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1、1第十章第十章界面现象界面现象6自然界中物质的存在状态：自然界中物质的存在状态：气气液液固固界面现象界面现象气气液界面液界面液液液界面液界面固固液界面液界面固固气界面气界面固固固界面固界面10.0 10.0 前言前言1.界面与表面界面与表面(1)界面：两相之间的接触面。界面：两相之间的接触面。(2)表面：两相中若有一相是气相，则形成的界面为表面。表面：两相中若有一相是气相，则形成的界面为表面。气相通常是真空、空气或物质本身的饱和蒸气。气相通常是真空、空气或物质本身的饱和蒸气。特征：特征：几个分子厚几个分子厚,110nm结构与性质与两侧体相均不同结构与性质与两侧体相均不同界界面面不不是是几几何何
2、平平面面！界界面面有有一一定定的的厚厚度度，所所以以有有时时又称界面为又称界面为界面相界面相。体体相相截面积截面积AS 体相体相 体相体相界面相界面相S1.汞在光滑的玻璃上呈球形，在玻璃管中呈凸液面，汞在光滑的玻璃上呈球形，在玻璃管中呈凸液面，水在光滑的玻璃上完全铺展，在玻璃管中呈凹液面。水在光滑的玻璃上完全铺展，在玻璃管中呈凹液面。润湿现象润湿现象2.水在玻璃管中上升水在玻璃管中上升,汞在玻璃管中下降汞在玻璃管中下降毛细现象毛细现象3.液体的过冷过热、蒸气的过饱和现象液体的过冷过热、蒸气的过饱和现象亚稳状态亚稳状态4.微小液滴更易蒸发微小液滴更易蒸发,微小的晶体更易溶解微小的晶体更易溶解5.
3、固体表面会自动吸附其它物质。固体表面会自动吸附其它物质。2.界面现象界面现象(表面现象表面现象)总表面积总表面积314.16m2直径直径10nm的的球形小液滴球形小液滴分成分成1018个个直径为直径为1cm的球形液滴的球形液滴表面积：表面积：3.141610-4 m2当物质被高度分散时，界面相与体相相比不可忽略，当物质被高度分散时，界面相与体相相比不可忽略，界面的作用很明显。例如：界面的作用很明显。例如：3.分散程度与比表面积分散程度与比表面积(1)比表面积比表面积as：单位质量的物质所具有的表面积：单位质量的物质所具有的表面积.单位：单位：m2kg-1(2)在处理高分散度物质时，若不考虑其界
4、面的特殊性，将会在处理高分散度物质时，若不考虑其界面的特殊性，将会导致错误的结论。导致错误的结论。活性炭比表面可达到活性炭比表面可达到10002000m2g-1一些多孔物质如：硅胶、活性炭等，也具有很大的比表面积。一些多孔物质如：硅胶、活性炭等，也具有很大的比表面积。1110.1界面张力界面张力一一.液体的表面张力，表面功及表面吉布斯函数液体的表面张力，表面功及表面吉布斯函数2007年年11月月23日日，英国伦敦博物馆，英国伦敦博物馆，Sam Heath（右），又被称（右），又被称为泡泡人为泡泡人Samsam，用一个巨大的肥皂泡将，用一个巨大的肥皂泡将50名学生罩起来。名学生罩起来。2008.
