膠體化學總復習（課堂PPT）

1、1 宏觀物質宏觀物質亞微觀結構亞微觀結構分分 子子原原 子子基本粒子基本粒子膠體膠體物理物理膠體與界面化學主要是膠體與界面化學主要是研究膠體分散體系和界研究膠體分散體系和界面現(xiàn)象的一門科學，是物理化學的重要分支。面現(xiàn)象的一門科學，是物理化學的重要分支。既要研究膠體化學的問題，有必然涉及表面化既要研究膠體化學的問題，有必然涉及表面化學的問題，兩者相互聯(lián)系、相輔相成。學的問題，兩者相互聯(lián)系、相輔相成。物理物理2 1 1、定義：、定義： 分散相粒子半徑在分散相粒子半徑在1 -1 -100 nm100 nm乃乃至至1um1um的分散體系。的分散體系。名稱名稱粒子大小粒子大小特性特性粗分散粗分散體系體系

2、大于大于0.1微微米米熱力學不穩(wěn)定，動力學也不穩(wěn)定，不熱力學不穩(wěn)定，動力學也不穩(wěn)定，不擴散，不滲析，在顯微鏡下可見擴散，不滲析，在顯微鏡下可見膠體膠體10-9m10-7m熱力學不穩(wěn)定，但動力學穩(wěn)定，擴散熱力學不穩(wěn)定，但動力學穩(wěn)定，擴散慢，不滲析，能通過濾紙，在超顯微慢，不滲析，能通過濾紙，在超顯微鏡下可見鏡下可見分子分散分子分散體系體系 (離子鍵離子鍵) (極性共價極性共價鍵鍵) (非極性共價鍵非極性共價鍵)gggg 2. 表面張力與分子極性關系表面張力與分子極性關系 表面張力是由于分子間力而引起的凈吸力所產生表面張力是由于分子間力而引起的凈吸力所產生，因此，因此極性分子極性分子物質的表面張力

3、比物質的表面張力比非極性分子非極性分子物質的物質的表面張力大表面張力大。 水（水（72.75mN/m）; 正己烷正己烷 (18.4mN/m); 47溶液的表面張力與溶液濃度的關系溶液的表面張力與溶液濃度的關系非表面活性物質非表面活性物質 水的表面張力因加入溶質形成溶液而改變。水的表面張力因加入溶質形成溶液而改變。 能能使水的表面張力明顯升高的使水的表面張力明顯升高的溶質稱為非表溶質稱為非表面活性物質。如無機鹽和不揮發(fā)的酸、堿等。面活性物質。如無機鹽和不揮發(fā)的酸、堿等。 這些物質的離子有較強的水合作用，趨向于這些物質的離子有較強的水合作用，趨向于被水分子拖入水相內部，非表面活性物質在被水分子拖入

4、水相內部，非表面活性物質在表面表面的濃度低于其在本體的濃度的濃度低于其在本體的濃度。 如果要增加單位表面積，所作的功中還必須包如果要增加單位表面積，所作的功中還必須包括克服靜電引力所消耗的功，所以表面張力升高。括克服靜電引力所消耗的功，所以表面張力升高。思考：礦泉水為何能浮起硬幣？思考：礦泉水為何能浮起硬幣？48溶液的表面張力與溶液濃度的關系溶液的表面張力與溶液濃度的關系表面活性物質表面活性物質 加入后能加入后能使水的表面張力降低使水的表面張力降低的溶質稱為表面的溶質稱為表面活性物質?；钚晕镔|。 這種物質通常含有這種物質通常含有親水的極性基團親水的極性基團和和憎水的憎水的非極性碳鏈或碳環(huán)非極性

5、碳鏈或碳環(huán)有機化合物。親水基團進入水有機化合物。親水基團進入水中，憎水基團企圖離開水而指向空氣，在界面定中，憎水基團企圖離開水而指向空氣，在界面定向排列。向排列。 表面活性物質表面活性物質的的表面濃度大于本體濃度，增表面濃度大于本體濃度，增加單位面積所需的功較純水小。非極性成分愈大加單位面積所需的功較純水小。非極性成分愈大，表面活性也愈大。，表面活性也愈大。49 低分子量的極性有機物，如：醇、醛、酸、酯、低分子量的極性有機物，如：醇、醛、酸、酯、胺等，溶液表面張力隨濃度增加而逐漸減小。胺等，溶液表面張力隨濃度增加而逐漸減小。 -表面活性物質表面活性物質 surface active subst

