第九章界面和胶体化学 物理化学电子教亲 2么第九章界面和胶体化学 十TTTTTT工 §9.1界面现象和界面自由能 §92漩的表(界)面吸附 §9.3圆体表面吸附 §9.4气-固相表面催化反应 §9.5胶体性质和结枸 §9.6嵱胶的动力学性质 §9.7嵱胶的光学性质 §9.8嵱胶的电学性质 §9.9)胶的稳定性的DLVO理论与聚沉 §9.10大分子化合物性质与大分子嵱液 上页
第九章 界面和胶体化学 物理化学电子教案 第九章 界面和胶体化学 §9.1 界面现象和界面自由能 §9.2 溶液的表(界)面吸附 §9.3 固体表面吸附 §9.4 气-固相表面催化反应 §9.9 溶胶的稳定性的DLVO理论与聚沉 §9.5 胶体性质和结构 §9.6 溶胶的动力学性质 §9.7 溶胶的光学性质 §9.8 溶胶的电学性质 §9.10 大分子化合物性质与大分子溶液
Ar第九章界面和胶体化学 物理化学电子教案 59.1界面现象和界面 Gibbs自由能 界面化学是研究任意两相之间界面上所发生 的物理化学变化过程的科学.界面现象则是讨论 相界面上所发生的一切行为 界面:指密切接触的两相之间的过渡区(约 几个分子厚度),若其中一相为气相,这种界面为 表面 界面上的分子和体相中的分子处境不同,性 质也不同,所以界面层具有某些特殊性质 下面将讨论界面现象的些基本概念及其应用 王页下
第九章 界面和胶体化学 物理化学电子教案 §9.1 界面现象和界面Gibbs自由能 界面化学是研究任意两相之间界面上所发生 的物理化学变化过程的科学. 界面现象则是讨论 相界面上所发生的一切行为. 界面：指密切接触的两相之间的过渡区 ( 约 几个分子厚度 ), 若其中一相为气相, 这种界面为 表面. 界面上的分子和体相中的分子处境不同, 性 质也不同, 所以界面层具有某些特殊性质. 下面将讨论界面现象的些基本概念及其应用
Ar第九章界面和胶体化学 物理化学电子教案 士士 界面 Gibbs自由能与界面张力 1.界面 Gibbs自由能 由于界面上的分子和体相内分子处境不同(下 图是g1表面分子受力情况示意图),则液体表面层 分子受到一个指向液体内部的拉力因此在没有其 它功存在时,任何液体都有自动缩小表面的趋势 工工工 若要扩展液体表面, Q域相 则需把液体内部分子拉 4到表面上此时要克服°° 体相内分子的引力而作 功—称为表面功 液体体相和表面分子分布示意 上页 圆
第九章 界面和胶体化学 物理化学电子教案 一. 界面Gibbs自由能与界面张力 由于界面上的分子和体相内分子处境不同 (下 图是 g-l 表面分子受力情况示意图), 则液体表面层 分子受到一个指向液体内部的拉力. 因此在没有其 它功存在时, 任何液体都有自动缩小表面的趋势. 若要扩展液体表面, 则需把液体内部分子拉 到表面上, 此时要克服 体相内分子的引力而作 功—称为表面功. 1. 界面Gibbs自由能
Ar第九章界面和胶体化学 物理化学电子教案 在温度、压力、组成恒定时,可逆地使液体 表面增加dA面积所做的功为: -OW=nA “-”表示外力做功. 根据热力学原理,在恒温恒压可逆条件下: 即y aG SW=dGT, T, p 式中7称为表面 Gibbs自由能,意义:是指在 温度、压力和组成一定的条件下,可逆地增加单 位表面时所引起系统的 Gibbs自由能变化。 单位Jm2 上页
第九章 界面和胶体化学 物理化学电子教案 在温度、压力、组成恒定时, 可逆地使液体 表面增加dA面积所做的功为： − W = dA “-”表示外力做功. 根据热力学原理, 在恒温恒压可逆条件下: −W = dGT,p T,p = A G 即 式中γ称为表面Gibbs自由能. 意义：是指在 温度、压力和组成一定的条件下, 可逆地增加单 位表面时所引起系统的Gibbs自由能变化。 单位 J·m-2
Ar第九章界面和胶体化学 物理化学电子教案 表面 Gibbs自由能广义概念:考虑表面功时, 热力学基本关系为: d=Tds-pd+4+∑dnB B dH=TdS++d4+∑dmnB B dF=-ST-pd+d4+∑ uBon B dG=-TdS+四+dl4+2dmB B 于是y aU aH OF aG A OA S, p, nB aA)r,y,…B T, p, nB 可见,y是在相应变不变的条件下,扩展单位 表面积所引起体系热力学函数的增量 王页下
第九章 界面和胶体化学 物理化学电子教案 表面Gibbs自由能广义概念：考虑表面功时, 热力学基本关系为： = − + + B dU TdS pdV dA B dnB = + + + B dH TdS Vdp dA B dnB = − − + + B dF SdT pdV dA B dnB = − + + + B dG TdS Vdp dA B dnB B B B nB S,V,n S,p,n T,V,n T,p, = = = = A G A F A H A U 于是 可见, 是在相应变不变的条件下，扩展单位 表面积所引起体系热力学函数的增量.
