界面和胶体化学总结课件.pptx
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- 界面 胶体化学 总结 课件
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1、- 1 -表表现象现象8.1 表面表面Gibbs自由能和表面张力自由能和表面张力8.2 纯液体的表面现象纯液体的表面现象8.3 气体在固体表面上的吸附气体在固体表面上的吸附8.4 溶液的表面吸附溶液的表面吸附8.9 溶胶的聚沉溶胶的聚沉8.5 表面活性剂及其作用表面活性剂及其作用8.6 分散系统的分类分散系统的分类8.7 溶胶的光学和力学性质溶胶的光学和力学性质8.8 溶胶的电学性质溶胶的电学性质表面现象分散系统- 2 -2007年度诺贝尔化学奖年度诺贝尔化学奖 德国科学家格哈德德国科学家格哈德-埃埃特尔特尔 表彰他在表彰他在“固体表面固体表面化学过程化学过程”研究中做研究中做的贡献的贡献 表
2、表现象现象- 3 -人工降雨原理有机蒸馏时要加沸石防止暴沸的原理除地保墒原理- 4 -表面和界面表面和界面( (surface and interface) ) 界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区,若其中一相为气体,这种界面通常称为表面。 常见的界面有:气-液界面,气-固界面,液-液界面,液-固界面,固-固界面。- 5 - 严格讲表面应是液体或固体与其饱和蒸气之间的界面,但习惯上把液体或固体与空气的界面称为液体或固体的表面。- 6 - 7 - 8 - 9 - 由于表面上的分子和体相内分子处境不同由于表面上的分子和体相内分子处境不同 (下图下图是是 g-l 表面分子受力情况示意图表面分子受
3、力情况示意图),则液体表面层分则液体表面层分子受到一个指向液体内部的拉力子受到一个指向液体内部的拉力。 若要扩展液体表面若要扩展液体表面, 则需则需把液体内部分子拉到表面上把液体内部分子拉到表面上, 此时要克服此时要克服体相内分子的引体相内分子的引力而作功力而作功称为称为表面功表面功。1. 表面表面Gibbs自由能自由能8.1 表面表面Gibbs自由能和表面张力自由能和表面张力 因此,在没有其它功存在时因此,在没有其它功存在时, 任何液任何液体都有自动缩小表面的趋势体都有自动缩小表面的趋势。- 10 - 在在温度、压力、组成恒定温度、压力、组成恒定时时, 扩展表面所做扩展表面所做的功与增加的表
4、面积的功与增加的表面积dA成正比:成正比:dWA根据热力学原理根据热力学原理, 在在恒温恒压可逆恒温恒压可逆条件下条件下: :T,pdGWT,pGA即即 式中式中称为表面称为表面Gibbs自由能自由能. 意义:意义:是指在是指在温度、压力和组成一定的条件下温度、压力和组成一定的条件下, 可逆地增加单可逆地增加单位表面时所引起系统的位表面时所引起系统的Gibbs自由能的增量。自由能的增量。 单位单位 Jm-2.- 11 -2. 表面张力表面张力 物理意义物理意义: 在相表面的切面上,垂直作用于表面在相表面的切面上,垂直作用于表面上任意单位长度切线的表面紧缩力上任意单位长度切线的表面紧缩力。 的单
5、位的单位: Jm-2= (Nm)m-2= Nm-1 为力的量纲为力的量纲, 故故也称为也称为表面张力表面张力.- 12 - 温度升高温度升高表面张力下降表面张力下降 (温度升高体相内分子温度升高体相内分子作用力减小。作用力减小。 对于纯液体对于纯液体, 若不特别说明,共存的另一相指若不特别说明,共存的另一相指标准压力时的空气或饱和蒸气。标准压力时的空气或饱和蒸气。 是物质的特性是物质的特性, 是强度性质是强度性质,其大小与,其大小与温度、温度、压力、组成及共存的另一相有关。压力、组成及共存的另一相有关。- 13 - 20时,将1克汞分散成直径为710-8m微粒,试求过程的G。已知汞的密度为13
