文档介绍：第十章液体表面
1. 从热力学的一般规律出发,掌握比表面自由能,表面张力等基本概念。
2. 掌握液体弯曲液面的特性及Laplace方程、Kelvin方程等相关公式及其应用。
3. 掌握溶液的表面吸附, 理解表面过剩物质的概念; 理解 Gibbs方程。
4. 了解表面活性物质的结构特点及其应用,了解HLB值。
5. 了解表面膜,胶束和液晶。
表面Gibbs自由能和表面张力
两相间厚度约几个分子层厚的薄层,称为界面层(interfacial layer)。
对固—气界面和液—气界面也称表面(surface)。
定义称为(比)表面Gibbs自由能。
是强度性质,其物理意义是:在定温、定压下,增加单位表面积所引起的Gibbs自由能的增量。的单位用N m-1。也可称为表面张力,它指沿着与表面相切的方向垂直作用于单位长度上的表面收缩力。对于同一物质,表面张力与表面自由能数值相等,但所用量纲不同,物理意义也不同。
弯曲液面的性质:
1、弯曲液面的附加压力
由于表面张力的存在,弯曲液面下将产生附加压力(additional pressure) p, p=pr-p0,其中pr是平衡时液体内部的压力,p0是外部气相压力。 p总是指向曲率中心,对于曲率半径为r的球形液面, p可由Laplace公式计算。
p=
若液面呈凸形,则r为正值, p为正值,方向指向液体。
若液面呈凹形,则r为负值, p为负值,方向指向气体。
对平液面,r= , p=0,即平液面附加压力为零。
若液体能润湿毛细管壁,则润湿角< ,管内液面呈凹形, p<0,附加压力指向空气,液体将被压入管内,直到上升的液柱所产生的静压力与附加压力相等为止,则,r为毛细管半径。
当时, 如水能完全润湿玻璃毛细管时, 。
对毛细管不能润湿的液体, > ,管内液面呈凸形,h<0,则液面会下降。
2、弯曲液面上的饱和蒸气压:
曲率半径为r的液滴上,其饱和蒸气压与r的关系可用Kelvin公式表示:
, (10-3)
式中,M分别是液体的密度和摩尔质量, , 分别是弯曲液面和平面上的饱和蒸气压。
对于凸液面,如小液滴r >0,则> ,即小液滴的饱和蒸气压大于平液面的饱和蒸气压,且液滴半径越小, 越大。
对于凹液面,如液体中的小气泡r <0,则< ,即凹液面的饱和蒸气压小于平液面的饱和蒸气压。且气泡半径越小, 越小。
注意在使用Kelvin公式计算时应将各物理量单位统一为国际单位,如M单位取kg mol-1, 取kg m-3等。
溶液表面的热力学性质:
1、溶液的表面张力:
当溶剂中加入溶质成为溶液后,和纯溶剂相比,溶液的表面张力会随着溶质的性质和浓度的变化而发生改变,或者升高,或者降低。
以水溶液为例,大致可分为三种情况:
①表面张力随溶质浓度的增加而升高,而且接近于直线。此类溶质一般为无机酸、碱、盐及蔗糖、甘露醇等。
②表面张力随溶质浓度的增加而降低,起初下降较快,随后下降趋势减小。这类物质如短链醇、醛、酮、酸、酯等。
③表面张力在溶质浓度很低时急剧下降,至一定浓度后表面张力几乎不再变化,这类溶质通常包括皂类、八碳以上的直链有机酸碱金属盐、高碳直链烷基硫酸盐或磺酸盐、苯磺酸盐等