6、ance具有長碳鏈（碳原子數(shù)大于具有長碳鏈（碳原子數(shù)大于8）的極性有機化合物：）的極性有機化合物： 當濃度很小時，溶液的表面張力便急劇減小，但減小當濃度很小時，溶液的表面張力便急劇減小，但減小到一定值后就不再隨濃度增加而變化。到一定值后就不再隨濃度增加而變化。 - 表面活性劑表面活性劑 surface active agent (surfactant）溶液的表面張力與溶液濃度的關系溶液的表面張力與溶液濃度的關系50思考：靜止的純水面上放一紙船，紙船顯然不會自動航行。若在船尾靠水部分涂一點肥皂，再放入水中，情況又將如何？答：紙船放到靜止的水面，以船底為邊答：紙船放到靜止的水面，以船底為邊界，作用

7、在邊界周圍的表面張力大小相界，作用在邊界周圍的表面張力大小相等，方向相反，紙船當然靜止不動。等，方向相反，紙船當然靜止不動。 當船尾涂了肥皂后，由于表面活性當船尾涂了肥皂后，由于表面活性物質的作用，尾部表面張力變小，頭部物質的作用，尾部表面張力變小，頭部表面張力未變，所以小船在這不等的表表面張力未變，所以小船在這不等的表面張力作用下，會自動向前方移動。面張力作用下，會自動向前方移動。51 H2O C2H5OH (aq) NaCl (aq)思考：水中溶解了不同的溶質，為什思考：水中溶解了不同的溶質，為什么在毛細管中液面上升的高度不同？么在毛細管中液面上升的高度不同？52彎曲表面上的附加壓力彎曲表

8、面上的附加壓力1.在平面上在平面上 對一小面積對一小面積AB，沿沿AB的的四周每點的兩邊都存在表面四周每點的兩邊都存在表面張力，大小相等，方向相反張力，大小相等，方向相反，所以沒有附加壓力，所以沒有附加壓力 設向下的大氣壓力為設向下的大氣壓力為po，附加壓力，附加壓力ps等于零。所以等于零。所以AB面只受到大氣壓力為面只受到大氣壓力為po的外力。的外力。s0p 0pABff53彎曲表面上的附加壓力2. 在凸面上在凸面上 由于液面是彎曲的，則沿由于液面是彎曲的，則沿AB的周界上的表面張力不是的周界上的表面張力不是水平的，作用于邊界的力將有水平的，作用于邊界的力將有一指向液體內部的合力一指向液體內

9、部的合力 0sppp總0pABff0sppsp 所有的點產生的合力和所有的點產生的合力和為為 ps ，稱為，稱為附加壓力附加壓力凸面上受的總壓力為：凸面上受的總壓力為：54 彎曲表面上的附加壓力3. 在凹面上在凹面上 由于液面是凹面，沿由于液面是凹面，沿AB的周界上的表面張力不能抵消的周界上的表面張力不能抵消，作用于邊界的力有一指向凹，作用于邊界的力有一指向凹面中心的合力面中心的合力 0sppp總0pABff0sppsp 所有的點產生的合力和所有的點產生的合力和為為 ps ，稱為，稱為附加壓力附加壓力凹面上受的總壓力為：凹面上受的總壓力為：sp55彎曲表面上的附加壓力 小結：小結： 由于表面張

10、力的作用，在彎曲表面下的由于表面張力的作用，在彎曲表面下的液體與平面不同，它受到一種附加的壓力，液體與平面不同，它受到一種附加的壓力，附加壓附加壓力的方向都指向曲面的圓心力的方向都指向曲面的圓心。 凹面凹面上受的總壓力上受的總壓力小于小于平面上的壓力平面上的壓力凸面凸面上受的總壓力上受的總壓力大于大于平面上的壓力平面上的壓力附加壓力的大小與曲率半徑有關附加壓力的大小與曲率半徑有關 例如，在毛細管內充滿液體，管端有半徑為例如，在毛細管內充滿液體，管端有半徑為R 的球狀液滴與之平衡。的球狀液滴與之平衡。 外壓為外壓為 p0 ，附加壓力為，附加壓力為 ps ，液滴所受總壓為：液滴所受總壓為：0spp

