《北航材料专业课资料》第7章_界面现象-20128

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1、Ttol,Feu clic aqu per editar els estils de text del patr,Segon nivell,Tercer nivell,*,第,七,章,界面现象,（,interfacial phenomenon,）,2011,编辑,学时：,6,主讲：郭红 王女,e-mail:,,第七章 界面现象,界面无处不在，没有界面的世界是无法想象的,2,第七章 界面现象,界面无处不在，没有界面的世界是无法想象的,3,玻璃冰花,室内灰尘,-115,倍扫描电子显微镜,人类血细胞,SEM,照片,双噻吩蒽分子,有机薄膜电晶体,梵高的向日葵,第七章 界面现象,界面无处不在，没有界面的

2、世界是无法想象的,4,界面,(,表面,),现象随处可见,多孔硅胶,金滴,-,水滴,-,皂泡,活性碳膜,第七章 界面现象,界面无处不在，没有界面的世界是无法想象的,5,分散度,-,比表面：单位质量,(,或体积,),物质的表面积。,多孔硅胶,活性炭,表面（界面）现象的形成：,处于表面,(,界面,),的分子具有比其内部分子,过剩的能量,。系统分散度愈大过剩能量愈大。,应用：日化、造纸、涂料、催化、採油、冶金、生物医药、环境治理等。,第七章 界面现象,6,7,-1,表面张力和表面吉布斯函数,目录,7,-2,弯曲液面的附加压力,7,-3,分散度对物质性质的影响与亚稳状态,7,-4,润湿现象,7,-,5,

3、吸附现象,第七章 界面现象,7,学习,要求及,重点,理解表面张力和表面吉布斯能概念，以及其影响因素，理解界面变化自发方向的判断；,理解弯曲液面附加压力的概念，掌握,Laplace,方程；,掌握,Kelvin,方程，会分析几种亚稳状态；,了解润湿现象，掌握杨氏方程；,理解固体及溶液吸附概念及区别，掌握,Langmuri,和,Gibbs,吸附等温式；,了解表面活性剂结构特征及定向排列作用；,7,-1,表面张力和,表面吉布斯,函数,8,知识点,理解表面张力和表面吉布斯函数概念,了解影响表面,(,界面,),张力的因素,理解界面变化热力学,F,0,F,=0,7,-1,表面张力和,表面吉布斯,函数,二、表

4、面,(,界面,),张力,7,-1,表面张力和,表面吉布斯,函数,二、表面,(,界面,),张力,d,x,F,l,m,单位：,N m,-1,表面功,物理意义：,沿着与表面相切方向，垂直作用在表面任意单位长度线段上的,紧缩,力,。,能量量纲,单位面积之能量,7,-1,表面张力和,表面吉布斯,函数,11,定温定压、可逆条件下：,F,0,F,=0,二、表面吉布斯函数,物理意义：,定温定压、定组成下，增加,d,A,S,表面积所引起系统,G,的增量。,单位：,J m,-2,单位表面积上的分子比同量内部分子过剩的,Gibbs,能,=,N m,-1,7,-1,表面张力和,表面吉布斯,函数,三、影响界面张力的因素

5、,12,随分子间作用力的增强而增大。一般有：,(,金属键,),(,离子键,),(,极性键,),(,非极性键,),如：,(,液态金属,),(,熔融盐,),(,水,),(,有机溶剂,),物质本质,分子间作用力的影响,7,-1,表面张力和,表面吉布斯,函数,三、影响界面张力的因素,13,温度的影响,定,p,下，一般,T,，液体,，分子间力,，,如,H,2,O,压力,的影响,定,T,下，,p,，气体,，吸附及溶解,，,界面介质,一定温度下，同一物质：,(,s-g,),(,l-g,),。,溶入溶质时，界面张力随溶质浓度的变化不定,7,-1,表面张力和,表面吉布斯,函数,三、影响界面张力的因素,14,常压

6、下一些液体、固体的表面张力和液,-,液界面张力,物质,/10,-3,Nm,-1,T,/K,物质,/10,-3,Nm,-1,T,/K,He(,液,),N,2,(,液,),丙酮,(,液,),正辛酮,(,液,),正己烷,(,液,),正辛烷,(,液,),乙醇,(,液,),苯,(,液,),正辛烷,(,液,/,水,),正己烷,(,液,/,水,),0.308,6.6,23.7,27.5,18.4,21.8,22.75,28.88,50.8,51.5,2.5,90,293,293,293,293,293,293,293,293,水,(,液,),水,(,液,/,汽,),水,(,液,/,苯,),Hg(,液,),H

