《表面化学固体表面.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《表面化学固体表面.ppt（69页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、表面化学固体表面2022/10/11现在学习的是第1页，共69页4.影响表面张力的主要因素影响表面张力的主要因素所以所以 与与T，p，组成有关。，组成有关。*物质的种类及共存相的种类（性质）物质的种类及共存相的种类（性质）物质的种类及共存相的种类（性质）物质的种类及共存相的种类（性质）20 20 HH2 2O(O(l l)C)C6 6HH6 6(l l)CCl)CCl4 4(l l)/N/N mm-1-1 0.0728 0.0289 0.0269 0.0728 0.0289 0.0269 (H(H2 2O-CO-C6 6HH6 6)0.0326)0.0326 (H(H2 2O-CClO-CCl
2、4 4)0.045 )0.045 表面张力与物质本身的性质有关；表面张力与物质本身的性质有关；(分子之间相互作用力越大，表面张力越大分子之间相互作用力越大，表面张力越大)表面张力与接触物质的性质有关；表面张力与接触物质的性质有关；(纯水纯水 =72.57 10-3N/m)(水水-苯苯 =32.6 10-3N/m)2022/10/11现在学习的是第2页，共69页对一指定的液体，对一指定的液体，f（T，p）(1)T 对对 的影响：的影响：T，l-g差异差异，即即 p对对 的影响很小的影响很小(2)p对对 的影响：的影响：2022/10/11现在学习的是第3页，共69页r 设想剖面设想剖面二、附加压
3、力的大小二、附加压力的大小Laplace方程方程以半径为以半径为r 的小液滴为例的小液滴为例L方程方程(1)意义：意义：p是由是由 引起的一种表面现象。引起的一种表面现象。(2)小气泡小气泡大气泡大气泡2022/10/11现在学习的是第4页，共69页若液体可润湿毛细管，则将该毛细管插入液若液体可润湿毛细管，则将该毛细管插入液体中，液体沿毛细管上升液面呈凹形。体中，液体沿毛细管上升液面呈凹形。附加压力应与上生液柱产生的静压力相附加压力应与上生液柱产生的静压力相等。即等。即 P=2 /r1=ghh=2 cos/(r g)从图中可以看出润湿角从图中可以看出润湿角、毛细管半径、毛细管半径r和和曲率半径
4、曲率半径r之间的关系为：之间的关系为：cos =r/r1 当当 90 cos 0 h0表示液面下沉。表示液面下沉。三、毛细现象三、毛细现象 2022/10/11现在学习的是第5页，共69页凹液面凹液面凹液面凹液面 90 90 90 ,p p向下向下向下向下 p p=(=(液液液液 气气气气)ghgh=液液液液ghgh=2=2 /r rR=rR=rcoscos r r为曲率半径为曲率半径为曲率半径为曲率半径R R 为毛细管半径为毛细管半径为毛细管半径为毛细管半径 r rRRgrh 2=cos2gRq=2022/10/11现在学习的是第6页，共69页应用：应用：1)1)锄地锄地锄地锄地切切切切断断
5、断断毛毛毛毛细细细细管管管管，使使使使水水水水分分分分不不不不能能能能沿沿沿沿毛毛毛毛细细细细管管管管上上上上升升升升到到到到地地地地表表表表而而而而蒸蒸蒸蒸发；发；发；发；毛毛毛毛细细细细管管管管凝凝凝凝聚聚聚聚,水水水水在在在在毛毛毛毛细细细细管管管管中中中中呈呈呈呈凹凹凹凹液液液液面面面面，其其其其饱饱饱饱和和和和蒸蒸蒸蒸气气气气压压压压小小小小于于于于水水水水平平平平液液液液面面面面的的的的饱饱饱饱和和和和蒸蒸蒸蒸气气气气压压压压，水水水水蒸蒸蒸蒸气气气气易易易易在切断的毛细管中凝结成水。在切断的毛细管中凝结成水。在切断的毛细管中凝结成水。在切断的毛细管中凝结成水。2)2)两两两两块块
