1、第一章 液体界面性质青岛科技大学青岛科技大学 李东祥李东祥2023-1-31.1 1.1 表面张力与表面能表面张力与表面能固气（固气（S-g）固液（固液（S-l）固固（固固（S-S）液气（液气（l-g）液液（液液（l-l）按物质聚集状态，界面可分为五类：按物质聚集状态，界面可分为五类：界面界面：相邻两相的界面区域。：相邻两相的界面区域。一般厚度在一个分子以上。若一般厚度在一个分子以上。若两相中一相为气相则称此界面两相中一相为气相则称此界面为为表面表面2023-1-3表面层分子受力分析表面层分子受力分析界面分子与相内分子所处的环境不同相内分子 所受合力为零表面分子 所受合力不为零，且 指向液体内
2、部，称净吸力。以气-液界面为例从力的角度分析 表面分子趋向进入体相内部,致使表面处处有一种紧缩力。液体表面最基本的特性是倾向于收缩，如常见的水银珠和荷叶上的水珠那样。1.11.1表面张力与表面能表面张力与表面能2023-1-3 由于净吸力的存在，体相分子要转移到表面，必须克服净吸力，需要外界提供非体积功 W,因此表面层分子比体相分子有额外的势能量。1.非体积功 W称为表面功，是恒温、恒压和组成恒定时可逆地增加单位表面积需做的可逆非体积功。2.根据热力学理论：在T、P及组成恒定时，环境所做的可逆非体积功，在数值上等于系统吉布斯函数增加值。所以系统表面扩展时，系统得到的表面功应等于吉布斯函数增加值
3、。表面能表面能SpTrdAdGW ,Surface Energy1.11.1表面张力与表面能表面张力与表面能2023-1-3SpTrdAdGW ,pTSAG,又称为(比)表面吉布斯函数或称为表面自由能（表面能）1.11.1表面张力与表面能表面张力与表面能表面能表面能1.恒温、恒压，可逆地增加单位表面积所引起的系统Gibbs自由能的增加值。注意：注意：2.单位面积的表面层分子比等量体相分子额外多出的能量，是相对过剩量。3.产生根源净吸力。4.单位 J m-22023-1-3 从力的角度看，表面能可以看作是沿着与表面(球面)相切或与表面(平面)相平行的方向垂直作用于表面单位长度上的表面收缩力。典型
4、事例1如果在金属线框中间系一线圈，一起浸入肥皂液中，取出后，上面形成一液膜。由于以线圈为边界的两边表面张力大小相等方向相反，所以线圈成任意形状可在液膜上移动；如果刺破线圈中央的液膜，线圈内侧张力消失，外侧表面张力立即将线圈绷成一个圆形，清楚的显示出表面张力的存在。)(Surface Tension1.11.1表面张力与表面能表面张力与表面能表面张力表面张力Interfacial tension2023-1-3典型事例21.11.1表面张力与表面能表面张力与表面能 从力的角度看，表面能可以看作是沿着与表面(球面)相切或与表面(平面)相平行的方向垂直作用于表面单位长度上的表面收缩力，称为表面张力。
5、表面张力表面张力 设平衡力F=mg，若l为边框长度，行程dx，则面积变化 dA=2 l dx。力学：WFdx 表面能：2WdAl dx2FFll总 肥皂膜肥皂膜F l2023-1-3单位为：N m-1；方向与液面平行或相切使液面收缩；对于平液面，方向与液面相平行；对于弯曲液面，方向与液面相切。注意 是沿着与表面(球面)相切或与表面(平面)相平行的方向垂直作用于表面上单位长度的表面收缩力。表面张力)(是界面化学中最重要的物理量。1.11.1表面张力与表面能表面张力与表面能2FFll总Surface Tension2023-1-3表面功 恒温、恒压和组成恒定时可逆地增加表面积需做的可逆非体积功.d
6、xl 2 dAs 广广义义位位移移广广义义力力 rW SrdAW 从能量角度分析 若将体相中的分子移到液体表面以扩大液体的表面积，则必须由环境对系统做功。比表面功比表面功（）1.11.1表面张力与表面能表面张力与表面能2023-1-3物理意义 界面张力 等于恒温恒压各相中各物质的物质的量不变，增加单位界面积所引起的系统吉布斯函数增加值,又称为表面过剩吉布斯函数。（单位为 ）2 mJ1 mN定义)(,BnpTSAG 1.11.1表面张力与表面能表面张力与表面能表面能（表面吉布斯函数）、表面张力。不同点：1、描述的角度不同，一个是能量概念，一个力的概念。2、单位不同，虽然量纲一样。3、表面张力是向