7、g(,液,/,水,),NaCl,(,固,),MgO,(,固,),Cu(,液,),Fe(,固,),Fe(,液,),W(,固,),72.75,72.88,35.0,485,415,90,1200,1268,2150,1880,2900,293,293,293,293,293,1173,298,1203,1673,1808,2000,7,-1,表面张力和,表面吉布斯,函数,四、界面现象热力学,15,以,Gibbs,函数为判据，对多组分且组成可变、含一个确定相界面的封闭系：,定温定压恒组成时：,d,G,(,体相,)=0,面积及界面张力均改变时：,7,-1,表面张力和,表面吉布斯,函数,四、界面现象热力

8、学,16,讨论：,一定时：,d,A,S,0,时为自发。,如小液滴的自发合并长大；,A,s,一定时：,A,s,d,0,时为自发。,如吸附现象；,、,A,S,皆可变时：,d,A,S,+,A,S,d,0,，,p,凸,p,*,类推：气泡或凹液面，,r,凹,0,，,p,凹,p,*,G,(,微液滴,),G,(,大液滴,),毛细管凝结：,p,r,(,凹面,),p,*,G,(,凹面液,),p,*,G,(,微晶粒,),G,(,普晶粒,),910,面心立方,-,Fe-+C2,固溶体奥氏体,过饱和,-,Fe+C2,固溶体,-,马氏体,硬脆,极快速冷却到,230,以下,残余奥氏体,T,s-l,，,90,为润湿；,s-

9、g,90,为不润湿；,杨氏方程,H,2,O,Hg,7-4,润湿现象,30,三、润湿的第二种分类,沾湿、浸湿、铺展,润湿程度提高,1,、沾湿,(,s-l,),W,a,(,G,a,愈负,),界面结合力 沾湿程度。,沾湿,分离,s-g,l-g,s-l,时，可沾湿,7-4,润湿现象,31,三、润湿的第二种分类,沾湿、浸湿、铺展,润湿程度提高,1,、沾湿,(,l-l,),沾湿,分离,l,1,-g,l,2,-g,l,1,-l,2,且有内聚功：,若为同一液体时：,与分子间作用力有关,7-4,润湿现象,32,三、润湿的第二种分类,沾湿、浸湿、铺展,润湿程度提高,2,、浸湿,s-g,l-g,s-l,W,i,愈大

10、,(,G,i,愈负,),浸湿程度愈高。,且发生浸湿时，有,90,7-4,润湿现象,33,三、润湿的第二种分类,沾湿、浸湿、铺展,润湿程度提高,3,、铺展,x,(l-g,),(,x,1),s-g,l-g,s-l,7-4,润湿现象,34,三、润湿的第二种分类,沾湿、浸湿、铺展,沾湿,G,a,浸湿,G,i,铺展,G,s,s-l,-,s-g,-,l-g,s-l,-,s-g,s-l,+,l-g,-,s-g,-,l-g,(cos,+1),-,l-g,cos,-,l-g,(cos,-1),180,W,i,S,l/s,润湿愈难，程度愈高,比较几种润湿，并将杨氏方程代入,7-,5,吸附,现象,35,知识点,理解

11、固,-,气吸附概念，了解吸附等温线；,理解,Langmuir,吸附等温式,理解溶液吸附概念和,Gibss,吸附等温式,了解表面活性物质结构特征,7-,5,吸附,现象,36,固体及溶液表面常有自动吸附使,G,的,能力。,固体表面吸附,定义：,溶液表面吸附,定义：,B,吸附质,A,吸附剂,c,表,c,体,吸附量,单位：,mol,kg,-1,或,m,3,kg,-1,A,S,一定，,d,G,=,A,S,d,0,，即,为自发。,7-,5,吸附,现象,37,一、固体表面吸附,吸附等温线,吸附过程常为放热，随,T,V,a,。,T,升高时，要达到相同的吸附量，需更高压力。,吸附量一定时：,NH,3,在,C,上

