第7章表面现象

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1、 表面现象是自然界中常见的现象：露珠，防雨布，毛细管，活表面现象是自然界中常见的现象：露珠，防雨布，毛细管，活性碳，肥皂水起泡。与表面层分子性质有关，体系表面层的性质往性碳，肥皂水起泡。与表面层分子性质有关，体系表面层的性质往往与体系内部不同。往与体系内部不同。图图6-1 表面层分子受力示意图表面层分子受力示意图图图6-2 分割边长分割边长1cm的立方体为的立方体为1mm的立方体的立方体颗粒越细小的物质，表面现象越明显，突出。物质的粉碎程度叫颗粒越细小的物质，表面现象越明显，突出。物质的粉碎程度叫分散度，常用单位体积的物质所具有的表面积表示。分散度，常用单位体积的物质所具有的表面积表示。表面现

2、象与工农业生产的关系：化工生产中的多相催化；火法表面现象与工农业生产的关系：化工生产中的多相催化；火法冶金中的夹杂物排除；选矿作业中的浮选；农业中的土壤性质；冶金中的夹杂物排除；选矿作业中的浮选；农业中的土壤性质；农药的配制；农药的配制；第六章 表面现象1.液体的表面张力液体的表面张力 图图6-3 表面张力示意图表面张力示意图表面张力表面张力：物质的表面层分子由于受到内部分子的吸引，都趋：物质的表面层分子由于受到内部分子的吸引，都趋向于挤向内部，使表面积尽量缩小，结果在表面切线的方向上向于挤向内部，使表面积尽量缩小，结果在表面切线的方向上有一种缩小表面的力作用着，该力就是表面张力。有一种缩小表

3、面的力作用着，该力就是表面张力。2.液液-液界面张力液界面张力 表表6-2 安东诺夫规则安东诺夫规则 12=1-2 为一液体为另一液体饱和后的表面张力为一液体为另一液体饱和后的表面张力3.固体的表面张力固体的表面张力 测定方法：测定方法： 劈裂法或临界熔点法劈裂法或临界熔点法4.表面张力与温度的关系表面张力与温度的关系 表面张力总是随着温度的升高而降低，临界温度表面张力为表面张力总是随着温度的升高而降低，临界温度表面张力为零。体积膨胀与蒸气压增大。零。体积膨胀与蒸气压增大。一、表面张力及其影一、表面张力及其影响响1. 1. 表面张力表面张力 表面层粒子受力不均匀，产生内压力。表面层粒子受力不均

4、匀，产生内压力。 表面有自动缩小的趋势，产生表面收缩力。表面有自动缩小的趋势，产生表面收缩力。表面层粒子受力分析表面层粒子受力分析图图6-2 分割边长分割边长1cm的立方体为的立方体为1mm的立方体的立方体将将1个边长为个边长为1cm 的立的立方体分割成更小的立方体分割成更小的立方体，每分割方体，每分割1次，边次，边长为原来的长为原来的1/10，颗，颗粒数增大粒数增大1000倍，总倍，总面积增大面积增大10倍，比表倍，比表面增大面增大10倍。当边长倍。当边长为为10(-7)cm时，颗粒时，颗粒数为数为10(21),总面积为总面积为6000平米，比表面积平米，比表面积为为6109/m2图图6-3

5、 表面张力示意图表面张力示意图flf=2l=f/(2l):表面张力表面张力表面自由能表面自由能：当分子从内部移到表面时，必须反抗向内的：当分子从内部移到表面时，必须反抗向内的吸引力，从周围吸收能量，使表面层分子比内部分子具有吸引力，从周围吸收能量，使表面层分子比内部分子具有的较多能量。的较多能量。体系的表面自由能等于表面张力与表面积的乘积体系的表面自由能等于表面张力与表面积的乘积图图6-4 表面能与表面张力关系的示意图表面能与表面张力关系的示意图表面张力是体系恒温、恒压下增加单位表面所引起的吉布表面张力是体系恒温、恒压下增加单位表面所引起的吉布斯自由能增量，比表面自由能。单位斯自由能增量，比表

6、面自由能。单位J/m2，N/m即即 表面张力等于比表面自由能，反之亦然。表面张力等于比表面自由能，反之亦然。根据热力学的最小自由能原理，表面自由能的减小有两种根据热力学的最小自由能原理，表面自由能的减小有两种可能：或减小表面积可能：或减小表面积A，或减小表面张力，或减小表面张力；或两者同时减；或两者同时减小。小。1.减小表面积减小表面积A： G= A 球状露珠球状露珠 2.减小表面张力减小表面张力： G= A 吸附作用吸附作用图图6-4 表面能与表面张力关系示意图表面能与表面张力关系示意图W=f* （环境）（环境） f=2*lW= 2 *l * 2l *= AW= *A又又G=W G= *A