5、8月月17日中午，长沙市第七中学科学馆，一只巨大的肥皂泡日中午，长沙市第七中学科学馆，一只巨大的肥皂泡将将60余名学生圈在一只五彩斑斓的肥皂泡中。这次的巨型泡泡使余名学生圈在一只五彩斑斓的肥皂泡中。这次的巨型泡泡使用了近用了近600斤肥皂水和一个长斤肥皂水和一个长6米宽米宽3米的道具。米的道具。物质表面层的分子所处的力场是不均衡的。物质表面层的分子所处的力场是不均衡的。液体内部的分子液体内部的分子其所受合力为零。其所受合力为零。表面层分子受到指向液体内部的表面层分子受到指向液体内部的合力合力(分子间净吸引力）分子间净吸引力）。导致液体表面具有自动缩小的趋势。导致液体表面具有自动缩小的趋势。扩展
6、表面要作功。扩展表面要作功。产生的原因产生的原因作用结果作用结果1.1.表面功及表面表面功及表面吉布斯函数吉布斯函数：（比）（比）表面功。表面功。使系统增加单位表面所需的使系统增加单位表面所需的可逆可逆功。功。J Jm m-2-2，表面功表面功 以液以液气组成的系统为例，若将体相中的分子气组成的系统为例，若将体相中的分子可逆可逆移到液移到液体表面以扩大液体的表面积，则必须由环境对系统作功，这种体表面以扩大液体的表面积，则必须由环境对系统作功，这种为扩大液体表面所作的功称为为扩大液体表面所作的功称为表面功表面功。恒温，恒压时，恒温，恒压时，：恒温恒压下，增加单位表面时系统所增加的：恒温恒压下，增
7、加单位表面时系统所增加的Gibbs函数函数。单位：单位：Jm-2。在在20时时，将，将0.001kg的球形水滴分散成直径的球形水滴分散成直径为为2nm的小水滴。的小水滴。（1）求分散前后水滴的表面）求分散前后水滴的表面积积和比表面并和比表面并进进行比行比较较；（2）系）系统统吉布斯函数增大多少？已知吉布斯函数增大多少？已知20时时，水的密度，水的密度=1000kgm-3,=72.7510-3Nm-1解：（解：（1）0.001kg的球形水滴的球形水滴=110-6 m3设设其半径其半径为为r1,r 1=0.6210-2 m将将0.001kg水滴分散成直径水滴分散成直径为为2nm即即半径半径110-
8、9 m的小水滴，的小水滴，其个数为：其个数为：每个小水滴的面积为每个小水滴的面积为 总面积总面积 比表面之比为：比表面之比为：（2）G=A=72.7510-3(3.011030.483)2.19102J1987年年3月月15日，哈尔滨亚麻纺织厂发生猛烈爆炸，爆炸首先发生日，哈尔滨亚麻纺织厂发生猛烈爆炸，爆炸首先发生在地下约在地下约12米深的除尘室，安装在里面的十余吨重的机器被巨大的米深的除尘室，安装在里面的十余吨重的机器被巨大的气浪冲上地面；与其相关地面建筑如电动换气室、变电所等全部气浪冲上地面；与其相关地面建筑如电动换气室、变电所等全部摧毁。爆炸顺着几百米的地下通道扩展，凡是所能触及的一切瞬
9、间摧毁。爆炸顺着几百米的地下通道扩展，凡是所能触及的一切瞬间都遭到残酷的破坏；连成一片的都遭到残酷的破坏；连成一片的36000平方米厂房，被炸毁平方米厂房，被炸毁9500平方米，平方米，268台机器设备遭毁损台机器设备遭毁损，54人丧生，人丧生，1821人人受伤。受伤。事后查明原因，是亚麻粉尘爆炸。事后查明原因，是亚麻粉尘爆炸。世界上第一次有记载的粉尘爆炸发生在世界上第一次有记载的粉尘爆炸发生在1785 年意大利的一个面粉厂年意大利的一个面粉厂,2010年02月25日河北秦皇岛粉尘爆炸事故河北秦皇岛粉尘爆炸事故 致致19人死人死49 解释：为什么小液滴会成解释：为什么小液滴会成 球形？球形？在
10、无重力下，此现象更为明显，例太空舱中水球在无重力下，此现象更为明显，例太空舱中水球太空舱中会出现篮球般的大水球，每位飞行员轮流传递，太空舱中会出现篮球般的大水球，每位飞行员轮流传递，各咬一口后，篮球会逐渐收缩为排球各咬一口后，篮球会逐渐收缩为排球足球足球垒球的大小，垒球的大小，但总是呈现球形但总是呈现球形例例2水的比表面自由能与水的比表面自由能与摄摄氏温度氏温度t的关系式的关系式为为：(10-3Nm-1)=75.64-0.14t/，若水的表面改，若水的表面改变时变时，总总体体积积不不变变，试试求求10、p下，可逆地使水表面积增加下，可逆地使水表面积增加5cm2，必需做，必需做多少功？从外界吸收
