液-固及液-气(空气)界面现象.doc

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1、7.4液-固及液-气（空气）界面现象7.4.1润湿现象7.4.1.1接触角液体对固体表面的润湿作用是界面现象的一个重要方面，它主要研究液体对固体表面的亲合状况。例如水能润湿玻璃，但不能润石蜡。荷叶上的水珠可以自由滚动，说明水不能润湿荷叶。一般来说，若液体能润湿固体，则液体呈凸透镜状；若不能润湿，则呈椭球状，如图。液体对固体的润湿的程度可用接触角来衡量。所谓接触角就是固-液界面经液相到气-液界面所转过的角度。接触角越小，润湿越好。一般以=90°为分界线。＜90°，为能润湿；=0°为完全润湿。＞90°，为不润湿

2、；=180°，为完全不润湿。固气液O润湿O不润湿现在我们导出接触角与界面张力之间的关系。点O的液体受到三个表面张力的作用：力图将点O的液体拉向左方，以覆盖气-固界面，使气-固界面缩小；力图将点O的液体向右拉，以缩小液-固界面；力图将点O的液体沿切线方向向上拉，以缩小液-气界面。在固体为光滑平面的情况下，润湿平衡时，有=+或（1）式（1）就是表示界面张力和接触角关系的杨氏（Yong）方程。因≤1，所以≤1或≤或－≤≤（2）90º＞＞00180º＞＞90º润湿不润湿完全不润湿完全润湿公式不适用公式不适用0º90

3、º180º02ππθ→cosθ所以由下面的公式和图形可得上图。所以完全润湿的条件为＞即＞（3）完全不润湿的条件为＜-即＞+（4）7.4.1.液体固体2粘附功、内聚功、浸湿功和铺展系数恒温恒压可逆条件下，将气-液和气-固界面转变为液-固界面，如果各界面都是单位面积时，该过程吉布斯自由能的变化是==Wa（5）Wa叫粘附功（workofadhesion）。Wa越负，液体越易润湿固体。式（5）中的和较难测定，但可由式（1）将其消去：Wa＝－－＝－（1+）（6）由式（6）可测量Wa。如果ΔG＞0，即＞（7）则液体不能

4、润湿固体。式（7）就是式（4）。如果把上面的固体改成液体，则==Wc（8）Wc叫内聚功（workofcohesion），它是液体本身结合牢固程度的一种量度。如果将单位表面积的固体浸入液体中，气-固界面转变为液-固界面（设液体的界面变化可忽略），则=（9）称浸湿功（workofimmersion）,它是液体在固体表面上取代气体能力的一种量度。用式（1）将式（9）可写为＝－（10）由式（10）知，也可由实验测定。＋液气固气液固如果当液-固界面取代气-固界面的同时，气-液界面也扩大了同样的面积，这样的过程称为铺展

5、（spreading）（完全润湿）。铺展一单位面积时，=（11）叫铺展系数。因此铺展的条件为＞（12）这就是式（3）。用式（1）可将式（11）写为（13）因此，S也可由实验测定。润湿作用在实际中有广泛的应用，如棉布易被水润湿，但经表面处理后增大，可制成雨具；杀虫剂中加入一些表面活性物质后，喷洒到植物叶片上就不会滚落下来。7.4.2溶液的表面吸附现象前面讨论了固-气和固-液界面吸附，现在讨论气-液界面吸附，更准确地说是溶液-空气界面吸附。溶液-空气界面对溶液中的溶质也有吸附作用，这种吸附作用导致溶液的表面张力

6、发生变化。以水溶液为例，在一定的温度下，在纯水中分别加入不同种类的溶质，溶液的浓度对表面张力的影响可分为三种类型，如图。第Ⅰ种类型的曲线表明，0ⅠⅡⅢ在水中逐渐加入溶质时，溶液的表面张力随溶液的浓度的增加稍有升高。就水溶液而言，属于此类型溶质有无机盐类（如NaCl）、不挥发性酸（如H2SO4）、碱（如KOH）以及含有多个OH基的有机化合物（蔗糖）等物质。第Ⅱ种类型的曲线表明，在水中逐渐加入溶质时，溶液的表面张力随溶液的浓度的增加而降低。大部分低脂肪酸、醇、醛等有机化合物的水溶液有此性质。第Ⅲ种类型的曲线表明

7、，在水中加入少量溶质可使溶液的表面张力急剧下降，至某一浓度后，溶液的表面张力几乎不再随溶液的浓度的增加而变化。属于此类型溶质有长碳链的脂肪酸盐（如肥皂-硬脂酸钠）、烷基苯磺酸盐（如洗衣粉-12烷基苯磺酸钠）、烷基硫酸脂盐（ROSO3Na）等。凡是使溶液表面张力升高的物质，皆称为表面惰性物质；凡是使溶液表面张力降低的物质，从广义上讲，皆可称为表面活性物质；但习惯上，只把那些溶入少量就能显著降低溶液表面张力的物质，称为表面活性物质，或表面活性剂。溶液表面张力与浓度的关系目前尚无较好的理论公式，通常使用希思柯夫斯

8、基的经验公式：和为经验常数。或（1）当很小时，≈（2）即随线性下降。当很大时，≈（3）即随成对数下降。9.5.2吉布斯吸附等温式根据热力学原理，可推得恒温恒压下溶液表面吸附的吉布斯吸附等温式为（4）是溶液的表面吸附量。溶液的表面吸附量定义为:在单位面积的表面层所含溶质的物质的量与具有相同数量溶剂的本体溶液中所含溶质的物质的量之差值，称为表面超量(表面过剩或表面吸附量)对于第Ⅰ种类型的溶液表面吸附，＞0，由吉布斯吸