物理化学电子教案省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

上一内容下一内容回主目录 物理化学电子教案第十章/10/10第1页上一内容下一内容回主目录水蚂蚱为何能浮在水面？水蚂蚱为何能浮在水面？水蚂蚱为何能浮在水面？水蚂蚱为何能浮在水面？界面张力界面张力界面张力界面张力/10/10第2页上一内容下一内容回主目录第十章 界面现象10.1 界面张力界面张力10.2 弯曲表面下附加压力及其后果弯曲表面下附加压力及其后果10.3 固体表面固体表面10.5 溶液表面溶液表面10.4 液液-固界面现象固界面现象/10/10第3页上一内容下一内容回主目录表面和界面表面和界面(surface and interface)界面界面界面界面是指两相接触约几个分子厚度过渡区，若是指两相接触约几个分子厚度过渡区，若其中一相为气体，这种界面通常称为其中一相为气体，这种界面通常称为表面表面表面表面。严格讲表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间严格讲表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间界面，但习惯上把液体或固体与空气界面称为液体界面，但习惯上把液体或固体与空气界面称为液体或固体表面。或固体表面。常见界面有：气常见界面有：气-液界面，气液界面，气-固界面，液固界面，液-液液界面，液界面，液-固界面，固固界面，固-固界面。固界面。/10/10第4页上一内容下一内容回主目录气气气气-液液液液界面界面/10/10第5页上一内容下一内容回主目录气气气气-固固固固界面界面/10/10第6页上一内容下一内容回主目录液液液液-液液液液界面界面/10/10第7页上一内容下一内容回主目录液液液液-固固固固界面界面/10/10第8页上一内容下一内容回主目录固固固固-固固固固界面界面/10/10第9页上一内容下一内容回主目录比表面积比表面积比表面积比表面积物质表面积与其质量之比。物质表面积与其质量之比。单位质量物质，分散度越高，粒度越小，比表面积单位质量物质，分散度越高，粒度越小，比表面积越大，越大，表面效应越显著表面效应越显著表面效应越显著表面效应越显著。纳米不是大米纳米不是大米纳米不是大米纳米不是大米，纳米科学不是全民运动，纳米科学不是全民运动!/10/10第10页上一内容下一内容回主目录10.1 界面张力界面张力 表面层分子与内部分子相比，它们所处表面层分子与内部分子相比，它们所处环境不一样环境不一样环境不一样环境不一样。体相内部体相内部体相内部体相内部分子所受四面邻近相同分子作用力是分子所受四面邻近相同分子作用力是对称对称对称对称，各个方，各个方向力向力彼此抵消彼此抵消彼此抵消彼此抵消；但是处在界面层分子，一方面受到体相内相同物质分子作用，其次受到性质不一样另一相中物质分子作用，其作用力未必能相互抵消，所以，界面层会显示出一些独特性质。对于单组分系统，这种特征主要来自于同一物质在不一对于单组分系统，这种特征主要来自于同一物质在不一样相中样相中密度不一样密度不一样密度不一样密度不一样；对于多组分系统，则特征来自于界面层；对于多组分系统，则特征来自于界面层组成与任一相组成均不相同。组成与任一相组成均不相同。/10/10第11页上一内容下一内容回主目录最简单例子是液体及其蒸气组成表面。最简单例子是液体及其蒸气组成表面。1.液体表面张力、表面功及表面吉布斯函数液体表面张力、表面功及表面吉布斯函数/10/10第12页上一内容下一内容回主目录 液体内部分子所受力能够彼此抵消，但表面分子受到体相液体内部分子所受力能够彼此抵消，但表面分子受到体相分子拉力大，受到气相分子拉力小分子拉力大，受到气相分子拉力小(因为气相密度低因为气相密度低)，所以表所以表所以表所以表面分子受到被拉入体相作用力。面分子受到被拉入体相作用力。面分子受到被拉入体相作用力。面分子受到被拉入体相作用力。这种作用力这种作用力使表面有自动收缩使表面有自动收缩使表面有自动收缩使表面有自动收缩到最小趋势到最小趋势到最小趋势到最小趋势，并使表面层显示出一，并使表面层显示出一些独特征质，些独特征质，如表面张力、表面吸如表面张力、表面吸附、毛细现象、过饱和状态等。附、毛细现象、过饱和状态等。