1、上一内容下一内容回主目录O返回 物理化学电子教案第八章上一内容下一内容回主目录O返回表面和界面(surface and interface)界面是指两相接触的分界面，约几个分子厚度的过渡区，并非几何学中没有厚度概念的平面或曲面）。若其中一相为气相，这种界面通常称为表面。常见的界面有：气-液界面，气-固界面，液-液界面，液-固界面，固-固界面。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。上一内容下一内容回主目录O返回表面和界面(surface and interface)常见的界面有：1.气-液界面上一内容下一内容回主目录O返回表面和界面
2、(surface and interface)2.气-固界面上一内容下一内容回主目录O返回表面和界面(surface and interface)3.液-液界面上一内容下一内容回主目录O返回表面和界面(surface and interface)4.液-固界面上一内容下一内容回主目录O返回表面和界面(surface and interface)5.固-固界面上一内容下一内容回主目录O返回界面现象界面现象界面现象界面现象：处于界面上的微粒与处于本体相的微粒所处的环：处于界面上的微粒与处于本体相的微粒所处的环境不同，在界面上产生的某些特殊的物理现象和境不同，在界面上产生的某些特殊的物理现象和化学现
3、象。化学现象。上一内容下一内容回主目录O返回界面现象的本质界面现象的本质 对于单组分体系，这种特性主要来自于同一物质在不同相中的密度不同；对于多组分体系，则特性来自于界面层的组成与任一相的组成均不相同。表面层分子与内部分子相比，它们所处的环境不同。体相内部分子所受四周邻近相同分子的作用力是对称的，各个方向的力彼此抵销；但是处在界面层的分子，一方面受到体相内相同物质分子的作用，另一方面受到性质不同的另一相中物质分子的作用，其作用力未必能相互抵销，因此，界面层会显示出一些独特的性质。上一内容下一内容回主目录O返回界面现象的本质 最简单的例子是液体及其蒸气组成的表面。液体内部分子所受的力可以彼此抵销
4、，但表面分子受到体相分子的拉力大，受到气相分子的拉力小（因为气相密度低），所以表面分子受到被拉入体相的作用力。这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势，并使表面层显示出一些独特性质，如表面张力、表面吸附、毛细现象、过饱和状态等。上一内容下一内容回主目录O返回界面现象的本质上一内容下一内容回主目录O返回比表面（specific surface area）比表面通常用来表示物质分散的程度，有两种常用的表示方法：一种是单位质量的固体所具有的表面积；另一种是单位体积固体所具有的表面积。即：/mVAA mAA V或式中，m和V分别为固体的质量和体积，A为其表面积。目前常用的测定表面积的方法有BET法和色谱
5、法。上一内容下一内容回主目录O返回分散度与比表面 把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。把一定大小的物质分割得越小，则分散度越高，比表面也越大。例如，把边长为1cm的立方体1cm3逐渐分割成小立方体时，比表面增长情况列于下表：边长l/m 立方体数 比表面Av/（m2/m3）110-2 1 6 102 110-3 103 6 103 110-5 109 6 105 110-7 1015 6 107 110-9 1021 6 109 上一内容下一内容回主目录O返回分散度与比表面 从表上可以看出，当将边长为10-2m的立方体分割成10-9m的小立方体时，比表面增长了一千万倍。边长l/m 立方体数 比
