南大物理化学课件--ch12 界面现象.ppt

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1、第十二章界面现象§12.1序言一、界面与界面科学界面：紧密接触的两相之间的过渡区域，几个分子的厚度（并非几何学中没有厚度概念的平面或曲面）。1课件界面科学：研究界面的性质及其随物质本性而变化的规律，即界面性质随两相中物质性质的变化而变化的规律。目前已有发展较系统的学科分支：“表面化学”、“表面物理”等等。2课件二、界面的种类根据物质存在的形态：固(s)、气(g)、液(l)，界面有5类：气液：V-L气固：V-S习惯上称之为“表面”（有一相为气相）液液：L-L液固：L-S固固：S-S“界面”3课件三、界面存在的热力学条件两相间的界面（区域）稳定存在的先决条件是：“界面区

2、域的生成自由能：Gfs0”反之，若Gfs0，则偶然的扰动即可导致界面区域自发地不断扩大，最后使一种物质完全分散在另一种物质中，界面也就不再存在。4课件例如：两种气体或两种互溶的液体相混，由于界面相生成自由能Gfs0，所以界面相无法稳定存在，完全互溶。5课件四、界面特性1.界面是一个物理区域（厚约几个分子,10nm），并非几何平面；界面是由一相过渡到另一相的过渡区域；界面也称作界面相、界面区、界面层；相应地，本体相为与界面相相邻的两均匀相。6课件2.界面层分子与内部(本体相)分子性质不同，两者所处环境不同。内部分子：受邻近各方向的力彼此抵消；界面分子：受

3、不同的两相中的物质分子的作用。7课件例如：对于气-液相界面（表面），表面层分子与液相内部分子性质不同。8课件表面分子受到指向液体内部的拉力，致使液体表面有自发收缩成表面积最小的趋势。亦即一个孤立（忽略重力）的液滴趋于呈球形，因为球形是表面积与体积比最小的形状。9课件因此，在研究“表面层上发生的行为”或“界面面积很大的多相高分散体系的性质”时，必须考虑界面分子的特性不同于体相分子。10课件五、比表面（A0）常用比表面（A0）来表示多相的分散体系的分散程度。（单位体积物质所具有的表面积）边长比表面A00.1m6×107（m-1）1nm6×109（m-1）胶体体系范围对

4、于立方体形11课件1）分割越细，比表面A0越大；2）在107~109m胶体范围内，比表面A0很大，即界面效应相当突出。12课件§12.2表面张力和表面吉布斯自由能一、表面自由能如前分析，V-L表面相分子受到垂直指向液体内部的吸引力，即表相分子比本体相分子具有额外的（表面）势能。要使表面积增加，即把分子从体相拉到表相，外界必须作功。13课件表面功：在恒温恒压（组成不变）下可逆地使表面积增加dA所需对体系做的功叫表面功（可逆非体积功）。环境对体系作功：W=dA（1）：增加单位面积表面时需对体系作的表面功。14课件恒温恒压可逆过程：W=(dG)T,P（

5、2）环境对体系作功：W=dA（1）即体系自由能的改变量等于外界对体系作的表面功。由(1)、(2)dG=dA15课件即外界所作的表面功转化为体系自由能的增加。dG=dA显然体系自由能：G=Gb+GS16课件Gb:若所有分子均为体相分子（多相低分散体系成立）时的体系自由能；GS:表相分子比等量体相分子多出的额外（表面）势能。由于T,P,ni不变，所以体系的内部分子状态不变，则：17课件即：表面功可称为：“单位面积表面（额外）自由能”，简称“表面自由能”。18课件表面自由能定义恒温、恒压下，使体系增加（或形成）单位面积的表面，环境所需作的表面功：单位：J

6、/m2；或erg/cm219课件二、表面张力从前面的讨论得知：“液体表面具有表面自由能。”由于体系能量越低越稳定，所以其表面具有自动收缩，以减少表面积的趋势。可以将这种收缩趋势理解为由表面分子之间相互吸引导致的结果。20课件这种“表面收缩力”与表面平行（如图），垂直于边界线并指向表面内部；或垂直作用于表面上任一曲线的两边——我们称之为“表面张力”。21课件表面张力的定义：表面上单位长度边界线上指向表面内部（或表面上单位长度任意曲线两边）的表面收缩力，叫做表面张力。表面张力的单位：N/m，dyn/cm22课件例1：金属环皂膜23课件例2AB受到皂膜表面张力f的

7、向左拉力：f=2l（肥皂膜有两个表面）若在AB上加一向右的力F，使AB可逆地向右移动dx距离。24课件则外力对体系作的表面功：W=Fdx=fdx=2ldx即W=dA（1）（dA=2ldx，为膜表面积增量，注意膜有正、反两面。)25课件表面功即体系表面自由能的增加，即等温等压下：W=dA（2）W=dA（1）比较（1）,（2）两式：表面张力与表面自由能在数值上是相等的。由表面自由能的定义，26课件结论：可以用同一符号“”来表示表面自由能或表面张力。见书P888，表12.2给出了一些物质的表面张力，其中