【2017年整理】物理化学十界面现象.doc

第十章 界面现象 10.1 界面张力 界面：两相的接触面。 五种界面：气—液、气—固、液—液、液—固、固—固界面。（一般常把与气体接触的界面称为表面，气—液界面=液体表面，气—固界面=固体表面。） 界面不是接触两相间的几何平面！界面有一定的厚度，有时又称界面为界面相(层） 。 特征：几个分子厚，结构与性质与两侧体相均不同 比表面积：αs=As/m（单位：㎡·㎏- 1） 对于一定量的物质而言，分散度越高，其表面积就越大，表面效应也就越明显，物质的分散度可用比表面积αs来表示。 与一般体系相比，小颗粒的分散体系有很大的表面积，它对系统性质的影响不可忽略。 1. 表面张力，比表面功及比表面吉布斯函数 物质表面层的分子与体相中分子所处的力场是不同的——所有表面现象的根本原因！ 表面的分子总是趋向移往内部，力图缩小表面积。液体表面如同一层绷紧了的富有弹性的橡皮膜。 ? 称为表面张力：作用于单位界面长度上的紧缩力。单位：N/m, 方向：表面（平面、曲面）的切线方向 γ可理解为：增加单位表面时环境所需作的可逆功，称比表面功。 单位：J · m-2。 恒温恒压： 所以： ? 等于恒温、恒压下系统可逆增加单位面积时，吉布斯函数的增加，所以，? 也称为比表面吉布斯函数或比表面能。单位 J · m-2 表面张力、比表面功、比表面吉布斯函数三者的数值 、量纲和符号等同，但物理意义不同，是从不同角度说明同一问题。(1J=1N·m故1J·m-2=1N·m-1，三者单位皆可化成N·m-1) 推论：所有界面——液体表面、固体表面、 液-液界面、 液-固界面等，由于界面层分子受力不对称，都存在界面张力。 2. 不同体系的热力学公式 对一般多组分体系，未考虑相界面面积时： 当体系作表面功时，G 还是面积A的函数 在恒温、恒压、组成不变的情况下，使面积减小或表面张力减小，致系统总界面吉布斯函数减小的表面过程可以自发进行。 3.界面张力的影响因素 ①物质的本性： （1） 不同的物质，分子间的作用力不同，对界面上分子的影响也不同。分子间相互作用力越大，界面分子受力不平衡程度就越大，γ越 大。 一般有：γ(金属键) γ(离子键) γ(极性键) γ(非极性键) （2）固体分子间的相互作用力远远大于液体的, 固体物质要比液体物质具有更高的表面张力。 （3）两种互不混溶的液体形成液-液界面时，界面层分子所处力场取决于两种液体。所以不同液-液对界面张力不同。 ② 温度 T ↑γ↓ ③ 压强及其它因素： 通常每增加 1 MPa （约10 大气压）的压强，表面张力约降低 1 mN · m-1 。 10.2 弯曲液面的附加压力及其后果 1. 弯曲液面的附加压强——拉普拉斯（Laplace）方程 一般情况下，水平液面下液体所受压强即为外界压强， 水中的气泡（凹面）及小液滴（凸面），表面是弯曲的。 弯曲液面下的液体不但受到外界压强，还要受到弯曲液面的附加压强 ?p 。 圆周界线上表面张力的合力对底面下液体造成额外压力。若弯曲液面凹面一侧压强以p内表示，凸面一侧压强用p外表示，定义附加压强： Δp = p内－p外 Δp 总是一个正的值，它的方向指向凹面曲率半径的中心 小结：（1）弯曲液面会产生附加压力，水平液面无附加压力； （2）附加压力产生原因：表面张力不能相互抵消； （3）附加压力的方向：指向弯曲液面的曲率中心。 弯曲液面附加压强Δp 与液面曲率半径的关系: 因为球缺底部圆周长 2? r1 ， 得垂直方向在圆周上合力为： 因为， cos ? = r1/ r ，球缺底面积为?r12，所以弯曲液面对单位水平面上附加压强为： ——拉普斯方拉程 表明弯曲液面附加压强与液体表面张力成正比，与曲率半径成反比。其中，曲率半径 r ，总取正值，Δp 指向凹面中心，总取正值。 对于气泡（空气中的肥皂泡），其有内外两个气-液界面： 2.毛细管现象 当液体在毛细管中呈弯曲液面时，管内高度≠管外高度，即管内外存在高度差。 总结：（1）水在毛细管中呈凹液面，毛细管内液面上升； （2）水银在毛细管中呈凸液面，毛细管内液面下降。 R ——— 毛细管的半径； r ——— 液体的密度； q ——— 液体与毛细管的接触角； g ——— 液体的表面张力； h ——— 毛细管内液面上升的高度 由上式可知，在一定温度下，毛细管越细，液体的密度越小，液体对管壁的润湿越好，即接触角θ越小，液体在毛细管中上升的越高。 当液体不能润湿管壁。即θ＞90°，cosθ＜0时，液体