非极性溶剂中的极性物质，孔径2－5nm。

常用的吸附剂：硅胶、分子筛、活性炭等。

一种天然或人工合成的沸石型硅铝酸盐。

Al 2O 3nSiO 2mH 2O，其晶体结构中有规整而均匀的孔道，孔径为分子大小的数量级，因只允许直径比孔径小的分子进入，能将混合物中的分子按大小加以筛分，故称分子筛。

常用的吸附剂：硅胶、分子筛、活性炭等。

课堂演示实验：活性炭从水溶液中吸附色素比表面一般500－1500m 2/g，孔结构复杂。

大部分为微孔，也有中孔和大孔。

人们很早就发现并利用了吸附现象，如生活中用木炭脱湿和除臭等。

随着新型吸附剂的开发及吸附分离工艺条件等方面的研究，吸附在化学工业、石油加工工业、农业、医药工业、生活小窍门：手机落水的正确操作（1）关机取出电池（2）纸巾擦干吸干（3）干燥剂吸干（4）专业人士维修切不可吹风机吹或台灯烘烤以固体表面和吸附分子间作用力的性质区分，吸附作用可分为物理吸附与物理吸附示意图化学吸附示意图物理吸附：吸附质与吸附剂之间以范德华力为主的吸附。

任何气体在其临界温度以下，都会在其和固体表面之间的范德华力作用下，被固体吸附。

但两者之间没有电子转移。