6、表面Av/（m2/m3）110-2 1 6 102 110-3 103 6 103 110-5 109 6 105 110-7 1015 6 107 110-9 1021 6 109 可见达到nm级的超细微粒具有巨大的比表面积，因而具有许多独特的表面效应，成为新材料和多相催化方面的研究热点。上一内容下一内容回主目录O返回表面功（surface work）dWA式中 为比例系数，它在数值上等于当T，P及组成恒定的条件下，增加单位表面积时所必须对体系做的可逆非膨胀功。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，对体系
7、做功。温度、压力和组成恒定时，可逆使表面积增加dA所需要对体系作的功，称为表面功。用公式表示为：上一内容下一内容回主目录O返回表面自由能(surface free energy)表面自由能定义：表面自由能定义：保持温度、压力和组成不变，每增加单位表面积时，Gibbs自由能的增加值称为表面Gibbs自由能，或简称表面自由能或表面能，用符号 或 表示，单位为Jm-2。B,()p T nGA保持温度、压力和组成不变，每增加单位表面积时，相应自由能的增值。n恒温恒压可逆过程：WR=(dG)T,P 上一内容下一内容回主目录O返回 从前面的讨论得知：从前面的讨论得知：“液体表面具有表面自由能。液体表面具有
8、表面自由能。”由于体系能量越低越稳定，所以其表面具有自动收缩，由于体系能量越低越稳定，所以其表面具有自动收缩，以减少表面积的趋势。以减少表面积的趋势。上一内容下一内容回主目录O返回这种“表面收缩力”与表面平行n垂直于边界线并指向表面内部；n或垂直作用于表面上任一曲线的两边 我们称之为“表面张力”。表面张力 的定义：表面上单位长度边界线上指向表面内部（或表面上单位长度任意曲线两边）的表面收缩力，叫做表面张力。表面张力 的单位：N/m上一内容下一内容回主目录O返回 如果在金属线框中间系一线圈，一起浸入肥皂液如果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。中，然后取出，上面形
9、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。相反，所以线圈成任意形状可在液膜上移动。上一内容下一内容回主目录O返回 如果刺破线圈中央的液膜，线圈内侧张力消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，见失，外侧表面张力立即将线圈绷成一个圆形，见右图，清楚地显示出表面张力的存在。右图，清楚地显示出表面张力的存在。上一内容下一内容回主目录O返回2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l 由于金属框上的肥皂膜的表面张力作
10、用，可滑动的边会被向上拉，直至顶部。示例示例2：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。由于金属框上的肥皂膜表面张力作用，可滑动的边会被向上拉，直至顶部。表面张力（surface tension）上一内容下一内容回主目录O返回表面张力（surface tension）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 2Fl 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。上一内容下一内容回主目录O返回影响表面张力的因素（1）分
