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界面现象主要内容1界面与表面定义两相的接触面称为界面
第十章 界面现象
主要内容
1.界面与表面
(1)定义:两相的接触面称为界面;与气体接触的界面称为表面。
(2)界面(表面)的种类:
2.液体的表面张力、表面功、表面吉布斯函数
(1)表面张力是引起液体表面收缩的单位长度上的力,单位:N.m-1。表面张力作用方向对于平液面是沿着液面并与液面平行,对于弯曲液面则与液面相切。
(2)表面张力是使液体增加单位表面时环境所需做的可逆功,单位:J.m-2。
(3)表面张力是系统增加单位面积时所增加的吉布斯函数变,单位:J.m-2。
3.界面热力学公式
只有一个相界面时:
dU = TdS - pdV + γ dAs + ((BdnB
dH = TdS + Vdp + γ dAs + ((BdnB
dA =-SdT - pdV + γ dAs + ((BdnB
dG =-SdT + Vdp + γ dAs + ((BdnB
在定温、定压、定组成下:
则当系统内有多个界面时:
4.界面张力的影响因素:
界面张力取决于界面的性质,凡能影响物质性质的因素,对界面张力皆有影响。
(1)物质的本性:不同的物质,分子之间的作用力不同,对界面上分子的影响不同。一般化学键越强,表面张力越大。
γ金属键γ离子键γ极性共价键γ非极性共价键
两种液态物质之间的表面张力一般介于两液体表面张力之间。
(2)温度:同一种物质的界面张力一般随温度的升高而减小。
(3)压力:一般压力升高表面张力下降。
5.弯曲液面的性质
附加压力及毛细管现象:
弯曲液面存在附加压力。将弯曲液面内外压力差△P称为附加压力。附加压力( p总是指向球面的球心(或曲面的曲心)。
式中r为弯曲液面的半径。
此式即为Laplace方程,适于计算小液滴和液体中的小气泡的附加压力。
将毛细管插入液面后,会发生液面沿毛细管上升(或下降)的现象,称为毛细管现象。产生这种现象的原因是毛细管内的弯曲液面上存在附加压力(p 。
液体在毛细管内上升(或)下降的高度:
弯曲液面的饱和蒸气压:
①曲率半径为r的液滴,其饱和蒸气压与曲率半径r的关系为:
此式称为开尔文公式。
其中:p,pr分别为平液面及曲率半径为r的液滴的饱和蒸气压;
②对毛细管中曲率半径为r的凹液面,其饱和蒸气压与曲率半径r的关系为:
其中:p,p分别为平液面及曲率半径为r的毛细管中的凹面液体的饱和蒸气压;
因此:pr(凸液面)p(平液面)pr(毛细管中凹液面)
6.亚稳状态及新相的生成:
亚稳状态包括过饱和蒸气、过饱和溶液、过热液体、过冷液体。过饱和蒸气之所以存在,是因为新生成的极微小的液滴(新相)的蒸气压大于平液面上的饱和蒸气压。过热液体的存在主要是因为液体在沸腾时,液体内部要自动地生成极微小的气泡(新相),但由于弯曲液面上的附加压力,使气泡难以生成。过冷液体的存在是因为在一定温度下,小晶体的饱和蒸气压大于普通晶体的饱和蒸气压。过饱和溶液的存在是因为在同样温度下,小颗粒晶体的溶解度大于普通晶体的溶解度。
总之,它们的存在是因为新相难于生成,最初生成的新相的颗粒是及其微小的,其比表面积和表明吉布斯函数都很大,因此在系统中要产生新相极为困难。
7.吸附有关概念及其分类:
在相界面上某种物质的浓度不同于体相浓度的现象称为吸附。吸附剂是起吸附作用的固体物质。吸附质是被吸附的物质。
按吸附剂与吸附质作用本质的不同,可将吸附区分为物理吸附和化学吸附。
物理吸附 化学吸附 吸附力 范德华力 化学键力 吸附分子层 多或单分子层 单分子层 吸附温度 低 高 吸附热 小,近于液化热 大,近于反应热 吸附速率 快 慢 吸附选择性 无 有 可逆性 可逆 不可逆 吸附平衡 易达到 不易达到 吸附量用单位质量吸附剂所吸附气体的物质的量n或其在标准状况下(0℃,101.325KPa)所占有的体积V来表示。
单位分别为mol.Kg-1或m3.Kg-1。
吸附等温线是在等温下,描述吸附量与吸附平衡压力间关系的曲线。
8.弗罗因得利希吸附等温式:
其中:n、k是两经验常数,此式适于单分子层等温吸附、中压范围。
9.朗缪尔单分子层吸附理论及吸附等温式:
(1)朗缪尔单分子层吸附理论基本假设如下:
(i)固体表面对气体的吸附是单分子层的(即固体表面上每个吸附位只能吸附一个分子,气体分子只有碰撞到固体的空白表面上才能被吸附);
(ii)固体表面是均匀的(即表面上所有部位的吸附能力相同);
(iii)被吸附在固体表明上的气体分子间无相互作用力(即吸附或解吸的难易与邻近有无吸附分子无关);
(iV)吸附平衡是动态平衡(即达吸附平衡时,吸附和脱附过程同时进行,不过速率相同)。
(2)由此推出朗缪尔吸附等温式:
其中
b称为吸附平衡常数, k1 和 k-1 分别代表吸附与解吸速率常数。
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