6、.6103kg.m-3,汞的表面张力为48310-3N.m-1。 解解:1克汞的体积V = 110-3/,分散成 直径为710-8m微粒数 G = A = N4r 2 例题33 10r J1053106 .131031048383333.04J3334103)3/4(rrVN当被高度分散时,表面能不可忽略当被高度分散时,表面能不可忽略表面能过高使系统处于不稳定,如粉尘厂粉尘爆炸。表面能过高使系统处于不稳定,如粉尘厂粉尘爆炸。- 14 -1. 附加压力附加压力如果液面是弯曲的,则这种紧缩趋势会对液面产生如果液面是弯曲的,则这种紧缩趋势会对液面产生附加压力。附加压力。8.2 纯液体的表面现象由于表
7、面能的作用,任何液面都有尽量紧缩而减小表面积的趋势。- 15 -r活塞施加的压力活塞施加的压力当大量液体与小液滴压力平衡时当大量液体与小液滴压力平衡时ppp - pp p 当活塞的位置向下作一无限小的移动时当活塞的位置向下作一无限小的移动时此过程液体的净得功此过程液体的净得功p dVpdVpdV dAdApdV 23(4)4()32drdrpr - 16 -杨-拉普拉斯公式 1805年Young-Laplace导出了附加压力与曲率半径之间的关系式: 根据数学上规定,凸面的曲率半径取正值,凹面的曲率半径取负值。所以,凸面的附加压力指向液体,凹面的附加压力指向气体,即附加压力总是指向曲面的球心。2
8、pr - 17 -讨论讨论: 凸液面:凸液面:r 0, 附加压力指向液体内部附加压力指向液体内部, 液液体所受压力大于外压体所受压力大于外压; 凹液面:凹液面:r 0, pr po, 蒸汽压大于平面液体的平衡蒸汽压大于平面液体的平衡蒸汽压蒸汽压; 凹液面:凹液面:r 0, pr pr(平液面平液面)pr(毛细管中凹液面毛细管中凹液面)r02lnpMRTpr- 20 -10-1101100102103123r / nmPr 表面曲率半径对水的蒸汽压的影响小液滴毛细管中凹液面298.15 K平面液体曲率半径r越小,偏离程度越大- 21 -由开尔文公式可以解释一些过饱和现象。由开尔文公式可以解释一些
9、过饱和现象。 过饱和蒸汽过饱和蒸汽人工降雨原理人工降雨原理 过热液体过热液体 过饱和溶液过饱和溶液 过饱和蒸汽过饱和蒸汽, 过饱和溶液以及过冷过饱和溶液以及过冷, 过热液等过热液等称为介稳状态称为介稳状态. 其存在的原因皆是因为其存在的原因皆是因为“新相难新相难以生成以生成”所致。所致。- 22 -3. 液体的润湿与铺展液体的润湿与铺展1. 液体在固体表面上的润湿作用液体在固体表面上的润湿作用在固体表面放一滴液体 在气、液、固三相交界点,气-液、液-固、固气这三个表面张力都趋缩小各自的表面积。表面张力:表面紧缩力- 23 - 在气、液、固三相交界点,气-液与液-固表面张力之间的夹角称为接触角,
10、通常用q表示。接触角与润湿作用接触角与润湿作用- 24 -s-gs-ll-gcosq若接触角大于90,说明液体不能润湿固体,如汞在玻璃表面;若接触角小于90,液体能润湿固体,如水在洁净的玻璃表面。等于0 时,表示完全润湿。完全润湿。接触角的大小可用实验测量,也可用公式计算。接触角与润湿方程 能被液体所润湿的固体称为能被液体所润湿的固体称为亲液性固体亲液性固体, 不能被液不能被液体所润湿的固体称为体所润湿的固体称为憎液性固体憎液性固体。- 25 -把半径为把半径为r的毛细管插入液体中,的毛细管插入液体中,若液体能润湿管壁,管中将形成凹面若液体能润湿管壁,管中将形成凹面,液体在毛细管中上升液体在毛
11、细管中上升;若不能润湿管壁,管中将形成凸面,液体在毛细管中下降若不能润湿管壁,管中将形成凸面,液体在毛细管中下降。(a) 液体在毛细管中上升h(b) 液体在毛细管中下降h4.毛细管现象由于附加压力而引起的液面与管外液面有高度差的现象称为毛细管现象。 pAppghAp - 26 -q qq qr若毛细管的半径为若毛细管的半径为R,曲率半径,曲率半径rr= R/ cos p = 2/r = gh2coshgRq在一定温度下,毛细管的半径在一定温度下,毛细管的半径 r 愈小,液体对管壁的润湿愈好,愈小,液体对管壁的润湿愈好,液体在毛细管中上升得愈高。液体在毛细管中上升得愈高。当液体不能润湿管壁时,当
