09 第十章 界面现象.pptx

第1页：第十章界面现象

第十章界面现象

界面现象Interface Phenomenon

第2页：界面现象研究的内容和方法

界面现象研究的内容和方法

气－液和气－固界面

称为表面(surface)。

容和方法1、界面现象研究的内容(1)界面层的定义在多相系统中，相与相之间存在着相界面，称为界面（interface）。

第3页：系统的分散

系统的分散

的分散度物质分散成细小微粒的程度称为分散度(dispersity)。

第4页：体积表面

体积表面

(volumesurface)AV：质量表面(massicsurface)Am：VAVdef Asm Amdef As AV的SI单位为m-1，Am的SI单位为m-2·kg-1

第5页：立方体分散时表面积的变化

立方体分散时表面积的变化

源文本中数值呈粘连状态，本表按 A_s＝6×10^-6／l、A_V＝6／l 的列间数学关系重建，建议对照原课件图片核对。

第6页：界面现象研究的方法

界面现象研究的方法

方法•物理领域•化学领域•胶体科学•材料科学•生物科学•催化化学

第7页：表面张力与单位表面吉布斯函数

表面张力与单位表面吉布斯函数

布斯函数1、表面功及表面张力在温度、压力和组成恒定时，可逆地使表面积增加d As，环境对系统做的功，称为表面功（surfacework）Wr’＝d As表面张力（surfacetention）或界面张力（interfacialtension）表面张力的SI单位为J·m-2

第8页：表面张力的物理意义是：当

表面张力的物理意义是：当

T、p和组成恒定的条件下，增加单位表面积时必须对系统做的可逆非体积功。BT,p,nsWrd A

第9页：表面张力的作用方

表面张力的作用方

用方向f＝2l N·m-1＝N·m·m-2＝J·m-2表面张力是沿着表面的切线方向，垂直地作用于单位长度的表面边缘，并指向表面中心力图使表面积收缩的力。

第10页：高度分散系统的热力学基本方程与单位表面

高度分散系统的热力学基本方程与单位表面

表面吉布斯函数(1)高度分散系统的热力学基本方程d UTd Spd Vd ASBBdn Bd HTd SVdpd ASBBdn Bd ASd Tpd Vd ASBBdn Bd GSd TVdpd ASBBdn B

第11页：高度分散系统的单位表面吉布斯函数

高度分散系统的单位表面吉布斯函数

斯函数ST,p,nBGA单位表面吉布斯函数的物理意义是在定温、定压和定组成的情况下，系统吉布斯函数随表面积的变化率。d GT,p,n(B)d AS

第12页：把半径为

把半径为

例10－125℃时，把半径为1.00×10-3 m的水滴分散成半径为1.00×10-6 m的小水滴。2单位表面吉布斯函数增加了多少？3完成该变化时，环境至少要做多少功？

已知该温度时，水的表面张力为0.07275 N·m-1。解：已知：r 1＝1.00×10-3 mr 2＝1.00×10-6 m＝0.07275 N·m-1

第13页：把半径为（续）

把半径为（续）

第14页：表面张力与单位表面吉布斯函数（续）

表面张力与单位表面吉布斯函数（续）

第15页：影响表面张力的因素

影响表面张力的因素

因素(1)表面张力与物质本性的关系（金属键）＞（离子键）＞（极性共价键）＞（非极性共价键）

第16页：一些固态物质的表面张力

一些固态物质的表面张力

第17页：一些液态物质的表面张力

一些液态物质的表面张力

第18页：水与不同液体接触时的界面张力

水与不同液体接触时的界面张力

表中 W 表示水，g 表示气相。

第19页：不同温度下液体的表面张力

不同温度下液体的表面张力

源文本中苯在 60 ℃ 的数值显示为与 80 ℃ 相同的 0.0213，按温度序列推算应为 0.0237，此处按推算值列出，建议对照原课件图片核对。

第20页：液体的界面现象

液体的界面现象

界面现象1、弯曲液面的附加压力(1)弯曲液面的附加压力

第21页：液体的界面现象（续）

液体的界面现象（续）

p＝pl－pg•水平液面，pg=pl，p＝0•凸液面，pl>pg，p>0•凹液面，pl<pg，p<0

第22页：拉普拉斯

拉普拉斯

普拉斯（Laplace）方程r•液滴越小则所受到的附加压力越大•当液面为凸面，r>0，p>0液滴呈凹面，r<0，p<0但两者都是指向球面的球心•当液面是任意曲面时，可得适用于任意曲面液体的拉普拉斯方程：p21211p2rr