7、= G/ A =(G/ A)T,P1.附加压力附加压力Ps 在气泡的弯曲液面上，液体的表面张力迫使液面向内收缩，在气泡的弯曲液面上，液体的表面张力迫使液面向内收缩，产生一种额外的压力，这个额外的压力叫做附加压力。产生一种额外的压力，这个额外的压力叫做附加压力。 图图6-5 附加压力产生示意图，正、负附加压力附加压力产生示意图，正、负附加压力 2.附加压力与曲率半径的关系附加压力与曲率半径的关系 图图6-6 曲率半径对附加压力的影响曲率半径对附加压力的影响 图图6-7 附加压力与曲率半径的关系附加压力与曲率半径的关系炼钢脱碳过程产生的炼钢脱碳过程产生的CO气泡是在炉底耐火材料缝隙中生成的。气泡是

8、在炉底耐火材料缝隙中生成的。3.气泡最大压力法测定表面张力气泡最大压力法测定表面张力 根据公式根据公式Ps=2/r 测定。测定。图图6-8 表面张力测定原理图表面张力测定原理图图图6-5 附加压力产生示意图附加压力产生示意图a：零附加压力：零附加压力 b：正附加压力：正附加压力 c：负附加压力：负附加压力图图6-6 曲率半径对附加压力的影响曲率半径对附加压力的影响 在玻璃管的两端，吹两个半径不同的气泡在玻璃管的两端，吹两个半径不同的气泡A和和B。打开活。打开活塞，使气泡相通，则小气泡塞，使气泡相通，则小气泡B收缩，而大气泡收缩，而大气泡B变得更大。因变得更大。因为小气泡内气体的压力较大，即附加

9、压力较大。为小气泡内气体的压力较大，即附加压力较大。图图7-3 附加压力与曲率半径的关系附加压力与曲率半径的关系PsdV=dAA=4r2dA=8r drV=4r3/3dV= 4r2drPs=2/r拉普拉斯公式拉普拉斯公式 推动活塞使气泡半径由推动活塞使气泡半径由r增加增加dr，则体积和表面积增加，则体积和表面积增加dV和和dA。根据。根据热力学原理，气泡表面自由能的增量等于反抗附加压力所消耗的功。热力学原理，气泡表面自由能的增量等于反抗附加压力所消耗的功。表面张力测定原理示意图表面张力测定原理示意图适用于测定高温熔体的表面张力及液-液界面张力图图a中，一根半径为中，一根半径为r的毛细管插入液面

10、，的毛细管插入液面，逐步增大毛细管内的逐步增大毛细管内的压力，当压力增大到压力，当压力增大到Po+P，毛细管端恰，毛细管端恰好产生一半径为好产生一半径为r 的气的气泡时，泡时， P可用可用U型压型压力计测得，为最大压力计测得，为最大压力差。在理论上力差。在理论上P等等于气泡的附加压力于气泡的附加压力Ps，则则=Ps*r/2= P*r/21. 润湿现象润湿现象 润湿现象是自然界常见的现象。玻璃上的水滴自动铺展，润湿现象是自然界常见的现象。玻璃上的水滴自动铺展，石蜡上的水滴仍保持球状，呈扁球形。亲水物质，疏水物质。石蜡上的水滴仍保持球状，呈扁球形。亲水物质，疏水物质。与物质的分子结构有关，极性分子

11、水与极性分子和离子相亲，与物质的分子结构有关，极性分子水与极性分子和离子相亲，与非极性分子相疏。与非极性分子相疏。附着润湿：附着功附着润湿：附着功 内聚功内聚功铺展润湿：铺展系数铺展润湿：铺展系数 slsgaWlg浸渍润湿：浸渍功浸渍润湿：浸渍功lgslsgslZlglglg20CWslsgiW对同一体系，对同一体系，WaWiZsl 3. 润湿现象与冶金的关系润湿现象与冶金的关系 金属浇铸时熔融金属对砂型的润湿性金属浇铸时熔融金属对砂型的润湿性 促进晶核形成，细化晶粒促进晶核形成，细化晶粒 在电解铝生产中熔体对碳素电极的润湿性在电解铝生产中熔体对碳素电极的润湿性阳极效应阳极效应 焊接金属焊接金