上海中医药大学：《物理化学 PHYSICAL CHEMISTRY（THEORETICAL CHEMISTRY）》课程教学资源（PPT课件）第六章 表面化学（界面现象、表面现象）

表面现豪 ·瞬间（微秒级）存在的液体“王冠

• 瞬间(微秒级)存在的液体“王冠

第六章表面化学 1.简介 2.比表面和比表面能 3.润湿和铺展 4.高分散度对物理性质的影响 5.溶液表面的吸附 6.表面活性剂 7.固~气表面上的吸附 8.液气表面上的吸附 9.粉体 2

2 1.简介 2.比表面和比表面能 3.润湿和铺展 4.高分散度对物理性质的影响 5.溶液表面的吸附 6.表面活性剂 7.固～气表面上的吸附 8.液～气表面上的吸附 9.粉体 第六章 表面化学

第一节简介 一界面： 在有不同相共存的体系中，相与相之间存在界面，此 界面并非几何面，而是具几个分子厚的薄层，因此称 其界面层更为确切。 相与相间存在的面，取决于聚集状态，一般五种~、s~g、 g、S~s、~l ①界面interface:一般s~l、ss、~称为界面 ②表面surface:gl、g~s称为表面 两相的接触面.其中一相为气相的界面习惯上称为表面 高度分散的物质具有巨大的界面积，往往产生明显的界 面效应 3

3 第一节 简介 一.界面： 在有不同相共存的体系中，相与相之间存在界面，此 界面并非几何面，而是具几个分子厚的薄层，因此称 其界面层更为确切。 相与相间存在的面,取决于聚集状态,一般五种s~l、s~g、 l~g、s~s、l~l ①界面 interface :一般s~l、s~s、l~l 称为界面 ②表面surface :g~l、g~s称为表面 两相的接触面. 其中一相为气相的界面习惯上称为表面. 高度分散的物质具有巨大的界面积, 往往产生明显的界 面效应

第一节简介 界面效应即界面现象. 界面现象：指相界面上发生的一切物理化学现象 界面现象是自然界中普遍存在的基本现象，如润湿现象，毛 细现象，过饱和（过冷，过热等）现象，吸附现象等 ·产生界面现象的主要原因是处于界面层中的分子与物质 内部的分子存在力场上的差异，两者的化学势大小不相等 二应用： ①肥皂起泡，去污；汞、水滴成球形，毛细现象，活性炭的吸附； ②中药的提取过程中，暴沸，结晶等现象； ③注射剂的稳定性，澄明度；油膏的基质的选用，助溶剂的选 用. 4

4 第一节 简介 界面效应即界面现象. 界面现象:指相界面上发生的一切物理化学现象 界面现象是自然界中普遍存在的基本现象, 如润湿现象,毛 细现象, 过饱和(过冷, 过热等)现象, 吸附现象等. • 产生界面现象的主要原因是处于界面层中的分子与物质 内部的分子存在力场上的差异, 两者的化学势大小不相等. 二.应用: ①肥皂起泡,去污;汞、水滴成球形,毛细现象,活性炭的吸附; ②中药的提取过程中,暴沸,结晶等现象; ③注射剂的稳定性,澄明度;油膏的基质的选用,助溶剂的选 用

第二节比表面和比表面能 ·一.比表面积a、:即单位质量的物质所具有的表面积，a=A,m. 或粒子总表面A与其体积V的比值。 分散度大，A大，比表面大，表面现象明显。 A 1 a X m 6 A 612 A 6 4π a= & 4 d 3 球形水滴分散时总表面积和比表面积的变化 半径r/m 液粒数 A、/m2 as/m2.kg-1 10-2 1 1.26×10-3 3×10-1 10-3 103 1.26×10-2 3×100 10-4 106 1.26×10-1 3×101 10-5 109 1.26×100 3×102 10-6 1012 1.26×101 3×103 10-7 1015 1.26×102 3×104 10-8 1018 1.26×103 3×105 10-9 1021 1.26×104 3×106

• 一.比表面积 as :即单位质量的物质所具有的表面积, as =As /m . 第二节比表面和比表面能 • 球形水滴分散时总表面积和比表面积的变化 半径r / m 液粒数 As / m2 aS / m2 kg-1 10－2 1 1.26  10 -3 3  10 -1 10－3 10 3 1.26  10 -2 3  10 0 10－4 10 6 1.26  10 -1 3  10 1 10－5 10 9 1.26  10 0 3  10 2 10－6 10 12 1.26  10 1 3  10 3 10－7 10 15 1.26  10 2 3  10 4 10－8 10 18 1.26  10 3 3  10 5 10－9 10 21 1.26  10 4 3  10 6 或粒子总表面A与其体积V的比值。 分散度大，A大，比表面大，表面现象明显。 V A   m A   l l l V A 6 6 3 2     d r r V A 6 3 4 4 3 2      