/10/10第13页上一内容下一内容回主目录 在两相在两相(尤其是气尤其是气-液液)界面上，处处存在着一个界面上，处处存在着一个张力，它张力，它垂直于垂直于垂直于垂直于表面边界，指向液体内部并与表面表面边界，指向液体内部并与表面表面边界，指向液体内部并与表面表面边界，指向液体内部并与表面相切相切相切相切。把作用于单位边界限上这种力称为把作用于单位边界限上这种力称为表面张力表面张力表面张力表面张力，用，用 表示表示，单位是单位是NmNm-1-1。表面张力：引发液体表面收缩表面张力：引发液体表面收缩单位长度单位长度单位长度单位长度力力真懂了么？真懂了么？真懂了么？真懂了么？/10/10第14页上一内容下一内容回主目录表面张力微观解释表面张力微观解释表面表面内部内部表面张力表面张力使液体表面收缩使液体表面收缩到最小趋势到最小趋势弯曲液面弯曲液面弯曲液面弯曲液面表面张力表面张力垂直于表面边界，指向液垂直于表面边界，指向液垂直于表面边界，指向液垂直于表面边界，指向液体内部并与表面相切体内部并与表面相切体内部并与表面相切体内部并与表面相切相互性相互性相互性相互性/10/10第15页上一内容下一内容回主目录表面张力推导表面张力推导表面张力推导表面张力推导 将一含有一个活动边框金属线框架放将一含有一个活动边框金属线框架放在肥皂液中，然后取出悬挂，活动边在下在肥皂液中，然后取出悬挂，活动边在下面。因为金属框上肥皂膜表面张力作用，面。因为金属框上肥皂膜表面张力作用，可滑动边会被向上拉，直至顶部。可滑动边会被向上拉，直至顶部。假如在活动边框上挂一重物，使重物假如在活动边框上挂一重物，使重物质量质量W2与边框质量与边框质量W1所产生所产生重力重力重力重力F F(F=(W1+W2)g)与总与总表面张力大小相等方向相表面张力大小相等方向相表面张力大小相等方向相表面张力大小相等方向相反反反反，则金属丝不再滑动。，则金属丝不再滑动。/10/10第16页上一内容下一内容回主目录平衡时，有平衡时，有表面张力表面张力 l是滑动边长度，因膜有两个面，是滑动边长度，因膜有两个面，所以边界总长度为所以边界总长度为2l，就是作用就是作用于单位边界上表面张力。于单位边界上表面张力。/10/10第17页上一内容下一内容回主目录dx ：表面功。恒温，恒压，组：表面功。恒温，恒压，组成恒定时系统增加单位表面所成恒定时系统增加单位表面所需可逆功。单位：需可逆功。单位：Jm-2/10/10第18页上一内容下一内容回主目录恒温恒温恒压恒压过程过程吉布斯函数变等于过程吉布斯函数变等于过程可逆非体积功可逆非体积功可逆非体积功可逆非体积功：表面吉布斯函数。系统增加单位表面所增加吉布斯函数。单：表面吉布斯函数。系统增加单位表面所增加吉布斯函数。单位：位：Jm-2：表面张力，表面功，表面吉布斯函数：表面张力，表面功，表面吉布斯函数含有相同量值和量纲不一样三个物理量含有相同量值和量纲不一样三个物理量补充说明补充说明补充说明补充说明：表面：表面：气气-液液 气气-固固界面：界面：液液-液液 液液-固固固固-固固/10/10第19页上一内容下一内容回主目录 假如在金属线框中间系一线圈，一起浸假如在金属线框中间系一线圈，一起浸入肥皂液中，然后取出，上面形成一液膜。入肥皂液中，然后取出，上面形成一液膜。因为以线圈为边界两边表面张力大小相因为以线圈为边界两边表面张力大小相等方向相反，所以线圈成任意形状可在液膜等方向相反，所以线圈成任意形状可在液膜上移动，见上移动，见(a)图。图。假如刺破线圈中央液膜，线圈内侧张力假如刺破线圈中央液膜，线圈内侧张力消失，外侧表面张力马上将线圈绷成一个消失，外侧表面张力马上将线圈绷成一个圆形，见圆形，见(b)图，图，清楚显示出表面张力存在。清楚显示出表面张力存在。(a)(b)/10/10第20页上一内容下一内容回主目录(a)(b)/10/10第21页上一内容下一内容回主目录3.界面张力及其影响原因界面张力及其影响原因界面张力主要影响原因：界面张力主要影响原因：分子间相互作用力分子间相互作用力温度温度压力压力(1)分子间相互作用力影响分子间相互作用力影响 对纯液体或纯固体，表面张力决定于分子间形成对纯液体或纯固体，表面张力决定于分子间形成化学键能大小，化学键能大小，普通普通化学键越强，表面张力越大化学键越强，表面张力越大化学键越强，表面张力越大化学键越强，表面张力越大。两种液体间界面张力，介于两种液体表面张力之间。两种液体间界面张力，介于两种液体表面张力之间。/10/10第22页上一内容下一内容回主目录(2)温度影响温度影响 温度升高，界面张力下降。温度升高，界面张力下降。纯液体经验公式纯液体经验公式临界温度时，界面张力为零！