文档介绍：8 表面现象与胶体
本章要求:
,掌握表面张力的计算;
,掌握接触角与润湿的关系;
;
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,掌握气固相吸附等温方程式;
,掌握吉布斯吸附定温式;
;
、分类及其各方面性质。
密切相互接触的两相之间的过渡区称为界面。相与相之间有界面,常见的界面有液—气界面、固—气界面、液—液界面、固—液界面和固—固界面。通常将其中一个接触相为气相时产生的界面称为表面。表面是一个没有厚度的纯粹几何面,可以是单分子层,也可以是多分子层,一般假设有几个分子厚度。这一层的结构和性质与它两侧紧邻的大不一样(如图8-1所示)。
图8-1 表面层示意图
凡物质处于凝聚状态,在相表面上发生的一切物理化学现象均称表面现象。
表面现象研究的是在相表面上所发生的一些物理化学行为和现象。对于任何一个相表面,分布在表面层的分子与相内部的分子的受力情况、能量状态和所处的环境均不相同。以前,我们处理问题时,并没有将表面分子与相内部的分子加以区别,而是把它们完全等同起来。这是由于通常的系统表面积不大,表面层上的分子数目相对相内部而言是微不足道的,因此忽略表面性质对系统的影响,认为它不妨碍一般结论的正确性。
当物质形成高度分散系统时,所研究的系统有巨大的表面积,表面层分子在整个系统中所占的比例较大,表面性质就显得十分突出,比如将大块固体碾成粉末或做成多孔性物质时,其吸附量便显著增加。在处理这类问题时,若不考虑表面分子的特殊性,将会导致错误的结论。
研究表面现象,就是把相表面当做一个特殊的系统,研究它的性质、结构及所产生的各种现象,其中以表面张力、表面吸附和表面电现象最为重要。不论是纯物质还是溶液,一系列的表面现象,都是由此引起的。
当研究在表面上发生的行为或研究多相分散系统的性质时,必须考虑表面的特性。通常用比表面积表示多相分散系统的分散程度,其定义式为
()
式中代表体积为的物质所具有的表面积。比表面就是单位体积的物质所具有的表面积,其数值随着分散粒子的变小而迅速增加,如表8-1所示。
表8-1 逐渐分割时,立方体数、比表面积的增长
边长/cm
立方体数
比表面/cm
线性大小与此相近的系统
1
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
10-6
10-7
1
103
106
109
1012
1015
1018
1021
6×100
6×101
6×102
6×103
6×104
6×105
6×106
6×107
…
…
牛奶内的油粒
…
…
藤黄溶胶
金溶胶
细分散的金溶胶
由表8-1可见,粒子分割得愈细,比表面积就愈大,表面积愈大,表现出的表面效应愈强。如胶体粒子的大小约为1nm~,具有很大的比表面积,突出地表现出表面效应。在自然界中,表面或表面现象包罗万象,迄今已发展成为一门独立的分支学科——表面化学,它是一门实用性较强的学科。
物质表面层的分子与内部分子周围的环境不同,任何一个相表面分子与内部分子的受力情况不同(如图8-2所示)。有一杯液体,液面上是它的蒸气或空气。液相内部任何一个分子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消,合力为零,分子在液体内部移动不需要做功。但液体表面层的分子,下方受到邻近液体分子的引力,上方受到气体图8-2液体表面分子与内部分子的受力情况不同
分子的引力。由于与气体分子间的力小于液体分子间的力,所以表面分子所受的作用力是不对称的,合力指向液体内部,所以液体表面都有自动缩成最小的趋势。
显然,如果要把一个分子从内部移到表面,因克服内部的拉力而作功,这种在形成新表面过程中所消耗的功,称为表面功,是热力学中提到的除体积功外的其他功的—种。根据热力学原理,在等温等压可逆的条件下
()
上式表明,以可逆方式形成新表面时所消耗的表面功,将转变为表面层分子比内部分子多余的吉布斯自由能,这种多余的吉布斯自由能为表面自由能,或简称表面能。如果系统的组成不变,则在恒温恒压下,可逆地使表面积增加所需的功为:
()
为比例系数,它在数值上等于在及组成恒定的条件下,增加单位表面积时所必须对系统做的可逆非膨胀功。
当系统发生一个明显的过程,,则
或
此式可用于计算表面功。系统吉布斯自由能的增加量
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