6、块块洁洁洁洁净净净净的的的的玻玻玻玻璃璃璃璃之之之之间间间间放放放放少少少少量量量量水水水水后后后后，为为为为什什什什么么么么很很很很难纵向拉开？难纵向拉开？难纵向拉开？难纵向拉开？p pp p p p垂直方向上的压力为垂直方向上的压力为垂直方向上的压力为垂直方向上的压力为p p ，而水平方向上压，而水平方向上压，而水平方向上压，而水平方向上压力为力为力为力为p p p p。所以很难纵向拉开。所以很难纵向拉开。所以很难纵向拉开。所以很难纵向拉开。2022/10/11现在学习的是第7页，共69页例例5 一个带有毛细管颈的漏斗，其底部装有半透膜，内盛浓一个带有毛细管颈的漏斗，其底部装有半透膜，内盛
7、浓度为度为110-3mol L-1的稀硬酯酸钠水溶液。若溶液的表面张力的稀硬酯酸钠水溶液。若溶液的表面张力 =*-bc,其中其中 *=0.07288 N m-1，b=19.62(N m-1 mol L-1)，298.2K时将此漏斗缓慢地插入盛水的烧杯中，测得毛细管颈时将此漏斗缓慢地插入盛水的烧杯中，测得毛细管颈内液柱超出水面内液柱超出水面30.71cm时达成平衡，求毛细管的半径。若将时达成平衡，求毛细管的半径。若将此毛细管插入水中，液面上升多少？此毛细管插入水中，液面上升多少？30.7130.71cmcm2022/10/11现在学习的是第8页，共69页解：毛细管内液面上升原因有两个：一是附加压
8、力；二是渗透压。解：毛细管内液面上升原因有两个：一是附加压力；二是渗透压。若将此毛细管插入水中，液面上升多少？若将此毛细管插入水中，液面上升多少？根据公式根据公式即即+p=gh,而而=cRT,p=2 /r 则则2 /r=gh cRT =10009.8 0.3071 1 RT=530.6 Pa =*-bc=0.07288 19.6210-3=0.05326 N m-1r=20.05326/530.6=2.008 10-4m 液面上升液面上升7.4cmcos 2grh=2gr=2022/10/11现在学习的是第9页，共69页 定性说明：在一定定性说明：在一定T和和(p外外)下，当液滴半径下，当液滴
9、半径r很小时，压力很小时，压力p很大，其很大，其 很高，从而蒸气压增很高，从而蒸气压增大。大。定量计算：定量计算：在一定在一定T和和p外外下下，半径为，半径为r的的液滴的蒸气压为液滴的蒸气压为 pV，则，则一、微小液滴的饱和蒸气压一、微小液滴的饱和蒸气压开尔文方程开尔文方程10-3 亚稳状态和新相生成亚稳状态和新相生成2022/10/11现在学习的是第10页，共69页即(pvo：正常值)Kelvin方程2022/10/11现在学习的是第11页，共69页(1)各量的意义：各量的意义：pv半径为半径为r小液滴的蒸气压小液滴的蒸气压pvo蒸气压的正常值蒸气压的正常值(查手册查手册)液体的表面张力液体
10、的表面张力M液体的摩尔质量液体的摩尔质量 液体的密度液体的密度(2)r，pv(3)固体颗粒的蒸气压也固体颗粒的蒸气压也 服从服从Kelvin方程方程g如何变化如何变化？2022/10/11现在学习的是第12页，共69页例例2 已知水在已知水在20时的表面张力为时的表面张力为0.072N m-1，=1g cm-3，0时时水的饱和蒸气压为水的饱和蒸气压为610.5Pa。在在0 20内水的内水的 vapHm=40.67kJ mol-1。求在求在20时半径为时半径为10-9m水滴的饱和蒸气压。水滴的饱和蒸气压。解解解解：要要要要求求求求2020时时时时水水水水滴滴滴滴的的的的饱饱饱饱和和和和蒸蒸蒸蒸气
