胶体与界面化学课件.ppt

1、复习：胶体化学与界面化学的相关性复习：胶体化学与界面化学的相关性胶体的基本特性胶体的基本特性： 特有的分散程度、多相性、聚结不稳定性 研究物质的界面特性研究物质的界面特性界面化学界面化学 表面张力、表面能、表面现象及其应用等研究一群质点所构成的分散体系的性质研究一群质点所构成的分散体系的性质 胶体化学胶体化学 动力性质、电性质、光学性、流变性质及其应用；胶体的聚结与稳定性等 第二章第二章 界界(表表)面现象面现象Fundamentals of interface(surface) chemistryGL两相界面处的分子具有特殊的性质比表面 00mAAVAA总总或A总 ： 体系的总表面积， V：

2、 体系的体积m ：体系的质量一、什麽是界一、什麽是界(表表)面化学面化学对具有巨大表面积的分散体系，界面分子的特殊性对体系性质的巨大影响不能忽略界面化学：界面化学：在分子（原子）尺度上研究界面上的物理和化学过程的科学液体气体固体气体表面（surface)液体液体液体固体固体固体界面（interface)二、表面化学与其他学科的联系二、表面化学与其他学科的联系表面化学表面化学生命科学（生物膜及膜模拟化学） 能源科学（三次采油、煤的液化、化学电源） 材料科学（超细材料、材料的表面改型） 信息科学（LB膜，微电子器件）三、界面化学的发展和现状三、界面化学的发展和现状1805 T . Young 提出

3、界面张力概念1806 P.S. Laplase 表面张力与曲率半径关系1878 Gibbs 表面吸附方程1916 Langmuir 固体吸附等温方程式 表面与界面化学虽是物理化学的传统研究领域，但由于电子能谱、扫描隧道显微镜等新的实验技术的出现，使得表面、界面效应及粒子尺寸效应的知识呈指数上升式的积累，提出了在分子水平上进行基础研究的要求。当前涉及这一领域的研究已成为催化、电化学、胶体化学的前沿课题，并与生命科学、材料科学、环境科学、膜技术及医药学密切相关，是这些相关学科要研究和解决的核心课题之一。2.1 比表面比表面Gibbs函数和表面张力函数和表面张力 Gibbs function of

4、specific surface and surface tension1.表面分子的受力和能量状态表面分子的受力和能量状态GL液体表面的分子受到指向液体内部的合力作用.液体表面分子比内部分子具有更高的能量一杯水水空气一杯花生油花生油水碳2.(比比)表面表面Gibbs函数函数 Gibbs function of specific surface 在等温等压的条件下,可逆地增加单位表(界)面积所做的功,称为表表(界界)面功面功。 w dA表面 dGnp,T,)AG( ：在等温等压且体系所含物质的量不变的 条件下，增加单位表（界）面积所引起 体系Gibbs函数的增-(比比)表表(界界)面面Gibb

5、s函数函数dG = -SdT+Vdp+BdnB-w dAdnVdpSdTdGBBw= -dAdAdnpdVSdTddAdnVdpTdSdHdAdnpdVTdSdUBBBBBB 表面热力学基本关系式表面热力学基本关系式 )( )( )( )( ,npTnVTnpSnVSAGAAHAU比表面内能比表面Gibbs函数比表面Helmholtz函数比表面焓比表面能比表面能 ：单位表面积表面层的分子比体系内部同 样数量的分子所高出的能量值。3. 表（界）面张力表（界）面张力 surface (interface) tension表(界)面张力是平行于表面且垂直作用于表面上单位长度线段上的表面紧缩力。(比)

6、表面Gibbs函数和表面张力在数值上是相等的4. 影响纯物质的影响纯物质的的因素的因素(1) 物质本身的性质（极性液体比非极性液体大， 固体比液体大）(2) 与另一相物质有关 /(N m-1)水 -正庚烷 0.0502 苯 0.0350 汞 0.415纯液体的表面张力是指与饱和了其本身蒸汽的空气之间的界面张力。Solid Na Ag NaCl MgO 石蜡 聚乙烯 云母/(N m-1) 0.200 0.800 0.190 1.200 0.025.4 0.033.1 2.400 大多数固体比液体具有更高的表面能 固体的表面张力(3) 与温度有关对绝大多数液体 T,R-S 方程 )0.6( 32T