7、量，表面能是非向量。2023-1-3表面张力的影响因素表面张力的影响因素液-液界面的界面张力取决于两种液体，界面张力居中。水-汞：415mN.m-1,水-苯：35mN.m-1分子间力或化学键力越大，界面张力越大；表面张力与物质的本性有关固体的界面张力一般较液体大；)()()()(非极性共价键非极性共价键极性共价键极性共价键离子键离子键金属键金属键 1.11.1表面张力与表面能表面张力与表面能相界面的界面张力取决于两相物质的特性。2023-1-3温度对界面张力的影响 一般情况下，温度升高，表面张力下降，临界温度处表面张力趋向于0。这是由于随温度升高，液体膨胀，分子间距变大，分子间引力变小，净吸力
8、变小；同时，气相的密度变大，气相分子对表面分子引力增加，净吸力下降。但是，个别情况随温度升高而增大。表面张力的影响因素表面张力的影响因素1.11.1表面张力与表面能表面张力与表面能压力及溶质等因素的影响 一般随压力增加而下降（原因比较复杂），随压力增加，气相密度增加，同时气体分子更多地被液面吸附，并且气体在液体中溶解度也增大，以上三种效果均使下降。2023-1-3温度对界面张力的影响SBBBdAdnVdpSdTdG SNpdASdTdG :)(,0,NpANpTSSTAS。表面扩展是熵增加过程表面扩展是熵增加过程体的体的：即恒温恒压下一般液：即恒温恒压下一般液则则0,0 dSdAS1.1.表面
9、张力与表面能表面张力与表面能1.2 1.2 弯曲液面现象弯曲液面现象平液面平液面弯曲液面弯曲液面2023-1-31.2 1.2 弯曲液面现象弯曲液面现象弯曲液面 可呈凸液面，也可呈凹液面，如水中气泡。实验弯曲液面存在附加压力；附加压力与曲率半径及必有一定的定量关系。1.2 1.2 弯曲液面现象弯曲液面现象 由于表面张力的作用，在弯曲液面两侧形成的由于表面张力的作用，在弯曲液面两侧形成的气、液相压力差称为弯曲液面的气、液相压力差称为弯曲液面的附加压力。附加压力。ABpsp0p=p0+ps凸面凸面ABpsp0p=p0-ps凹面凹面1.2 1.2 弯曲液面现象弯曲液面现象1、附加压力、附加压力弯曲液
10、面两侧的压力差弯曲液面两侧的压力差由于表面张力的作用，在弯曲液面两侧形成的气、由于表面张力的作用，在弯曲液面两侧形成的气、液相压力差称为弯曲液面的液相压力差称为弯曲液面的附加压力附加压力，以，以pp表示，表示，定义：定义：p pp pl l-p-pg g式中，式中，p pl l和和p pg g分别为弯曲液面的液相一侧和气相一分别为弯曲液面的液相一侧和气相一侧所承受的压力。侧所承受的压力。def气体液体ppp定义外气体内液体图中图中p p0 0为外压为外压平液面平液面：p p=0=0凸液面凸液面：p p=p pl l-p-pg g 00 其附加压力指向液体内部其附加压力指向液体内部凹液面凹液面：
11、p p=p pl l-p-pg g 0 0;凹液面，p S S0，即对于小颗粒的胶粒溶液未饱和，小颗粒会溶解，半径更小；对于大颗粒的胶粒，溶液过饱和，溶质在大颗粒表面析出，颗粒变大。因此，随着时间的延长，小粒子消失了，大颗粒增多了，胶体的平均粒径变大，称为Ostwald熟化现象熟化现象(Ostwald Ripening)。2023-1-3（1）毛细管上升法表面张力的测定方法表面张力的测定方法1.3 1.3 表面张力测定表面张力测定grhcos22023-1-3 表面张力的测定方法表面张力的测定方法1.3 1.3 表面张力的测定表面张力的测定（2）最大气泡压力法当r气泡r毛细管时，r最小，p有最
12、大值max2pr毛细管2pr 气泡2023-1-3 表面张力的测定方法表面张力的测定方法1.3 1.3 表面张力的测定表面张力的测定（3）滴重量（体积）法Vgr2平衡时：理想情况)/(2/)/()/(23333rVrfVgrVrVfrVfrVg则有关表示校正因子，与2023-1-3 表面张力的测定方法表面张力的测定方法1.3 1.3 表面张力的测定表面张力的测定（4）吊环（片）法 常用吊片：铂金、云母、玻璃需打毛，以提高润湿效果。)(2/)(2dlWdlWWW环总2023-1-3表面张力的测定方法表面张力的测定方法1.3 1.3 表面张力的测定表面张力的测定（5）旋转滴法（6）静止液滴形状法悬滴/躺滴赵海龙，刘大顺，陈效鹏，一种基于数字图像的表面张力测量方法悬滴法，实验力学，2010年 1期，pp100-105.对于液体中形成的气泡，也类似。2023-1-3谢谢！