11、气气气压压压压，首首首首先先先先要要要要求求求求出出出出该该该该温温温温度度度度下下下下平面水的饱和蒸气压。则根据克平面水的饱和蒸气压。则根据克平面水的饱和蒸气压。则根据克平面水的饱和蒸气压。则根据克-克方程：克方程：克方程：克方程：p p(293K)=2074Pa(293K)=2074Pa根据根据根据根据KelvinKelvin公式公式公式公式p pr r=6011Pa=6011Pa064.12ln=RTrMppr2022/10/11现在学习的是第13页，共69页例例4 由于天气干旱，白天空气相对湿度仅由于天气干旱，白天空气相对湿度仅56%(相对湿度即实际水蒸相对湿度即实际水蒸气压力与饱和蒸
12、气压之比气压力与饱和蒸气压之比)。设白天温度为。设白天温度为35(饱和蒸气压为饱和蒸气压为5.62103Pa),夜间温度为夜间温度为25(饱和蒸气压为饱和蒸气压为3.17103Pa)。试求空气中的试求空气中的水份夜间时能否凝结成露珠？若在直径为水份夜间时能否凝结成露珠？若在直径为0.1m的土壤毛细管中是的土壤毛细管中是否凝结？设水对土壤完全润湿，否凝结？设水对土壤完全润湿，25时水的表面张力时水的表面张力 =0.0715 N m-1，水的密度水的密度=1 g cm-3。解：白天温度为解：白天温度为解：白天温度为解：白天温度为3535时时时时,空气相对湿度为空气相对湿度为空气相对湿度为空气相对湿
13、度为56%56%，则，则，则，则 实际蒸气压实际蒸气压实际蒸气压实际蒸气压p p=5.62105.62103 3 56%=3.151056%=3.15103 3 Pa Pa 此蒸气压小于夜间此蒸气压小于夜间此蒸气压小于夜间此蒸气压小于夜间(25(25时时时时)的饱和蒸气压的饱和蒸气压的饱和蒸气压的饱和蒸气压3.17103.17103 3Pa,Pa,所以夜所以夜所以夜所以夜间不会凝结。间不会凝结。间不会凝结。间不会凝结。2022/10/11现在学习的是第14页，共69页在直径为在直径为0.1m的土壤毛细管中，水形成凹液面。的土壤毛细管中，水形成凹液面。由于水对土壤完全润湿，故凹液面曲率半径等于土
14、壤由于水对土壤完全润湿，故凹液面曲率半径等于土壤由于水对土壤完全润湿，故凹液面曲率半径等于土壤由于水对土壤完全润湿，故凹液面曲率半径等于土壤毛细管半径毛细管半径毛细管半径毛细管半径=0.510 0.510-7-7mm。由开尔文公式：。由开尔文公式：。由开尔文公式：。由开尔文公式：p pr r/p/p=0.979=0.979p pr r =3.1010=3.10103 3Pa 3.1510Pa B(sln)B(s)将溶解。即将溶解。即xBo对纳对纳米颗粒而言是不饱和浓度。米颗粒而言是不饱和浓度。xB xBo，表明，表明小颗粒更易溶解小颗粒更易溶解。2022/10/11现在学习的是第16页，共69
15、页 定量计算(1)各量的意义：xB半径为r小固体颗粒的溶解度。xBo正常溶解度s-l固体与溶液间的界面张力MB溶质的摩尔质量B固态溶质的密度(2)xB xBo，且r，xB：颗粒越小，越容易溶解。2022/10/11现在学习的是第17页，共69页三、固体颗粒大小对熔点的影响三、固体颗粒大小对熔点的影响lTmos p可忽略可忽略(s)=(l)定性说明：正常熔点的意义是在定性说明：正常熔点的意义是在100000Pa下下若等温下将固体变成纳米若等温下将固体变成纳米颗粒，则颗粒，则(s,r)(l)s将熔化。表明将熔化。表明Tmo不是纳不是纳米颗粒的熔点，米颗粒的熔点，Tm pvo，在蒸气冷却压缩过程中在