临界温度时，界面张力为零！临界温度时，界面张力为零！临界温度时，界面张力为零！(3)压力影响压力影响表面张力普通表面张力普通随压力增加而下降随压力增加而下降随压力增加而下降随压力增加而下降。/10/10第23页上一内容下一内容回主目录10.2 弯曲液面附加压力及其后果弯曲液面附加压力及其后果剖面图剖面图液面正面图液面正面图平面液面平面液面平面液面平面液面附加压力附加压力 研究以研究以AB为直径一个环作为边为直径一个环作为边界，因为环上每点两边都存在表面界，因为环上每点两边都存在表面张力，张力，大小相等大小相等大小相等大小相等，方向相反方向相反方向相反方向相反，所以，所以没有附加压力。没有附加压力。设向下大气压力为设向下大气压力为po，向上反作用向上反作用力也为力也为po，附加压力，附加压力 p等于零。等于零。p=po-po=0/10/10第24页上一内容下一内容回主目录弯曲液面弯曲液面弯曲液面弯曲液面附加压力附加压力(1)在凸面上在凸面上 研究以研究以AB为弦长一个球为弦长一个球面上环作为边界。因为环上面上环作为边界。因为环上每点两边表面张力都与液面相切，大小相等，但每点两边表面张力都与液面相切，大小相等，但不在不在不在不在同一平面上同一平面上同一平面上同一平面上，所以会产生一个，所以会产生一个向下协力向下协力向下协力向下协力。全部点产生总压力为全部点产生总压力为 p p，称为，称为附加压力附加压力附加压力附加压力。/10/10第25页上一内容下一内容回主目录(2)在凹面上：在凹面上：研究以研究以AB为弦长一个为弦长一个球形凹面上环作为边界。球形凹面上环作为边界。因为环上每点两边表面张因为环上每点两边表面张力都与凹形液面相切，大小相等，但不在同一平面力都与凹形液面相切，大小相等，但不在同一平面上，所以会产生一个向上协力。上，所以会产生一个向上协力。全部点产生总压力为全部点产生总压力为 p p，称为，称为附加压力附加压力附加压力附加压力。/10/10第26页上一内容下一内容回主目录弯曲液面弯曲液面弯曲液面弯曲液面附加压力附加压力液面为凸面液面为凸面液面为凹面液面为凹面 p p大小和方向？大小和方向？大小和方向？大小和方向？/10/10第27页上一内容下一内容回主目录A、B两点处表面张力水平分力协力为两点处表面张力水平分力协力为0A点处表面张力垂直分力为点处表面张力垂直分力为垂直分力在圆周上协力垂直分力在圆周上协力球缺底面积球缺底面积附加压力附加压力/10/10第28页上一内容下一内容回主目录拉普拉斯方程拉普拉斯方程拉普拉斯方程拉普拉斯方程拉普拉斯方程表明：弯曲液面附加压力与液体表面张拉普拉斯方程表明：弯曲液面附加压力与液体表面张拉普拉斯方程表明：弯曲液面附加压力与液体表面张拉普拉斯方程表明：弯曲液面附加压力与液体表面张力成正比，与曲率半径成反比力成正比，与曲率半径成反比力成正比，与曲率半径成反比力成正比，与曲率半径成反比，曲率半径越小，附加，曲率半径越小，附加压力越大。压力越大。方向：方向：沿曲率半径指向圆心沿曲率半径指向圆心沿曲率半径指向圆心沿曲率半径指向圆心/10/10第29页上一内容下一内容回主目录拉普拉斯方程应用拉普拉斯方程应用拉普拉斯方程应用拉普拉斯方程应用计算小液滴或液体中小气泡附加压力。计算小液滴或液体中小气泡附加压力。小液滴或小气泡小液滴或小气泡肥皂泡肥皂泡(内外两个气液界面内外两个气液界面)毛细现象毛细现象/10/10第30页上一内容下一内容回主目录毛细现象毛细现象毛细现象毛细现象凹液面凹液面 曲率半径曲率半径r1与毛细管半径与毛细管半径r关系：关系：cosq q=r/r1 p=2g g/r1=r rgh液面上升高度液面上升高度凸液面凸液面液面下降高度液面下降高度应用：农民锄地应用：农民锄地/10/10第31页上一内容下一内容回主目录2.微小液滴饱和蒸汽压微小液滴饱和蒸汽压开尔文公式开尔文公式 设有物质量为设有物质量为dn微量液体，由平液面转移到半径微量液体，由平液面转移到半径为为r小液滴。小液滴。dnrr+dr面积增量面积增量吉布斯函数增加量吉布斯函数增加量原因原因/10/10第32页上一内容下一内容回主目录将将代入，得代入，得凸液面凸液面凹液面凹液面开尔文公式开尔文公式开尔文公式开尔文公式p pr r 1/r 1/r p pr r：饱和蒸气压饱和蒸气压毛细管凝结毛细管凝结开尔文公式应用开尔文公式应用开尔文公式应用开尔文公式应用/10/10第33页上一内容下一内容回主目录3.