文档介绍：第十一章表面现象
一、教学方案
①掌握表面 Gibbs 自由能和表面张力的概念;了解影响表面张
力的因素。
②理解弯曲表面附加压力产生的原因;掌握附加压力与曲率半
径的关系;能够利用 Laplace 公式进行计算。
③了解弯曲液面上的蒸气压的特点;能够正确使用 Kelvin 公式,
教学目的和
并能够解释常见的表面现象。
要求
④理解溶液的表面吸附现象;掌握并能运用 Gibbs 吸附等温方
程式。
⑤了解表面活性剂的概念、结构特点、分类及应用;能够分析
液体对固体润湿、铺展与接触角的关系。
⑥了解溶液中固体表面的吸附规律。
①表面张力及表面张力与温度的关系。
②附加压力与蒸气压与液体曲率半径的关系
教学重点
③ Gibbs 吸附等温式
④接触角
①表面张力的方向判断
教学难点
② Gibbs 吸附等温方程式
①授课全部用多媒体电子教案;
教学方法和
②辅导答疑采用电子邮件及在线论坛等模式;
手段
③测验、考试的试卷由试题库自动组卷及试题分析。
§11-1 表面能, 表面张力(1学时)
§11-2 界面的热力学性质(1学时)
教学内容及§11-3 弯曲表面现象(2学时)
课时分配§11-4 溶液的表面吸附、表面活性物质(2学时)
§11-5 几种重要的界面现象及表面活性剂的作用( 学时)
§11-6 溶液中固体表面的吸附( 学时)
二、教案内容
§11-1 表面能, 表面张力
1. 界面与表面(interface and surface)
当任意两相接触时, 两相之间决非是一个没有厚度的纯几何面,而是一个具有相
当厚度的过渡区, 这一过渡区通常称之为界面。若其中一相为气体,这种界面通
常称为表面。但由于历史的原因, 这两个概念常常混用。
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。
2. 表面(界面)现象
处于任何相态的任何物质的表面与其体相相比较, 二者在组成、结构、分子所处
的能量状态和受力情况等方面均有差别,由此而产生的各种物理和化学现象称之
为表面(界面)现象。
1g H2O 表面积(m2) 表面能(J)
呈一球形水滴 ×10-4 ×10-5
10-7 m 微小质点 6000 434
表面现象涉及的范围很广:自然现象、工农业生产过程、生理现象、科学研究、
多相催化甚至日常生活
的。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。
气相
↙↙↓↓↘↘
↖↑↗
←→↙↓↘液相
4 表面功(surface work)由于表面层分子与本体中分子的受力情况不同,如果要
扩大表面就要把内层分子移到表面上来,这就要与分子的引力相对抗而消耗一定
量的功。
在等温等压组成不变的可逆条件下,当增加的表面积为 dA 时,环境对体系作的
功,称为表面功。即
δW '= σdA
σ为比例系数,它在数值上等于在相应条件下增加单位表面积时对体系做的可逆
非膨胀功。
5 表面自由能(surface free energy)
根据热力学的观点,在等温等压组成不变的可逆条件下
dG = δW '= σdA
σ为此条件下体系增加单位表面积时,Gibbs 自由能的增加值,称为比表面 Gibbs
⎛∂G ⎞
σ= ⎜⎟
∂A
⎝⎠T , p,nB
自由能,亦简称为表面自由能,其单位是 J·m-2。6 表面张力(surface tension)
因为 J=N·m, 所以σ的单位也可以用 N·m-1 表示。可见表面自由能(σ)又代表了
单位长度上的力,这种垂直作用于单位长度相表面上的力称之为表面张力。在数
值上,表面张力等与比表面自由能。在方向上,表面张力是沿着相的表面与相的
界面相切,并促使其表面积缩小的方向。
7 影响表面张力的几种因素
分子间吸引力:液体分子间吸引力愈大,表面张力愈大。
相界面性质:表面张力的大小与其共存的另以相的物质的性质有关。
温度:温度升高,界面张力下降。当温度接近临界温度时,表面张力趋近于消失。
压力:压力升高,表面张力减小。可能与气体密度的增加和气体在液体中的吸附
有关。
§11-2 界面的热力学