Ar第九章界面和胶体化学 物理化学电子教案 A2.界(表)面张力 上单位:Jm2=(Nm)m2=Nm1为力的量 纲,故也称为表面张力 物理意义:指垂直作用于表面边界线上任意单 位长度并与表面相切而指向表面中心的界面紧缩力 金属丝环 丝线 实验:将金属丝环同软 丝线圈侵入肥皂液中,(右图 演示表面张力示意图) (a)丝线圈内肥皂腰未刺破时 (b)丝线圈内肥皂膜剩破后 牛通常纯液体的表面张力,一般是指该液体和饱 c和了本身蒸汽与空气接触而言 y是物质的特性,其大小与温度、压力、组成 牛及共存的另一相有关 上页
第九章 界面和胶体化学 物理化学电子教案 2. 界(表)面张力 物理意义: 指垂直作用于表面边界线上任意单 位长度并与表面相切而指向表面中心的界面紧缩力. 实验: 将金属丝环同软 丝线圈侵入肥皂液中, (右图 演示表面张力示意图). γ的单位: J·m-2= (N·m)·m-2= N·m-1 为力的量 纲, 故也称为表面张力. 通常纯液体的表面张力, 一般是指该液体和饱 和了本身蒸汽与空气接触而言。 是物质的特性, 其大小与温度、压力、组成 及共存的另一相有关.
Ar第九章界面和胶体化学 物理化学电子教案 3.界(表)面张力与温度的关糸 温度升高界面张力下降(温度升高体相内分子 作用力减小,且共存蒸汽密度增加),当达到临界温 度时表面张力趋于零。 从热力学基本关系,结合全微分的性质得 ras y aA T,V, nB aT A,V, nB aS (ar OT T, P, nB A, p, nB 上两式都乘以T,则 y TaS 扩大表面所吸收之热。 A aA 为正值,为 上页
第九章 界面和胶体化学 物理化学电子教案 3. 界(表)面张力与温度的关系 温度升高界面张力下降 (温度升高体相内分子 作用力减小, 且共存蒸汽密度增加), 当达到临界温 度时表面张力趋于零。 从热力学基本关系，结合全微分的性质得： B nB T,V,n A,V, = − A T S B nB T,p,n A,p, = − A T S 上两式都乘以T, 则 为正值, 为 扩大表面所吸收之热。 = − A T S A
Ar第九章界面和胶体化学 物理化学电子教案 所以, <0,即T,,可推知,若以 OA 绝热方式扩大表面,体系温度必下降 对于体系内能及焓的变化值,在指定条件下 王扩展表面时: aL S y =y一 4 =y+T aT T,V, nB aA T,V, nB aH y+ y y T T, P, nB A , P,n A, p, nB 由此两式求得恒温条件下,体系扩展表面时 内能及焓的变化值 上页
第九章 界面和胶体化学 物理化学电子教案 对于体系内能及焓的变化值, 在指定条件下 扩展表面时： T,V,nB T,V,nB = + A S T A U nB A,V, = − T T B nB T,p,n T,p, = + A S T A H nB A,p, = − T T 由此两式求得恒温条件下, 体系扩展表面时 内能及焓的变化值。 所以， 0 , 即 T↑, ↓. 可推知, 若以 A 绝热方式扩大表面，体系温度必下降.
Ar第九章界面和胶体化学 物理化学电子教案 4≌3界表)面效应 界面层的特性,对其它方面的性质也有影响, 而且随分散度增大,其影响更显著。 通常用比表面(单位体积或单位质量物体具有 的表面积来表示分散度,即 A A=n或A= 对于一个边长为l的立方体,比表面是: A=4=6126 若分割为各种边长的小立方体,分散度愈大比 表面愈大(參参数据表表面能愈高,势必对系统的物 理化学性质产生影响. 上页
第九章 界面和胶体化学 物理化学电子教案 3. 界(表)面效应 界面层的特性, 对其它方面的性质也有影响, 而且随分散度增大, 其影响更显著。 通常用比表面(单位体积或单位质量物体具有 的表面积)来表示分散度, 即 V A A0 = W A 或 A0 = 对于一个边长为 l 的立方体, 比表面是: l l l V A A 6 6 3 2 0 = = = 若分割为各种边长的小立方体, 分散度愈大比 表面愈大(参数据表),表面能愈高, 势必对系统的物 理化学性质产生影响
Ar第九章界面和胶体化学 物理化学电子教案 例如1g水作为球体存在时,其表面积为 2/3 3 1cm=m3A=4m2=44兀 =4.85cm 3 王若z水分为半07m的小水珠可得 3z(107)=24×1020个 表面积为:A=4(10)2×2.4×1020 =3.0×107cm2=3.0×104m2 可见,分割的愈细表面积愈大.对胶体是高分散 王度度系统粒子的尺寸在109-10m之间具有很大 的表面积,突出地表现出表面效应.因此胶体化学中 所研究的许多问题属于表面化学问题. 上页
第九章 界面和胶体化学 物理化学电子教案 例如1g水作为球体存在时, 其表面积为: 3 3 3 4 1cm = r 2 2/ 3 2 4.85cm 4 3 4 4 = = = A r 若1g水分为半径10-7cm的小水珠, 可得 (10 7 ) 3 2.4 102 0个 3 4 1 = − 表面积为: 7 2 2 0 = 4 10 2.410 A （ − ） 可见, 分割的愈细表面积愈大. 对胶体是高分散 度度系统, 粒子的尺寸在10-9～10-7m 之间, 具有很大 的表面积, 突出地表现出表面效应. 因此胶体化学中 所研究的许多问题属于表面化学问题. 7 2 4 2 = 3.010 cm = 3.010 m