液-固及液-氣(空氣)界面現(xiàn)象.doc

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1、7.4液-固及液-氣（空氣）界面現(xiàn)象7.4.1潤(rùn)濕現(xiàn)象7.4.1.1接觸角液體對(duì)固體表面的潤(rùn)濕作用是界面現(xiàn)象的一個(gè)重要方面，它主要研究液體對(duì)固體表面的親合狀況。例如水能潤(rùn)濕玻璃，但不能潤(rùn)石蠟。荷葉上的水珠可以自由滾動(dòng)，說明水不能潤(rùn)濕荷葉。一般來說，若液體能潤(rùn)濕固體，則液體呈凸透鏡狀；若不能潤(rùn)濕，則呈橢球狀，如圖。液體對(duì)固體的潤(rùn)濕的程度可用接觸角來衡量。所謂接觸角就是固-液界面經(jīng)液相到氣-液界面所轉(zhuǎn)過的角度。接觸角越小，潤(rùn)濕越好。一般以=90°為分界線。＜90°，為能潤(rùn)濕；=0°為完全潤(rùn)濕。＞90°，為不潤(rùn)濕

2、；=180°，為完全不潤(rùn)濕。固氣液O潤(rùn)濕O不潤(rùn)濕現(xiàn)在我們導(dǎo)出接觸角與界面張力之間的關(guān)系。點(diǎn)O的液體受到三個(gè)表面張力的作用：力圖將點(diǎn)O的液體拉向左方，以覆蓋氣-固界面，使氣-固界面縮??；力圖將點(diǎn)O的液體向右拉，以縮小液-固界面；力圖將點(diǎn)O的液體沿切線方向向上拉，以縮小液-氣界面。在固體為光滑平面的情況下，潤(rùn)濕平衡時(shí)，有=+或（1）式（1）就是表示界面張力和接觸角關(guān)系的楊氏（Yong）方程。因≤1，所以≤1或≤或－≤≤（2）90o＞＞00180o＞＞90o潤(rùn)濕不潤(rùn)濕完全不潤(rùn)濕完全潤(rùn)濕公式不適用公式不適用0o90

3、o180o02ππθ→cosθ所以由下面的公式和圖形可得上圖。所以完全潤(rùn)濕的條件為＞即＞（3）完全不潤(rùn)濕的條件為＜-即＞+（4）7.4.1.液體固體2粘附功、內(nèi)聚功、浸濕功和鋪展系數(shù)恒溫恒壓可逆條件下，將氣-液和氣-固界面轉(zhuǎn)變?yōu)橐?固界面，如果各界面都是單位面積時(shí)，該過程吉布斯自由能的變化是==Wa（5）Wa叫粘附功（workofadhesion）。Wa越負(fù)，液體越易潤(rùn)濕固體。式（5）中的和較難測(cè)定，但可由式（1）將其消去：Wa＝－－＝－（1+）（6）由式（6）可測(cè)量Wa。如果ΔG＞0，即＞（7）則液體不能

4、潤(rùn)濕固體。式（7）就是式（4）。如果把上面的固體改成液體，則==Wc（8）Wc叫內(nèi)聚功（workofcohesion），它是液體本身結(jié)合牢固程度的一種量度。如果將單位表面積的固體浸入液體中，氣-固界面轉(zhuǎn)變?yōu)橐?固界面（設(shè)液體的界面變化可忽略），則=（9）稱浸濕功（workofimmersion）,它是液體在固體表面上取代氣體能力的一種量度。用式（1）將式（9）可寫為＝－（10）由式（10）知，也可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。＋液氣固氣液固如果當(dāng)液-固界面取代氣-固界面的同時(shí)，氣-液界面也擴(kuò)大了同樣的面積，這樣的過程稱為鋪展

5、（spreading）（完全潤(rùn)濕）。鋪展一單位面積時(shí)，=（11）叫鋪展系數(shù)。因此鋪展的條件為＞（12）這就是式（3）。用式（1）可將式（11）寫為（13）因此，S也可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。潤(rùn)濕作用在實(shí)際中有廣泛的應(yīng)用，如棉布易被水潤(rùn)濕，但經(jīng)表面處理后增大，可制成雨具；殺蟲劑中加入一些表面活性物質(zhì)后，噴灑到植物葉片上就不會(huì)滾落下來。7.4.2溶液的表面吸附現(xiàn)象前面討論了固-氣和固-液界面吸附，現(xiàn)在討論氣-液界面吸附，更準(zhǔn)確地說是溶液-空氣界面吸附。溶液-空氣界面對(duì)溶液中的溶質(zhì)也有吸附作用，這種吸附作用導(dǎo)致溶液的表面張力

6、發(fā)生變化。以水溶液為例，在一定的溫度下，在純水中分別加入不同種類的溶質(zhì)，溶液的濃度對(duì)表面張力的影響可分為三種類型，如圖。第Ⅰ種類型的曲線表明，0ⅠⅡⅢ在水中逐漸加入溶質(zhì)時(shí)，溶液的表面張力隨溶液的濃度的增加稍有升高。就水溶液而言，屬于此類型溶質(zhì)有無機(jī)鹽類（如NaCl）、不揮發(fā)性酸（如H2SO4）、堿（如KOH）以及含有多個(gè)OH基的有機(jī)化合物（蔗糖）等物質(zhì)。第Ⅱ種類型的曲線表明，在水中逐漸加入溶質(zhì)時(shí)，溶液的表面張力隨溶液的濃度的增加而降低。大部分低脂肪酸、醇、醛等有機(jī)化合物的水溶液有此性質(zhì)。第Ⅲ種類型的曲線表明

7、，在水中加入少量溶質(zhì)可使溶液的表面張力急劇下降，至某一濃度后，溶液的表面張力幾乎不再隨溶液的濃度的增加而變化。屬于此類型溶質(zhì)有長(zhǎng)碳鏈的脂肪酸鹽（如肥皂-硬脂酸鈉）、烷基苯磺酸鹽（如洗衣粉-12烷基苯磺酸鈉）、烷基硫酸脂鹽（ROSO3Na）等。凡是使溶液表面張力升高的物質(zhì)，皆稱為表面惰性物質(zhì)；凡是使溶液表面張力降低的物質(zhì)，從廣義上講，皆可稱為表面活性物質(zhì)；但習(xí)慣上，只把那些溶入少量就能顯著降低溶液表面張力的物質(zhì)，稱為表面活性物質(zhì)，或表面活性劑。溶液表面張力與濃度的關(guān)系目前尚無較好的理論公式，通常使用希思柯夫斯

8、基的經(jīng)驗(yàn)公式：和為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)?；颍?）當(dāng)很小時(shí)，≈（2）即隨線性下降。當(dāng)很大時(shí)，≈（3）即隨成對(duì)數(shù)下降。9.5.2吉布斯吸附等溫式根據(jù)熱力學(xué)原理，可推得恒溫恒壓下溶液表面吸附的吉布斯吸附等溫式為（4）是溶液的表面吸附量。溶液的表面吸附量定義為:在單位面積的表面層所含溶質(zhì)的物質(zhì)的量與具有相同數(shù)量溶劑的本體溶液中所含溶質(zhì)的物質(zhì)的量之差值，稱為表面超量(表面過?；虮砻嫖搅?對(duì)于第Ⅰ種類型的溶液表面吸附，＞0，由吉布斯吸