第八章界面现象与胶体 本章主要介绍气-液、气-固、液-固和液-液界面上的发生的界面现象,讨论 附加压力及其引起的现象、吸附和润湿等。 介绍胶体基本性质、胶团结构和胶体的稳定性等。 简略介绍乳状液、泡沫和悬浮液等粗分散系统 当物质以不同的相态共存时,任意两相之间的分隔面称作相的界面,简称界 面。常见的界面有气-液、气-固、液-液、液-固和固-固等五种界面。其中气 液、气-固两种界面也称作表面。 发生在界面处的现象称为界面现象。 本章主要讨论发生在气-液、气-固两种界面处的现象,也称其为表面现象。 8.1气液表面现象 8.1.1表面现象的产生 界面并不是几何面,而是指处于两相之间,约为几个分子厚度的一层物质, 故又称作界面层或界面相。界面两侧的相称作体相。界面层与体相在组成、结构 分子所处的能量状态和受力状况等方面都有明显的差别。如图8.1所示,图8.1 为液体内部分子及表面层分子受力情况示意图 体相内的分子,如分子A,受到周围分子的作用力统计地看是对称的,可相 互抵消;界面层处于两体相之间,受到两相分子不同的作用,分子受力是不对称 的,故界面层的分子例如分子B、C,有离开界面层进入体相的趋势,其宏观表 现是界面将收缩至具有最小面积 在相界面上的物质因为具有与体相不同的结构和性质,从而产生的物理现象 和化学现象称为界面现象。 气-液和气-固界面上发生的界面现象也称为表面现象 例如:毛细现象、润湿、吸附、多相催化等 8.1.2表面张力和比表面吉布斯函数 把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。通常采用比表面积来表示分散度 的大小,其定义为:单位质量或单位体积物质所具有的表面积,简称比表面,其 数学表达式如下所示:(空两秒) AnFa/m
1 第八章 界面现象与胶体 本章主要介绍气-液、气-固、液-固和液-液界面上的发生的界面现象，讨论 附加压力及其引起的现象、吸附和润湿等。 介绍胶体基本性质、胶团结构和胶体的稳定性等。 简略介绍乳状液、泡沫和悬浮液等粗分散系统。 当物质以不同的相态共存时，任意两相之间的分隔面称作相的界面，简称界 面。常见的界面有气-液、气-固、液-液、液-固和固-固等五种界面。其中气- 液、气-固两种界面也称作表面。 发生在界面处的现象称为界面现象。 本章主要讨论发生在气-液、气-固两种界面处的现象，也称其为表面现象。 8.1 气液表面现象 8.1.1 表面现象的产生 界面并不是几何面，而是指处于两相之间，约为几个分子厚度的一层物质， 故又称作界面层或界面相。界面两侧的相称作体相。界面层与体相在组成、结构、 分子所处的能量状态和受力状况等方面都有明显的差别。如图 8.1 所示，图 8.1 为液体内部分子及表面层分子受力情况示意图 体相内的分子，如分子 A，受到周围分子的作用力统计地看是对称的，可相 互抵消；界面层处于两体相之间，受到两相分子不同的作用，分子受力是不对称 的，故界面层的分子例如分子 B、C，有离开界面层进入体相的趋势，其宏观表 现是界面将收缩至具有最小面积。 在相界面上的物质因为具有与体相不同的结构和性质，从而产生的物理现象 和化学现象称为界面现象。 气-液和气-固界面上发生的界面现象也称为表面现象。 例如：毛细现象、润湿、吸附、多相催化等。 8.1.2 表面张力和比表面吉布斯函数 把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。通常采用比表面积来表示分散度 的大小，其定义为：单位质量或单位体积物质所具有的表面积，简称比表面，其 数学表达式如下所示：（空两秒） Am=A/m
