第三章 液體的表面性質(zhì)

膠體化學(xué)(ColloidChemistry)第三章液體的表面性質(zhì)3.1.1表面分子的受力狀態(tài)

內(nèi)部分子：受力對稱，合力為零。表面分子：受力不對稱，合力不為零，

受到指向液體內(nèi)部的“凈吸力”。(重力不計)3.1比表面自由能和表面張力界面有自動收縮的趨勢。

無外力作用時，液滴總是自發(fā)形成球珠的原因。

問題：海洋中的水為何不成一個大水球?若把液體內(nèi)部分子拉到表面上時，需克服“凈吸力”而對體系做功。3.1比表面自由能和表面張力3.1.2比表面自由能(1)熱力學(xué)定義

在溫度(T)、壓力(p)及組成(ni)恒定條件下，可逆增加體系的

表面積(A)時，環(huán)境對體系所做的非體積功(或表面功W)為：

δW=σ

dA

其中，σ

為比例常數(shù)。-可逆過程，只作Wv，一種界面，開放體系:其中，U-內(nèi)能；T-溫度；S-熵；p-壓力；V-體積；

μi-化學(xué)勢；ni-物質(zhì)的摩爾量。-可逆過程，只作Wv，一種界面，開放體系,存在表面積變化(有表面功):3.1.2比表面自由能H

-焓F

-亥姆霍茲自由能G

-吉布斯自由能定義：比表面自由能表面自由能表面能多種界面體系：3.1.2比表面自由能單位J·m-2容量性質(zhì)：體相表面相例如：研究界面變化過程：3.1.2比表面自由能(2)物理意義①在()T,p,ni條件下，可逆改變第

i種界面單位面積，而其它界面

不變時，體系自由能的變化值。②表面過剩量界面變化過程：()T,p,μi,σ條件下，積分上式得：單位面積表面層的自由能；單位面積表面層的分子若處于體系內(nèi)部時的自由能；σ:

處于表面上的分子與它們處于內(nèi)部時相比所具有的自由能過剩值。

3.1.2比表面自由能☆把1克水分散成半徑為10-9m的小液滴時，表面積由4.85×10-4m2

增加到3.0×103m2，比表面自由能由3.5×10-5J增加到218J，相當于把1克水升高溫度約50℃。？這個例子是否意味著該分散過程使水溫度升高了50℃？3.1.2比表面自由能(3)σ與其它熱力學(xué)量之間的關(guān)系一種界面,單組份體系,可逆過程：全微分：()V∵∴F=U-TS()P3.1.2比表面自由能同理：

σ：()T，可逆改變單位面積時的表面功討論：

和()T，可逆改變單位面積時體系所吸收的熱

()T，體系表面積增大，能量增加：?環(huán)境向體系所做的功?體系為保持恒溫向環(huán)境吸收的熱3.1.3表面張力3.1比表面自由能和表面張力?

界面有自動收縮的趨勢

界面存在自動收縮力(1)定義:

比表面自由能與表面張力物理意義不同，量綱相通，單位適宜時數(shù)值也相同。引起液體表面收縮的單位長度上的力

-單位N·m-1

δW=F·dx=σ

·2ldx

σ=F/2l

σ

即為表面張力

液面縮小的方向

平行于液面(平液面)或和液面相切(曲液面)

垂直于邊界線并指向表面內(nèi)部3.1.3表面張力(2)方向:3.1比表面自由能和表面張力3.1.4σ

的影響因素(1)溫度

σ隨T升高而降低

溫度系數(shù)：和

非締合液體，經(jīng)驗式：：液體的摩爾體積；Tc：

臨界絕對溫度；k：常數(shù)，~2.2×10-7J·K-1

一般T

增加10℃，σ

降低1mN·m-13.1.4σ

的影響因素(2)壓力

一般p增加，σ

降低；

一般p

增加

10atm，σ降低1mN·m-1。(3)化學(xué)組成非締合液體，Sugden公式：

T<<Tc

[P]：等張比容，σ=1時的溫度下，液體的摩爾體積(M/ρl)，

與化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)單元有關(guān)，可查表。

規(guī)律：分子間的作用力越大，σ越大；

σ金屬鍵＞σ離子鍵＞σ極性鍵＞σ非極性鍵。M:液體分子量Ρl:液相密度Ρg:氣相密度第三章液體的表面性質(zhì)3.2彎曲液面的界面現(xiàn)象3.2.1彎曲液面的附加壓力凸面p0?pp凹面?pp0p

定義：附加壓力?p=p-p0

方向：指向曲率中心（球面則指向球心）p0?p3.2.1彎曲液面的附加壓力?球形液面：prV=4/(3πr3)As=4πr2p=p0+?ppp+dpdV=4πr2·drdAs=8πr·dr體積功：

δW=?p·dV

表面功：

δW=σ·dA∵體積功=表面功∴?任意彎曲液面：r1、r2為曲率半徑Laplace方程3.2.1彎曲液面的附加壓力?討論：

-

?p與σ

成正比，與r成反比

-

凸液面，r>0，?p

>0凹液面，r<0，?p

<0平液面，r=∞，?p

=0？肥皂泡氣相和液相的壓力

？

氣相液相對氣相的附加壓力：

p03.2彎曲液面的界面現(xiàn)象3.2.2彎曲液面的飽和蒸氣壓Kelvin公式：p1：半徑r1

時的飽和蒸汽壓p2：半徑r2

時的飽和蒸汽壓M：分子量ρ：密度

R：氣體常數(shù)T：溫度

r2<r1，p2>

p1，即半徑越小，飽和蒸汽壓越大；

r1→∞(平面)，p1→p0，r2?r，p2?

pr

，Kelvin公式：凸液面r>0pr>p0凹液面r<0pr<p0平液面r=∞pr=p0？過飽和蒸氣形成的原因

？？人工降雨的原理？？毛細管凝結(jié)的原因

？3.2彎曲液面的界面現(xiàn)象3.2.3毛細現(xiàn)象毛細管上升毛細管下降謝謝！第三章液體的表面性質(zhì)3.2彎曲液面的界面現(xiàn)象3.2.3毛細現(xiàn)象毛細管上升毛細管下降(1)毛細管上升法

彎液面為半球狀：

彎液面不是半球狀，接觸角為θ：第三章