11、560sppp總0pspR 對活塞稍加壓力，將對活塞稍加壓力，將毛細管內液體壓出少許毛細管內液體壓出少許相應地其相應地其表面積增加表面積增加dA使液滴體積增加使液滴體積增加dV 環(huán)境克服附加壓力環(huán)境克服附加壓力ps所所作的功等于可逆增加表面積作的功等于可逆增加表面積的的Gibbs自由能自由能ssddp VAg 外壓為外壓為 p0 ，附加壓力為，附加壓力為 ps ，液滴所受總壓為：液滴所受總壓為：570pspRssddp VAgs2pRg34 3VR代入代入2s4AR2 d4dVRRsd8dAR Rssddp VAg得得彎曲液面下的附加壓力與表面張力的關系彎曲液面下的附加壓力與表面張力的關系La

12、place公式公式58 凸面凸面上因外壓與附加壓力上因外壓與附加壓力的方向一致，液體所受的總的方向一致，液體所受的總壓等于外壓和附加壓力之和壓等于外壓和附加壓力之和，總壓比平面上大。相當于，總壓比平面上大。相當于曲率半徑取了正值。曲率半徑取了正值。曲率半徑越小，附加壓力越大曲率半徑越小，附加壓力越大 s2pRg0sppp總彎曲液面的附加壓力彎曲液面的附加壓力0pA0sppspLaplace公式公式59 凹面凹面上因外壓與附加壓力上因外壓與附加壓力的方向相反，液體所受的總壓的方向相反，液體所受的總壓等于外壓和附加壓力之差，總等于外壓和附加壓力之差，總壓比平面上小。相當于壓比平面上小。相當于曲率半

13、曲率半徑取了負值。徑取了負值。0sppp總彎曲液面的附加壓力0pABff0sppsps2pRg60 1 1。假若液滴具有不規(guī)則的形狀，則在表面。假若液滴具有不規(guī)則的形狀，則在表面上的不同部位，曲面彎曲方向及其曲率不同，所上的不同部位，曲面彎曲方向及其曲率不同，所具有的附加壓力的方向和大小也不同，這種不平具有的附加壓力的方向和大小也不同，這種不平衡的力，必將迫使液滴呈現(xiàn)球形衡的力，必將迫使液滴呈現(xiàn)球形 自由液滴或氣泡通常為何都呈球形自由液滴或氣泡通常為何都呈球形 ？ 2 2。相同體積的物質，球形的表面積最小，。相同體積的物質，球形的表面積最小，則表面總的則表面總的Gibbs自由能最低，所以變成球

14、狀最自由能最低，所以變成球狀最穩(wěn)定。穩(wěn)定。 61ABCDABCDxy yYoung-Laplace 公式的普遍式 在任意彎曲液面上取小矩形在任意彎曲液面上取小矩形ABCD(紅色面紅色面)，其面積為，其面積為xy。 曲面邊緣曲面邊緣AB和和BC弧的曲弧的曲率半徑分別為率半徑分別為 和和1R2R 作曲面的兩個相互垂直的正作曲面的兩個相互垂直的正截面，交線截面，交線Oz為為O點的法線。點的法線。 令曲面沿法線方向移動令曲面沿法線方向移動dz ，使曲面擴大到使曲面擴大到ABCD(藍色面藍色面)，則，則x與與y各增加各增加dx和和dy 。1R2Rzoy+dydxx odz62ABCDYoung-Lapl

15、ace 公式ABCDxy y1R2Rzoy+dydxx odz 移動后曲面面積增量為：移動后曲面面積增量為：sd(d )(d )Axxyyxydd (d d0)x yy xy xfddWx yy xg 增加這額外表面所需功為增加這額外表面所需功為sdWp V 克服附加壓力所作的功為克服附加壓力所作的功為ddVxy zsdWp xy z 這兩種功應該相等這兩種功應該相等63ABCDYoung-Laplace 公式ABCDxy y1R2Rzoy+dydxx odzsdddx yy xp xy zg11ddxxxRzR自相似三角形的比較得自相似三角形的比較得 1ddx zxR22ddyyyRzR2d

16、dy zyR代入上式得代入上式得 s1211pRRg若若 s2pRg12RRR這兩個都稱為這兩個都稱為 Young-Laplace 公式公式 64產生毛細現(xiàn)象的原因產生毛細現(xiàn)象的原因? ?彎曲表面上有附加壓力存在彎曲表面上有附加壓力存在毛細現(xiàn)象與哪些因素有關毛細現(xiàn)象與哪些因素有關? ? 主要與液體性質和毛細管的性質有關主要與液體性質和毛細管的性質有關彎曲表面所受壓力彎曲表面所受壓力與平面不同與平面不同. .彎曲表面的飽和蒸彎曲表面的飽和蒸汽壓與平面不同汽壓與平面不同. .毛細壓力毛細壓力毛細凝聚毛細凝聚65毛細現(xiàn)象AHgh0p0s0Hgpppghl2ghRg受力平衡時：受力平衡時：66毛細現(xiàn)象

