文档介绍：第七章表面现象和胶体
2017/11/10
表面吉布斯自由能和表面张力表面和界面
界面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。
常见的界面有:气-液界面,气-固界面,液-液界面,液-固界面,固-固界面。
严格讲表面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液体或固体的表面。
2017/11/10
界面现象的本质
对于单组分体系,这种特性主要来自于同一物质在不同相中的密度不同;对于多组分体系,则特性来自于界面层的组成与任一相的组成均不相同。
表面层分子与内部分子相比,它们所处的环境不同。
体相内部分子所受四周邻近相同分子的作用力是对称的,各个方向的力彼此抵销;
但是处在界面层的分子,一方面受到体相内相同物质分子的作用,另一方面受到性质不同的另一相中物质分子的作用,其作用力未必能相互抵销,因此,界面层会显示出一些独特的性质。
2017/11/10
最简单的例子是液体及其蒸气组成的表面。
液体内部分子所受的力可以彼此抵销,但表面分子受到体相分子的拉力大,受到气相分子的拉力小(因为气相密度低),所以表面分子受到被拉入体相的作用力。
这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势,并使表面层显示出一些独特性质,如表面张力、表面吸附、毛细现象、过饱和状态等。
2017/11/10
比表面
比表面通常用来表示物质分散的程度,有两种常用的表示方法:一种是单位质量的固体所具有的表面积;另一种是单位体积固体所具有的表面积。即:
式中,m和V分别为固体的质量和体积,A为其表面积。目前常用的测定表面积的方法有BET法和色谱法。
2017/11/10
分散度与比表面
把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。把一定大小的物质分割得越小,则分散度越高,比表面也越大。
例如,把边长为1 cm的立方体1 cm3逐渐分割成小立方体时,比表面增长情况列于下表:
边长l/m 立方体数比表面Av /(m2/m3)
1×10-2 1 6 ×102
1×10-3 103 6 ×103
1×10-5 109 6 ×105
1×10-7 1015 6 ×107
1×10-9 1021 6 ×109
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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。
可见达到nm级的超细微粒具有巨大的比表面积,因而具有许多独特的表面效应,成为新材料和多相催化方面的研究热点。
2017/11/10
表面功
由于表面层分子的受力情况与本体中不同,因此如果要把分子从内部移到界面,或可逆的增加表面积,就必须克服体系内部分子之间的作用力,对体系做功。
温度、压力和组成恒定时,可逆使表面积增加dA所需要对体系作的功,称为表面功。用公式表示为:
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。
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表面自由能
由此可得:
考虑了表面功,热力学基本公式中应相应增加 dA一项,即:
2017/11/10
表面自由能
广义的表面自由能定义:
保持相应的特征变量不变,每增加单位表面积时,相应热力学函数的增值。
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