第15章 界面现象

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1、扩展篇扩展篇 扩展篇将前面几篇总结的知识扩展篇将前面几篇总结的知识,扩展并应用扩展并应用于界面现象、电解质溶液、电化学反应以及胶于界面现象、电解质溶液、电化学反应以及胶体系统，综合讨论这些系统的相平衡、化学平体系统，综合讨论这些系统的相平衡、化学平衡、传递速率和反应速率的规律。衡、传递速率和反应速率的规律。返回首页III. 界面速率过程界面速率过程15.12 动态界面张力动态界面张力15.13 表面膜中的化学反应表面膜中的化学反应15.14 多相催化作用多相催化作用15.15 多相催化动力学多相催化动力学多相系统的各多相系统的各相之间存在着界面。相之间存在着界面。两相之间两相之间存在一个厚度为

2、纳存在一个厚度为纳米级的界面层。米级的界面层。常将界面层（区别于常将界面层（区别于体相体相）单独处理为一）单独处理为一个相个相界面相。界面相。描述体相的状态函数描述体相的状态函数T,p,V和和ni(i=1K) T,p和和xi（bi，ci） 描述界面相的状态函数描述界面相的状态函数T, ，As和和 (i=1K) T, 和和)( in)( i返回首页与界面有关的各种物理和化学现象的总称。与界面有关的各种物理和化学现象的总称。界面热力学。界面热力学。 界面动力学和吸附动力学。界面动力学和吸附动力学。 表面层的结构和分子形态。表面层的结构和分子形态。吸附吸附 分离；如用活性炭脱除有机物等。分离；如用活

3、性炭脱除有机物等。多相催化多相催化 在气相或液相中使用固体催化剂加速反应。在气相或液相中使用固体催化剂加速反应。表面膜表面膜 双层膜或囊泡，双层膜或囊泡，LB膜、单分子膜。膜、单分子膜。新相生成新相生成 晶核生成、晶体生长与亚稳现象。晶核生成、晶体生长与亚稳现象。泡沫和乳状液泡沫和乳状液 发泡与消泡。发泡与消泡。摩擦与润滑摩擦与润滑去垢去垢 洗涤剂的选用。洗涤剂的选用。选矿选矿 浮选。浮选。返回首页 能显著地降低界面张力和改变界面状态的物质。能显著地降低界面张力和改变界面状态的物质。 分子中同时含有亲水的极性基团和憎水的非极性分子中同时含有亲水的极性基团和憎水的非极性碳链或环，通常存在于两相界

4、面上。碳链或环，通常存在于两相界面上。 分子通过聚集、定向排列、自组装形成一定的有分子通过聚集、定向排列、自组装形成一定的有序聚集体。序聚集体。CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CO-ONa+亲水头基亲水头基憎水尾链憎水尾链反离子反离子 表面活性剂分子结构表面活性剂分子结构与聚集体结构关系与聚集体结构关系排列参数排列参数g = V/a0lV: 憎水尾链和共溶剂所占有憎水尾链和共溶剂所占有的体积的体积 ，a0 : 亲水头基的截面面积，亲水头基的截面面积，l : 憎水尾链憎水尾链CH基的长度。基的长度。其中其中213131 12111 Va0l返回首页表面活性

5、剂分子在达到表面活性剂分子在达到临界胶束浓度后可自发临界胶束浓度后可自发地形成棒状胶束或者反地形成棒状胶束或者反胶束。这些各向异性的胶束。这些各向异性的结构作为软模板可合成结构作为软模板可合成纳米线。如纳米金、纳纳米线。如纳米金、纳米银。米银。表面活性剂单体表面活性剂单体表面活性剂胶束表面活性剂胶束金属离子定金属离子定向还原生长向还原生长纳米金属线纳米金属线聚集聚集加入加入金属金属离子离子除去除去表面表面活性活性剂剂 a 以偶联以偶联表面活表面活性剂为性剂为模板制模板制备的银备的银纳米线纳米线胶体化学制备纳米材料胶体化学制备纳米材料界面层中的张力界面层中的张力 界面界面可看作一张绷紧的弹性可看

