1第十二章界面现象12.1表面吉布斯自由能和表面张力12.1.1表面和界面(surfaceandinterface)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。严格讲表面应是液体和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。常见的界面有:1.气-液界面,2.气-固界面,3.液-液界面,4.液-固界面,5.固-固界面。12.1.2界面现象的本质表面层分子与内部分子相比,它们所处的环境不同。体相内部分子所受四周邻近相同分子的作用力是对称的,各个方向的力彼此抵销;但是处在界面层的分子,一方面受到体相内相同物质分子的作用,另一方面受到性质不同的另一相中物质分子的作用,其作用力未必能相互抵销,因此,界面层会显示出一些独特的性质。对于单组分体系,这种特性主要来自于同一物质在不同相中的密度不同;对于多组分体系,则特性来自于界面层的组成与任一相的组成均不相同。最简单的例子是液体及其蒸气组成的表面。液体内部分子所受的力可以彼此抵销,但表面分子受到体相分子的拉力大,受到气相分子的拉力小(因为气相密度低),所以表面分子受到被拉入体相的作用力。这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势,并使表面层显示出一些独特性质,如表面张力、表面吸附、毛细现象、过饱和状态等。12.1.3比表面(specificsurfacearea)比表面通常用来表示物质分散的程度,有两种常用的表示方法:一种是单位质量的固体所具有的表面积;另一种是单位体积固体所具有的表面积。即:2A=Am~~或A=AVmV式中,m和V分别为固体的质量和体积,A为其表面积。目前常用的测定表面积的方法有BET法和色谱法。12.1.4分散度与比表面把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。把一定大小的物质分割得越小,则分散度越高,比表面也越大。例如,把边长为1cm的立方体lcm3逐渐分割成小立方体时,比表面增长情况列于下表:边长l/m立方体数比表面Av/(m2/m3)lxlO-2l6xlO2lxlO-3lO36xlO3lxlO-5lO96xlO5lxlO-7lOl56xlO7lxlO-9lO2l6xlO912.1.5表面功(surfacework)由于表面层分子的受力情况与本体中不同,因此如果要把分子从内部移到界面,或可逆的增加表面积,就必须克服体系内部分子之间的作用力,对体系做功温度、压力和组成恒定时,可逆使表面积增加dA所需要对体系作的功,称为表面功。用公式表示为:6W訥式中Y为比例系数,它在数值上等于当T,P及组成恒定的条件下,增加单位表面积时所必须对体系做的可逆非膨胀功。12.1.6表面自由能(surfacefreeenergy)考虑了表面功,热力学基本公式中应相应增加YdA一项,即:dU二TdS-PdV+ydA+工卩dnBBBdH二TdS+VdP+YdA+工卩dnBBBdF=-SdT-PdV+YdA+工卩dnBB3由此可得:dG二-SdT+VdP+丫dA+工卩dnBBB一(竺)二(史)二(竺)二(竺)dAs,V,nBdAs,p,nBdAT,V,nBSA八P,nB广义的表面自由能定义:保持相应的特征变量不变,每增加单位表面积时,相应热力学函数的增值。狭义的表面自由能定义:丫二()dAP,T,nB保持温度、压力和组成不变,每增加单位表面积时,Gibbs自由能的增加值称为表面Gibbs自由能,或简称表面自由能或表面能,用符号b或Y表示,单位为J・m-2。12.1.7表面张力(surfacetension)在两相(特别是气-液)界面上,处处存在着一种张力,它垂直与表面的边界,指向液体方向并与表面相切。把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力,用表示,单位是N・m-1。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拉,直至顶部。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(F=(W1+W2)g)与总的表面张力大小相等方向相反,则金属丝不再滑动。这时F二21l是滑动边的长度,因膜有两个面,所以边界总长度为21,y就是作用于单位边界上的表面张力。如果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。由于以线圈为边界的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上移动,见(a)图。4运用全微分的性质,可得:訥)dTA,P,gVm2/3=k(Tc-T-6.0)式中Vm为摩尔体积,k为普如果刺破线圈中央的液膜,...