第23页：拉普拉斯（续）

拉普拉斯（续）

2M 2、弯曲液面的饱和蒸汽压开尔文（Kelvin）方程lnprp RTr•小液滴（凸液面，r＞0），其半径越，蒸汽压就越大；

第24页：苯的蒸气结成雾

苯的蒸气结成雾

例10－2在20℃时，苯的蒸气结成雾，雾滴（球形）半径r＝10-6 m，20℃时苯的表面张力＝28.9×10-3 N·m-1，体积质量＝879 kg·m-3，20℃时苯的正常沸点为80.1℃，摩尔汽化焓△vap Hm＝33.9 k J·mol-1，且可视为常数。

试计算20℃时苯雾滴的饱和蒸气压。解：设20℃时，苯平液面的蒸气压为p，正常沸点时的大气压力为101.325 k Pa

第25页：苯的蒸气结成雾（续）

苯的蒸气结成雾（续）

353.25 K101325 Pa R293.15 Kp＝9506 Pa设20℃时，半径r＝10-6 m的雾滴表面的蒸vap Hm11 lnp气压为prp RTr2Mplnr2(28.9103 Nm-1)(78103 kgmol1)(8.314 Jmol1K1)(293.2 K)(879 kgm3)(106 m)lnr9506 Pappr＝9526 Pa

第26页：物质B的微小晶体的溶解度

物质B的微小晶体的溶解度

lnc B(r)2Mc BRTr

第27页：液体对固体的润湿作

液体对固体的润湿作

湿作用(1)润湿

第28页：液体对固体的润湿作（续）

液体对固体的润湿作（续）

润湿（wetting）是固体（或液体）表面上的气体被液体取代的现象•铺展润湿（spreadingwetting）•沾附润湿（adhesionwetting）•不润湿•浸湿润湿（dippingwetting）液体在另一种与之不互溶的液体表面上•铺展•不铺展

第29页：在铺展过程中的吉布斯函数变化

在铺展过程中的吉布斯函数变化

为：△G＝As［（l／s)＋（g／l)－（g／s)]液体在固体表面的铺展系数s（spreadingcoefficient）为：GASdefs＝(s／g)[(s／l)(l／g)]=当s>0，△G<0时，铺展才能产生

第30页：接触角

接触角

接触角（润湿角）接触角（contactangle），也称为润湿角（g／s）＝（l／s）＋（g／l）cos

第31页：液体的界面现象（续）

液体的界面现象（续）

杨氏（T.Young）方程cos(g／s)(l／s)(g／l)（g／s）＞（l／s），cos＞0，＜90°，沾附润湿（g/s)>>（l/s)，＝0°，铺展润湿·（g／s）＜（l／s），cos＜0，＞90°，不润湿＝180°，完全不润湿

第32页：毛细现象毛细管现象

毛细现象毛细管现象

现象(capillaryphenomenon)p2ghr△＝l－g≈l＝h2Rg 2cosRgh

第33页：新相生成

新相生成

新相生成与亚稳状态过饱和蒸气、过热和过冷液体、过饱和溶液所处的状态称为亚稳状态(metastablestate）。

第34页：过饱和蒸气在一定温度下

过饱和蒸气在一定温度下

度下，当蒸气分压已超过该温度下的饱和蒸气压，而蒸气仍不凝结的现象称为蒸气的过饱和现象（supersatuaredphenomenaofvapor），此时的蒸气称为过饱和蒸气（supersatuaredvapor）。

p RTr2Mlnprpr＞p

第35页：过饱和溶液在一定温度

过饱和溶液在一定温度

温度、压力下，当溶液中溶质的浓度已超过该温度、压力下溶质的溶解度，而溶质仍不析出的现象称为溶液的过饱和现象（supersatuaredphenomenaofsolution），此时的溶液称为过饱和溶液（supersatuaredsolution）。

lnc B(r)2Mc BRTrc B(r)＞c B

第36页：过热液体在一定压力下

过热液体在一定压力下

力下，当液体的温度已高于该压力下的沸点，而液体仍不沸腾的现象称为液体的过热现象（superheatedphenomenaof liquid），此时的液体称为过热液体（superheatedliquid）。

p RTr2Mlnprr<0，p＞pr

第37页：过冷液体在一定压力下

过冷液体在一定压力下

力下，当液体的温度已低于该压力下的凝固点，而液体仍不凝固的现象称为液体的过冷现象（supercooledphenomenaofliquid），此时的液体称为过冷液体（superrcooledliquid）。

p RTr2Mlnprpr＞p

第38页：在日常生活

在日常生活

、生产和科学实验中常遇到过饱和、过热、过冷等现象•人工降雨•防止爆沸现象•结晶•金属热处理(heattreatment):淬火(quenching)、退火(annealing)