AsA/V 式中,Am和As分别为用单位质量和单位体积表示的比表面;A为物质的总 表面积;m和V分别为物质的质量和体积。 物质的表面现象与其分散度有关。物质的颗粒越细,即物质的分散度越大, 其比表面越大,物质的表面现象也越突出。 例如:1/g水,当其为一个球形水滴时表面积为484×10-m2,表面吉布斯 函数为35×103J。若将1/g水分散成直径为1nm的大量微小水滴时,其总表面 积为6000m2,表面吉布斯函数为434。 由于表面层中分子受到指向液体内部的拉力,在宏观上为液体表面受到收缩 力,这种收缩力趋向于减少液体的表面。定义垂直作用于液体表面单位长度上的 收缩力为液体的表面张力,以表示,即y=F/1。 式中,F为垂直作用于液体表面的收缩力; l为液体表面的长度 Y的单位为Mm1 从下面实验中可以观察到表面张力的存在。在金属环中的皂液膜,正反两面 各有一个气液界面。在液膜上放置一棉线环,在线环两边界面中沿着界面的切线 方向,分别有垂直于边缘并方向相反的收缩张力在作用着,它们相互达平衡,故 棉线环保持原先的形状。若将线环内的液膜刺破,线环外的界面中的收缩张力将 牵引线环,使之成为圆形。如下图所示 丝线环 金属圈
2 As=A/V 式中，Am 和 As 分别为用单位质量和单位体积表示的比表面；A 为物质的总 表面积；m 和 V 分别为物质的质量和体积。 物质的表面现象与其分散度有关。物质的颗粒越细，即物质的分散度越大， 其比表面越大，物质的表面现象也越突出。 例如： 1Kg 水，当其为一个球形水滴时表面积为 4 2 4.84 10 m − ，表面吉布斯 函数为 5 3.5 10 J − 。若将 1Kg 水分散成直径为 1nm 的大量微小水滴时，其总表面 积为 6000m2，表面吉布斯函数为 434J。 由于表面层中分子受到指向液体内部的拉力，在宏观上为液体表面受到收缩 力，这种收缩力趋向于减少液体的表面。定义垂直作用于液体表面单位长度上的 收缩力为液体的表面张力，以 γ 表示，即 γ=F/l。 式中，F 为垂直作用于液体表面的收缩力； l 为液体表面的长度 γ的单位为 N•m -1 从下面实验中可以观察到表面张力的存在。在金属环中的皂液膜，正反两面 各有一个气液界面。在液膜上放置一棉线环，在线环两边界面中沿着界面的切线 方向，分别有垂直于边缘并方向相反的收缩张力在作用着，它们相互达平衡，故 棉线环保持原先的形状。若将线环内的液膜刺破，线环外的界面中的收缩张力将 牵引线环，使之成为圆形。如下图所示
如右图所示,在金属框上有一可滑动的金属丝,将此金属框上沾上一层肥皂 液膜。在液膜表面张力的作用下,金属丝将 自动向左移,以减小液膜的表面积。若施加 外力对抗液体的表面张力,使金属丝向右 移动距离,则液膜面积增加为: △x dAs=2ldx 在可逆及无摩擦力的情况下,环境对液膜所作的非体积功,即表面功δWr 为:δ∥r=Fdx=2γldx=γds根据热力学原理,等温、等压和组成不 变的条件下,系统所获得的非体积功等于系统所增加的吉布斯函数,故有: dA 定义:等温、等压及恒组成条件下,可逆地增加单位表面积事系统所增加的 吉布斯函数称为比表面吉布斯函数或表面自由能,简称表面能,以表示Gs,单 位为J·m-2。其数学表达式如下所示:(空两秒) 故有: 表面张力与物质的本性有关。纯液体的表面张力通常是指液体与饱和了该液 体蒸气的空气接触时所表现出表面张力,其大小取决于液相分子间作用力与气相 分子间作用力的差别,而通常气相分子间的作用力远小于液相分子间的作用力 一般而言,液体分子间相互作用力越大,其表面张力越大 表面张力一般随温度升高而降低。因为随温度升高,分子间的距离加大,使 分子间的相互作用力减弱,因此大多数液体的表面张力随温度的升高而下降。而 当温度升至临界温度时,由于液态分子间的作用力与气态分子间的作用力差别消 失,表面张力将降至零。而少数液体例外,如熔融的Cd、Fe、Cu及其合金,液 态的某些硅酸盐等的表面张力却随温度升高而增大 表8.1为20℃时某些液体的表面张力。 表面张力一般随压力升高而减小。因为随温度升高,气相体积质量增大, 时气体分子更多地被液面吸附,并且气体在液体中的溶解度也增大,以上三种效 果均使表面张力下降。因此大多数液体的表面张力随温度的升髙而下降。 另外,分散度等因素也对表面张力有一定影响
