液体的表面现象PPT课件.ppt

1、武汉大学印刷与包装系武汉大学印刷与包装系制印化学制印化学第第5章章 液体的表面张力液体的表面张力 课程：制印化学基础授课对象：2010级印刷工程班油墨在纸张上比在油墨在纸张上比在塑料上容易印刷？塑料上容易印刷？与界面相关的自然现象为什么自然界中液滴、气泡总是圆形的？为什么气泡比液滴更容易破裂？天空为什么会下雨？人工降雨依据什么原理？向高空抛撒粉剂为什么能人工降雨？为什么会产生液体过热现象？加入沸石为什么能消除过热现象？制印化学课程主要内容l第一篇 高分子化学与物理l第二篇 界面化学第5章 液体的表面现象第6章 固体的表面现象第7章 表面活性物质l第三篇 染料及颜料化学第第5章章 液体的表面现象

2、液体的表面现象了解表面张力、表面能表面张力、表面能的概念，理解表面张力的影响因素； 掌握弯曲液面的附加压力、饱和蒸汽压的概念及其计算； 理解溶液表面的吸附现象；掌握粘附功、内聚功概念及液体在液面展开的必要条件本章学习要求本章学习要求Introductionu2007年度诺贝尔化学奖授予德国科学家格哈德埃特尔，以表彰他在“固体表面化学过程”研究中作出的贡献，他获得的奖金额将达1000万瑞典克朗(约合154万美元)。引言引言界面化学界面化学引言 表面化学（界面化学）： 原子、分子尺寸上研究相界面上发生的各种物理、化学过程的科学界面化学概述界面化学概述1. 基础科学 胶体化学、相催化理论、生物化学、

3、材料化学、环境、化学、冶金学、选矿学等2. 应用广泛 常规实践-原油开采、废水治理、纤维染色、催化反应等等； 尖端科学-航空、航天；生物生命现象3. 印刷工业-制版、印刷、油墨制造、承印物选择与表面有关的有趣魔术水上漂针5.1 表面张力和比表面能表面张力和比表面能5.1.1 表面张力的概念表面张力的概念内部分子：合力为零表面分子：受垂直于液面且指向液 体内部的力GL气液表面ABCDFCFB重点液体表面具有沿着表面方向收缩的趋势，这种使液体表面收缩的力称为表面张力。 将一含有一个活动边框的金属线框架放在肥皂液中，然后取出悬挂，活动边在下面。 由于金属框上的肥皂膜的表面张力作用，可滑动的边会被向上

4、拉，直至顶部。2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2W1W 如果在活动边框上挂一重物，使重物质量W2与边框质量W1所产生的重力F与总的表面张力大小相等方向相反，则金属丝不再滑动。 l /2是滑动边的长度，因膜有两个面，所以边界总长度为l， 就是作用于单位边界上的表面张力。l12=()FWW g 这时 lF2=l 在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着一种张力，这种力垂直于表面的边界，指向液体方向并与表面相切。 把作

5、用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用 或 表示。表面张力的单位是：Nm-1。表面能-物质表层分子具有的位能。5.1.2 比表面能的概念比表面能的概念重点GL气液表面FCFB比表面能比表面能-恒温恒压下，增大单恒温恒压下，增大单位表面积所做的功。位表面积所做的功。W= F dx = l dx = dA = W/dA - 比表面能比表面能（J/m2）表面张力存在实例表面张力存在实例昆虫液面行走水滴呈近似球体 泳装紧贴身体5.1.3 比表面自由能比表面自由能恒温恒压，所含物质的量不变 dG = dA = dG / dA比表面自由能比表面自由能如如 可变：可变： dG = dA + Ad不变，则

6、dG = dA，即dA 0为自发过程（缩小表面积的过程为自发-水滴、汞滴为球型） A不变，则 dG = Ad，即d 0为自发过程（表面张力下降的过程为自发-固体的吸附现象） 、 A均变，则 dG 离子化合物 极性共价物 非极性共价物 温度温度升高，分子间距离大，分子间作用力小，表面张力下降。(Vm)2/3=k(Tc-T) -约特奥斯经验式（Vm-液体的比容）(Vm)2/3 = k(Tc-T-6)重点重点看表7-1和7-2，总结规律与另一相物质有关与另一相物质有关 /(N m-1)水水 -正庚烷正庚烷 0.0502 苯苯 0.0350 汞汞 0.415纯液体的表面张力是指与饱和了其本身蒸汽的纯液