7、TkVcmTc ：临界温度 Vm ：液体的摩尔体积k：经验参数，对非缔合的非极性液体 k2.210-7 J K-1Guggenheim 方程 )1 ( 0ncTT0 ，n ： 经验参数，对有机液体，n=11/9， 对金属 ， n1但对 Cd, Fe, Cu 合金及一些硅酸盐液体，T。碳粉碳粉放大镜聚焦阳光，照射放大镜聚焦阳光，照射碳粉，会又什么现象发碳粉，会又什么现象发生？生？竹管吹泡泡，竹管吹泡泡，发生什么现象发生什么现象？具有巨大比表面的体系具有巨大的表面能，是热力学不稳定体系，例如：将1 g水分割成半径为1 nm的小水滴，表面积为3000m2, 表面能为220 J.任何体系都有降低表面能

8、的趋势2.2 弯曲液面现象弯曲液面现象 Curved surface phenomena1. 弯曲液面下的附加压力弯曲液面下的附加压力p0GLPi = p0p0psPi = p0 + pspsp0Pi= p0 - psPi :液体内部的压力Ps :附加压力(additional pressure)p0 + psp0+ ps )( 00dVppdVpws dVps dA dVdAps如果曲面是球形的 4 34 8 r4 2 32drrdVrVrdrdAA 2 rps如果曲面是非球形的 )11( 21rrpsYong - Laplase equationr1 , r2 :在曲面上任意选两个互相垂直

9、的正 截 面的曲率半径（主曲率半径）讨论：讨论：1. 凸形液面（convex) (r0） ps 0 , pi po ; 凹形液面 (concave) (r 0) ps 0 , pi po ； 平面 r = ps = 0 , pi = po Ps 总是指向曲面的球心2. 越大，r越小，则 ps 越大3. 由于液体或固体小颗粒的内部存在较大的 附加压力，使组分的化学势发生变化，引 起体系物理、化学性质的改变。2. 弯曲液面的蒸汽压弯曲液面的蒸汽压 Vapor pressure on curved surfaceLp0平面液面在T, p0 下气液平衡时 ),(),( 0gpTpTlvL凸形液面，仍在

10、T, p0下 ),(),( 00pTppTlsl ),(),( 0gslvppTpTpv 则要升高，重新达到平衡p0gmlmTlgVVpp,)( ,glmpRTV蒸汽可当作理想气体 1)ln( ,TRTMRTVppllmlgspppllpgdpRTMp00 dln p弯平 2ln ,RTrMpplgg平弯Kelvins equation 20oC时，水的曲率半径与蒸汽压的关系r/m 110-6 110-7 110-8 110-9p弯/p平 1.001 1.011 1.110 2.927凹形液面，r 取负值， p弯 p平利用类似方法，可得到固体溶解度、熔点等相平衡性质随颗粒度的变化3. 介稳状态

11、（介稳状态（Metastable state）和新相的生成）和新相的生成pTTt过热液体、过冷液体、过饱和蒸汽过热液体-暴沸现象 100oC时，小气内pgp0+ps,不能沸腾。直到 T超过100oC，在一个更高的温度下，pg= p0+ps ,形成暴沸过饱和蒸气与人工降雨原理v气体凝结成液体，首先要有小液滴产生v小液滴的蒸气压大于平面液体的蒸气压，若在T/K时，压力为P的蒸气对平面液体已达饱和状态，但对小液滴却未达到饱和状态v按照相平衡条件应该凝结而未凝结的蒸气，为过饱和蒸气v增加压力或降低温度，能达到小液滴的饱和状态，而使液滴产生v向蒸气中加入凝结中心，增加液滴的曲率半径，降低其蒸气压，气体迅

12、速凝结成水滴。此为人工降雨的原理。hpo ghps 2r 2 grh cos2grr : 液面的曲率半径 r : 毛细管的(内)半径rrpo你能对下列问题作出回答？ 为什么自然界中液滴、气泡总是圆形的？为什么气泡比液滴更容易破裂？ 毛细现象为什么会产生？ 天空为什么会下雨？人工降雨依据什么原理？向高空抛撒粉剂为什么能人工降雨？ 为什么会产生液体过热现象？加入沸石为什么能消除过热现象？ 两快玻璃板之间有水，为什么不易拉开？ (1)能用本节课所学的知识完整的解释1-2个 与界面化学相关的问题 (30分) (2)能举出一例说明本次课程所学的知识在环境科 学与研究中的应用。 (30分) (3)能注明参考文献 (5分 ) (4) 能以小组合作方式完成作业,并署上完成人姓名 (10分) (5)以POWINT POINT形式完成作业 (10分) (6)能按时交作业 (5分) (7)愿意与同学讨论交流,展示作业 (10分) 以小组为单位在网上呈交作业