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1、山东建筑大学物理化学山东建筑大学物理化学 1 1、表面和界面、表面和界面(surface and interface)(surface and interface)界面界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区，是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区，若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。严格讲严格讲表面表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间应是液体和固体与其饱和蒸气之间的界面，但习惯上把液体或固体与空气的界面称为的界面，但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。液体或固体的表面。7-1表面张力表面张力一、基本概念、基本概念接触角与杨氏方程接触角与
2、杨氏方程(contact angle)(contact angle)接触角的示意图：接触角的示意图：7-2润湿现象润湿现象在气、液、固三相交界点，气在气、液、固三相交界点，气-液与固液与固-液表面张液表面张力之间的夹角称为接触角，通常用力之间的夹角称为接触角，通常用 表示。表示。结论结论:（1）如果（）如果（s-g-l-s)=l-g;cos =1,=0 完全润湿。完全润湿。（2）如果）如果 s-g l-s;1cos 0,90,液体对固体表面液体对固体表面润湿。润湿。（3）如果）如果 s-g l-s,cos 90液体对固体表面不液体对固体表面不润湿。润湿。接触角的大小可以用实验测量，也可以用公式
3、计算接触角的大小可以用实验测量，也可以用公式计算：杨氏方程杨氏方程接触角与杨氏方程接触角与杨氏方程对于对于水平液面水平液面，表面张力与液面平行，因此达平衡，表面张力与液面平行，因此达平衡时，各个相对方向上的总表面张力能够相互抵消。时，各个相对方向上的总表面张力能够相互抵消。此时，作用于液面的只有外力此时，作用于液面的只有外力p和和p，二者的值大小，二者的值大小相等而方向相反，因此，相等而方向相反，因此，p=0。7-37-3弯曲液面的附加压力与毛细现象弯曲液面的附加压力与毛细现象一、一、弯曲液面附加压力的产生弯曲液面附加压力的产生附加压力附加压力P：液面内部承受的力与外压力之差。：液面内部承受的
4、力与外压力之差。对于对于凸液面凸液面，作用在任一周界上的表面张力的合，作用在任一周界上的表面张力的合力不为零。该合力而是指向液体内部（曲面球心）力不为零。该合力而是指向液体内部（曲面球心），力图使表面缩小。平衡时，液面内部的压力大，力图使表面缩小。平衡时，液面内部的压力大于外部压力。于外部压力。P=p+p 一、一、弯曲液面附加压力的产生弯曲液面附加压力的产生对于对于凹液面凹液面，作用在任一周界上的表面张力的合作用在任一周界上的表面张力的合力也不为零。但该合力指向液体外部（曲面球心）力也不为零。但该合力指向液体外部（曲面球心）。平衡时，液面内部的压力小于外部压力。平衡时，液面内部的压力小于外部压
5、力。P P =p=p pp。一、一、弯曲液面附加压力的产生弯曲液面附加压力的产生二、二、附加压力与曲率半径的关系附加压力与曲率半径的关系Laplace方程方程r根据数学上规定，凸面的曲率半径取正值，凹面的曲率根据数学上规定，凸面的曲率半径取正值，凹面的曲率半径取负值。所以，凸面的附加压力指向液体，凹面的半径取负值。所以，凸面的附加压力指向液体，凹面的附加压力指向气体，即附加压力指向气体，即附加压力总是指向球面的球心附加压力总是指向球面的球心。由于由于液泡液泡（如肥皂泡）具有内、外两个球形表面，所以（如肥皂泡）具有内、外两个球形表面，所以三、毛细管现象三、毛细管现象曲率半径曲率半径R R 与毛细