7、体的表面张力是指与饱和了其本身蒸汽的空气之间的界面张力。空气之间的界面张力。2008200920102011影响表面张力的因素 两相分子间作用力的差距 差距越大，界面差距越大，界面张力越大。张力越大。 水水-辛醇辛醇 水水-乙醚乙醚 水水-辛烷辛烷 杂质杂质与液体分子间的作用力小于液体分子间的作用力，杂质将被挤到液体表层中去，从而使液体的表面张力下降。水=1.87D; 辛醇=1.6D乙醚=1.18D; 辛烷=0D1. 在平面上在平面上 对一小面积AB，沿AB的四周每点的两边都存在表面张力，大小相等，方向相反，所以没有附加压力 设向下的大气压力为po，向上的反作用力也为po ，附加压力ps等于零

8、。s000ppp0pABff0p5.2.1 弯曲表面上的附加压力弯曲表面上的附加压力5.2 弯曲液面的表面现象弯曲液面的表面现象2. 在凸面上在凸面上 由于液面是弯曲的，则沿AB的周界上的表面张力不是水平的，作用于边界的力将有一指向液体内部的合力 0sppp总0pABff0sppsp 所有的点产生的合力和为 ps ，称为附加压力凸面上受的总压力为：3. 在凹面上在凹面上 由于液面是凹面，沿AB的周界上的表面张力不能抵消，作用于边界的力有一指向凹面中心的合力 0sppp总0pABff0sppsp 所有的点产生的合力和为 ps ，称为附加压力凹面上受的总压力为： 由于表面张力的作用，在弯曲表面下的

9、液体与平面不同，它受到一种附加的压力，附加压力的方向都指向曲面的圆心。 凹面上受的总压力小于平面上的压力凸面上受的总压力大于平面上的压力P0P附P0P附4、附加压力的大小与曲率半径有关、附加压力的大小与曲率半径有关 例如，在毛细管内充满液体，管端有半径为R 的球状液滴与之平衡。 外压为 p0 ，附加压力为 ps ，液滴所受总压为：0sppp总0pspR0pspRssddp VAs2pR34 3VR2s4AR2 d4dVRRsd8dAR R 克服附加压力ps所作的功等于可逆增加表面积的Gibbs自由能使液滴体积增加dV相应地其表面积增加dALaplace公式公式 凸面上因外压与附加压力的方向一致

10、，液体所受的总压等于外压和附加压力之和，总压比平面上大。相当于曲率半径取了正值。曲率半径越小，附加压力越大 s2pR0sppp总 凹面上因外压与附加压力的方向相反，液体所受的总压等于外压和附加压力之差，总压比平面上小。相当于曲率半径取了负值。0sppp总液体中的气泡 R 0 （凹面）， Ps 0 （凸面）， Ps 0 ，指向中心 平液面 R 趋于无限大，Ps 接近零。 气相中的气泡（两个气液界面） 内外压力差：P = 2Ps = 4/RDiscussion 液滴不为球体 Ps = (1/R1 + 1/R2)2 R1 、R2 分别为最大最小的曲率半径5.2.2 毛细管现象及表面张力的测定毛细管现

11、象及表面张力的测定 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 把毛细管插入水中，管中的水柱表面会呈凹形曲面，致使水柱上升到一定高度。当插入汞中时，管内汞面呈凸形，管内汞面下降。 MN0ppp2H OHg毛细管现象毛细管现象 毛细管内液柱上升（或下降）的高度可近似用如下的方法计算 2sppghR 1g2hRgcosrR2cosghr表面张力的测定表面张力的测定 1. 毛细管上升法毛细管上升法测定表面张力示意图 固液接触角最好为零（不润湿也能）；毛细管干净、均匀。000hh- 毛细管内外压力差用来克服凹液面的附加压力而使气泡逸出 =rgh/2=kh k由已知表面张力的液体给出