二.比表面吉氏函数 1.图示 气相 液相 6

6 1.图示 二.比表面吉氏函数

二.比表面吉氏函数 niiiwiiwiwihwhwhiiwiwiwiwiwhwhwhiiiiiwiwihwhhwhwihhnnwnnnnwnnnnnwwhwwwwwwwhwwwwwwww 2.比表面吉氏函数σ：增加单位面积所做的表面功 SI单位：Jm-2 o=dG/dA 3.比表面吉布斯函数热力学公式： ()T、P增加表面积dA所做的表面功，应等于体系吉布斯函数值 的增量(dG=δWR)。 G=fT,P,n1,n2…,A) dG= dAs p,nB,As OAs)T,p,n8 dG=-SdT+Vdp+∑a2g邺dnBa+olAs dU=Tds-pdy+oBusdnB(a)+odAs dH=Tds+Vdp+aB updnB(a)+odAs dF=-SdT-pdy+EaB uednB(a)+odAs 7

7 二.比表面吉氏函数 2.比表面吉氏函数σ ：增加单位面积所做的表面功 SI单位：J· m-2 3.比表面吉布斯函数热力学公式: （）T、P增加表面积dA所做的表面功，应等于体系吉布斯函数值 的增量(dG =δW/R)。 G =f(T,P,n1 ,n2 ,…,A) s , , s B B , , , B( ) , , , , d d d d d B s B s C s B A A G n n G p p G T T G G p n A T n A T p n A T p n                                       dG = -SdT + Vdp +  B BdnB() + dAs dU = TdS - pdV + BBdnB() + dAs dH = TdS + Vdp + B BdnB() + dAs dF= -SdT - pdV + B BdnB() + dAs σ  dG/dA

二.比表面吉氏函数 OH OF OA, T,P,B S,V,nB(@) OA, 6A. S,p,nBa网 T,V,nB(@) 在恒温恒压恒组成下，dG=odA、,当o不变时积分，得 Gs=OAs 当系统有多个界面时， Gs=∑：oA 3.研究表面性质的热力学准则：从△G的增量研究 dG=odA=d(A)=odA+Ado 定温定压下，对多组分体系变化过程自发进行的条件是 dG=odA+Ado<0 水滴、汞滴为什么总是呈球形？ 多组分体系如何改变△G? 8

8 二.比表面吉氏函数 3.研究表面性质的热力学准则:从△G的增量研究 定温定压下，对多组分体系变化过程自发进行的条件是 dG =σdA+Adσ＜0 水滴、汞滴为什么总是呈球形? 多组分体系如何改变△G？ dG  dA  d(A)  dA  Ad 在恒温恒压恒组成下, dG =  dAs , 当不变时积分, 得 G s =  As 当系统有多个界面时, G s = i  iAs i B(α) B(α) B(α) V n B(α) T, , p n s S, , V n s S, , p n s T, , s A F A H A U A G σ                                    

4.实例 根据吉布斯函数判据，在恒温恒压不作非体积功的条件下， 系统总的表面吉布斯函数减少的过程是自发的，如液滴自动收缩 以减小表面积，气体在固体表面吸附以降低固体的表面张力等 8 ·水滴成球形以使其表面积最小 0 汞在玻璃表面的形状.小汞滴成几乎完 美的球形，而大的汞滴成扁平状，表明表 面张力对小汞滴形状的影响更大.这是 由于小汞滴的比表面积更大的缘故 9

9 4.实例 根据吉布斯函数判据, 在恒温恒压不作非体积功的条件下, 系统总的表面吉布斯函数减少的过程是自发的, 如液滴自动收缩 以减小表面积, 气体在固体表面吸附以降低固体的表面张力等. • 水滴成球形以使其表面积最小 • 汞在玻璃表面的形状. 小汞滴成几乎完 美的球形, 而大的汞滴成扁平状, 表明表 面张力对小汞滴形状的影响更大. 这是 由于小汞滴的比表面积更大的缘故

三.液体的表面张力 液体表面层分子所受合力不为零，而是受到一个指向液体内部 的拉力，导致液体表面有自动收缩的趋势。 dx 20 Fainb=F+dF •表面张力的作用 做表面功示意图 表面张力σ：沿液体表面，垂直作用于单位长度上的收缩力N-) 图示液膜面积可逆增加d4、=2ld比，环境需对系统做功可逆性”动画 8W=Fdx 2lodx adA 。=F/2l=6WR/dA,=(0G/A,红p

三.液体的表面张力 液体表面层分子所受合力不为零, 而是受到一个指向液体内部 的拉力, 导致液体表面有自动收缩的趋势。 •表面张力的作用 • 做表面功示意图 l F=2 l Famb=F + dF dx 表面张力  : 沿液体表面, 垂直作用于单位长度上的收缩力(Nm-1). 图示液膜面积可逆增加dAs = 2ldx, 环境需对系“表统面做功功的：可逆性”动画 R s δ W   Fdx  2lσdx  σdA