亚稳状态及新相生成亚稳状态及新相生成亚稳态亚稳态亚稳态亚稳态稳态稳态不稳态不稳态r为为nm级级开尔文效应开尔文效应亚稳态亚稳态过饱和蒸汽过饱和蒸汽过热液体过热液体过冷液体过冷液体过饱和溶液过饱和溶液新相新相稳态稳态热力学不稳定热力学不稳定动力学暂时稳定动力学暂时稳定/10/10第34页上一内容下一内容回主目录(1)过饱和蒸气过饱和蒸气指按摄影平衡条件指按摄影平衡条件应该凝结而未凝结应该凝结而未凝结应该凝结而未凝结应该凝结而未凝结蒸汽。蒸汽。原因原因 蒸汽凝结时，首先要生成极微小液滴蒸汽凝结时，首先要生成极微小液滴(新相新相)，而，而微小液滴蒸汽压要大于同温下平液微小液滴蒸汽压要大于同温下平液微小液滴蒸汽压要大于同温下平液微小液滴蒸汽压要大于同温下平液 面上蒸汽面上蒸汽面上蒸汽面上蒸汽压压压压。也就是说，当蒸汽压力对通常液体已到达饱。也就是说，当蒸汽压力对通常液体已到达饱和状态时，微小液滴却未到达饱和状态。这时，和状态时，微小液滴却未到达饱和状态。这时，微小液滴既不可能产生，也不可能存在。微小液滴既不可能产生，也不可能存在。/10/10第35页上一内容下一内容回主目录g g，饱饱 l l，平平平平g,饱饱 l,平平l，微微 g，饱饱 l，平平 因为新生成液滴比表面大，化学势大，比普通饱因为新生成液滴比表面大，化学势大，比普通饱和蒸气化学势高，因而蒸气压力超出饱和蒸气压力时，和蒸气化学势高，因而蒸气压力超出饱和蒸气压力时，还没有液滴凝结出来所致。还没有液滴凝结出来所致。应用：人工降雨应用：人工降雨应用：人工降雨应用：人工降雨/10/10第36页上一内容下一内容回主目录(2)过热液体过热液体指按摄影平衡条件，指按摄影平衡条件，应该沸腾而不沸腾应该沸腾而不沸腾应该沸腾而不沸腾应该沸腾而不沸腾液体。液体。p0pr产生微小气泡所需压强产生微小气泡所需压强正常沸点压强为正常沸点压强为p0液体温度升高，形成过热液体液体温度升高，形成过热液体处理方法：加入沸石处理方法：加入沸石(预存气体预存气体)/10/10第37页上一内容下一内容回主目录(3)过冷液体过冷液体指按摄影平衡条件，指按摄影平衡条件，应该析出晶体而未析出应该析出晶体而未析出应该析出晶体而未析出应该析出晶体而未析出液体液体 在一定温度下，在一定温度下，微小晶体饱和蒸气压大于晶体微小晶体饱和蒸气压大于晶体微小晶体饱和蒸气压大于晶体微小晶体饱和蒸气压大于晶体，其其其其熔点比大晶体低熔点比大晶体低熔点比大晶体低熔点比大晶体低。若温。若温度不下降度不下降(仍处于正常凝固仍处于正常凝固点时点时)，液体内不能形成小晶，液体内不能形成小晶粒粒(晶种晶种)不析出晶体。不析出晶体。/10/10第38页上一内容下一内容回主目录 因为新生成微小晶体比表面大，化学势大，比普通因为新生成微小晶体比表面大，化学势大，比普通到达凝固点液体化学势高，因而液体温度到达凝固点时，到达凝固点液体化学势高，因而液体温度到达凝固点时，还没有微小晶体凝结出来。必须在温度降低后，微小晶还没有微小晶体凝结出来。必须在温度降低后，微小晶体化学势小于或等于液体化学势才有微小晶体从液体中体化学势小于或等于液体化学势才有微小晶体从液体中析出。析出。l l，平平s s s s，平平平平l，平平 s，平平s，微微 l，平平 s，平平/10/10第39页上一内容下一内容回主目录(4)过饱和溶液过饱和溶液 这是因为这是因为晶体溶解度与晶粒大小相关晶体溶解度与晶粒大小相关晶体溶解度与晶粒大小相关晶体溶解度与晶粒大小相关。晶体颗粒。晶体颗粒越小，其溶解度就越大，对微晶来说就越不易到达饱越小，其溶解度就越大，对微晶来说就越不易到达饱和。也就是说，和。也就是说，当溶液浓度对大晶体来说已到达饱和当溶液浓度对大晶体来说已到达饱和当溶液浓度对大晶体来说已到达饱和当溶液浓度对大晶体来说已到达饱和时，而微小晶粒则还能够继续溶解时，而微小晶粒则还能够继续溶解时，而微小晶粒则还能够继续溶解时，而微小晶粒则还能够继续溶解。即微小晶粒不可。即微小晶粒不可能存在。能存在。指按摄影平衡条件，指按摄影平衡条件，应该析出晶体而未析出应该析出晶体而未析出应该析出晶体而未析出应该析出晶体而未析出溶液溶液溶液溶液。/10/10第40页上一内容下一内容回主目录l l l l，饱饱饱饱s s s s，平平平平l，饱饱 s，平平s，微微l，饱饱s，平平 因为新生成微小晶体比表面大，化学势大，比普因为新生成微小晶体比表面大，化学势大，比普通到达饱和浓度溶液化学势高，因而溶液浓度到达饱通到达饱和浓度溶液化学势高，因而溶液浓度到达饱和浓度时，还没有微小晶体析出出来所致。