16、蒸气冷却压缩过程中 pv p pvoABCslgpT(A)(B)(C)例如水相图例如水相图KelvinKelvin公式的应用公式的应用公式的应用公式的应用2022/10/11现在学习的是第19页，共69页2.过热液体：暴沸现象过热液体：暴沸现象 物系物系(液体液体)点位于气相区点位于气相区 为什么能够存在：为什么能够存在：l大气泡，大气泡，p可忽略可忽略p外外=p l液体升温时只产生小气泡，液体升温时只产生小气泡，p+pp外外=p Tbo：pv=p Tb：pv=p+p Tbo Tb，其中Tb可由克克方程计算：2022/10/11现在学习的是第20页，共69页例例3 如果水中仅含有半径为如果水中
17、仅含有半径为1.0010-3mm的空气泡，试求这样的水开始的空气泡，试求这样的水开始沸腾的温度为多少度？已知沸腾的温度为多少度？已知100以上水的表面张力为以上水的表面张力为 0.0589 N m-1，气气化热为化热为40.7 kJ mol-1。解：空气泡上的附加压力为解：空气泡上的附加压力为解：空气泡上的附加压力为解：空气泡上的附加压力为pp=2=2 /r/r,当水沸腾时，空气泡当水沸腾时，空气泡当水沸腾时，空气泡当水沸腾时，空气泡中的水蒸气压至少等于中的水蒸气压至少等于中的水蒸气压至少等于中的水蒸气压至少等于(p p+p p),),应用克劳修斯克拉贝龙方应用克劳修斯克拉贝龙方应用克劳修斯克
18、拉贝龙方应用克劳修斯克拉贝龙方程可求出蒸气压为程可求出蒸气压为程可求出蒸气压为程可求出蒸气压为(p p+p p)时的平衡温度时的平衡温度时的平衡温度时的平衡温度T T2 2，此即沸腾温度。此即沸腾温度。此即沸腾温度。此即沸腾温度。T T2 2=396K=396KParpppp521018.22=+=+=qq2022/10/11现在学习的是第21页，共69页3.过冷液体：过冷液体：物系物系(液体液体)点位于固相区点位于固相区为什么能够存在：为什么能够存在：Tm Tmo，在液体冷却，在液体冷却过过程中程中 Tm T Tmo总结：总结：(1)亚稳相的产生是相变过程中的滞后现象，亚稳相的产生是相变过程
19、中的滞后现象，是一种相变惰性。是一种相变惰性。(2)共性：产生新相共性：产生新相(即增加新的相界面即增加新的相界面)，需，需要界面能要界面能 A。2022/10/11现在学习的是第22页，共69页 以上所讨论的诸现象是一类表面现象，以上所讨论的诸现象是一类表面现象，即由表面张力引起的即由表面张力引起的Curved surface phenomena。以下几节主要讨论具有巨大以下几节主要讨论具有巨大表面系统的热力学不稳定性，这类系统将表面系统的热力学不稳定性，这类系统将自动降低自动降低 AA：如液滴呈球形，液面呈平面：如液滴呈球形，液面呈平面：主要通过自发改变表面结构：主要通过自发改变表面结构
20、A2022/10/11现在学习的是第23页，共69页103 固体表面固体表面 (Solid surface)一、固体表面的吸附现象一、固体表面的吸附现象(Adsorption)gs 固体是如何自动降低表面能的：固体是如何自动降低表面能的：从外部空间捕获气体分子从外部空间捕获气体分子(吸附吸附)吸附实例：防毒面具、催化、吸附实例：防毒面具、催化、分子筛分子筛 吸附剂和吸附质吸附剂和吸附质(Adsorbent and adsorbate):sadsorbent，gadsorbate2022/10/11现在学习的是第24页，共69页 吸附平衡吸附平衡(Adsorption equilibrium)g
21、sr吸吸r脱脱吸附量和吸附等温曲线吸附量和吸附等温曲线(Adsorption amount and adsorption isotherms)：定义：定义：达吸附平衡时达吸附平衡时，单位质量的吸附剂所吸，单位质量的吸附剂所吸附的吸附质的数量附的吸附质的数量(标准状况下的体积标准状况下的体积，n，m)。2022/10/11现在学习的是第25页，共69页对指定的对指定的s-g：f(T,p)p p p在一定温度下：在一定温度下：f(p)adsorption isotherms p p 固体在溶液中的吸附现象固体在溶液中的吸附现象2022/10/11现在学习的是第26页，共69页二、二、Langmui