12、的吸附等温线,另有四种等温线，当发生毛细凝结、多层吸附等情况时。,V,a,/cm,3,(STP)g,-1,p(NH,3,)/kPa,150,100,50,0,20,40,60,80,-33.5,0,30,80,151,7-,5,吸附,现象,38,一、固体表面吸附,物理吸附与,化学吸附比较,性质,物理吸附,化学吸附,吸附,作用力,范德华力,化学键力,吸附热,液化热,反应热,选择性,无,有,吸附层,多或单层,单层,吸附,速率,低温快,低温慢,大于某,T,后发生,T,影响,先,后,t/,物理吸附,化学吸附,过渡状态,0,-200,200,V,a,CO,在,Pd,表面的吸附等压线,7-,5,吸附,现象

13、,39,一、固体表面吸附,朗格缪尔,(Langmuir),吸附等温式,单层吸附，常为化学吸附,表面均匀，吸附能力相同，吸附质间无作用力；,单分子层吸附，吸满后达饱和；,存在吸附与脱附动态平衡。,基本假设：,吸附剂,A+,吸附质,B,吸附剂,吸附质,(A-B),k,1,k,2,平衡：,1-,p,其中：,表面覆盖率,7-,5,吸附,现象,40,一、固体表面吸附,朗格缪尔,(Langmuir),吸附等温式,朗格缪尔吸附等温式,重要应用：固体催化剂催化气相反应，见反应动力学,7-,5,吸附,现象,41,一、固体表面吸附,P482,例,10.3.1,：,CO,在活性碳上的吸附。,的讨论：,1/2,饱和吸

14、附量时压力的倒数,7-,5,吸附,现象,42,二、溶液表面吸附和表面活性物质,(1),减小，则,B,趋向于在溶液表面分布即：,c,表,c,体,，,B,发生正吸附,(,如,、,),(2),增大，,B,则趋向于在溶液内部分布即：,c,表,c,体,，,B,发生负吸附,(,如,),；,定温定压定组成条件下，溶质,B,溶入溶剂,A,后：,surface tension,molar concentration B,c,cmc,无机酸碱盐及多羟基化合物,醇、醛、羧酸、酯,皂类、,8,个碳以上的直链有机酸的碱金属盐、高碳直链烷基磺酸盐或苯磺酸盐,表面活性剂,7-,5,吸附,现象,43,二、溶液表面吸附和表面活

15、性物质,Gibbs,吸附等温式,定义溶液表面吸附量,(,表面超量,),为：,的单位为：,mol,dm,-2,Gibbs,由热力学推导得到,B,与,、,c,B,(,或,a,B,),间的关系：,surface tension,molar concentration B,:,0,表面活性剂,7-,5,吸附,现象,44,二、溶液表面吸附和表面活性物质,surface tension,molar concentration B,c,cmc,表面活性剂及其作用,加入后使溶液表面张力显著降低的物质,结构特征,双亲结构,培乐多泥,形成胶束,表面定向排列,表面活性剂在培乐多泥表面的润滑作用,临界胶束浓度,7-,

16、5,吸附,现象,45,二、溶液表面吸附和表面活性物质,表面活性剂及其作用,胶棒,层状胶束,胶束,随,c,B,，样态发展为：小胶束球状胶束棒状胶束层状胶束，进而还可形成超微液滴。,临界胶束浓度,surface tension,molar concentration B,c,cmc,7-,5,吸附,现象,46,二、溶液表面吸附和表面活性物质,表面活性剂及其作用,表面活性剂种类,离子型,非离子型,阳离子型,阴离子型,两性型,R-NHCH,2,-CH,2,COOH,氨基酸型,H,+,OH,-,CH,3,|,R-N,+,-CH,2,COO,-,|,CH,3,甜菜碱型,R-O-(CH,2,-CH,2,O),n,H,脂肪醇,聚氧乙烯醚,R-COOCH,2,-,(CHOH),3,H,多元醇型,R-CONH-,(C,2,H,4,O),n,H,聚氧乙烯烷基酰胺,R-NH,2,HCl,伯胺盐,仲胺盐,叔胺盐,季胺盐,偏酸性,RCOONa,羧酸盐,R-OSO,3,Na,硫酸酯盐,R-SO,3,Na,磺酸盐,中及碱性,7-,5,吸附,现象,47,二、溶液表面吸附和表面活性物质,表面活性剂及其作用,鲸蜡醇,十六烷