《物理化学》课程教学资源（A）Ⅱ 物理化学（A）Ⅱ 课件 第十章 界面现象

山东理工大家前言SHANDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY自然界中物质有不同的聚集状态，相与相之间的接触面称为界面(interface)，界面上存在界面现象。气-液界面气液固气-固界面界面现象液一液界面固-液界面固-固界面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界面并不是两相接触的几何面，它有一定的厚度（一般约几个分子厚），故有时又将界面称为“界面相

2 自然界中物质有不同的聚集状态，相与相之间的接触面称 为界面(interface)，界面上存在界面现象。 气 液                           固 界面现象 气‒液界面 气‒固界面 液‒液界面 固‒液界面 固‒固界面 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。 前 言 界面并不是两相接触的几何面，它有一定的厚度（一般约 几个分子厚），故有时又将界面称为“界面相” 。 2

山东理工大家前言SHANDONGUNIVERSITY OFTECHNOLOGY气-液界面H,0Hg气-固界面液一固界面玻璃板

3 前 言 玻璃板 气-液界面 液-固界面 气-固界面 3

山东理工大家前言SHANDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY界面是两相的过渡区，其结构和性质与β相邻两侧的体相都不相同。0S在高度分散的系统中，界面的特殊性不α容忽视。界面相示意图例如，水滴分散成微小水滴。分为1018个表面积是原来的106倍直径：1cm直径：10nm表面积：3.1416cm2表面积：314.16m2对于一定量的物质，分散程度越高，其表面积就越大，表面效应就越明显

4 界面相示意图 界面是两相的过渡区，其结构和性质与 相邻两侧的体相都不相同。 例如，水滴分散成微小水滴。 分为1018个     直径：10 nm 表面积：314.16 m2     直径：1 cm 表面积：3.1416 cm2 表面积是原来的106倍         对于一定量的物质，分散程度越高，其表面积就越 大，表面效应就越明显。 在高度分散的系统中，界面的特殊性不 容忽视。 前 言 4

山东理工大家前言SHANDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY，其定义为物质的分散度可用比表面积a.来表示，a,=A/mA：物质的表面积，m：物质的质量；单位为m2kg-10。 一些多孔固体如多孔硅胶、分子筛、活性炭等，也具有很大的比表面积（300一3000m2口g-1），常应用于吸附、催化等领域。我们身边的界面现象：在界面现象这一章中，将应用物理化学的基本原理，对界面的特殊性质及现象进行讨论和分析

5 物质的分散度可用比表面积as来表示，其定义为 as = As /m As：物质的表面积，m：物质的质量；单位为m2￾ kg –1 。 前 言         一些多孔固体如多孔硅胶、分子筛、活性炭等，也具 有很大的比表面积（300—3000 m2￾ g –1 ），常应用于吸 附、催化等领域。 我们身边的界面现象： 在界面现象这一章中，将 应用物理化学的基本原理，对 界面的特殊性质及现象进行讨 论和分析。 5

山东理工大家界面张力$10.1SHANDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY界面现象的本质：界面层分子与内部分子相比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。对于单组分系统，这种特性主要来自于同一物质在不同相中的密度不同；对于多组分系统，则特性来自于界面层的组成与任一体相的组成均不相同

6 §10.1 界面张力 对于单组分系统，这种特性主要来自于同一物质在不同相中 的密度不同；对于多组分系统，则特性来自于界面层的组成 与任一体相的组成均不相同。 界面层分子与内部分子相比所处的环境不同 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。 界面现象的本质： 6

山东理工大家界面张力$10.1SHANDONGUNIVERSITY OF TECHNOLOGY界面相的性质与体相的不同，其分子处于不平衡的力场中，导致有界面张力（interface tension）存在。界面张力的存在是一切节面现象产生的根本原因。液体的表面张力，表面功及表面吉布斯函数表面张力（口）的由来表面分子受力不对称液体内部分子所受的力可以彼此抵销，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液体表面层的分子有向体相移动以缩小表面积的趋势这样液体表面就如同一层绷紧的弹性膜，若要扩展表面要需要对系统做功