和浓度时，还没有微小晶体析出出来所致。/10/10第41页上一内容下一内容回主目录人工降雨人工降雨破坏亚稳态破坏亚稳态淬火淬火利用亚稳态利用亚稳态/10/10第42页上一内容下一内容回主目录 固体表面上原子或分子与液体一样，固体表面上原子或分子与液体一样，受力受力受力受力也是也是不不不不均匀均匀均匀均匀，而且不像液体表面分子能够移动，通常它们是，而且不像液体表面分子能够移动，通常它们是定位定位定位定位。固体固体表面表面表面表面是是不均匀不均匀不均匀不均匀，即使从宏观上看似乎很光滑，即使从宏观上看似乎很光滑，但从原子水平上看是凹凸不平。但从原子水平上看是凹凸不平。同种晶体因为制备、加工不一样，会含有不一样同种晶体因为制备、加工不一样，会含有不一样表面性质，而且实际晶体晶面是不完整，会有晶格缺表面性质，而且实际晶体晶面是不完整，会有晶格缺点、空位和位错等。点、空位和位错等。10.3 固体表面固体表面/10/10第43页上一内容下一内容回主目录 正因为固体正因为固体表面原子受力不对称表面原子受力不对称表面原子受力不对称表面原子受力不对称和和表面结构不均表面结构不均表面结构不均表面结构不均匀性匀性匀性匀性，它能够，它能够吸附气体或液体分子吸附气体或液体分子吸附气体或液体分子吸附气体或液体分子，使表面吉布斯函，使表面吉布斯函数下降。而且不一样部位吸附和催化活性不一样。数下降。而且不一样部位吸附和催化活性不一样。当气体或蒸汽在固体表面被吸附时，当气体或蒸汽在固体表面被吸附时，固体称为吸固体称为吸固体称为吸固体称为吸附剂附剂附剂附剂，被吸附，被吸附气体称为吸附质气体称为吸附质气体称为吸附质气体称为吸附质。惯用吸附剂有：硅胶、分子筛、活性炭等。惯用吸附剂有：硅胶、分子筛、活性炭等。为了测定固体比表面，惯用吸附质有：氮气、水蒸为了测定固体比表面，惯用吸附质有：氮气、水蒸气、苯或环己烷蒸汽等。气、苯或环己烷蒸汽等。/10/10第44页上一内容下一内容回主目录1.物理吸附与化学吸附物理吸附与化学吸附 按吸附剂和吸附质按吸附剂和吸附质作用本质作用本质作用本质作用本质不一样，吸附可分为不一样，吸附可分为物理吸附物理吸附物理吸附物理吸附和和化学吸附化学吸附化学吸附化学吸附。物理吸附物理吸附物理吸附物理吸附特点：特点：1.吸附力是由固体和气体分子之间吸附力是由固体和气体分子之间范德华引力范德华引力范德华引力范德华引力产生，产生，普通比较弱。普通比较弱。2.吸附热较小吸附热较小吸附热较小吸附热较小，靠近于气体液化热，普通在几个，靠近于气体液化热，普通在几个kJ/mol以以下。下。/10/10第45页上一内容下一内容回主目录3.吸附无选择性吸附无选择性吸附无选择性吸附无选择性，任何固体能够吸附任何气体，当，任何固体能够吸附任何气体，当然吸附量会有所不一样。然吸附量会有所不一样。4.吸附稳定性不高吸附稳定性不高吸附稳定性不高吸附稳定性不高，吸附与解吸速率都很快。，吸附与解吸速率都很快。5.吸附能够是吸附能够是单分子层单分子层单分子层单分子层，但也能够是，但也能够是多分子层多分子层多分子层多分子层。6.吸附吸附不需要活化能不需要活化能不需要活化能不需要活化能，吸附速率并，吸附速率并不因温度升高而变不因温度升高而变不因温度升高而变不因温度升高而变快快快快。总之总之：物理吸附仅仅是一个物理作用，物理吸附仅仅是一个物理作用，没有电子转移，没有电子转移，没有化学键生成与破坏，也没有原子重排等没有化学键生成与破坏，也没有原子重排等。/10/10第46页上一内容下一内容回主目录化学吸附化学吸附化学吸附化学吸附特点：特点：1.吸附力是由吸附剂与吸附质分子之间产生吸附力是由吸附剂与吸附质分子之间产生化学键化学键化学键化学键力力力力，普通较强。，普通较强。2.吸附热较高吸附热较高吸附热较高吸附热较高，靠近于化学反应热，普通在，靠近于化学反应热，普通在40kJ/mol 以以上。上。3.吸附有选择性吸附有选择性吸附有选择性吸附有选择性，固体表面活性位只吸附与之可发，固体表面活性位只吸附与之可发生反应气体分子，如酸位吸附碱性分子，反之亦然。生反应气体分子，如酸位吸附碱性分子，反之亦然。/10/10第47页上一内容下一内容回主目录4.吸附很稳定吸附很稳定吸附很稳定吸附很稳定，一旦吸附，就不易解吸。，一旦吸附，就不易解吸。5.吸附是吸附是单分子层单分子层单分子层单分子层。6.吸附需要活化能吸附需要活化能吸附需要活化能吸附需要活化能，温度升高温度升高温度升高温度升高，吸附和解吸，吸附和解吸速率加紧速率加紧速率加紧速率加紧。