11、子间相互作用力的影响（2）温度的影响 温度升高，表面张力下降。（3）压力的影响 表面张力一般随压力的增加而下降。因为压力增加，气相密度增加，表面分子受力不均匀性略有好转。另外，若是气相中有别的物质，则压力增加，促使表面吸附增加，气体溶解度增加，也使表面张力下降。对纯液体或纯固体，表面张力决定于分子间形成的化学键能的大小，一般化学键越强，表面张力越大。(金属键)(离子键)(极性共价键)(非极性共价键)两种液体间的界面张力，界于两种液体表面张力之间。上一内容下一内容回主目录O返回同：同：既可表示表面自由能又可表示表面张力，两者量既可表示表面自由能又可表示表面张力，两者量纲相同，数值相等：纲相同，数
12、值相等：表面自由能表面自由能 J/m2=N m/m2 =N/m 表面张力表面张力异：物理概念、意义不同：异：物理概念、意义不同：2）表面张力（通常）指纯物质的表面层分子间实际）表面张力（通常）指纯物质的表面层分子间实际存在着的（收缩）张力。单位：存在着的（收缩）张力。单位：N/m1）表面自由能表示形成单位新表面使体系自由能的）表面自由能表示形成单位新表面使体系自由能的增加。增加。上一内容下一内容回主目录O返回 在分析处理具体问题时可根据需要选择理解在分析处理具体问题时可根据需要选择理解 的的两重含义：两重含义：在用热力学方法处理表面相时，可用在用热力学方法处理表面相时，可用 表示比表示比表表面
13、能；面能；在作表面相分子的受力分析时，可用在作表面相分子的受力分析时，可用 表示表示表面表面张力。张力。上一内容下一内容回主目录O返回 10.2弯曲表面现象弯曲表面下的附加压力1.在平面上剖面图液面正面图 研究以AB为直径的一个环作为边界，由于环上每点的两边都存在表面张力，大小相等，方向相反，所以没有附加压力。设向下的大气压力为Po，向上的反作用力也为Po，附加压力Ps等于零。Ps=Po-Po=0上一内容下一内容回主目录O返回弯曲表面下的附加压力（2）在凸面上：剖面图附加压力示意图 研究以AB为弦长的一个球面上的环作为边界。由于环上每点两边的表面张力都与液面相切，大小相等，但不在同一平面上，所
14、以会产生一个向下的合力。所有的点产生的总压力为Ps 0，称为附加压力。凸面上受的总压力为：Po+Ps Po Po为大气压力，Ps为附加压力。上一内容下一内容回主目录O返回弯曲表面下的附加压力（3）在凹面上：剖面图附加压力示意图 研究以AB为弦长的一个球形凹面上的环作为边界。由于环上每点两边的表面张力都与凹形的液面相切，大小相等，但不在同一平面上，所以会产生一个向上的合力。所有的点产生的总压力为Ps 0。凹面上向下的总压力：Po+Ps Po，所以凹面上所受的压力比平面上小。上一内容下一内容回主目录O返回杨-拉普拉斯公式 1805年Young-Laplace导出了附加压力与曲率半径之间的关系式：特
15、殊式（对球面）：s2RP 根据数学上规定，凸面的曲率半径取正值，凹面的曲率半径取负值。所以，凸面的附加压力指向液体，凹面的附加压力指向气体，即附加压力总是指向球面的球心。一般式：)11(21sRRP式中 R1、R2 为曲面上 A 点处的任意一对共轭曲率半径；即最大和最小的曲率半径。上一内容下一内容回主目录O返回上一内容下一内容回主目录O返回 1.假若液滴具有不规则的形状，则在表面上的不同部位曲面弯曲方向及其曲率不同，所具的附加压力的方向和大小也不同，这种不平衡的力，必将迫使液滴呈现球形。自由液滴或气泡通常为何都呈球形？2.相同体积的物质，球形的表面积最小，则表面总的Gibbs自由能最低，所以变
16、成球状就最稳定。上一内容下一内容回主目录O返回 由于附加压力而引起的液面与管外液面有高由于附加压力而引起的液面与管外液面有高度差的现象称为度差的现象称为毛细现象毛细现象。把毛细管插入水中，管中的水柱表面会呈凹把毛细管插入水中，管中的水柱表面会呈凹形曲面，致使水柱上升到一定高度。当插入石蜡形曲面，致使水柱上升到一定高度。当插入石蜡中时，管内汞面呈凸形，管内汞面下降。中时，管内汞面呈凸形，管内汞面下降。0ppp2H O石蜡石蜡上一内容下一内容回主目录O返回图示一带活塞的玻璃管两端分别有一图示一带活塞的玻璃管两端分别有一大一小的肥皂泡大一小的肥皂泡.现将活塞打开现将活塞打开,若肥若肥皂 泡 不 会