17、2H O0phBs2lpghRgl2ghRg管內液面上升后又達成了新的平衡，管內液面上升后又達成了新的平衡，0s0lpppgh 據(jù)此，測定毛細管中液面上升或下降的高度據(jù)此，測定毛細管中液面上升或下降的高度, ,可以可以計算液體計算液體的表面張力的表面張力 如果已知表面張力和彎曲液面的曲率半徑如果已知表面張力和彎曲液面的曲率半徑, ,可以可以預測液面上預測液面上升的高度升的高度如何求得彎曲液面的曲率半徑？如何求得彎曲液面的曲率半徑？67曲率半徑與毛細管半徑的關系曲率半徑與毛細管半徑的關系cosrRcosrR是接觸角是接觸角, ,可用實驗測量可用實驗測量0180或時Rr68vap10G2mm2ds

18、ssMGVpAVpAAR gggg0r4r0lnlnppGRTRTpp 2340GGG r02lnpMRTpRg這就是這就是Kelvin公式公式3sGA g69r02lnpMRTpRg02pMpRTRg Kelvin公式也可以表示為兩種不同曲率半徑公式也可以表示為兩種不同曲率半徑的液滴或蒸汽泡的蒸汽壓之比的液滴或蒸汽泡的蒸汽壓之比2121211lnpMRTpRRg對凸面對凸面，R 取取正值正值，R 越小，液滴的蒸汽壓越高；越小，液滴的蒸汽壓越高；對凹面對凹面， R 取取負值負值， R 越小，小蒸汽泡中的越小，小蒸汽泡中的蒸汽壓越低。蒸汽壓越低。70r02lnpMRTpRg02pMpRTRg21

19、21211lnpMRTpRRg Kelvin公式也可以表示兩種不同大小顆粒的公式也可以表示兩種不同大小顆粒的飽和溶液濃度之比。飽和溶液濃度之比。s2121211lnlMcRTcRRg 顆粒總是顆?？偸峭姑妫姑?， R 取取正值正值， R 越小，小越小，小顆粒的飽和溶液的濃度越大，溶解度越大。顆粒的飽和溶液的濃度越大，溶解度越大。71同溫度下，同一液體，隨表面曲率半徑不同具有不同溫度下，同一液體，隨表面曲率半徑不同具有不同的飽和蒸氣壓，若以同的飽和蒸氣壓，若以P P平、平、P P凹、凹、P P凸分別表示平凸分別表示平面、凹面和凸面液體上的飽和蒸氣壓，三者關系面、凹面和凸面液體上的飽和蒸氣壓，三者

20、關系? ?300 K 時，水的表面張力時，水的表面張力 = 0.0728 Nm-1，密度，密度 為為 0.9965103 kgm-3。在該溫度下，一個球形水滴的。在該溫度下，一個球形水滴的飽和蒸氣壓是相同溫度平面水飽和蒸氣壓的飽和蒸氣壓是相同溫度平面水飽和蒸氣壓的 2 倍，倍，這個小水滴的半徑是多少？這個小水滴的半徑是多少？72毛細現(xiàn)象應用之：毛細凝聚因為凹面上有附加壓力因為凹面上有附加壓力, ,蒸氣壓比平面上小蒸氣壓比平面上小 在小于飽和蒸汽壓時，凹面上已達飽和在小于飽和蒸汽壓時，凹面上已達飽和而發(fā)生凝聚，這就是而發(fā)生凝聚，這就是毛細凝聚現(xiàn)象。毛細凝聚現(xiàn)象。 在測量固體的吸附量時，采用的吸附

21、質能潤濕固體在測量固體的吸附量時，采用的吸附質能潤濕固體, ,在在毛細管中會形成凹面毛細管中會形成凹面 發(fā)生毛細凝聚后會使吸附結果偏高發(fā)生毛細凝聚后會使吸附結果偏高, ,降低降低吸附比壓可以防止出現(xiàn)毛細凝聚。吸附比壓可以防止出現(xiàn)毛細凝聚。 當石油在地層中流動、血液在血管中流動、粉塵之間的粘當石油在地層中流動、血液在血管中流動、粉塵之間的粘附和泡沫之間都有毛細現(xiàn)象存在。附和泡沫之間都有毛細現(xiàn)象存在。 毛細凝聚的結果：脫附曲線與吸附曲線不重合，出現(xiàn)滯后圈毛細凝聚的結果：脫附曲線與吸附曲線不重合，出現(xiàn)滯后圈。73Kelvin公式的應用(會解釋)(1) 過飽和蒸汽過飽和蒸汽-人工降雨人工降雨 在云層中

