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《表面现象》PPT课件

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表面现象

表面现象
G r Vm ( ' p RTr r
开尔文公式
8prdr 2 p 2 4pr dr r
Vm M r
开尔文公式解释日常生活中的现象：（P289） 人工降雨的原理
（3）液体的润湿与铺展 P
(l/g)
N
M
P298 例题
8.4 溶液的表面吸附
（1）溶液表面的吸附现象
溶液的表面吸附是指——溶质在表面 层中与本体溶液中浓度不同的现象。
溶质 溶剂
溶液 正吸附：溶质在表面的浓度大于本体浓度 （可溶性有机化合物，如醇、醛、酸、酯等）
负吸附：溶质在表面的浓度小于本体浓度
（无机电解质，如无机盐和不挥发性无机酸、碱等）
pdV dA
pdV dA
p
dA
dV
2
A 4pr
4 3 V pr 3
8prdr 2 p 2 4pr dr r
拉普拉斯公式
附加压力与液体的表面张力成正比，与曲率半径成反比。
a. 对空气中的液滴(凸液面), p'= p+Δp
b. 液体中的气泡(凹液面), P =p‘+Δp c. 水平液面， p'=p d. 对液泡, 泡内气压比泡外的要大，其差值为Δp=4σ/r
(s/g) O
O
(s/l)
接触角与各表面张力的关系
接触角：σ(l-g)与σ(s-l)的夹角。 平衡时有： (s g ) (s l ) (l g ) cos
0
(s g ) (s l ) cos (l g )
(s g ) (s l ) cos (l g )
P291 用毛细管现象解释锄地保墒的原理。

表面现象

表面现象

g -l
若σs-g-σs-l =σg-l ，cos＝1，＝ 0，完全润湿； 若 σs-g-σs-l < σg-l ， 0< cos < 1， 0 < < 90，润
湿； 若σs-g < σs-l ， cos < 0， 90 < < 180，不润湿

防雨设备, 农药配制, 机械润滑, 矿物浮选, 注水采油, 金属焊接, 印染及洗涤等方面都与润湿有关。 药物制剂中很多方面要用到润湿，如外用的散剂， 片剂中的崩解剂，注射瓶中的针剂。
第六章
表面现象
引 言
•界面: 两相的接触面. 其中一相为气相的界 面习惯上称为表面. •界面现象是自然界中普遍存在的基本现象, 如润湿现象,毛细现象, 过饱和(过冷, 过热等) 现象, 吸附现象等. •产生界面现象的主要原因是处于界面层中的 分子与物质内部的分子存在力场上的差异, 两 者的化学势大小不相等. •高度分散的物质具有巨大的界面积,往往产生 明显的界面效应.
固定的 障片
可移动 的障片
• 油酸单分子膜示意图
二、表面活性剂的分类
阴离子表面活性剂 如肥皂 RCOONa 离子型表 面活性剂
阳离子表面活性剂
如胺盐 C18H37NH3+Cl－
表面活性 物质分类
非离子型 表面活性剂
两性表面活性剂
如氨基酸型R-NH-H2COOH 如聚乙二醇类 HOCOH2[CH2OCH2]nCH2OH
σ
I 无机酸, 碱, 盐等.
σ0
Ⅱ 有机酸, 醇, 酯, 醚, 酮等.
Ⅲ 肥皂, 合成洗 涤剂等. c
• 水溶液表面张力与溶质浓度的关系
二、吉布斯吸附等温式
c d 吉布斯吸附等温式： RT dc T