3 如右图所示，在金属框上有一可滑动的金属丝，将此金属框上沾上一层肥皂 液膜。在液膜表面张力的作用下，金属丝将 自动向左移，以减小液膜的表面积。若施加 外力对抗液体的表面张力，使金属丝向右 移动距离，则液膜面积增加为： dAs=2ldx 在可逆及无摩擦力的情况下，环境对液膜所作的非体积功，即表面功 δWr´ 为： δWr ´= Fdx = 2γldx = γ dAs 根据热力学原理，等温、等压和组成不 变的条件下，系统所获得的非体积功等于系统所增加的吉布斯函数，故有： dG = γdAs 定义：等温、等压及恒组成条件下，可逆地增加单位表面积事系统所增加的 吉布斯函数称为比表面吉布斯函数或表面自由能，简称表面能，以表示 Gs，单 位为 J•m -2。其数学表达式如下所示：（空两秒） 故有： γ = Gs 表面张力与物质的本性有关。纯液体的表面张力通常是指液体与饱和了该液 体蒸气的空气接触时所表现出表面张力，其大小取决于液相分子间作用力与气相 分子间作用力的差别，而通常气相分子间的作用力远小于液相分子间的作用力。 一般而言，液体分子间相互作用力越大，其表面张力越大。 表面张力一般随温度升高而降低。因为随温度升高，分子间的距离加大，使 分子间的相互作用力减弱，因此大多数液体的表面张力随温度的升高而下降。而 当温度升至临界温度时，由于液态分子间的作用力与气态分子间的作用力差别消 失，表面张力将降至零。而少数液体例外，如熔融的 Cd、Fe、Cu 及其合金，液 态的某些硅酸盐等的表面张力却随温度升高而增大 表 8.1 为 20℃时某些液体的表面张力。 表面张力一般随压力升高而减小。因为随温度升高，气相体积质量增大，同 时气体分子更多地被液面吸附，并且气体在液体中的溶解度也增大，以上三种效 果均使表面张力下降。因此大多数液体的表面张力随温度的升高而下降。 另外，分散度等因素也对表面张力有一定影响
8.1.3弯曲液面的附加压力 弯曲液面分两种:凸液面,例如气相中的液滴;凹液面,如液体中的气泡。 由于表面张力的作用,在弯曲液面两侧形成的气、液相压力差称为弯曲液面的附 加压力,以△p表示,定义:附加压力4P=PFPB 式中,p和pg分别为弯曲液面的液相一侧和气相一侧所承受的压力 当外压为pO时,平液面、凸液面和凹液面的受压情况如下图所示。 △p A「B 平液面 凸液面 凹液面 在平液面上观察一小块面积AB,AB以外的液体的表面张力对AB面周边起作 用,作用力的方向与AB面平行且周围的作用力相互抵消,合力为零,即附加压 力等于零。 若AB为凸液面,则周围液体的表面张力方向与AB面相切,合力向下,表现 为指向液体内部的附加压力,附加压力大于零 若AB为凹液面,那么周围液体的表面张力方向仍与AB面相切,表现为指向 液体外部的附加压力,附加压力小于零。 一定温度下,弯曲液面的附加压力与液体的表面张力成正比,与曲率半径成 反比,其关系为 4p=2y 此式称为拉普拉斯方程。式中,R为液面的曲率半径。 对于凸液面,R为正值,附加压力>O,其附加压力指向液体内部 凹液面,R为负值,附加压力<,其附加压力指向液体外部; 平液面,R为无穷大,附加压力=0 8.2气-固表面现象 8.2.1气-固表面上的吸附
4 8.1.3 弯曲液面的附加压力 弯曲液面分两种：凸液面，例如气相中的液滴；凹液面，如液体中的气泡。 由于表面张力的作用，在弯曲液面两侧形成的气、液相压力差称为弯曲液面的附 加压力，以 Δp 表示，定义：附加压力 Δp=pl-pg。 式中， pl和 pg分别为弯曲液面的液相一侧和气相一侧所承受的压力 当外压为 p0 时，平液面、凸液面和凹液面的受压情况如下图所示。 在平液面上观察一小块面积 AB，AB 以外的液体的表面张力对 AB 面周边起作 用，作用力的方向与 AB 面平行且周围的作用力相互抵消，合力为零，即附加压 力等于零。 若 AB 为凸液面，则周围液体的表面张力方向与 AB 面相切，合力向下，表现 为指向液体内部的附加压力，附加压力大于零。 若 AB 为凹液面，那么周围液体的表面张力方向仍与 AB 面相切，表现为指向 液体外部的附加压力，附加压力小于零。 一定温度下，弯曲液面的附加压力与液体的表面张力成正比，与曲率半径成 反比，其关系为： Δp = 2γ/R 此式称为拉普拉斯方程。式中，R 为液面的曲率半径。 对于凸液面，R 为正值，附加压力>0，其附加压力指向液体内部； 凹液面，R 为负值，附加压力<0，其附加压力指向液体外部； 平液面，R 为无穷大，附加压力= 0。 8.2 气-固表面现象 8.2.1 气-固表面上的吸附
