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界面现象
蒋风雷
武汉大学化学与分子科学学院;界面科学:
边缘交叉学科
化学、物理、材料、信息、生物等
前沿领域的桥梁
生命科学、材料科学、信息科学;为什么要研究界面现象?;2)界面的存在使得界面的热力学性质不同于非界面的热力学性质
表现在有:表面自由能、表面焓、表面熵;
表面相律、表面活度、表面活度系数等。
3)界面的存在改变了化学反应的速率
表现在:a.复相催化、相转移……等化学反应中;
b.表面质量作用定律、表面吸附速率……等。;界面现象;1表面吉布斯自由能和表面张力;表面和界面(surfaceandinterface);常见的界面有:;2.气-固界面;3.液-液界面;4.液-固界面;5.固-固界面;界面层;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。;界面剩余力场;比表面(specificsurfacearea);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。;物体的粒度越细(直径越小),其比表面积越大。在胶体体系和纳米粒子中,粒子的大小约在1nm—0.1μm之间,具有很大的比表面积,突出地表现出表面效应。;表面功(surfacework);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(自由能的变化)。;表面自由能(surfacefreeenergy);广义的表面自由能定义:;表面张力(surfacetension);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。;表面张力的大小表示:
①膜面自动收缩趋势的大小;
②表征物质的一种特性(分子间作用力);
③垂直作用于单位长度相界面上的力。;表面张力与表面自由能;表面张力(surfacetension);表面张力的方向
有外力作用:其方向总是与作用力的方向相反,也可以认
为它与欲增大表面积的方向相反。
无外力作用:与液面相切,且垂直于作用点的切线。
在液体表面边界上,表面张力垂直于边界线
向着表面内部。;表面张力的测定
毛细管上升法、滴重法、吊环法(DeNouy法)、最大压力气泡法、吊片法(Wilhelmy法)、静液法等;界面张力与温度的关系;界
面
张
力
与
温
度
的
关
系;Ramsay和Shields提出的与T的经验式较常用:;影响表面张力的因素;(4)组成;2弯曲表面下的附加压力与蒸气压;弯曲表面下的附加压力;(2)在凸面上;(3)在凹面上;液体表面的分子由于剩余力场的作用,有向内收缩的趋势。
由于表面张力的作用,在弯曲表面下的液体与平面不同,它受到附加的压力Ps。
平面Ps=0;凸面Ps0;凹面Ps0。;弯
曲
表
面
下
的
附
加
压
力;Young-Laplace公式;相应结论:;;Young-Laplace一般式的推导;5.增加dA面积所作的功与克服附加压力Ps增加dV所作的功应该相等,即:;6.根据相似三角形原理可得:;Young-Laplace特殊式的推导;(2)对活塞稍加压力,将毛细管内液体压出少许,使液滴体积增加dV,相应地其表面积增加dA。克服附加压力ps环境所作的功与可逆增加表面积的吉布斯自由能增加应该相等。;附加压力与毛细管中液面高度的关系;凹面:R’为“-”,Ps=P-P00,PP0;
毛细管润湿时,凹面,液面上升。
凸面:R’为“+”,Ps=P-P00,PP0;
毛细管不润湿时,凸面,液面下降。;将毛细管从h/2折断,或将毛细管倾斜,会发生什么现象?;弯曲表面上的蒸汽压——开尔文公式;Kelvin公式,式中r为密度,M为摩尔质量。
lnPg与1/R’间存在线性关系。;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汽压之比,或两种不同大小颗粒的饱和溶液浓度之比。;对介稳现象(过饱和、过泠、过热)的解释;熔点与曲率半径的关系;界面吸
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