17、马 上 破 裂皂 泡 不 会 马 上 破 裂,将 会 出 现将 会 出 现 _的现象的现象,这是因为这是因为 _.大泡变大大泡变大,小泡变小小泡变小小泡曲率半径较小小泡曲率半径较小,泡内气体受到较泡内气体受到较大的附加压力而向大泡迁移大的附加压力而向大泡迁移上一内容下一内容回主目录O返回弯曲表面上的蒸气压开尔文公式mm(l)(g)GG液体(T,pl)=饱和蒸气(T,pg)mg02 (l)2 ln()pVMRTpRR上一内容下一内容回主目录O返回弯曲表面上的蒸气压开尔文公式 Kelvin公式也可以表示为两种不同曲率半径的液滴或蒸汽泡的蒸气压之比，或两种不同大小颗粒的饱和溶液浓度之比。121211
18、2lnRRMppRT12s12112lnRRMccRTl对凸面，R取正值，R越小，液滴的蒸气压越高，或小颗粒的溶解度越大。对凹面，R取负值，R越小，小蒸汽泡中的蒸气压越低。上一内容下一内容回主目录O返回 在无杂质的情况下，水蒸汽可达很大的过饱和度（常常几在无杂质的情况下，水蒸汽可达很大的过饱和度（常常几倍）而无水滴凝结。因为此时对于将要形成的微小液滴来倍）而无水滴凝结。因为此时对于将要形成的微小液滴来说，其蒸气压很大，尚未达饱和。说，其蒸气压很大，尚未达饱和。但若有杂质（灰尘微粒）存在，则初始的凝聚可在微粒表但若有杂质（灰尘微粒）存在，则初始的凝聚可在微粒表面上进行（微粒半径较大，饱和蒸气压小
19、），使蒸气在较面上进行（微粒半径较大，饱和蒸气压小），使蒸气在较低的过饱和度时即凝聚。低的过饱和度时即凝聚。人工降雨的基本原理：人工降雨的基本原理：为过饱和的水汽提供凝聚中心而使之成为雨滴落下。为过饱和的水汽提供凝聚中心而使之成为雨滴落下。人工降雨人工降雨上一内容下一内容回主目录O返回10.3 溶液的表面吸附一、溶液的表面张力根据热力学理论，等温等压下，体系自由能降低的过程是自发过程，因此体系总是自发地使表面自由能趋于最小。降低表面能的途径主要有两种：1.缩小表面积2.降低表面张力纯液体一般通过缩小表面积来降低表面能，溶液还可通过减小表面张力来降低表面能。上一内容下一内容回主目录O返回溶质分子
20、和溶剂分子的性质不同，因此二者在溶液中受到周围分子的作用力也不同。1.当表面层的溶质分子受到的指向液体内部的拉力大于表面层的溶剂分子时，向纯液体中加入此种溶质会使液体表面张力增大；2.反之，当表面层的溶质分子受到的指向液体内部的拉力小于表面层的溶剂分子时，向纯液体中加入此种溶质会使液体的表面张力减小。上一内容下一内容回主目录O返回表面活性物质 能使水的表面张力明显降低的溶质称为表面活性物质。这种物质通常含有亲水的极性基团和憎水的非极性碳链或碳环有机化合物。亲水基团进入水中，憎水基团企图离开水而指向空气，在界面定向排列。表面活性物质的表面浓度大于本体浓度，增加单位面积所需的功较纯水小。非极性成分
21、愈大，表面活性也愈大。上一内容下一内容回主目录O返回非表面活性物质 能使水的表面张力明显升高的溶质称为非表面活性物质。如无机盐和不挥发的酸、碱等。这些物质的离子有水合作用，趋向于把水分子拖入水中，非表面活性物质在表面的浓度低于在本体的浓度。如果要增加单位表面积，所作的功中还必须包括克服静电引力所消耗的功，所以表面张力升高。上一内容下一内容回主目录O返回两亲分子在气液界面上的定向排列 根据实验，脂肪酸在水中的浓度达到一定数值后，它在表面层中的超额为一定值，与本体浓度无关，并且和它的碳氢链的长度也无关。这时，表面吸附已达到饱和，脂肪酸分子合理的排列是羧基向水，碳氢链向空气。上一内容下一内容回主目录