化学原理：第三章 表面现象

化学原理：第三章 表面现象

从单位上来看，实质是表面张力的单位。
——
第一节 表面张力和表面能
由于净吸引力的存在，
表 面
把内部分子移到表面所作的
张 表面功转化为表面分子的位
力 的 理
能，单位表面的表面分子所 具有的位能（即表面能）就
解 是表面张力。
能 的 角
U s A
J m2
N m m2
N m
度
从单位上来看，实质是表面张力的单位。
第一节 表面张力和表面能
人类对一个事物的认识和理解是不断发展变化的，分析 问题和解决问题的角度也是多方面的。例如：圆锥和光
表 面 张 力 的 理 解
圆锥
侧面——三角形
底面——圆
光电效应（E=mC2）角度：光子、粒子性；
波的角度：光是一种电磁波。因此，光具有波粒二象性。
同样，对于表面张力的理解也可以分为以下几个方面。
丝线也受到同样的拉力，只是由于丝线两侧都有液膜，液膜对丝线各部
分施加的净拉力为零。
表面张力是一种收缩力，作用在表面的边界线上，垂直于边
界线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 一条线的两侧，垂直于该线，沿着液面拉向两侧。
第一节 表面张力和表面能
——
表
面
张
力
的
理
解
2L
力
W1
的 角
W2
第一节 表面张力和表面能
——
表 面 张 力 的 理 解
丝线圈内肥皂膜未刺破时
丝线圈内肥皂膜刺破时
力
金属环上系一丝线圈，把金属环连同丝线圈一起浸入肥皂液中，然
的 角 度
后取出，环中就形成一层液膜，而丝线圈可在液膜上自由游动。如果把 丝线圈内的液膜刺破，丝线圈即被弹开形成圆形，就好象液面对丝线圈

医用物理学--液体的表面现象 ppt课件

医用物理学--液体的表面现象 ppt课件

表面张力产生的原因，可用分子力加以解释。 (分子间平衡距离: r0=10-10 m)
r < r0
斥力> 引力 斥力= 引力 斥力< 引力 无分子力
r = r0 r >
m’是液内分子； m是液体表面层分子。
m
m
空气 表面层 液体
液体内分子m’的受力分析： 受到的分子作用力的合力为零：fi=0 表面层分子m的受力分析： 受到一个指向液体内部的分子引力作用； 宏观上表面层表现为一个被拉紧的弹性薄膜。
原因：表面层的分子具有更多的势能，当小水 滴融合成大水滴时，表面积减小，更多的分子 向液体内部迁移，因此融合后的表面能比融合 前表面能小
液体的表面张力及表面能
表面张力系数与表面能： d a a′ ΔS l 做功
A f x 2l x
S 2l x
增加的面积 F=2l
液体薄膜 c b △x b′
因为 R1 > R2，所以 P1 < P2 。
对大泡：
4 P P0 1 R1
对小泡：
4 P2 P0 R2
毛细现象
水 水在细玻璃管中水面上升； 水银在细玻璃管中液面下降；
水银
毛细现象
cos h 2 2 gr gR
原因：表面张力及润湿、不润湿。
润湿管壁的液体在细管里升高，不润湿管壁的液体在细管 里下降的现象。
EP A
f f
E p
2 l x S 2l x
表面张力系数的第2定义： 讨论：比表面能的含义