6、管半径与毛细管半径R R的关系：的关系：1 1、定义、定义在一定条件下，一种物质的分子、原子或离子能自在一定条件下，一种物质的分子、原子或离子能自动粘附在固体表面上的现象，称为吸附。当气体或动粘附在固体表面上的现象，称为吸附。当气体或蒸汽在固体表面被吸附时，固体称为吸附剂，被吸蒸汽在固体表面被吸附时，固体称为吸附剂，被吸附的气体称为吸附质。附的气体称为吸附质。2、吸附类型、吸附类型按固体表面分子对被吸附气体分子作用力性质的不同，按固体表面分子对被吸附气体分子作用力性质的不同，将吸附分为物理吸附和化学吸附。将吸附分为物理吸附和化学吸附。7-57-5固体表面的吸附固体表面的吸附一一、气、固吸附气、
7、固吸附物理吸附和化学吸附特征的比较物理吸附和化学吸附特征的比较物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附吸附力吸附力范德华力范德华力化学键力化学键力吸附分子层吸附分子层被吸附分子可以形被吸附分子可以形成单分子层也可形成单分子层也可形成多分子层成多分子层被吸附分子只能形被吸附分子只能形成单分子层成单分子层吸附选择性吸附选择性无选择性，任何固无选择性，任何固体都能吸附任何气体都能吸附任何气体体有选择性，指定吸有选择性，指定吸附剂只对某些气体附剂只对某些气体有吸附作用有吸附作用吸附热吸附热较小，与气体凝聚较小，与气体凝聚热相近。热相近。较大，近于化学反较大，近于化学反应热应热吸附速率吸附速率较快，易达平衡易较
8、快，易达平衡易脱附脱附较慢，不易达平衡，较慢，不易达平衡，难脱附难脱附2、吸附量吸附量：吸附达平衡时的吸附量：吸附达平衡时的吸附量。吸附量通常有两种表示方法：吸附量通常有两种表示方法：2)2)单位质量的吸附剂所吸附气体物质的量。单位质量的吸附剂所吸附气体物质的量。(1)1)单位质量的吸附剂所吸附气体在标准状况下的体积。单位质量的吸附剂所吸附气体在标准状况下的体积。7-6 等温吸附等温吸附一、概念一、概念1、吸附平衡吸附平衡：对于一个指定的的吸附系统，当吸附速率：对于一个指定的的吸附系统，当吸附速率等于脱附速率时所对应的状态。等于脱附速率时所对应的状态。19161916年年LangmuirLan
9、gmuir提出固体表面对气体分子吸附的单分提出固体表面对气体分子吸附的单分子层吸附理论，有以下子层吸附理论，有以下重要假设：重要假设：二、单分子层吸附理论二、单分子层吸附理论(1)(1)吸附是单分子层的。吸附是单分子层的。(2)(2)固体表面是均匀的。固体表面是均匀的。（3 3）被吸附分子之间无相互作用。被吸附分子之间无相互作用。（4 4）吸附平衡是动态平衡。吸附平衡是动态平衡。根据基本假设根据基本假设 V（吸附）（吸附）=k1p(1-)NV（脱附）（脱附）=k-1 N 这公式称为这公式称为 LangmuirLangmuir吸附等温式，式中吸附等温式，式中b b称为称为吸附系数，它的大小代表了
10、固体表面吸附气体能力吸附系数，它的大小代表了固体表面吸附气体能力的强弱程度。的强弱程度。达到平衡时，吸附与脱附速率相等。达到平衡时，吸附与脱附速率相等。二、单分子层吸附理论二、单分子层吸附理论7-7 溶液表面的吸附溶液表面的吸附一、溶液表面的吸附一、溶液表面的吸附1、溶液的表面吸附：溶质在表面层中与在本体溶液中、溶液的表面吸附：溶质在表面层中与在本体溶液中浓度不同的现象。浓度不同的现象。2、负吸附：溶质在表面层浓度小于本体浓度。、负吸附：溶质在表面层浓度小于本体浓度。3、正吸附：溶质在表面层浓度大于本体浓度。、正吸附：溶质在表面层浓度大于本体浓度。4 4、表面活性物质：能使溶液的表面张力明显降低的物质。、表面活性物质：能使溶液的表面张力明显降低的物质。二、二、GibbsGibbs吸附公式吸附公式对理想稀溶液对理想稀溶液吉布斯吉布斯吸附公式通常也表示为如下形式：吸附公式通常也表示为如下形式：1.(1.(/c c)T T0,00，增加溶质，增加溶质B B的浓度使表面张力升高的浓度使表面张力升高,为负值，是为负值，是负吸附负吸附。表面层中溶质浓度低于本体浓度。表面层中溶质浓度低于本体浓度。非表面活性物质属于这种情况。非表面活性物质属于这种情况。