6、作一张绷紧的弹性薄膜，其中存在着使薄薄膜，其中存在着使薄膜面积减小的收缩张力。膜面积减小的收缩张力。它在界面中处处存在，它在界面中处处存在，在边缘处则可以明确表在边缘处则可以明确表示。示。 返回首页界面中的张力界面中的张力界面张力与界面功界面张力与界面功界面中单位长度的收缩张力界面中单位长度的收缩张力(单位为单位为Nm-1或或Jm-2)；它沿界面的切线方向作用于边缘上，并垂直于；它沿界面的切线方向作用于边缘上，并垂直于边缘。边缘。返回首页lf 2 sRd -dAW sRdd2ddAxlxfW t / H2O C6H5NO2 C6H6 CH3COOH CCl4 C2H5OH 0 0.07564

7、0.0464 0.0316 0.0295 0.0292 0.0240 25 0.07197 0.0432 0.0282 0.0271 0.0261 0.0218 50 0.06791 0.0402 0.0250 0.0246 0.0231 0.0198 75 0.0635 0.0373 0.0219 0.0220 0.0202 第一相第一相 第二相第二相 / N m 1 第一相第一相 第二相第二相 / N m 1 正丁醇正丁醇 0.0018 水水 0.415 乙酸乙酯乙酸乙酯 0.0068 乙醇乙醇 0.389 苯甲醛苯甲醛 0.0155 正庚烷正庚烷 0.378 苯苯 0.0350 苯苯 0

8、.357 水水 正庚烷正庚烷 0.0502 汞汞 20时一些界面张力的数据时一些界面张力的数据 返回首页 def 铺展压铺展压 返回首页膜天平膜天平实际系统与吉布斯界面模型，实际系统与吉布斯界面模型，界面相为平面界面相为平面)(,)(,)( 实实际际实实际际界界面面层层iiiinnnn )()()(, iicVn实实际际实实际际 )()()(, iicVn实实际际实实际际 。(1)将界面层抽象为无厚度因而无体积的几何面界面相将界面层抽象为无厚度因而无体积的几何面界面相（ ），以符号），以符号 表示。表示。(2) 相和相和 相的强度性质与实际系统中相的强度性质与实际系统中 相和相和 相的强相的强

9、度性质完全相同。度性质完全相同。SS,)()( 实实际际VV ,)()( 实实际际VV )()( VVV 返回首页实际系统与吉布斯界面模型，实际系统与吉布斯界面模型，界面相为平面界面相为平面(3)界面过剩量和单位界面过剩量界面过剩量和单位界面过剩量 )()(def)( iiiinnnn )()()()()()()()()( iiiiiiiccVVcncVcVn 界面过剩量界面过剩量 s)(defAni 单位单位molm-2单位界面过剩量单位界面过剩量 返回首页界面过剩量的物理图像界面过剩量的物理图像 实际系统与吉布斯模型中不同高度处溶剂与溶质的浓度实际系统与吉布斯模型中不同高度处溶剂与溶质的浓

10、度返回首页)()(def)( iiiinnnn （4）吉布斯单位界面过剩量）吉布斯单位界面过剩量 以溶剂以溶剂1为参照，定义为参照，定义溶质溶质i相对于溶剂相对于溶剂1的单位界面过剩量。的单位界面过剩量。 0)1(1 )0(1def)1( ii实际系统与吉布斯模型中不同高度处溶剂与溶质的实际系统与吉布斯模型中不同高度处溶剂与溶质的浓度浓度返回首页定义定义(1)(1)(1)()()(11)()(1)(1)()()(1)()()( ccccVcnVcnccccnniiiiiii )(1)(1)()(1)1( cccciiii d de ef f定义定义(2) )0(1)1( iid de ef f

11、返回首页吸附吸附 物质在界面层中被富集或被排开物质在界面层中被富集或被排开( (反富集反富集) )的的现象称为吸附。现象称为吸附。单位界面吸附量单位界面吸附量 即单位界面过剩量。即单位界面过剩量。 i 可称为单位可称为单位界面吸附量界面吸附量， 则称为溶质则称为溶质i的吉布斯单位界面吸的吉布斯单位界面吸附量。附量。)1(i正吸附作用正吸附作用 负吸附作用负吸附作用 0)1( i0)1( i)(ssdef0sVAmAA 半半径径r / m 分分散散后后液液滴滴数数 2smA )kgm(120sA 102 1 126103. 3101 103 103 126102. 3 104 106 12610