第39页：溶液界面上的吸附

溶液界面上的吸附

上的吸附1、溶液表面的吸附作用•无机盐类，不挥发性酸、碱以及含有多个－OH基的有机化合物•低脂肪酸、醇、醛等有机物质•RX

第40页：溶液表面的吸附作

溶液表面的吸附作

用•正吸附作用•负吸附作用（溶剂）＞（溶质）（溶剂）＜（溶质）

第41页：吉布斯模型与方程

吉布斯模型与方程

2、吉布斯模型与吉布斯方程(1)吉布斯模型

第42页：表面过剩物质的量

表面过剩物质的量

(surfaceexcessamountofsubstance)BBBBBnαdef＝n(CVCV)Bdefn＝BASB的SI单位:mol·m－2

第43页：吉布斯方程

吉布斯方程

斯方程BTBRTB对于理想稀薄溶液c BBTBRTc•d／dc B＜0，B＞0，正吸附作用•d／dc B＞0，B＜0，负吸附作用•d／dc B＝0，B＝0，无吸附作用

第44页：表面活性剂

表面活性剂

性剂(1)表面活性剂的定义及其结构特征某些物质当它们以低浓度存在于某一系统中时，可被吸附在该系统的表面(界面)上，使这些表面的表面自由能发生明显降低的现象，这些物质被称为表面活性剂(surface-activeagent)。

第45页：两亲分子

两亲分子

(amphiphilicmolecule)胶束(micelle)

第46页：临界胶束浓度

临界胶束浓度

C.M.C(Critica IMicelle Concentration)C.M.C/mol·dm-3表面活性剂0.0234 C 11 H 23 COOK 0.024 C 11 H 23 COONa 0.00105 C 16 H 33 SO 3 Na 0.0004 C 16 H 33 SO 4 Na 0.013 C 12 H 35 NHCl 0.062 C 12 H 35(CH 3)3 NCl 0.000087 C 12 H 25 O(C 2 H 4 O)6 H

第47页：表面活性剂的分类举例名称分类

表面活性剂的分类举例名称分类

称分类CH 3(CH 2)16 COO－Na＋硬脂酸钠阴离子型CH 3(CH 2)7 CH=CH(CH 2)7 COO－Na＋油酸钠CH(CH)SONa32114十二烷基硫酸钠CH(CH)CHSONa3211644十二烷基苯磺酸钠CH(CH)NHBr32113月桂胺基盐酸盐阳离子型CH 3(CH 2)15 N＋(CH 3)3 Br－溴代十六烷基三甲胺CH 3(CH 2)15 N＋—(CH 3)3\CHCOO－2十二烷基二甲基甜菜碱两性型C 12 H 25 O(CH 2 CH 2 O)n H聚氧乙烯类非离子型RCOOC 6 H 11 O 4失水山梨醇脂（斯盘，乳化剂S）聚乙烯失水山梨醇脂吐温（乳化剂T）

第48页：表面活性剂

表面活性剂

的主要亲油基亲油基原子团石蜡烃基R－H烷基苯基烷基酚基OR脂肪酸基R－COO－脂肪酰胺基R－CONH－脂肪醇基脂肪胺基马来酸烷基酯基R－O－R－NH－ROOCCHROOCCH 2烷基酮基R－COCH 2－CH 3聚氧丙烯基O(CH 2 CHO)(R：石蜡烃链，碳原子数为8~18)

第49页：表面活性剂的主要亲水基酰胺基

表面活性剂的主要亲水基酰胺基

CNH亲水基原子团磺酸基－SO－3硫酸酯基－O－SO 3－氰基－CN羧基－COO－O羟基－OHN铵基O-PO磷酸基O-硫基－SH卤素－Cl、－Br等氧乙烯基－CH 2－CH 2－O－