12、最大压力气泡法装置图 气泡的形成过程2. 最大气泡法最大气泡法C.其他方法： 挂环法、挂片法、滴体积法5.2.3 弯曲液面的饱和蒸汽压弯曲液面的饱和蒸汽压00Pr211ln()PrMRTrrPr-弯曲液面的饱和蒸汽压；Pr0-平液面的饱和蒸汽压-开尔文公式 凸面上的饱和蒸汽压大于平液面上方的蒸汽压 凹液面上的饱和蒸汽压小于平液面上方的蒸汽压 例题 - 略 r00Pr2lnPrMRTr5.2.4 过饱和蒸汽、过热液体、毛细管凝结过饱和蒸汽、过热液体、毛细管凝结 过饱和蒸汽-新生成的极微小的液滴（新相）的蒸汽压大于平液面的蒸汽压。 人工降雨 过热液体-液体内部生成极微小的气泡（新相）需要克服极大的

13、压力（P大气 + P附 + P静 ） 防止暴沸 毛细管凝结-毛细管内部的饱和蒸汽压低 硅胶干燥剂、新闻印刷物质在表面上富集的现象称为表面吸附 表面浓度与本体浓度的差别，称为表面过剩，或表面超量 溶液降低表面自由能的方法除了尽可能地缩小表面积外，还可调节不同组分在表面层中的数量 若加入的溶质能降低表面张力，则溶质力图浓集在表面层上；当溶质使表面张力升高时，则它在表面层中的浓度比在内部的浓度来得低。 5.3.1 溶液的表面吸附溶液的表面吸附5.3 溶液表面的吸附现象溶液表面的吸附现象5.3.2 Gibbs吸附公式吸附公式 Gibbs用热力学方法求得定温下溶液的浓度、表面张力和吸附量之间的定量关系式

14、 ddCRTC 其中C是溶液中溶质的平衡浓度(mol/L)，是溶液表面张力(J/m2)。 溶质的表面过剩（或称为表面超量mol/m2）。 的定义为：单位面积的表面层所含溶质的物质的量比同量溶剂在本体溶液中所含溶质的物质的量的超出值。（1）d/dC0，增加溶质的浓度使表面张力升高， 为负值，是负吸附。表面层中溶质浓度低于本体浓度。非表面活性物质属于这种情况。ddCRTC 5.4 液体在另一液面上的展开液体在另一液面上的展开展开形式：A. 停在液面上，呈“凸透镜”状B. 展开成一层薄油膜，并可产生光的干涉现象C. 展开成一个单分子膜，并与剩余部分成相平衡AWOWOA油(o)空气(A)水(W)oo

15、o oo o ooooooooooo正己醇oo空气水面上的油滴 正己醇在水面展开示意图重点 展开与否与内聚功、黏附功有关，其结果要看展开后是否G 05.4.1 黏附功与内聚功黏附功与内聚功黏附功（Wa） Wa =o + w ow OWow WaWOo w 平印中，润版液附着于图文部分的黏附功大，则阻碍油墨的传递；油墨附着在空白部分的黏附功大，则阻碍油墨的传递，则易粘脏。内聚功（Wc） Wc = 2 OWcoOo o 平印中，油墨的过大，则不易转移，易堵墨。5.4.2 液体在另一液面上的展开液体在另一液面上的展开 G = Wc Wa = 2o - o w + oW = o W +oW o W +

16、oW 0 自发展开Harkins 铺展系数：S = w - （ oW + o）= Wa Wc S 0-展开 S 0-不能展开注意：注意： 两种液体长时间接触时，由于相互溶解引起表面张力变化，展开系数也随之变更。小结小结 低表面张力的液体易在高表面张力的液体表面上展开 一种液体能否在另一种不互溶的液体上铺展，取决于两种液体本身的表面张力和两种液体之间的界面张力。一般说，铺展后，表面自由能下降，则这种铺展是自发的。练习：练习： 大小不同的两个气泡相通时的变化现象？ 结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best, Failure Is Great, So DonT Give Up, Stick To The End谢谢大家荣幸这一路，与你同行ItS An Honor To Walk With You All The Way演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日