11、多少多少功？从外界吸收多少热热？解：解：t=10，(环境做功为正环境做功为正)则 如图在金属框上形成肥皂膜，若施如图在金属框上形成肥皂膜，若施加作用力加作用力F F可逆地使金属丝左移可逆地使金属丝左移d dl l，LFdx(a)2.液体的表面张力液体的表面张力则液面增加则液面增加dAs2Ldx，对系统做功。，对系统做功。：引起表面收缩的单位长度上的力，：引起表面收缩的单位长度上的力，单位：单位：Nm-1。方向：对于平液面是沿着液面并与方向：对于平液面是沿着液面并与平液面平行平液面平行，对于对于弯曲液面弯曲液面则与液面则与液面相切相切。Ldl平液面表面张力示意图球形液面表面张力示意图表面张力表面
12、张力是表面张力是垂直作用垂直作用于表面上单位长度的收缩力于表面上单位长度的收缩力表面张力是使表面张力是使液体表面缩小的力液体表面缩小的力在金属丝环上系一丝线圈，将金属丝环和丝线圈一起浸入肥皂液中，在金属丝环上系一丝线圈，将金属丝环和丝线圈一起浸入肥皂液中，然后取出，环中就形成一层肥皂液膜，丝线圈在金属环中呈显从肥然后取出，环中就形成一层肥皂液膜，丝线圈在金属环中呈显从肥皂水中取出时的偶然形状，如图（皂水中取出时的偶然形状，如图（a）。）。如果用烧热的铁针将丝线圈内的液膜刺破，？如果用烧热的铁针将丝线圈内的液膜刺破，？（比）表面功（比）表面功表面张力表面张力1N/m=1N.m/m2=1J/m2（
13、比）表面吉布斯函数（比）表面吉布斯函数三者物理意义不同，但量值和量纲等同，单位均三者物理意义不同，但量值和量纲等同，单位均可化为：可化为：Nm-1-高度分散系统的高度分散系统的热力学基本方程热力学基本方程dU=TdS-pdVdH=TdS+Vdp dA=-SdT-pdV dG=-SdT+Vdp+BdnB+dA+BdnB+BdnB+BdnB+dA+dA+dA二二.热力学公式热力学公式 (离子键离子键)(极性键极性键)(非极性键非极性键)界界面面/mN m-1 界界面面/mN m-1 水水正己烷正己烷水水正辛烷正辛烷水水氯仿氯仿水水四氯化四氯化碳碳水水正辛醇正辛醇51.150.832.845.18.
14、5水水乙醚乙醚水水苯苯水水硝基苯硝基苯水水汞汞苯苯汞汞10.735.025.66375.0357.0（2）与接触相的性质有关。与接触相的性质有关。同一物质同一物质：(固体固体)(液体液体)33温度升高，界面张力下降。温度升高，界面张力下降。极限情况：极限情况：TTc时，时，0。T气相中分子密度气相中分子密度液相中分子距离液相中分子距离（有例外）（有例外）其中：其中：0与与n为经验常数。为经验常数。t/C020406080100水水乙醇乙醇甲醇甲醇CCl4丙酮丙酮甲苯甲苯苯苯75.6424.0524.526.230.7431.672.7522.2722.626.823.728.4328.969.
15、5820.6020.924.321.226.1326.366.1819.0121.918.623.8123.762.6116.221.5321.358.8515.719.39液体液体 /mNm-1（3）温度的影响：温度的影响：34（4）压力的影响。）压力的影响。Pa表面分子受力不对称的程度表面分子受力不对称的程度 b气体分子可被表面吸附，改变气体分子可被表面吸附，改变,c气体分子溶于液相气体分子溶于液相 1atm H2O=72.8mN/m10atm H2O=71.8mN/m一般：一般：p10atm,1mN/m，例，例:在清洁水面上，撒一层细粉笔灰，使其浮于水面上，用烧热的在清洁水面上，撒一层细粉笔灰，使其浮于水面上，用烧热的细铁丝点在粉笔灰的中心，会发生什么现象细铁丝点在粉笔灰的中心，会发生什么现象