总之：总之：化学化学吸附相当与吸附剂表面分子与吸附质分子吸附相当与吸附剂表面分子与吸附质分子发生了化学反应发生了化学反应发生了化学反应发生了化学反应，在红外、紫外，在红外、紫外-可见光谱中会出现可见光谱中会出现新特征吸收带。新特征吸收带。/10/10第48页上一内容下一内容回主目录性质性质吸附力吸附力吸附层数吸附层数吸附热吸附热选择性选择性可逆性可逆性吸附平衡吸附平衡物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附范德华力范德华力化学键力化学键力单层或多层单层或多层单层单层小小(近于液化热近于液化热)大大(近于反应热近于反应热)无或很差无或很差较强较强可逆可逆不可逆不可逆易到达易到达不易到达不易到达/10/10第49页上一内容下一内容回主目录H2在在分别分别金属镍表面金属镍表面发生物理吸附和化学吸附发生物理吸附和化学吸附物理吸附物理吸附物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附化学吸附化学吸附HH2 22H2H/10/10第50页上一内容下一内容回主目录Ni:Ni:好加氢脱氢催化剂好加氢脱氢催化剂好加氢脱氢催化剂好加氢脱氢催化剂/10/10第51页上一内容下一内容回主目录氢脱附过程氢脱附过程氢脱附过程氢脱附过程氢吸附过程氢吸附过程 氢脱附过程氢脱附过程=氢氢吸附量吸附量吸附量吸附量/10/10第52页上一内容下一内容回主目录2.等温吸附等温吸附吸附量通常有两种表示方法：吸附量通常有两种表示方法：(1)单位质量吸附剂所吸附气体体积。单位质量吸附剂所吸附气体体积。单位：单位：m3 g-1(2)单位质量吸附剂所吸附气体物质量。单位质量吸附剂所吸附气体物质量。单位：单位：mol g-1体积要换算成标准情况体积要换算成标准情况(273.15K、101.325kPa)/10/10第53页上一内容下一内容回主目录 对于一定吸附剂与吸附质体系，到达吸附平衡时对于一定吸附剂与吸附质体系，到达吸附平衡时，吸附量是，吸附量是温度温度温度温度和气体和气体压力压力压力压力函数。函数。即：即：通常固定一个变量，求出另外两个变量之间关通常固定一个变量，求出另外两个变量之间关系，比如：系，比如：(1)T=常数，常数，Va=f(p)，得吸附得吸附等温等温等温等温线。线。(2)p=常数，常数，Va=f(T)，得吸附得吸附等压等压等压等压线。线。(3)Va=常数，常数，p=f(T)，得吸附得吸附等量等量等量等量线。线。惯用惯用惯用惯用/10/10第54页上一内容下一内容回主目录 从吸附等温线能够反应出吸附剂表面性质、从吸附等温线能够反应出吸附剂表面性质、孔分布以及吸附剂与吸附质之间相互作用等相关孔分布以及吸附剂与吸附质之间相互作用等相关信息。信息。常见吸附等温线有以下常见吸附等温线有以下5种类型：种类型：(图中图中p p/p p*称称称称为比压为比压为比压为比压，p*是吸附质在该温度时饱和蒸汽压，是吸附质在该温度时饱和蒸汽压，p为为吸附质压力吸附质压力)/10/10第55页上一内容下一内容回主目录单分子层吸附单分子层吸附单分子层吸附单分子层吸附IIIIIIIVV/10/10第56页上一内容下一内容回主目录3.吸附经验式吸附经验式弗罗因德利希公式弗罗因德利希公式Freundlich用指数方程描述了用指数方程描述了I型吸附等温线型吸附等温线n、k是两个经验参数，均是是两个经验参数，均是T函数函数k:单位压力时吸附量。普通单位压力时吸附量。普通T ,k ;n:介于介于01之间，反应之间，反应p对对Va影响强弱。影响强弱。适合用于中压范围适合用于中压范围取对数，得取对数，得作作图，图，斜率为斜率为n，截距为，截距为k/10/10第57页上一内容下一内容回主目录经验公式经验公式优点优点优点优点：(1)形式简单、计算方便、应用广泛；形式简单、计算方便、应用广泛；(2)可用于气可用于气固及液固及液固界面上单分子层吸附计算；固界面上单分子层吸附计算；(3)对气体吸附适合用于中压范围吸附。对气体吸附适合用于中压范围吸附。经验公式经验公式不足不足不足不足：(1)公式常数无明确物理意义；公式常数无明确物理意义；(2)不能反应吸附作用机理。不能反应吸附作用机理。/10/10第58页上一内容下一内容回主目录4.Langmuir单单分子层吸附理论及吸附等温式分子层吸附理论及吸附等温式 Langmuir吸附等温式描述了吸附等温式描述了吸附量吸附量吸附量吸附量与被吸附与被吸附蒸汽蒸汽蒸汽蒸汽压力压力压力压力之间定量关系。