吉大 物理化学 表面
99页1、第 八 章,界 面 化 学,81引言,界面现象:是研究在界面上发生的一些行为,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。,界面和表面是概念不同,但在称呼上不做严格区分,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。,一.常见的界面:气-液界面,气-固界面,液-液界面,液-固界面,固-固界面。,在多相体系中,任何两相之间的接触面都叫做界面,1.气-液界面,2.气-固界面,3.液-液界面,4.液-固界面,5.固-固界面,二.自然界中的表面现象,1.汞洒在地面或玻璃自动成球型,2.棉花、毛巾能吸水,3.塑料布能防水,4.大块玻璃运输和储存时要防潮,5.活性白土可做油脂的脱色剂,6.活性炭可做冰箱的除味剂,7.硅胶做干燥剂,8.分子筛做催化剂,界面现象的共同特征:,发生在两相的界面上,讨论的体系:高分散体系;多孔体系,比表面(A):表示分散体系分散程度的物理量。,定义:,单位体积物质所具有的表面积,单位:m-1,或单位质量物质所具有的表面积,单位:m2/g,比表面是衡量体系分散程度的物理量,颗粒越
2、小,比表面越大,体系的分散程度越高,表面现象越明显。,例如,把边长为1m的立方体逐渐分割成小立方体时,比表面增长情况列于下表:,可见达到nm级的超细微粒时,它具有巨大的比表面积,因而具有许多独特的表面效应,现已成为新材料和多相催化方面的研究热点。,从表上可以看出,当将边长为1m的立方体分割成10-9m的小立方体时,比表面增长迅猛。,82 表面张力和表面吉布斯函数,一、表面吉布斯函数,产生表面现象的原因,液-气表面,表面层分子处在不对称的力场,内部分子受到的作用力 -合力为零,表面分子受到一个向内部拉的作用力,这个力的方向垂直于表面,指向液体内部。,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。线保持原状,(a),刺破线圈中央的液膜,线圈两侧作用力不再平衡,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。,(b),由于表面层分子的受力情况与本体中不同,因此如果要把分子从内部移到界面,或可逆的增加表面积,就必须克服体系内部分子之间的作用力,环境对体系做功。这个功全部以能量的形式储存于表面,因此,表面分子能量高,表面积大,表面分子多,体系能量
3、高,体系不稳定,二.表面功的 定义及计算,由热力学公式可知:,等温等压和组成不变的条件下,表面功定义:在等温等压和组成不变的条件下,可逆地扩大表面积,环境对体系作功。显然这个功与扩大的表面积成正比。,物理意义:等温等压和组成不变的条件下,可逆地扩大单位表面积,单位表面积体系吉布斯函数的变化值称为比表面能。,单位:Jm-2,广义 :,是在指定各相应变量不变的条件下,增加单位表面积体系中热力学函数的增加值.,:为单位表面积所具有的能量。,体系的总能量,若等温等压和组成不变的条件:,=0,可逆,0,自发,1缩小表面积(是常数),缩小表面积即 dA0 的过程,是自发过程。,为常数,结论:在比表面能一定的条件下,减小表面积的过程是自发进行的。液体易发生形变,收缩表面积是自发过程.,A是正数,2减小表面能(A是常数),缩小表面能即 d0 的过程,是自发过程。,A为常数,结论:在比表面积固定的条件下,减小表面能的过程是自发进行的。固体不易发生形变,发生吸附是自发过程.,A是正数,二、表面张力,表面能的单位:,能量单位,力单位,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。
4、由于金属框上的肥皂膜的表面张力作用,可滑动的边会被向上拉,直至顶部。,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,l是滑动边的长度,因膜有两个面,所以边界总长度为2l, 就是作用于单位边界上的表面张力。,的物理意义:单位长度上表面的紧缩力,即比表面张力。其方向与L垂直,与液面相切。,比表面张力与比表面能数值相同,符号相同,但单位不同,物理意义不同。一般在称呼上也不作严格区分。,三、影响表面张力的因素,1表面张力与物质性质有关,2与温度有关,分子间作用力越大,表面张力越大,通常极性液体非极性液体,温度升高,界面张力下降,因为温度升高,分子热运动加剧,分子间作用力减弱,分子间距离远。,3.与接触相的性质有关,ll界面,接触相两液体性质不同,也不同,一、弯曲液面下的附加压力,液面分三种情况,平面,凸液面,凹液面,分析三种液面的受力情况,p=0,p0,p0,83 弯曲液面下的附加压力和毛细现象,附加压力与曲率半径之间存在什么关系呢?,拉普拉斯方程,推导:,(1)在毛细管内充满液体,管端有半
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