7 §10.1 界面张力 1. 液体的表面张力，表面功及表面吉布斯函数 表面张力(￾ )￾的由来：表面分子受力不对称 ￾￾￾￾￾￾液体表面层的分子有向体相移动以缩小表面积的趋势， 这样液体表面就如同一层绷紧的弹性膜，若要扩展表面要需 要对系统做功。 界面相的性质与体相的不同，其分子处于不平衡的力场中，导 致有界面张力（interface￾tension）存在。界面张力的存在是一 切节面现象产生的根本原因。 液体内部分子所受的力可以 彼此抵销，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。 7

山东理工大家(1）液体的表面张力SHANDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY实验：若使膜维持不变，需在金属丝上加一力F，其大小与金属丝长度成正比，比例系数口。因膜有两个表面，故有F=□21即丝F/21称为表面张力，即引起液体表面收缩的单位长度上的力，单位为N·m-1

8 ￾ 称为表面张力，即引起液体表面收缩的单位长度上的力， 单位为N·m-1 。 （1）液体的表面张力 实验： 若使膜维持不变，需在金属丝 上加一力F，其大小与金属丝长度 l￾成正比，比例系数 ￾ 。因膜有 两个表面，故有 F = ￾ ￾ 2l 即 ￾  = F /2l ￾ l ￾ l 2￾ l l F F 8

山东理工大室(1）.液体的表面张力SHANDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY表面张力的方向：垂直于两部表面张力的方向是和液面相切，分的分界线，指向使液体表面减小的方向。若液面是平面，表面张力就在这个平面上(a)若液面是曲面，表面张力则在这个曲面的切面上；如果在液体表面上任意划一条分界线把液面分成两部分，则两部分的吸引力大小相等方向相反，这种表面层中任意两部分间的相(b)互吸引力，造成了液体表面收缩的趋势，由于表面张力的存在，液体表面总是趋于尽可能缩小，微小液滴往往呈圆球形，正是因为相同体积下球形面积最小。(c)

9 （1）液体的表面张力 表面张力的方向： • 表面张力的方向是和液面相切，垂直于两部 分的分界线，指向使液体表面减小的方向。 • 若液面是平面，表面张力就在这个平面上。 若液面是曲面，表面张力则在这个曲面的切 面上； • 如果在液体表面上任意划一条分界线把液面 分成两部分，则两部分的吸引力大小相等、 方向相反，这种表面层中任意两部分间的相 互吸引力，造成了液体表面收缩的趋势； • 由于表面张力的存在，液体表面总是趋于尽 可能缩小，微小液滴往往呈圆球形，正是因 为相同体积下球形面积最小。 (c) 9

山东理工大家(2)表面功SHANDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGYF当用外力F使皂膜面积增大dA时，需克服表面张力做可逆表面功。dW e= Fdx = 2 xgl xdx = gdA即WCgdA称为表面功，使系统增加单位表面积所需的可逆功，口口口单位为·m-2。10

10 （2）表面功 ￾ l ￾ l 2 ￾ l l F F ￾￾￾￾￾￾当用外力F￾使皂膜面积增大dA 时，需克服表面张力做可逆表面功。 ￾ ￾￾ 使系统增加单位表面积所需的可逆功，称为表面功， ￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾单位为J·m–2 。 即 10

山东理工大家(3)表面吉布斯函数SHANDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY恒温、恒压下的可逆非体积功等于系统的吉布斯函数变dWg= dGr, = gdA即:ae JG强0中g-CieTAOr,p,N口吕恒温恒压下，增加单位表面积时系统所增加的Gibbs函数，称为比表面吉布斯函数，单位为·m-2表面张力、表面功和表面吉布斯函数，三者物理意义不同，但量值和量纲等同，单位均可化为N·m-1。11

11 恒温、恒压下的可逆非体积功等于系统的吉布斯函数变 ￾ ￾￾ 恒温恒压下，增加单位表面积时系统所增加的 Gibbs ￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾函数，称为比表面吉布斯函数，单位为J·m-2 。 ￾￾￾￾￾￾表面张力、表面功和表面吉布斯函数，三者物理意义不 同，但量值和量纲等同，单位均可化为N·m–1 。 即： （3）表面吉布斯函数 11