E p S
J / m2
弯曲液面的附加压强
二、弯曲液面的附加压强
平面液面： P液内=P0 空气 水 P0
P液内

物理化学第九章--表面现象

物理化学第九章--表面现象

p0
A
ps
p0 − ps
ps
p0
附加压力总是指向曲面的球心
A
溶液
9.2.2 Laplace 公式 在毛细管内充满液体，管端有的球状液滴半径为 ′与之平衡。 在毛细管内充满液体，管端有的球状液滴半径为R′与之平衡。 液滴所受总压为: 液滴所受总压为 对活塞稍加压力: 对活塞稍加压力 液滴体积增加dV 液滴体积增加 相应表面积增加dA 相应表面积增加 s 克服附加压力p 克服附加压力 s所做的功等于可 逆增加表面积的Gibbs自由能 自由能 逆增加表面积的
边长10 → 边长 -2m→10-9m，比表面增长了一千万倍。 ，比表面增长了一千万倍。 高度分散的物质系统具有巨大的表面积， 高度分散的物质系统具有巨大的表面积，往往产生明显 的界面效应，因此必须充分考虑界面性质对系统的影响。 的界面效应，因此必须充分考虑界面性质对系统的影响。
9.1.2 表面自由能 表面功 δWf,R= γdAS ( )T,P,nB δWf,R= (dG)T,P,R
溶液的过饱和现象— 溶液的过饱和现象
亚 稳 状 态
液体的过冷现象— 液体的过冷现象
毛细凝聚
9.4 溶液的表面吸附
9.4.1 表面活性物质与非表面活性物质 (1) 非表面活性物质 无机盐和不挥发的酸、 无机盐和不挥发的酸、碱 (2) 表面活性物质 碳链较短的脂肪酸、 碳链较短的脂肪酸、醇、 胺等有机化合物。 酮、醛、胺等有机化合物。 (3) 表面活性剂 碳氢链中含有8个碳以上的 碳氢链中含有 个碳以上的 有机酸的各种盐 转折处的极小值 转折处的极小值 : 杂质的影响
p↑，气体分子易被液面吸附 ↑ 气体分子易被液面吸附; 一般p↑ 液体的 一般 ↑,液体的γ↓，因为 p↑，气体在液体中的溶解度增加。 ↑ 气体在液体中的溶解度增加。

第五节表面现象

第五节表面现象

二、表面吸附
表面吸附：物质在两相界面上浓度与内部浓度不同的现象。 吸附剂：吸附其他物质的物质。 吸附质：被吸附的物质。 1.固体表面的吸附
表面的原子—表面张力—吸引分子、离子—聚集—减小表面 张力—降低表面能—稳定。 当其他条件相同时，固体表面积越大，固体吸附剂的吸附能 力就越大。
2.液体表面的吸附
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
疏水基团
亲水基团
（二）表面活性物质的应用
1．乳化剂 使乳浊液稳定的物质 乳化作用：乳化剂所起的作用 乳剂：由水、油和乳化剂形成的乳浊液。
乳剂类型
水包油型（O/W） 油包水型（W/O）
乳剂示意图 （a）O/W（b）W/O
表面活性物质的应用
2．润湿剂 润湿：液体在固体表面粘附的现象。 润湿剂：能改善润湿程度的表面活性物质。
第五节
表面现象
表面：物体与空气或与其本身的蒸气接触的面。 如水面、桌面。 界面：物体与另一个凝聚相接触的面。 如水与油接触的面。 表面现象：一切界面上所发生的现象。 一、表面张力与表面能
图1-3 表面张力
表面张力：表面分子受到的指向内部的力。
表面能：液体表面层分子比内部分子所多出的能量。 表面张力越大，表面能就越高；表面积越大，表面能也越高。
基本性质、应用
液体表面也会因某种溶质的加入而产生吸附，使液体表面张 力发生相应的变化。 表面活性物质（表面活性剂）：能够显著降低液体表面张力 的物质。 表面惰性物质：能增大液体表面张力的物质。
三、表面活性物质
表面活性物质：能够显著降低水的表面张力的物质 （一）表面活性物质的基本性质 结构特点——分子中同时有疏水基团（烷烃基） 和亲水基团（羧基、氨基）。 例如：肥皂（高级脂肪酸钠）

8 表面现象20131021


开尔文公式的用途： 1、人工降雨
2、毛细管凝结 3、暴沸和沸石作用
第三节 铺展与润湿 一、液体的铺展
液体在另外一种与其不互溶的液体表面自动展开 成膜的过程—铺展。
G= A+A,B-B0,液体A在液体B表面铺展
二、固体表面的润湿
润湿—固体表面的气体被液体取代，或一种液 体被另一种液体取代。
凸液面，r为正值 ；p为 正值 凸液面对液体产生的附加压力是正向的， 即凸液面下液体所受的压力高于平液面， 凸液面低于平液面。
4、附加压力的方向总指向 球心
5、对于不同种液体，曲率半径(r)相同时， 附加压力(p)与表面张力()成正比。 附加压力作用： 可产生毛细现象 毛细现象：将毛细管插入液体中，可观察到 管内外液面高度不同的现象。
二、表面活性剂亲水亲油平衡值
表面活性剂分子在溶液表面定向排列的稳 定性及其性质和用途，与其中极性基的亲 水性和非极性基的憎水性之比有关，—— 亲水亲油平衡值（HLB）。对于非离子型
HLB值= 亲水基质量
亲水基质量+憎水基质量 ×100/5
P291,表8-7和表8-9
三、胶束的形成及其性质 表面活性剂是两亲分子。溶解在水中达一定 浓度时，其非极性部分会自相结合，形成聚 集体，使憎水基向里、亲水基向外，这种多 分子聚集体称为胶束。 随着亲水基不同和浓度不同，形成的胶束可 呈现棒状、层状或球状等多种形状。
第八章 表面现象
界面(interface)： 两相接触时的分界面
表面(surface) ： 其中一相为气相的界面 界面现象(interface phenomena)： 界面上产生的某些特殊的物理和化学现象
表面现象(surface phenomena)：
表面上产生的某些特殊的物理和化学现象

