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化学与环境科学学院
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第十一章表面现象
物理化学
第十一章表面现象
本章目录
§ 11-1 表面能与表面张力
本节要目
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。
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。
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
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
表面现象的实质
任何两相界面上的分子与相的本体中的分子的处境是不一样的。
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。
表面现象的实质
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
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。
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
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自由能,亦简称为表面自由能,其单位是J· m-2。
表面张力(surface tension)
因为J=N·m, 所以的单位也可以用N·m-1表示。可见表面自由能()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。