22、r吸附理论吸附理论1.Langmuir理论：理论：单分子层吸附理论单分子层吸附理论 认为认为gs分子碰撞是吸附的先决条件分子碰撞是吸附的先决条件(1916年年)。假定：假定：(1)吸附是单分子层的；吸附是单分子层的；(2)固体表面的吸附作用均匀；固体表面的吸附作用均匀；(3)被吸附的分子之间无横向相互作用。被吸附的分子之间无横向相互作用。（4）吸附平衡是动态平衡）吸附平衡是动态平衡2022/10/11现在学习的是第27页，共69页2.吸附方程吸附方程B(g)+A AB吸附吸附脱附脱附p1-(表面覆盖率表面覆盖率)k吸吸只与只与T有关有关k脱脱只与只与T有关有关吸附平衡时吸附平衡时 r吸吸 r脱
23、脱2022/10/11现在学习的是第28页，共69页写作：写作：Langmuir isothermal equation(1)b：吸附系数，：吸附系数，b=k吸吸/k脱脱，只与，只与T有关有关意义：意义：吸附平衡常数吸附平衡常数，是吸附平衡位置的标，是吸附平衡位置的标 志，志，代表固体表面对气体的吸附程度。代表固体表面对气体的吸附程度。2022/10/11现在学习的是第29页，共69页(2)Langmuir方程的其他形式：方程的其他形式：/max (max：饱和吸附量，：饱和吸附量，1时的吸附量时的吸附量)若若V：吸附体积：吸附体积(标准状况标准状况)Vmax：饱和吸附体积，即固体表面被一层气
24、体分子：饱和吸附体积，即固体表面被一层气体分子覆盖时所需气体的覆盖时所需气体的(标准状况下的标准状况下的)体积。体积。则则2022/10/11现在学习的是第30页，共69页orp/V p 呈直线，呈直线，b和和Vmax2022/10/11现在学习的是第31页，共69页(3)Langmuir吸附理论的评价：pmax(Vmax)(V)类型(4)Langmuir混合吸附方程：2022/10/11现在学习的是第32页，共69页三、三、BET吸附理论吸附理论观点：观点：(1938年提出年提出)接受接受Langmuir的假定的假定(2)和和(3)，但认为吸附是多分子层的。但认为吸附是多分子层的。BET i
25、sothermal equation(1)各量意义：各量意义：pv：吸附质的蒸气压：吸附质的蒸气压C：与吸附过程热效应有关的常数：与吸附过程热效应有关的常数其他：同前其他：同前2022/10/11现在学习的是第33页，共69页(2)适用条件：适用条件：(3)用途：是求固体比表面用途：是求固体比表面Am的最好方法的最好方法实验数据：实验数据：p1 p2 p3 V1 V2 V3 单层饱和吸附体积单层饱和吸附体积2022/10/11现在学习的是第34页，共69页(i)由由Vmax求分子大小求分子大小(若若Am已知，即已知，即A已知已知)：Vmax N A分子分子 d分子分子(ii)由由Vmax求求A
26、m(若若d分子分子已知，即已知，即A分子分子已知已知)：Vmax N A Am四、四、Freundlich吸附方程：吸附方程：自学自学2022/10/11现在学习的是第35页，共69页五、吸附热力学：五、吸附热力学：1.吸附过程一般为放热过程：吸附过程一般为放热过程：S 0 (分子几乎失去平动分子几乎失去平动)H=G+T S 0 G 90o 称不润湿称不润湿 90o 称润湿称润湿 =0o 称完全润湿称完全润湿 铺展铺展2022/10/11现在学习的是第45页，共69页二、液体在固体表面上的铺展二、液体在固体表面上的铺展As G不铺展不铺展铺展铺展 铺展的定义：铺展的定义：铺展过程：铺展过程：一
