第六章表面化学PPT讲稿.ppt

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1、第六章表面化学第1页，共94页，编辑于2022年，星期三一、什麽是表面化学一、什麽是表面化学表面化学：表面化学：在分子（原子）尺度上研究两相之间在分子（原子）尺度上研究两相之间界面上发生的物理化学过程的科学。界面上发生的物理化学过程的科学。按两相物理状态不同可将两相界面分为按两相物理状态不同可将两相界面分为5 5种类型，如果两相中种类型，如果两相中有一相为气相，则通常称为表面（有一相为气相，则通常称为表面（surface)surface)，但表面与界面，但表面与界面（interface)interface)无严格区分，常通用。无严格区分，常通用。液体气体液体气体固体气体固体气体表面表面液体液体

2、液体液体液体固体液体固体固体固体固体固体界面界面引言引言第2页，共94页，编辑于2022年，星期三1.气-液界面常见的界面有：第3页，共94页，编辑于2022年，星期三2.气-固界面第4页，共94页，编辑于2022年，星期三3.液-液界面第5页，共94页，编辑于2022年，星期三3.液-液界面第6页，共94页，编辑于2022年，星期三4.液-固界面第7页，共94页，编辑于2022年，星期三5.固-固界面第8页，共94页，编辑于2022年，星期三GL两相界面处的分子具有特殊的性质两相界面处的分子具有特殊的性质比表面比表面比表面通常用来表示物质分散的程度。A总总：体系的总表面积，体系的总表面积，V

3、：体系的体积，体系的体积，m：体系的质量。：体系的质量。目前常用的测定表面积的方法有BET法和色谱法。对具有巨大表面积的分散体系，界面分子的对具有巨大表面积的分散体系，界面分子的特殊性对体系性质的巨大影响不能忽略。特殊性对体系性质的巨大影响不能忽略。第9页，共94页，编辑于2022年，星期三把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。把一定大小的物质分割得越小，则分散度越高，比表面也越大。例如，把边长为1cm的立方体1cm3逐渐分割成小立方体时，比表面增长情况列于下表：边长l/m 立方体数 比表面Av/（m2/m3）110-2 1 6 102 110-3 103 6 103 110-5 109 6

4、105 110-7 1015 6 107 110-9 1021 6 109 从表上可以看出，当将边长为10-2m的立方体分割成10-9m的小立方体时，比表面增长了一千万倍。可见达到nm级的超细微粒具有巨大的比表面积，因而具有许多独特的表面效应，成为新材料和多相催化方面的研究热点。第10页，共94页，编辑于2022年，星期三二、表面化学与其他学科的联系二、表面化学与其他学科的联系表表面面化化学学生命科学（生物膜及膜模拟化学）生命科学（生物膜及膜模拟化学）能源科学（三次采油、煤的液化、化学电源）能源科学（三次采油、煤的液化、化学电源）材料科学（超细材料、材料的表面改型）材料科学（超细材料、材料的表

5、面改型）信息科学（信息科学（LB膜，微电子器件）膜，微电子器件）三、界面化学的发展和现状三、界面化学的发展和现状1805 T.Young 提出界面张力概念提出界面张力概念1806 P.S.Laplase 表面张力与曲率半径关系表面张力与曲率半径关系1878 Gibbs 表面吸附方程表面吸附方程1916 Langmuir 固体吸附等温方程式固体吸附等温方程式第11页，共94页，编辑于2022年，星期三 表面与界面化学虽是物理化学的传统研表面与界面化学虽是物理化学的传统研究领域，但由于电子能谱、扫描隧道显微镜究领域，但由于电子能谱、扫描隧道显微镜等新的实验技术的出现，使得表面、界面效等新的实验技术

6、的出现，使得表面、界面效应及粒子尺寸效应的知识呈指数上升式的积应及粒子尺寸效应的知识呈指数上升式的积累，提出了在分子水平上进行基础研究的要累，提出了在分子水平上进行基础研究的要求。当前涉及这一领域的研究已成为催化、求。当前涉及这一领域的研究已成为催化、电化学、胶体化学的前沿课题，并与生命科电化学、胶体化学的前沿课题，并与生命科学、材料科学、环境科学、膜技术及医药学学、材料科学、环境科学、膜技术及医药学密切相关，是这些相关学科要研究和解决的密切相关，是这些相关学科要研究和解决的核心课题之一。核心课题之一。第12页，共94页，编辑于2022年，星期三 6.1 表面表面Gibbs函数函数（1 1）表

7、面分子的受力和能量状态）表面分子的受力和能量状态GL液体表面的分子受到液体表面的分子受到指向液体内部的合力指向液体内部的合力作用。作用。液体表面分子比内部分液体表面分子比内部分子具有更高的能量。子具有更高的能量。1.比表面比表面Gibbs函数函数 AB第13页，共94页，编辑于2022年，星期三在在等温等压及组成恒定等温等压及组成恒定的条件下的条件下,可逆可逆地增加地增加单位表面积所做的功单位表面积所做的功,称为称为表面功表面功。：在等温等压且体系所含物质的量不变的条件：在等温等压且体系所含物质的量不变的条件 下，增加单位表面积所引起下，增加单位表面积所引起 体系体系Gibbs函数的增量函数的