22、O返回表面活性剂分类 表面活性剂通常采用按化学结构来分类，分为离子型和非离子型两大类，离子型中又可分为阳离子型、阴离子型和两性型表面活性剂。显然阳离子型和阴离子型的表面活性剂不能混用，否则可能会发生沉淀而失去活性作用。1.离子型2.非离子型阳离子型阴离子型两性型表面活性剂上一内容下一内容回主目录O返回常用表面活性剂类型阴离子表面活性剂RCOONa羧酸盐R-OSO3Na 硫酸酯盐R-SO3Na磺酸盐R-OPO3Na2磷酸酯盐上一内容下一内容回主目录O返回常用表面活性剂类型阳离子表面活性剂R-NH2HCl伯胺盐 CH3|R-N-HCl仲胺盐|H CH3|R-N-HCl叔胺盐|CH3 CH3|R-N
23、+-CH3Cl-季胺盐|CH3上一内容下一内容回主目录O返回常用表面活性剂类型两性表面活性剂R-NHCH2-CH2COOH 氨基酸型 CH3|R-N+-CH2COO-甜菜碱型|CH3上一内容下一内容回主目录O返回常用表面活性剂类型R-(C6H4)-O(C2H4O)nH烷基酚聚氧乙烯醚非离子表面活性剂R2N-(C2H4O)nH聚氧乙烯烷基胺R-CONH(C2H4O)nH聚氧乙烯烷基酰胺R-COOCH2(CHOH)3H多元醇型R-O-(CH2CH2O)nH脂肪醇聚氧乙烯醚上一内容下一内容回主目录O返回胶束(micelle)表面活性剂是两亲分子。溶解在水中达一定浓度时，其非极性部分会自相结合，形成聚
24、集体，使憎水基向里、亲水基向外，这种多分子聚集体称为胶束。随着亲水基不同和浓度不同，形成的胶束可呈现棒状、层状或球状等多种形状。上一内容下一内容回主目录O返回胶束(micelle)上一内容下一内容回主目录O返回胶束(micelle)上一内容下一内容回主目录O返回胶束(micelle)上一内容下一内容回主目录O返回胶束(micelle)上一内容下一内容回主目录O返回临界胶束浓度(critical micelle concentration)临界胶束浓度简称CMC 表面活性剂在水中随着浓度增大，表面上聚集的活性剂分子形成定向排列的紧密单分子层，多余的分子在体相内部也三三两两的以憎水基互相靠拢，聚集
25、在一起形成胶束，这开始形成胶束的最低浓度称为临界胶束浓度。这时溶液性质与理想性质发生偏离，在表面张力对浓度绘制的曲线上会出现转折。继续增加活性剂浓度，表面张力不再降低，而体相中的胶束不断增多、增大。上一内容下一内容回主目录O返回临界胶束浓度(critical micelle concentration)上一内容下一内容回主目录O返回 超过临界胶束浓度后，由于表面相已被活性分子占满，超过临界胶束浓度后，由于表面相已被活性分子占满，只能增加溶液中胶束的数量，而胶束不具备活性（憎只能增加溶液中胶束的数量，而胶束不具备活性（憎水基团在胶束内部），所以表面张力不再下降。水基团在胶束内部），所以表面张力不
26、再下降。例如：例如：在用洗衣粉在用洗衣粉(活性剂活性剂)去污时，当浓度达到临去污时，当浓度达到临界胶束浓度后，即使再增加浓度，其去污力也不再增界胶束浓度后，即使再增加浓度，其去污力也不再增加，所以浓度适当即可。加，所以浓度适当即可。上一内容下一内容回主目录O返回表面活性剂的重要作用 表面活性剂的用途极广，主要有五个方面：1.润湿作用 表面活性剂可以降低液体表面张力，改变接触角的大小，从而达到所需的目的。例如，要农药润湿带蜡的植物表面，要在农药中加表面活性剂；如果要制造防水材料，就要在表面涂憎水的表面活性剂，使接触角大于90。上一内容下一内容回主目录O返回接触角(contact angle)在气
