毛细现象要求:了解表面张力与表面自由能得定义,产生机理,它们之间得关系;理解《表面物理化学》四大定律之一得Young-Laplaceformula得含义,掌握其应用;掌握毛细现象产生机理及其重要意义;了解液体表面张力得测定方法§2、1表面自由能与表面张力§2、1、1表面自由能定义系统增加单位表面积时所需做得可逆功,也可以说就是单位表面积得表面相分子与本体相分子相比,所具有得额外得势能,这种势能只有分子处于表面时才有,所以叫表面自由能,单位为:J/m2。表面自由能产生得机理由于表面或界面得分子或原子与本体相得分子或原子相比,其所受到得键力不平衡,从而存在着表面或界面不饱与键力。表面不饱键力得存在就是表面自由能产生得根本原因。SiOSiOSiOOOSiOSiOSi－－－O－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－O－－－－－－－－－－－－－－－－图2-1不饱与键力示意图物质结构不一样,不饱与键力大小不一样,离子键物质不饱与键力>原子键物质>分子键物质。根据热力学原理,有不饱与键力得表面,就是热力学上不稳定得体系,一有机会就要想法补偿:在真空中,则表面不饱与键力能得不到任何补偿;在空气中,由于氧、氮分子密度低,又就是非极性分子,所以表面不饱与键力能得到得补偿很小;++H105°3'HO在水中,由于水就是强偶极分子,则固体表面不饱与键力能得到部分补偿。3、表面或界面越大得体系,表面能越大,这些体系都就是不稳定体系微细颗粒体系就是不稳定体系,容易聚团;油水混合体系就是不稳定体系,容易分层;材料中得裂缝体系,热力学上也不稳定,存在着很强得作用力;4、表面能:§2、1、2表面张力定义:沿液体表面切线方向,单位长度上所受到得,使液体表面收缩得力,叫表面张力,其就是纯粹物质表面层分子间实际存在得力,单位:N/m,dyne/cm。§2、1、3表面张力与比表面自由能得关系皂膜FdALXdx图2-2皂膜得拉伸如图2-2所示得皂膜拉伸示意图。液体得表面张力σ为:图2-2中,在F力得作用下金属丝移动了dx得距离,则所作得功为:但2Ldx等于液膜得面积增量dA,所以将上式改写成如下形式:从上式可知:液体得表面张力实际上在数值上等于表面自由能。量纲分析:[σ]=[N/m]=[Nm/m2]=[J/m2]=[Gs]。由此可知,表面张力与表面自由能量纲一致。为什么纯粹液体表面张力与表面自由能数值相等？固体得表面张力与表面自由能数值上就是否相等？非纯粹液体表面张力与表面自由能数值上就是否相等？非纯粹液体表面问题:§2、2毛细现象及Young-Laplace公式§2、2、1毛细现象得含义根据毛细管中得液体与毛细管壁得相互作用性质不同,其中液面可能就是凹月面,或平面,或凸月面,从而导致毛细管中得液体或者上升,或者与外液面平行,或者下降。毛细管中得液面上升或下降得现象叫做毛细现象,如图2-3所示。图2-3毛细现象示意图§2、2、2Young-Laplace公式图2-4所示为皂膜得收缩。RdR图2－4泡膜收缩示意图设皂泡为球体,半径为R。液体得表面张力为σ,则总表面自由能为4πR2σ。假设半径减少dR,表面自由能得变化为8πRσdR。由于皂膜收缩使表面自由能减少,要使收缩得趋势得到平衡,则皂膜内得压力P1必须大于皂膜外得压力P2,即跨过皂膜存在着一个压力差。当半径收缩dR时,压差所作得功为:达到平衡时,W一定得等于表面自由能得减少。或者:(2-1)对于任意非球面曲面,其相互垂直得两个曲率半径为:R1与R2,则该曲面产生得附加压力为:(2-2)式(2-2)即为Young-Laplace公式,而式(2-1)为曲面就是球面得特殊情况。Young-Laplace公式得意义:跨过任意一个曲面,都必须做功,即任意液体曲面都要产生附加压力,曲面半径越小,附加压力越大。问题:当将下列图中两气泡之间连通,两气泡将如何变化？§2、3毛细上升得处理(毛细管法测液体表面张力)规律:假如液体润湿毛细管壁,则毛细管中得液体会强制上升,液面呈凹月面,其半径为正;假如液体不能润湿毛细管壁,则毛细管中得液体会强制下降,液面呈凸月面,其半径为负。毛细管中液面一般有如下三种情况。§2、3、1毛细管中液面为半球面如图2-5所示,毛细管中液面为半球面得情况。弯曲液面附加压力此时等于:并且,弯曲液面得附加压力必定等于毛细管内液柱得静压强,即:上式可写成:将a叫做毛细常数,它就是反应一个毛细管得特征系数。可以通过上式测定液体表面张力。rh图2-5毛细管上升(弯曲面为半球面)§2、3、2毛细管中液面