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《液-固及液-氣(空氣)界面現(xiàn)象.doc》由會員上傳分享,免費(fèi)在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
1、7.4液-固及液-氣(空氣)界面現(xiàn)象7.4.1潤濕現(xiàn)象7.4.1.1接觸角液體對固體表面的潤濕作用是界面現(xiàn)象的一個(gè)重要方面,它主要研究液體對固體表面的親合狀況。例如水能潤濕玻璃,但不能潤石蠟。荷葉上的水珠可以自由滾動(dòng),說明水不能潤濕荷葉。一般來說,若液體能潤濕固體,則液體呈凸透鏡狀;若不能潤濕,則呈橢球狀,如圖。液體對固體的潤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,潤濕越好。一般以=90°為分界線。<90°,為能潤濕;=0°為完全潤濕。>90°,為不潤濕
2、;=180°,為完全不潤濕。固氣液O潤濕O不潤濕現(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潤濕不潤濕完全不潤濕完全潤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。所以完全潤濕的條件為>即>(3)完全不潤濕的條件為<-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),液體越易潤濕固體。式(5)中的和較難測定,但可由式(1)將其消去:Wa=--=-(1+)(6)由式(6)可測量Wa。如果ΔG>0,即>(7)則液體不能
4、潤濕固體。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)測定。潤濕作用在實(shí)際中有廣泛的應(yīng)用,如棉布易被水潤濕,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?對于第Ⅰ種類型的溶液表面吸附,>0,由吉布斯吸