第50页：阴离子表面活性剂

阴离子表面活性剂

剂(i)盐类型(a)羧酸盐ORCONa脂肪酸盐(肥皂)RCHCOONa CH 2 COONa多羧酸皂

第51页：阴离子表面活性剂（续）

阴离子表面活性剂（续）

(b)磺酸盐RSO 3 Na烷基苯磺酸盐(洗衣粉)(ii)酯盐类型(a)硫酸酯盐OROSONa O十二烷基硫酸钠

第52页：磷酸酯盐R

磷酸酯盐R

酯盐ROPOONa ONa PONa ROROO

第53页：阳离子表面活性剂

阳离子表面活性剂

剂(i)铵盐型.NHHCl R 1 R 2

第54页：季铵盐型

季铵盐型

季铵盐型[C 12 H 33 N+CH 3 Br-CH 3 CH 3十六烷基三甲基溴化铵

第55页：吡啶盐型

吡啶盐型

)吡啶盐型[CH 1225 N]+Cl-十二烷基吡啶盐酸盐

第56页：非离子表面活性剂

非离子表面活性剂

剂(i)醚型RO(CH 2 CH 2 O)n H脂肪醇聚氧乙烯醚O(CH 2 CH 2 O)n HR烷基苯酚聚氧乙烯醚

第57页：非离子表面活性剂（续）

非离子表面活性剂（续）

HOCHCH(ii)酯型ORCOOHCH 2 CHCHCH 2 OOH失水山梨醇脂肪酸酯ORCO(CH 2 CH 2 O)n H脂肪酸聚氧乙烯酯

第58页：溶液界面上的吸附（续）

溶液界面上的吸附（续）

(iii)胺型O(CH 2 CH 2 O)n HRNO(CH 2 CH 2 O)m HRN(CH 2 CH 2 O)n HR

第59页：酰胺型

酰胺型

)酰胺型RCONH(C 2 H 4 O)n H(C 2 H 4 O)m HRCON(C 2 H 4 O)n H

第60页：两性表面活性剂

两性表面活性剂

剂RN+H 2 CH 2 CH 2 COO－+RR'CNCH 2 CH 2 NCH 2 COO-RN+(CH 3)2 CH 2 COO－RN+(CH 3)2(CH 2)n SO 3－

第61页：几种其他类型的表面活性剂

几种其他类型的表面活性剂

剂(i)高分子型表面活性剂CH 3 CHO(CH 2 CH 2 CH 2 O)m(CH 2 CH 2 O)n HCH 2 O(CH 2 CH 2 CH 2 O)m(CH 2 CH 2 O)n H聚氧乙烯聚氧丙烯二醇醚

第62页：聚4-乙烯十二烷基吡啶

聚4-乙烯十二烷基吡啶

NC 12 H 25 Br-(CH 2 CH)n+

第63页：聚丙烯酸钠

聚丙烯酸钠

(CH 2 CH)n COONa聚丙烯酸钠(CH 2 CH 2 NCH 2 CH 2 N)n C 12 H 25 CH 2 COOH

第64页：氟表面活性剂

氟表面活性剂

面活性剂CF 3(CF 2)6 COOK全氟辛酸钾(iii)含硅表面活性剂(CH 3)3 Si－O－Si(CH 3)2 CH 2－S－CH 2 COOH

第65页：表面活性剂的几种作

表面活性剂的几种作

几种作用(i)润湿作用(wettingaction)•润湿剂•渗透剂•捕集剂

第66页：乳化作用

乳化作用

乳化作用(emulsificaction)、分散作用(dispersedaction)和增溶作用(solubilizationaction)•乳化剂•分散剂•增溶剂

第67页：发泡作用

发泡作用

)发泡作用(foamingaction)和消泡作用(foamingaway)•起泡剂•消泡剂

第68页：洗涤作用

洗涤作用

洗涤作用(washingaction)洗涤剂

第69页：固体表面对气体的吸附

固体表面对气体的吸附

体的吸附1、固体表面上的吸附作用2、物理吸附与化学吸附3、吸附量与吸附等温线的类型4、弗罗因德利希吸附定温式5、兰缪尔单分子层吸附定温式6、*BET多分子层吸附定温式7、毛细管凝结现象

第70页：固体表面上的吸附作用在一定条件下

固体表面上的吸附作用在一定条件下

我们把具有吸附能力的物质

称为吸附剂（adsorbent）；

被吸附的物质则

称为吸附质（adsorbate）。

件下，一种物质的分子、原子或离子能自动地附着在某固体表面上的现象； 或者在任意两相之间的界面层中，某物质的浓度能自动地发生变化的现象，皆称为吸附（adsorption）。