他在推导该公式过程引入了之间定量关系。他在推导该公式过程引入了几几个个主要假设：主要假设：(1)吸附是单分子层；吸附是单分子层；(4)吸附平衡是动态平衡。吸附平衡是动态平衡。(2)固体表面是均匀；固体表面是均匀；(3)被吸附分子之间无相互作用；被吸附分子之间无相互作用；/10/10第59页上一内容下一内容回主目录q q q q=已被吸附质覆盖固体表面积已被吸附质覆盖固体表面积已被吸附质覆盖固体表面积已被吸附质覆盖固体表面积/固体总表面积固体总表面积固体总表面积固体总表面积设：表面覆盖率设：表面覆盖率则空白表面为则空白表面为(1-)到达平衡时，到达平衡时，N:固体表面上含有吸附能力总吸附位置数。固体表面上含有吸附能力总吸附位置数。/10/10第60页上一内容下一内容回主目录令令朗缪尔吸附等温式朗缪尔吸附等温式朗缪尔吸附等温式朗缪尔吸附等温式吸附系数吸附系数 单位：单位：Pa-1/10/10第61页上一内容下一内容回主目录朗缪尔等温式示意图朗缪尔等温式示意图/10/10第62页上一内容下一内容回主目录1.当当p p很小很小很小很小，或吸附很弱时，或吸附很弱时，bp1，=1=1，与与 p无关，吸无关，吸附已铺满单分子层。吸附达饱附已铺满单分子层。吸附达饱和和。饱和吸附量用。饱和吸附量用Vam表示。表示。3.当当压力适中压力适中压力适中压力适中，p pn n，n介于介于0与与1之间。之间。/10/10第63页上一内容下一内容回主目录覆盖率覆盖率=平衡吸附量平衡吸附量/饱和吸附量饱和吸附量吸附剂比表面积吸附剂比表面积V0：1mol气体在标准情况气体在标准情况(0、101.325kPa)下体积下体积吸附分子截面积吸附分子截面积/10/10第64页上一内容下一内容回主目录Langmuir吸附等温式吸附等温式缺点缺点：1.假设吸附是单分子层，与事实不符。假设吸附是单分子层，与事实不符。2.假设表面是均匀，其实大部分表面是不均匀。假设表面是均匀，其实大部分表面是不均匀。3.在覆盖度在覆盖度较大时，较大时，Langmuir吸附等温式不适用。吸附等温式不适用。Freundlich吸附公式对吸附公式对适用范适用范围比围比Langmuir公式要宽。公式要宽。/10/10第65页上一内容下一内容回主目录6.吸附热力学吸附热力学 在吸附过程中热效应称为在吸附过程中热效应称为吸附热吸附热吸附热吸附热。物理吸附过程。物理吸附过程热效应相当于气体凝聚热，很小；化学吸附过程热效热效应相当于气体凝聚热，很小；化学吸附过程热效应相当于化学键能，比较大。应相当于化学键能，比较大。固体在等温、等压下吸附气体是一个自发过程，固体在等温、等压下吸附气体是一个自发过程，G0，气体从三维运动变成吸附态二维运动，熵降气体从三维运动变成吸附态二维运动，熵降低，低，S0，H=G+TS，HH0沾湿沾湿浸湿浸湿铺展铺展沾湿沾湿浸湿浸湿铺展铺展过程进行难度依次增加过程进行难度依次增加/10/10第75页上一内容下一内容回主目录沾湿沾湿浸湿浸湿铺展铺展代入代入沾湿沾湿浸湿浸湿铺展铺展若自发若自发/10/10第76页上一内容下一内容回主目录完全不润湿完全不润湿完全润湿完全润湿/10/10第77页上一内容下一内容回主目录3.固体自溶液中吸附固体自溶液中吸附+固体吸附溶液固体吸附溶液固体吸附溶液固体吸附溶液/10/10第78页上一内容下一内容回主目录吸附量吸附量(1)自稀溶液中吸附自稀溶液中吸附 稀溶液中吸附普通为稀溶液中吸附普通为单分子层吸附单分子层吸附单分子层吸附单分子层吸附，其吸附可，其吸附可用用朗谬尔等温式朗谬尔等温式朗谬尔等温式朗谬尔等温式来描述：来描述：:单分子层饱和吸附量单分子层饱和吸附量b：吸附系数吸附系数也可用弗罗因德利希吸附经验公式也可用弗罗因德利希吸附经验公式/10/10第79页上一内容下一内容回主目录(2)自浓溶液中吸附自浓溶液中吸附 吸附等温线普通为倒吸附等温线普通为倒U型或型或S 型，固气吸附无这类型型，固气吸附无这类型稀溶液中影响吸附主要原因稀溶液中影响吸附主要原因 吸附剂孔径吸附剂孔径 吸附质分子大小吸附质分子大小 温度温度 吸附剂吸附剂吸附剂吸附剂-吸附质吸附质吸附质吸附质-溶剂极性溶剂极性溶剂极性溶剂极性(p491)(p491)吸附剂表面化学性质吸附剂表面化学性质/10/10第80页上一内容下一内容回主目录10.5 溶液界面溶液界面纯液体纯液体 恒温恒压下，表面张力为一定值恒温恒压下，表面张力为一定值溶液溶液 溶剂溶剂+溶质溶质 同固体一样，液体表面也能够发生吸附，因同固体一样，液体表面也能够发生吸附，因为为溶液表面吸附了其本体中溶质后，能够降低表溶液表面吸附了其本体中溶质后，能够降低表溶液表面吸附了其本体中溶质后，能够降低表溶液表面吸附了其本体中溶质后，能够降低表面张力面张力面张力面张力，即，即降低其吉布斯函数降低其吉布斯函数降低其吉布斯函数降低其吉布斯函数，因而，因而吸附能够自吸附能够自吸附能够自吸附能够自动发生动发生动发生动发生。