物理化学-表面现象讲义

表面现象
表面现象
表面积和表面吉布斯能
• 表面积 • 表面吉布斯能和表面张力 • 表面的热力学关系式 • 影响表面吉布斯能的因素
2020/4/19
表面和界面
界面： 即相界面，是指两相之间几个分子厚度的过渡区。 常见的界面有：气-液界面，气-固界面，液-液界 面，液-固界面，固-固界面。 表面： 若两相中有一相为气体，这种相界面习惯称为表面。 包括气-液界面，气-固界面。
表面吉布斯能和表面张力
如果要把分子从内部移到界面，就必须克服体系内 部分子之间的作用力，即环境对体系做功。
表面功：T,p,n恒定时，可逆使表面积增加dA所需要 对体系作的功。即 -W’= dA 当表面积变化较大时，- W’= A
为T，P及n恒定的条件下，可逆增加单位表面积 时环境对体系做的表面功。
2020/4/19
表面吉布斯能和表面张力
在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着一种张力， 垂直与表面的边界，指向表面的中心并与表面相切， 或者作用于表面上任一条线的两侧，垂直于该线，沿 着液面拉向两侧。
F=l’= 2l
l
F
F
2l
表面张力()：
2020/4/19
表面吉布斯能和表面张力 如果在金属线框中间系一线圈，浸入肥皂 液后，上面形成一液膜。由于以线圈为边 界的两边表面张力大小相等方向相反，所 以线圈成任意形状可在液膜上移动。
表面张力不在一个平面 上，产生个指向液体外 部的合力 p
杨拉普拉斯公式
1805年Young-Laplace导出了p与r之间的关系式
可逆使实心液滴半径增大dr。
根据体积功定义： -W’= p dV
根据表面张力定义： -W’= dA
V 4 r 3 dV 4r 2dr 3

第四节 表面现象

SG>σ LS时，
即θ <90°称为液体能润湿固体。 θ =0°时，液体在固体表面铺展成薄膜，称为完全润湿。 2 ）σ
SG<σ LS时，成球状，称为液体不能润湿固体。 θ =180°为完全不润湿。
所以θ 角又称为润湿角。
12
描述表面的基本方程
Young氏方程
2、表面张力与表面能
3、界面张力与润湿 4、弯曲液面产生的附加压力
5、Gibbs表面吸附方程
3
1、表面与界面
界 面：
泛指两相之间的交界面。
表 面：
特指液体（或固体）与气体之间的交界面。
严格意义上是指液体或固体与其蒸汽的界面。
4
2 、表面张力与表面能
2.1☺表面张力：
是表面上平行于表面切线方向且各方向大小相等的张 力，是由于物体在表面上的质点受力不均所造成。
SG — 固相/气相界面张力； LS — 液相/固相界面张力； LG — 液相/气相界面张力。
同时与固相和气相接触的球冠形 液相的界面张力平衡情况
11
转换公式得:
SG LS cos LG
cosθ 为正值，
称为杨氏方程式
表明了接触角θ 的值与各界面张力的相对值有关：
1 ）σ
30
吉布斯溶液表面的吸附公式，通常写成：
C ( )T RT C
表明了溶质对某液相的活性和和非活性的程度 ( / C ) T 指恒温时，表面（界面）张力随表面浓度的变 化率，称为表面活性。 ( / C)T 0 表明随着溶质浓度增加，溶液的界面张力降低
Г>0
( / C)T 0
产生了表面能。因此，物 体倾向于减小其表面积而 产生表面张力。