8、增量-比表面比表面Gibbs函数（比表面自由能）单位：函数（比表面自由能）单位：J/m2(2)表面功表面功第14页，共94页，编辑于2022年，星期三2.表面张力表面张力 液体表面层的分子受到一个指向液体内部并垂直于液液体表面层的分子受到一个指向液体内部并垂直于液面的引力，因而使表面具有自动收缩的趋势。面的引力，因而使表面具有自动收缩的趋势。第15页，共94页，编辑于2022年，星期三表面张力：表面张力：指平行于表面且垂直作用于表面指平行于表面且垂直作用于表面上单位长度线段上的表面紧缩力。用上单位长度线段上的表面紧缩力。用表示，表示，=力力/总长度，单位：总长度，单位：N/m 比表面比表面Gi

9、bbs函数和表面张力在数值上是函数和表面张力在数值上是相等，且量纲相同。但物理意义不一样，是从相等，且量纲相同。但物理意义不一样，是从不同角度反映体系的表面特征。不同角度反映体系的表面特征。注意：注意：当讨论当讨论 界面热力学性质时界面热力学性质时，作为比表面作为比表面Gibbs函函数使用，当讨论界面间的相互作用及平衡关系时，数使用，当讨论界面间的相互作用及平衡关系时，作为表面张力使用。作为表面张力使用。第16页，共94页，编辑于2022年，星期三3.影响表面张力的因素影响表面张力的因素(1)物质结构的影响物质结构的影响(2)接触相的性质的影响接触相的性质的影响 /(N m-1)水-正庚烷 0

10、.0502 苯 0.0350 汞 0.415纯液体的表面张力是指与饱和了其本身蒸汽的纯液体的表面张力是指与饱和了其本身蒸汽的空气之间的界面张力。空气之间的界面张力。表面张力是物质分子间相互作用力的结果，作用力愈大，表面张力是物质分子间相互作用力的结果，作用力愈大，相应的表面张力愈大。如：极性液体比非极性液体大，相应的表面张力愈大。如：极性液体比非极性液体大，固体比液体大。固体比液体大。第17页，共94页，编辑于2022年，星期三(3)温度的影响温度的影响对于大多数物质，表面张力对于大多数物质，表面张力随温度升高而减小随温度升高而减小,即：即：R-S 方程:Tc：临界温度临界温度 Vm：液体的摩

11、尔体积：液体的摩尔体积k：经验参数，对非缔合的非极性液体：经验参数，对非缔合的非极性液体 k2.210-7 J K-1拉姆齐（Ramsay)-希尔茨（Shields)注意注意：对：对 Cd,Fe,Cu 合金及一些硅酸盐液合金及一些硅酸盐液 体，体，T 。第18页，共94页，编辑于2022年，星期三dG=-SdT+Vdp+BdnB+dA+Ad对于一个高度分散的体系：对于一个高度分散的体系：G总总=G体体+G表表=G体体+A当体系温度、压力、组成及总量不变时，当体系温度、压力、组成及总量不变时，G体体为一常数，则：为一常数，则：6.2纯物质的表面热力学纯物质的表面热力学第19页，共94页，编辑于2

12、022年，星期三讨论：（1）当）当一定时，一定时，dG=dAdG=dA当当 dA0 0 时，时，dG0,dG0,体系趋于稳定状态。体系趋于稳定状态。表明：缩小表面积的过程是自发过程。表明：缩小表面积的过程是自发过程。（2）当）当A A一定一定(即分散度不变）时，即分散度不变）时，dG=AddG=Ad欲使欲使dG0,dG0,则必须则必须d0s-l，cos 0，0090o，能够润湿，能够润湿（3）s-g s-l,cos 90o,不能润湿。不能润湿。当当=1800 ，完全不润湿。，完全不润湿。第88页，共94页，编辑于2022年，星期三2.润湿的三种形式润湿的三种形式:润湿可分为：附着（润湿可分为：

13、附着（粘附）粘附）、铺展和浸入润、铺展和浸入润湿湿。(a)附着（粘附）润湿附着（粘附）润湿润湿功润湿功：指拆开单位面积润湿着的界面所需的功。润湿指拆开单位面积润湿着的界面所需的功。润湿功愈大，固液界面结合愈牢，润湿愈好。功愈大，固液界面结合愈牢，润湿愈好。第89页，共94页，编辑于2022年，星期三(b)铺展铺展润湿润湿第90页，共94页，编辑于2022年，星期三(C)浸入（浸渍）浸入（浸渍）润湿润湿第91页，共94页，编辑于2022年，星期三（1 1）附着润湿）附着润湿附着润湿：附着润湿：恒温恒压可逆条件下，将气-液与气-固界面转变为液-固界面。第92页，共94页，编辑于2022年，星期三（2 2）铺展润湿）铺展润湿铺展润湿过程是以固铺展润湿过程是以固-液界面及液液界面及液-气界面代替原来的固气界面代替原来的固-气界面。气界面。第93页，共94页，编辑于2022年，星期三（3 3）浸入（浸渍）润湿浸入（浸渍）润湿浸入润湿：浸入润湿：恒温恒压可逆条件下，将具有单位表面积的固体浸入液体中，气-固界面转变为液-固界面。润湿的热力学定义：润湿的热力学定义：若液体与固体接触后，使体系的若液体与固体接触后，使体系的吉布斯函数降低的现象，称为润湿。吉布斯函数降低的现象，称为润湿。第94页，共94页，编辑于2022年，星期三