界面化学北京化工大学第一章-液体-溶液界面ppt课件.ppt

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1、第一章溶液(液体)的表面表面和界面(surfaceandinterface)1.1液体的表面1.1.1表面张力和表面自由能1.1.2表面热力学基础1.1.3弯曲液体表面的一些现象1.1.4液体表面张力的测定方法1.2溶液的表面1.2.1溶液的表面张力表面和界面(surfaceandinterface)气-液界面,表面1.1液体的表面液体表面最基本的特性是趋向于自动收缩。当无外力影响时，一滴液体总是自发地趋向于球形。而体积一定的几何形体中球体的面积最小。故一定量的液体由其它形状变为球形时总伴随着面积的缩小。例如：水银珠叶子上的水珠为什

2、么？？1.1.1表面张力和表面自由能因为液体表面分子与液体内部分子所处环境不同（所受力不同）。考虑一种液体与蒸汽平衡的体系，在液体内部每个分子所受周围分子的吸引是各向同性的，彼此互相抵消。故处于溶液内部的分子可自由运动无需做功。而处于表面上的分子则不同，由于气相密度小，表面分子受液体内部的吸引力要大于外部气体分子对它的引力，所以表面层分子受到一指向内部的合力。表面张力（surfacetension）液膜自动收缩实验：将一含有一个活动边框的金属线框架放在肥皂液中，然后取出悬挂，活动边在下面。由于金属框上的肥皂膜的表面张力作用，可滑动的

3、边会被向上拉，直至顶部。欲保持液膜则必须施一适当大小的外力于活动边上。（假设：金属丝与边框的摩擦力忽略不计）这个现象说明液体表面存在收缩力。如果在活动边框上挂一重物，使重物质量W2与边框质量W1所产生的重力F（F=（W1+W2）g）与总的表面张力大小相等方向相反，则金属丝不再滑动。这时代表液体的表面张力系数，即垂直通过液体表面上任一单位长度与液面相切的力,简称表面张力（surfacetension）。是液体基本物化性质之一，通常以mN/m为单位。l:是滑动边的长度，单位为m,因膜有两个面，所以边界总长度为2l，在两相(特别是气-液)

4、界面上，处处存在着一种张力，它垂直于表面的边界，指向液体方向并与表面相切。把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用g表示，单位是N·m-1。如果在金属线框中间系一线圈，一起浸入肥皂液中，然后取出，上面形成一液膜。(a)(b)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，见(a)图。如果刺破线圈中央的液膜，线圈内侧张力消失，外侧表面张力立即将线圈绷成一个圆形，见(b)图，清楚的显示出表面张力的存在。表面张力的实验证实表面张力与分子间作用力密切相关1.极性物质的>非极性物质2.结构相似时，分子量

5、越大，越高3.芳环或共轭双键一般>饱和碳氢化合物4.一般有机液体的在20-50mN/m5.水是常见液体中表面张力最高的约72mN/m6.熔盐及液体金属最高。Hg486.520,Fe18801550,He0.3651K表面张力的一些规律当分子从液体内部移向表面时，须克服此力作用做功。使表面分子能量要高于内部分子能量。于是当液体表面积增加（即把一定数量液体内部分子转变为表面上分子）体系总能量将随体系表面积增大而增大。表面（过剩）自由能：对一定量的液体，在恒定T，P下，体系增加单位表面积外界所做的功。即增加单位表面积体系自由能的增加

6、。在恒温恒压条件下：dG=γdAγ=△G/A故表面张力γ：为恒温恒压下增加单位表面积时体系Gibbs自由能的增量，称其为比表面自由能，简称表面自由能。国际通用单位：J/m2从能量角度研究液体表面自动收缩现象：表面自由能dG=-SdT+VdP+γdA注意：表面自由能并非表面分子总能量，而是表面分子比内部分子自由能的增加。综上所述：液体表面张力和表面自由能是分别采用力学和热力学方法研究液体表面性质时所用的物理量。?Guggenheim---界面相把表界面看作是分隔相邻二体相（α相/β相）的一相。此表面有一定的厚度及体积。α相→β相性质的

7、所有变化均在界面相中发生。当用热力学处理时，除了与A相关项外，其处理方法与体相类似。?Gibbs---相界面把表界面看作是分隔相邻二体相（α相/β相）的数学平面。此表面无厚度及体积，称之为Gibbs表面。将α、β相性质均不变的扩展至此界面，由此求算出溶质(或溶剂)的总量与实际量相比，可求算出某一组分的吸附量（表面过剩量）。两种表面的假设模型1.1.2表面热力学基础dU=dQ+dW=TdS-PdV+Σμidni+γdAdH=TdS+VdP+Σμidni+γdAdF=-SdT-PdV+Σμidni+γdAdG=-SdT+VdP+Σμi

8、dni+γdA表面热力学基本公式恒定所有强度变数条件下，积分上式:G=Σμini+γA在不考虑界面贡献时:G’=Σuini故γ=(G-G’)/A即：相同数量分子处于表面上的单位面积自由能与处于体相单位面积自由能之差。考虑了表面功，热力