种物质自动附着在另一种物质表面上,从而导致在界面层中物质的浓度, 或分压与它在体相中不同的现象称为吸附。 气-固表面吸附、气-液表面吸附、液-固界面吸附、液-液界面吸附。 在气-固界面上发生吸附时,固体是起吸附作用的物质,称为吸附剂;气体 是被吸附的物质,称为吸附质。 例如:用活性炭吸附溴蒸气时,活性炭为吸附剂,溴是吸附质 固体表面上产生吸附的根本原因在于:固体表面由于表面层中分子受周围分 子作用的力场不平衡而具有表面吉布斯函数,为使系统趋于稳定,固体要从周围 介质中捕获气相,或液相中物质的分子以平衡表面上的不平衡力场。 根据吸附剂和吸附质相互作用的不同,将气-固吸附分为物理吸附和化学吸 附 物理吸附是指吸附质分子通过范德华力而在吸附剂表面上被吸附。 而化学吸附是指吸附质分子通过化学键而在吸附剂表面上被吸附 表8.2列出了物理吸附和化学吸附的主要区别。(空6秒)物理吸附和化学 吸附既有区别又有联系,一定条件下,二者可以同时发生,还可相互转化。 例如氧在金属钨上的吸附,可同时出现三种情况: 氧以原子状态被吸附,为化学吸附;氧以分子状态被吸附,为物理吸附: 一些氧分子被吸附在已被钨吸附的氧原子上,既有化学吸附又有物理吸附。 右图为钯对CO的吸附等压线,图中 p恒定 纵坐标为单位质量吸附剂所吸附C0O的体 积,即吸附量。横坐标为温度。1代表物 理吸附,2代表化学吸附, 从图中可以发现,在低温下下主要 温度 是物理吸附,随温度升高,被吸附CO的 钯对CO的吸附等压线 1—物理吸附;2—化学吸附 减少。温度进一步升高,化学吸附的速率 加快。在173-273K范围内发生从物理吸附为主向以化学吸附为主的转化。273K 以上以化学吸附为主 8.2.2气-固吸附理论
5 一种物质自动附着在另一种物质表面上，从而导致在界面层中物质的浓度， 或分压与它在体相中不同的现象称为吸附。 气-固表面吸附、气-液表面吸附、液-固界面吸附、液-液界面吸附。 在气-固界面上发生吸附时，固体是起吸附作用的物质，称为吸附剂；气体 是被吸附的物质，称为吸附质。 例如：用活性炭吸附溴蒸气时，活性炭为吸附剂，溴是吸附质。 固体表面上产生吸附的根本原因在于：固体表面由于表面层中分子受周围分 子作用的力场不平衡而具有表面吉布斯函数，为使系统趋于稳定，固体要从周围 介质中捕获气相，或液相中物质的分子以平衡表面上的不平衡力场。 根据吸附剂和吸附质相互作用的不同，将气-固吸附分为物理吸附和化学吸 附。 物理吸附是指吸附质分子通过范德华力而在吸附剂表面上被吸附。 而化学吸附是指吸附质分子通过化学键而在吸附剂表面上被吸附。 表 8.2 列出了物理吸附和化学吸附的主要区别。（空 6 秒） 物理吸附和化学 吸附既有区别又有联系，一定条件下，二者可以同时发生，还可相互转化。 例如氧在金属钨上的吸附，可同时出现三种情况： 氧以原子状态被吸附，为化学吸附；氧以分子状态被吸附，为物理吸附； 一些氧分子被吸附在已被钨吸附的氧原 子上，既有化学吸附又有物理吸附。 右图为钯对 CO 的吸附等压线，图中， 纵坐标为单位质量吸附剂所吸附 CO 的体 积，即吸附量。横坐标为温度。1 代表物 理吸附，2 代表化学吸附。 从图中可以发现，在低温下下主要 是物理吸附，随温度升高，被吸附 CO 的 减少。温度进一步升高，化学吸附的速率 加快。在 173 -273K 范围内发生从物理吸附为主向以化学吸附为主的转化。273K 以上以化学吸附为主 8.2.2 气-固吸附理论