27、个表面一个表面(s-g)消失，两个新消失，两个新 界面界面(l-g 和和s-l)形成形成(Spread of liquid on solid surface)2022/10/11现在学习的是第46页，共69页若若 G 0，则铺展，则铺展若若 G0，则不铺展，则不铺展 G l-g A+s-l A s-g A即即 G/m2 l-g +s-l s-g 9090 不不不不润润润润湿湿湿湿，沾沾沾沾湿湿湿湿，该该该该固固固固体体体体则则则则称称称称为为为为憎憎憎憎液液液液（水水水水）性性性性固固固固体体体体，如：石蜡、石墨如：石蜡、石墨如：石蜡、石墨如：石蜡、石墨 =180=180 ：完全不润湿：完全不
28、润湿：完全不润湿：完全不润湿)()()(cosglslgs-=q2022/10/11现在学习的是第48页，共69页105 溶液表面溶液表面 液体自动降低表面能纯液体：AA：通过自发改变表面情况(sln的与浓度有关)溶液一、溶液的表面张力和表面吸附现象一、溶液的表面张力和表面吸附现象(Surface tension of solution and adsorption at solution surface)*(无机盐)(极性有机物)(表面活性剂)1.溶液表面张力与浓度的关系：=(T,p,cB)or =(T,p,bB)在等T等p下：=(cB)cB(bB)2022/10/11现在学习的是第49页，
29、共69页2.溶液表面吸附现象：溶液表面吸附现象：AB(表面相表面相)，bB fAfBsln(溶液体相或本体溶液体相或本体)，bBslnfA fB若若fA fB，则，则 bB bBsln (f大者更易进入本体大者更易进入本体)。若若fA fB，则，则 bB 0，正吸附，正吸附，越正表明正吸附越强越正表明正吸附越强 0，正吸附，正吸附，B在表面上浓集；在表面上浓集；则则 p12.增溶作用：增溶作用：2022/10/11现在学习的是第65页，共69页ppppppPlateau通道通道Gibbs三角三角 加入加入SAA会延长泡沫寿命，即增强稳定性。会延长泡沫寿命，即增强稳定性。2022/10/11现在
30、学习的是第66页，共69页4.4.反胶束法制备反胶束法制备反胶束法制备反胶束法制备Pt/CPt/C和和和和Pt-Ru/CPt-Ru/C催化剂催化剂催化剂催化剂 研究目的研究目的制备尺寸均一、大小可控的制备尺寸均一、大小可控的Pt及及Pt合金颗粒合金颗粒 现有制备工艺现有制备工艺 浸渍法浸渍法 Bnnemann法法 插层化合物反应合成方法插层化合物反应合成方法 离子交换法离子交换法 胶体法胶体法2022/10/11现在学习的是第67页，共69页反胶束法制备纳米微粒的形成机理示意图：反胶束法制备纳米微粒的形成机理示意图：ABABMixingNucleationGrowthCInterchange2
31、022/10/11现在学习的是第68页，共69页本章基本要求本章基本要求理解表面张力及表面吉布斯函数的概念。理解表面张力及表面吉布斯函数的概念。理解接触角、润湿、附加压力的概念及其与表面张力的关系。理解接触角、润湿、附加压力的概念及其与表面张力的关系。理解拉普拉斯公式及开尔文公式的应用。理解拉普拉斯公式及开尔文公式的应用。理解亚稳状态与新相生成的关系。理解亚稳状态与新相生成的关系。了解溶液界面的吸附及表面活性物质的作用与应用。了解溶液界面的吸附及表面活性物质的作用与应用。了解吉布斯吸附公式的含义和应用。了解吉布斯吸附公式的含义和应用。理解物理吸附与化学吸附的含义和区别。理解物理吸附与化学吸附的含义和区别。了解兰格缪尔单分子层吸附理论，了解兰格缪尔单分子层吸附理论，理解兰格缪尔吸附等温式。理解兰格缪尔吸附等温式。2022/10/11现在学习的是第69页，共69页