第四章 表面现象2011

20°C 某些液-液界面张力（两液体已相互达到饱和） 界 面
/mN m-1
51.1 50.8 32.8 45 8.5
界 面
水 – 乙醚 水–苯 水 – 硝基苯 水–汞 苯–汞
/mN m-1
10.7 35.0 25.66 375. 357.
水 – 正己烷 水 – 正辛烷 水 – 氯仿 水 – 四氯化碳 水 – 正辛醇
憎水固体表面现象——植物
ห้องสมุดไป่ตู้
第四章 表面现象
4、液体和气体对固体表面润湿之间的关系——气浮。
气浮原理： 悬浮物表面有亲水和憎水之分。憎水性颗粒表 面容易附着气泡，因而可用气浮法。亲水性颗粒用 适当的化学药品处理后可以转为憎水性。
第四章 表面现象
气浮是一种固－液和液－液分离的方法。 具体过程： 通入空气→产生微细气泡→S附着在气泡上→上浮。 对于亲水性颗粒的气浮，表面需改性为疏水性 → 投加浮选剂。 常用的浮选剂：松香油、煤油、脂肪酸，起连接 颗粒和气泡之间作用
由表面热力学公式： dG总 dA Ad Gibbs函数降低越多，越易润湿。
第四章 表面现象
3、润湿与不润湿
1）当润湿角 0< <90º 时,为润湿; 90º< <180º 为不润湿.
2）亲水性固体和憎水性固体的区别,仍按润湿角大小 进行区分. 常见亲水性固体：玻璃，石英、硫酸盐、金属氧化物、 矿物等等。 常见憎水性固体：石蜡、石墨、有机物质、花瓣、树 叶等等
第四章 表面现象
§4.4 气体在固体表面上的吸附。
固体表面与液体表面的共同点是表面层分子受力的不对 称，因此固体表面也有表面张力及表面吉布斯函数存在。 其不同点是，固体表面分子几乎是不能移动的，所以，固 体不能用收缩表面积的方式来降低表面吉布斯函数。 但固体可用从外部空间吸引气体分子到表面，来减小表 面分子受力不对称程度，以降低表面张力及表面吉布斯函数。 在恒温恒压下，吉布斯函数降低的过程是自发过程。所以固 体表面能自发将气体富集到其表面，使它在表面的浓度与气 相中浓度不同。（吸附过程是自发过程） 这种在相界面上，某种物质的浓度与体相浓度不同的现象 称为吸附。
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组成恒定的条件下，增加单位表面积时体系吉布斯能的增 量。单位为J·m-2。
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2020/12/22
表面张力
用肥皂液在一个系有线圈的 金属环上形成一个液膜，由于线 圈周围都是相同的液体，受力均 衡，线圈可以在液膜上自由移动 位置。
若将线圈内液膜刺破，线 圈两边受力不再平衡，立即绷 紧成圆形。
内部：分子作用力合力＝0，移动时能量没有变化 表面：分子作用力合力指向液体内部，
当把体相分子拉向表面时 环境作功 转化为表面能
（T,p,n不变）
表面积增加
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2020/12/22
表面功
温度、压力和组成恒定时，可逆使表面积增加dA所需要 对体系作的功，称为表面功。用公式表示为：
as A / m, aV A / V
式中，m和V分别为固体的质量和体积，A为其表面积。 目前常用的测定表面积的方法有BET法和色谱法。
如： 多孔硅胶的比表面积可达300～700m2·g-1,活性炭 1000～2000 m2·g-1。
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2020/12/22
分散度与比表面
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2020/12/22
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2020/12/22
水的表面张力
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2020/12/22
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2020/12/22
表面现象
物理化学意义上的相 界面是一个有几个分子 直径厚度的薄层，是两 相之间的过渡区。
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2020/12/22
表面的热力学关系式
考虑了表
面功，热力学
dU TdS - PdV dA BdnB
B
基本公式中应
相应增加 dA
dH TdS VdP dA
B
BdnB
一项，即： dF -SdT - PdV dA BdnB
B
由此可得：
dG -SdT VdP dA BdnB
把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。可以证明
当rn=r/10n时，An/A=10n，即分散度越高，比表面也越大。
边长l/m
立方体数
比表面Av/（m2/m3）
1×10-2
1
6 ×102
