文档介绍：第十三章表面物理化学
本章基本要求
1. 明确表面吉布斯自由能和表面张力的概念,了解表面张
力和温度的关系。
2. 明确弯曲表面下附加压力产生的原因及其与曲率半径的
关系,学会使用杨-拉普拉斯公式。
3. 了解弯曲表面上的和平面上的蒸气压的异同,学会使用
开尔文公式,会由此解释人工降雨、毛细凝聚等现象。
4. 理解吉布斯吸附等温式用式中各项的物理意义。
5. 对表面活性物质,了解:在表面上的定向排列;降低表
面吉布斯自由能的情况;分类;几种重要作用。
6. 了解液-液、液-固界面的铺展情况;理解气-固表面上的
吸附本质及吸附等温线的主要类型和简单表面反应动力学
界面:两个互相接触的相之间的交接地带,从性质差异上
讲,约有几个分子的厚度,是此相进入彼相的一外过渡区。
表面:有一个相是气相的界面,即气-液、气-固界面。由
于界面上的分子所处的环境与任何一相都不同,因此,界面的
性质不同于构成它的两个相中的任一相。比如,单组分 g-l 表
面:处于表面层的液体分子,由于来自本相的吸引力大于来自
于气相的,就会产生出移入体相的倾向。这就是液体都有自动
收缩表面到最小的原因。
下落着的水滴、
荷叶上的露珠、
玻板上的汞球、
表面上的这些不同于体相的特殊性质,在任何两相界面上
都是存在的:对于单组份体系,它来源于两相密度的不同;
对于多组份体系,它来源于两相各种性质的差异。
比表面:定义 A0=A/V。式中:A为体积为V的物质所具
有的表面积;A0就是比表面,即单位体积的物质所具有的表
面积。一般,粒径减小一个数量级,A0增大一个数量级。
§ 表面张力及表面吉布斯自由能
1. 表面张力
观察界面现象,特别是观察气一液界面的一些现象,可以
觉察到界面上处处存在着一种张力,称之为界面张力或表面张
力:它作用在表面的边界线上,垂直于边界线向着表面的中心
并与表面相切;或者是作用在液体表面上任一条线的两侧,垂
直于该线、沿着
液面拉向两侧。
如右图所示。可
看成是液体表面
收缩时作用于单
位长度上的力。
从另一角度,也可见证表面张力的存在:
,把金属丝弯成U形框架,另一根金属丝可在框
架上滑动。把框架放在肥皂液中,然后取出。框架上就有了
一层肥皂膜,由于表面张力的作用,会把可滑动的金属丝拉
上去,一直到框架顶部。若
在金属丝下面吊一重物W2,
当W2与可滑动金属丝的质量
W1之和(即W1+W2)与向上的
表面张力平衡时,金属丝就
保持不再滑动。
F=W1+W2=2γl
这里γ称为表(界)面
张力,其单位为N/m。
表面张力还可以是:使同种液膜的面积增大dA,需用力F
使液膜向下移动dx的距离而作的非体积功(此功称为表面功)。
有多种方法来测定表面张力,如毛细管上升法、滴重法、
吊环法、最大压力气泡法、吊片法和静液法等。

质有很大关系:金属键物质的表面张力最大1;离子键的物质
次之2;极性共价键再次3;而非极性共价键最小4。
水因为有氢键,所以表面张力也比较大。
Antonoff(安托诺夫)发现:两种液体之间的界面张力是两
种液体互相饱和时,两种液体的表面张力之差,即
γl2=γ1-γ2
式中γ1、γ2分别是两种液体的表面张力。这个经验规律
称为 Antonoff规则。
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由于表面层分子的状况与本体中不同,因此如果要把一个
分子从内部移到界面(或者说增大表面积)时,就必须克服体系
内部分子之间的吸引力而对体系作功。在温度、压力和组成恒
定时,可逆地使表面积增加dA所需要对体系做的功,叫做表面
功,可以表示为: -δW´=γdA 。
以前讨论体系热力学函数变化的关系式时,都假定只有体
积功。现在当考虑到有一种非膨胀功——表面功时,在公式中
应相应增加γdA一项,整个体系是(T,p,As,nB)的函数。所以,
热力学四个基本公式就转变为:
从上述关系式得
由此可知,γ是在指定相应变数不变的情况下,每增加单
位表面积时,体系内能或吉布斯自由能等热力学函数的增值,
称为广义的表面自由能。狭义地说是当以可逆方式形成新表面
时,环境对体系所作的表面功变成了单位表面层分子的吉布斯
自由能了。故γ又称为表面吉布斯自由能,其单位为J/m2。
表面张力和表面吉布斯自由能一样,都用γ表
示。两者有以下异同:物理意义不同;单位不同但量
纲同、J/m2=(N·m)/m2=N/m;数值相同。
表面张力产生的原因
由于与液体相接触的气相中分子的密度小得多,使液体表面层的分子密度减小,分子间距增大,从而在分子表面层的方向上出现了分子间的吸引力,此吸引力就是表面张力的来源。