表面和本体溶质浓度一样么？表面和本体溶质浓度一样么？表面和本体溶质浓度一样么？表面和本体溶质浓度一样么？/10/10第81页上一内容下一内容回主目录表面活性物质表面活性物质表面活性物质表面活性物质表面惰性物质表面惰性物质表面惰性物质表面惰性物质表面活性剂表面活性剂表面活性剂表面活性剂无机盐，不挥发性酸碱无机盐，不挥发性酸碱和多羟基有机化合物和多羟基有机化合物极性有机物质极性有机物质RX负吸附负吸附负吸附负吸附正吸附正吸附正吸附正吸附1.溶液表面吸附现象溶液表面吸附现象/10/10第82页上一内容下一内容回主目录2.表面过剩浓度与吉布斯吸附等温式表面过剩浓度与吉布斯吸附等温式 在单位面积表面层中，所含溶质物质量与同量在单位面积表面层中，所含溶质物质量与同量溶剂在溶液本体中所含物质量差值，称为溶质溶剂在溶液本体中所含物质量差值，称为溶质表面表面表面表面过剩过剩过剩过剩或或表面吸附量表面吸附量表面吸附量表面吸附量。表面过剩量表面过剩量定义为：定义为：n溶质溶质n溶剂溶剂b b b bAs经推导，得经推导，得(p493)吉布斯吸附等温式吉布斯吸附等温式吉布斯吸附等温式吉布斯吸附等温式/10/10第83页上一内容下一内容回主目录1.d/dc0，增加溶质浓度使表面张力升高，增加溶质浓度使表面张力升高，为负值，为负值，是是负吸附负吸附负吸附负吸附。表面层中溶质浓度小于本体浓度。非表面。表面层中溶质浓度小于本体浓度。非表面活性物质属于这种情况。活性物质属于这种情况。/10/10第84页上一内容下一内容回主目录3.表面活性物质在吸附层定向排列表面活性物质在吸附层定向排列溶液吸附也满足朗缪尔吸附等温式溶液吸附也满足朗缪尔吸附等温式浓度足够大时浓度足够大时每个表面活性分子横截面积每个表面活性分子横截面积0.205 nm0.205 nm2 2定向排列定向排列定向排列定向排列/10/10第85页上一内容下一内容回主目录 依据试验，脂肪酸在水中浓度到达一定数值后，它依据试验，脂肪酸在水中浓度到达一定数值后，它在表面层中超额为一在表面层中超额为一定值定值定值定值，与本体浓度无关，而且和它，与本体浓度无关，而且和它碳氢链长度也无关。碳氢链长度也无关。这时，表面吸附这时，表面吸附已到达饱和，脂肪酸已到达饱和，脂肪酸分子合理排列是分子合理排列是羧基羧基羧基羧基向水，碳氢链向空气。向水，碳氢链向空气。向水，碳氢链向空气。向水，碳氢链向空气。/10/10第86页上一内容下一内容回主目录4.表面活性剂表面活性剂(1)表面活性剂分类表面活性剂分类阳离子型阳离子型阴离子型阴离子型两性型两性型离子型离子型非离子型非离子型表面活性剂表面活性剂不不不不可可可可混混混混用用用用/10/10第87页上一内容下一内容回主目录阴离子表面活性剂阴离子表面活性剂RCOONa羧酸盐羧酸盐R-OSO3Na 硫酸酯盐硫酸酯盐R-SO3Na磺酸盐磺酸盐R-OPO3Na2磷酸酯盐磷酸酯盐/10/10第88页上一内容下一内容回主目录阳离子表面活性剂阳离子表面活性剂R-NH2HCl伯胺盐伯胺盐 CH3|R-N-HCl仲胺盐仲胺盐|H CH3|R-N-HCl叔胺盐叔胺盐|CH3 CH3|R-N+-CH3Cl-季胺盐季胺盐|CH3/10/10第89页上一内容下一内容回主目录两性表面活性剂两性表面活性剂R-NHCH2-CH2COOH 氨基酸型氨基酸型 CH3|R-N+-CH2COO-甜菜碱型甜菜碱型|CH3/10/10第90页上一内容下一内容回主目录R-(C6H4)-O(C2H4O)nH烷基酚聚氧乙烯醚烷基酚聚氧乙烯醚非离子表面活性剂非离子表面活性剂R2N-(C2H4O)nH聚氧乙烯烷基胺聚氧乙烯烷基胺R-CONH(C2H4O)nH聚氧乙烯烷基酰胺聚氧乙烯烷基酰胺R-COOCH2(CHOH)3H多元醇型多元醇型R-O-(CH2CH2O)nH脂肪醇脂肪醇聚氧乙烯醚聚氧乙烯醚/10/10第91页上一内容下一内容回主目录(2)表面活性剂效率和有效值表面活性剂效率和有效值表