12、液体不能润湿管壁时, 900,cos90, 90, 90)_- 29 -8.3 气体在固体表面上的吸附 固体表面分子与液体表面分子一样,也具有表面吉布固体表面分子与液体表面分子一样,也具有表面吉布斯函数。由于固体不具有流动性,不能像斯函数。由于固体不具有流动性,不能像液体那样以液体那样以尽量减少表面积的方式降低表面能。尽量减少表面积的方式降低表面能。固体表面分子是通过对气体分子在固体表面发生相对固体表面分子是通过对气体分子在固体表面发生相对的聚集,以的聚集,以降低固体表面能降低固体表面能,使具有较大表面积的固,使具有较大表面积的固体系统趋于稳定。体系统趋于稳定。气体分子在固体表面聚集的现象称为
13、气体分子在固体表面聚集的现象称为吸附吸附; 固体叫固体叫吸附剂吸附剂; 被吸附的气体叫被吸附的气体叫吸附质吸附质。- 30 -固体对气体的吸附按固体对气体的吸附按其作用力性质其作用力性质不同可分为两大类:不同可分为两大类:物理吸附和化学吸附物理吸附和化学吸附- 31 -物理吸附和化学吸附物理吸附和化学吸附 固体对气体的吸附按固体对气体的吸附按其作用力性质其作用力性质不同可分不同可分为两大类:物理吸附和化学吸附,它们各自吸附为两大类:物理吸附和化学吸附,它们各自吸附的特点及规律见下表:的特点及规律见下表:吸附类别吸附类别物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附 吸附力吸附力 吸附速率吸附速率 吸附热吸附
14、热 吸附分子层吸附分子层 选择性选择性 稳定性稳定性van der Waals van der Waals 力力较快较快, ,不受温度的影响不受温度的影响, ,一一般不需要活化能般不需要活化能较小,与液化热相近较小,与液化热相近单分子层或多分子层单分子层或多分子层无选择性无选择性不稳定,易解吸不稳定,易解吸化学键力化学键力较慢较慢, ,随温度升高吸附速率加随温度升高吸附速率加快快, ,需要活化能需要活化能较大较大, ,与化学反应热相近与化学反应热相近单分子层单分子层有选择性有选择性比较稳定,不易解吸比较稳定,不易解吸- 32 -1. 物理吸附和化学吸附有许多不同之处,下面的说法中不正物理吸附和
15、化学吸附有许多不同之处,下面的说法中不正确的是确的是 ( )(A) 物理吸附是分子间力起作用,化学吸附是化学键力起作物理吸附是分子间力起作用,化学吸附是化学键力起作用用 (B) 物理吸附有选择性,化学吸附无选择性物理吸附有选择性,化学吸附无选择性 (C) 物理吸附速率快,化学吸附速率慢物理吸附速率快,化学吸附速率慢(D) 物理吸附一般是单分子层或多分子层,化学吸附一般是物理吸附一般是单分子层或多分子层,化学吸附一般是单分子层单分子层2. 对物理吸附的描述中,哪一条是不正确的?对物理吸附的描述中,哪一条是不正确的?( )(A) 吸附速度较快吸附速度较快 (B)吸附层可以是单分子层或多分子层吸附层
16、可以是单分子层或多分子层 (C)吸附热较小吸附热较小 (D)吸附力来源于化学键力,吸附一般不具选择吸附力来源于化学键力,吸附一般不具选择性性- 33 -液体、溶液、固体降低表面能的方法: 液体尽可能缩小表面积,液滴、气泡都呈球状; 固体主要靠吸附来降低表面能。 溶液除收缩表面积外,还调节表面浓度(表面吸附)以降低表面能;- 34 -溶质在表面层中与在本体溶液中浓度不同的现象称为“溶液的表面吸附”。溶质在表面层浓度小于本体浓度,称为“负吸附”;溶质在表面层浓度大于本体浓度,称为“正吸附”。8.4 溶液的表面吸附由于溶质分子的存在,溶液表面张力与纯溶剂不同。由于溶质分子的存在,溶液表面张力与纯溶剂
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