1×10-3
103
6 ×103
1×10-5
109
6 ×105
1×10-7
1015
6 ×107
1×10-9
1021
6 ×109
B
U ( A )S ,V ,nB
(
H A
)S
, P , nB
(
F A
)T
,V
,nB
(
G A
)T
, P , nB
广义的比表面吉布斯定义：保持相应的特征变量不变， 每增加单位表面积时，相应热力学函数的增值。
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2020/12/22
体系表面的Gibbs－Helmholtz公式
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2020/12/22
这些现象表明，在液体表面存在一种使液面收缩的力， 称表面张力（surface tension）或界面张力（interfacial tension）。
表面张力的方向和表面相切，是垂直作用在表面上单 位长度线段上的表面收缩力。
表面张力的产生源 于分子间的作用力或 内压力，但它们之间 并不等同。容 下一内容 回主目录
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2020/12/22
表面吉布斯能和表面张力
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2020/12/22
表面张力的测定方法
➢液体表面张力的测定方法有：毛细管上 升法（这是最简单也是最准确的方法） 、最大泡压法、滴重法、吊片法等。 ➢固体表面张力的测定很困难，直至现在 还没于直接可靠的测定方法。
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2020/12/22
考虑界面效应的必要性
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2020/12/22
比表面（specific surface area）
比表面通常用来表示物质分散的程度，有两种常用
的表示方法：一种是单位质量的固体所具有的表面积；
另一种是单位体积固体所具有的表面积。即：
表面效应---指物质高度分散，比表面积和比表面能与同种 大块物质相比产生107倍的变化，给物理性质、热力学性质、 动力学性质带来显著的影响。
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2020/12/22
界面现象的本质
表面层分子与内部分子相比，它们所处的环境不同。
以l-v 表面为例，液体表面分子与内部分子受力情况不同
根据形成界面的物质的聚集状态可将界面分为
气—液界面 气—固界面 液—液界面 液—固界面 固—固界面
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2020/12/22
表面和界面(surface and interface)
界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区， 若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。
严格讲表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间 的界面，但习惯上把液体或固体与空气的界面称为 液体或固体的表面。
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2020/12/22
界面张力（ interface tension）的推导
膜收缩张力F所作的功： δW’ = F d x
在此过程中吉布斯能的减少为：
σ dA= σ2 l d x 所以σ= F/ 2 l
• 物理意义：对液体来说，比表面吉布斯自由能 可看作是垂直作用于单位长度液面上的力即表 面张力，其单位是N ·m-1
Wr dA
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2020/12/22
表面吉布斯能
按能量守恒定律，环境所消耗的功储存于表面，成为 表面分子所具有的一种额外的势能，也称表面能。
在恒温恒压下， dG T , p,nB Wr 则 dG dA
T , p,nB
G A T , p,nB
式中 为表面吉布斯能或表面能，其物理意义为当T，P及
运用全微分的性质, 由 dG -SdT VdpdA
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2020/12/22
思考题
下面关于σ的物理意义中不正确的是（ ）
A、σ是沿着与表面相切的方向，垂直作用于表面 上单位长段上的紧缩力。
B、σ是恒温、恒压下可逆的增加单位表面积所需 的非体积功
C、σ是在一定的温度、压力下，单位表面积中的 分子所具有的Gibbs函数值。
D、σ是恒温、恒压下增加单位表面积所引起的系 统Gibbs函数的增量