27、、液、固三相交界点，气-液与气-固界面张力之间的夹角称为接触角，通常用表示。g-ls-lg-scos 若接触角大于90，说明液体不能润湿固体，如汞在玻璃表面；若接触角小于90，液体能润湿固体，如水在洁净的玻璃表面。接触角的大小可以用实验测量，也可以用公式计算：上一内容下一内容回主目录O返回接触角(contact angle)接触角的示意图：接触角的示意图：上一内容下一内容回主目录O返回莲花效应莲花效应 莲花出污泥而不染莲花出污泥而不染 荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。表荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。表面上有许多微小的乳突乳突的平均大小约为面上有许多
28、微小的乳突乳突的平均大小约为10微米，平均间距约微米，平均间距约12微米。而每个乳突有许多直径为微米。而每个乳突有许多直径为200纳米左右的突起组成的。纳米左右的突起组成的。上一内容下一内容回主目录O返回液体的铺展 一种液体能否在另一种不互溶的液体上铺展，取决于两种液体本身的表面张力和两种液体之间的界面张力。一般说，铺展后，表面自由能下降，则这种铺展是自发的。大多数表面自由能较低的有机物可以在表面自由能较高的水面上铺展。上一内容下一内容回主目录O返回表面活性剂的重要作用2.起泡作用 “泡”就是由液体薄膜包围着气体。有的表面活性剂和水可以形成一定强度的薄膜，包围着空气而形成泡沫，用于浮游选矿、泡
29、沫灭火和洗涤去污等，这种活性剂称为起泡剂。也有时要使用消泡剂，在制糖、制中药过程中泡沫太多，要加入适当的表面活性剂降低薄膜强度，消除气泡，防止事故。上一内容下一内容回主目录O返回表面活性剂的重要作用上一内容下一内容回主目录O返回表面活性剂的重要作用3.增溶作用 非极性有机物如苯在水中溶解度很小，加入油酸钠等表面活性剂后，苯在水中的溶解度大大增加，这称为增溶作用。增溶作用与普通的溶解概念是不同的，增溶的苯不是均匀分散在水中，而是分散在油酸根分子形成的胶束中。经X射线衍射证实，增溶后各种胶束都有不同程度的增大，而整个溶液的的依数性变化不大。上一内容下一内容回主目录O返回表面活性剂的重要作用4.乳化
30、作用 一种或几种液体以大于10-7m直径的液珠分散在另一不相混溶的液体之中形成的粗分散体系称为乳状液。要使它稳定存在必须加乳化剂。根据乳化剂结构的不同可以形成以水为连续相的水包油乳状液(O/W)，或以油为连续相的油包水乳状液(W/O)。有时为了破坏乳状液需加入另一种表面活性剂，称为破乳剂，将乳状液中的分散相和分散介质分开。例如原油中需要加入破乳剂将油与水分开。上一内容下一内容回主目录O返回乳状液类型 简单的乳状液通常分为两大类。习惯上将不溶于水的有机物称油，将不连续以液珠形式存在的相称为内相，将连续存在的液相称为外相。1.水包油乳状液，用O/W表示。内相为油，外相为水，这种乳状液能用水稀释，如
31、牛奶等。2.油包水乳状液，用W/O表示。内相为水，外相为油，如油井中喷出的原油。上一内容下一内容回主目录O返回乳状液类型检验水包油乳状液加入水溶性染料如亚甲基蓝，说明水是连续相。加入油溶性的染料红色苏丹，说明油是不连续相。上一内容下一内容回主目录O返回表面活性剂的重要作用5.洗涤作用 洗涤剂中通常要加入多种辅助成分，增加对被清洗物体的润湿作用，又要有起泡、增白、占领清洁表面不被再次污染等功能。其中占主要成分的表面活性剂的去污过程可用示意图说明：A.水的表面张力大，对油污润湿性能差，不容易把油污洗掉。上一内容下一内容回主目录O返回表面活性剂的重要作用B.加入表面活性剂后，憎水基团朝向织物表面和吸附在污垢上，使污垢逐步脱离表面。C.污垢悬在水中或随泡沫浮到水面后被去除，洁净表面被活性剂分子占领。