第71页：物理吸附与化学吸附

物理吸附与化学吸附

吸附物理吸附（physisorption）：主要是由于范德华力而引起的。化学吸附（chemisorption）：主要是在固体表面上形成化学键，涉及到吸附分子和吸附剂之间的电子交换或共有。

第72页：物理吸附和化学吸附的比较

物理吸附和化学吸附的比较

第73页：吸附量与吸附等温线的类型气体在固体表面

吸附量与吸附等温线的类型气体在固体表面

表面达到吸附平衡（吸附速率等于脱附速率）时，单位质量的固体所吸附的气体体积V，称为该气体在气体表面上的吸附量（adsorptionquantity），用符号Γ表示，即m Vdef

第74页：p）•吸附定温线

p）•吸附定温线

吸附定温线（adsorptionisotherm）•吸附定压线（adsorptionisobar）•吸附定量线（adsorptionisostere）

第75页：吸附曲线的类型

吸附曲线的类型

第76页：

本页源文件未提取到文字内容，仅有图片，位于「吸附曲线的类型」与「重量法测定吸附」之间，建议对照原课件图片补充本页要点说明。

第77页：重量法测定吸附

重量法测定吸附

量

第78页：容量法测定吸附

容量法测定吸附

量

第79页：容量法测定吸附（续）

容量法测定吸附（续）

图8—12五种类型的吸附定温线

第80页：弗罗因德利希吸附

弗罗因德利希吸附

吸附定温式Γ＝x/m＝kpnm为吸附剂的质量；x为被吸附气体的物质的量或标准状态下的体积；n和k是两个经验常数，对于指定的吸附系统，它们是温度的函数。n的数值一般在0与1之间。

第81页：弗罗因德利希吸附（续）

弗罗因德利希吸附（续）

图8－10 CO在椰子壳炭上的吸附

第82页：兰缪尔单分子层吸附定温式

兰缪尔单分子层吸附定温式

温式兰缪尔（Langmuir）的单分子层吸附理论（theoryofadsorptionofunimolecularlayer）的基本假设如下：•单分子层吸附•固体表面是均匀的•被吸附在固体表面上的分子间无相互作用力•吸附平衡是动态平衡

第83页：兰缪尔单分子层吸附定温式（续）

兰缪尔单分子层吸附定温式（续）

已被吸附质覆盖的固体表面积固体总的表面积吸附速率＝k 1 p(l—)解吸速率＝k－1k 1 p(l—)＝k－1k1k 1 pk 1 p

第84页：固体表面对气体的吸附（续）

固体表面对气体的吸附（续）

k 1 p，则得k 1 pk1 kk1 b令1bpbp

第85页：兰缪尔吸附定温式

兰缪尔吸附定温式

（Langmuiradsorptionisotherm）1bpbpb称为吸附平衡常数(equilibriamconstantadsorption，也叫做吸附系数)

第86页：兰缪尔吸附定温式（续）

兰缪尔吸附定温式（续）

bp1bp•当压力足够低或吸附很弱时，bp《l，则≈bp即与p成直线关系。

• 当压力足够高或吸附很强时，bp》l，即≈l，即与p无关。
• 当压力适中时，用上式表示(或∝pn，n介于0→l之间)。

第87页：固体表面对气体的吸附（续）

固体表面对气体的吸附（续）

令，则得bp1bpp1pb

第88页：多分子层吸附定温式

多分子层吸附定温式

层吸附定温式1938年布尤瑙尔(Brunauer)、爱梅特(Emmett)和特勒尔(Teller)提出了多分子层吸附理论(theoryofadsorptionofpolymolecularlayer)，简称BET理论。

第89页：理论的下列假

理论的下列假

下列假设：•固体表面是均匀的；

• 被吸附的气体分子间无相互作用力；
• 吸附与脱附建立起动态平衡；
• 吸附是多分子层的。

第90页：多分子吸附

多分子吸附

示意图

第91页：多分子层吸附定温式

多分子层吸附定温式

定温式VCVCp*C1pp 1Vp*p BET公式一般适用于相对压力(p／p*)约在0.05—0.35之间

第92页：多分子层吸附定温式（续）

多分子层吸附定温式（续）

三常数的BET公式pn1n1nppCpp1(C1)(pp)VVpppn1(n1)Cp

第93页：毛细管凝结现象气体在吸附

毛细管凝结现象气体在吸附

吸附剂的毛细孔隙中凝结为液体，称为毛细管凝结现象。