22、，當水蒸汽已經過飽和，但是還沒有雨滴形成在云層中，當水蒸汽已經過飽和，但是還沒有雨滴形成，甚至水的飽和蒸汽壓已是平面液體蒸汽壓的，甚至水的飽和蒸汽壓已是平面液體蒸汽壓的4倍以上，可還倍以上，可還是不下雨。是不下雨。 這是因為過飽和水蒸汽是對平面液體而言的。在云層中這是因為過飽和水蒸汽是對平面液體而言的。在云層中若要形成雨滴，開始形成的雨滴一定很小，它的飽和蒸汽壓若要形成雨滴，開始形成的雨滴一定很小，它的飽和蒸汽壓遠遠高于平面水的蒸汽壓，所以小雨滴不能存在。遠遠高于平面水的蒸汽壓，所以小雨滴不能存在。 如果在這水汽過飽和的云層中，用飛機或火箭把干冰、如果在這水汽過飽和的云層中，用飛機或火箭把干冰

23、、AgI（s）或硅藻土等物質撒進去，以提供凝聚中心，使形成）或硅藻土等物質撒進去，以提供凝聚中心，使形成的雨滴初始曲率半徑加大，則飽和蒸汽壓降低，這時水汽很的雨滴初始曲率半徑加大，則飽和蒸汽壓降低，這時水汽很快會凝聚在固體粒子周圍形成雨滴落下，這就是人工降雨（快會凝聚在固體粒子周圍形成雨滴落下，這就是人工降雨（或稱為人工增雨）?；蚍Q為人工增雨）。 74Kelvin公式的應用(2) 過熱液體過熱液體 在有機蒸餾時，溫度計指示液體已達通常所說的沸點，但卻看不出在有機蒸餾時，溫度計指示液體已達通常所說的沸點，但卻看不出有沸騰的現(xiàn)象，需要繼續(xù)加熱。突然，液體夾著氣泡一起上沖，這就是暴有沸騰的現(xiàn)象，需要

24、繼續(xù)加熱。突然，液體夾著氣泡一起上沖，這就是暴沸現(xiàn)象。沸現(xiàn)象。 如果在蒸餾前加入適量的沸石（多孔硅鋁酸鹽），儲存在沸石小孔如果在蒸餾前加入適量的沸石（多孔硅鋁酸鹽），儲存在沸石小孔中的空氣在加熱時放出，作為蒸餾時的成泡中心，可以防止暴沸。中的空氣在加熱時放出，作為蒸餾時的成泡中心，可以防止暴沸。 用素燒瓷片或若干一頭封口的玻璃毛細管也能起到與沸石相同的作用。用素燒瓷片或若干一頭封口的玻璃毛細管也能起到與沸石相同的作用。 產生機理產生機理：1）液體正常沸騰時，不僅表面氣化，液體內部也自動生液體正常沸騰時，不僅表面氣化，液體內部也自動生成微小氣泡。然后小氣泡逐漸長大并升至液面氣化。成微小氣泡。然后

25、小氣泡逐漸長大并升至液面氣化。 2）但是：由于附加壓力的存在，最初生成的小氣泡內部的壓力遠?。┑牵河捎诟郊訅毫Φ拇嬖?，最初生成的小氣泡內部的壓力遠小于其所承受的壓力（包括外壓于其所承受的壓力（包括外壓P0、液體靜壓力、液體靜壓力 gh、附加壓力），小氣泡、附加壓力），小氣泡不可能存在；不可能存在；3）必須提高溫度，使小氣泡內蒸汽壓等于或大于它承受的壓）必須提高溫度，使小氣泡內蒸汽壓等于或大于它承受的壓力，此時大量氣泡同時生成，液體暴沸。力，此時大量氣泡同時生成，液體暴沸。75Kelvin公式的應用(4) 過冷液體過冷液體 在凝固點溫度時，液體與固體的在凝固點溫度時，液體與固體的蒸氣壓相等，純

26、的物質在兩相中的化蒸氣壓相等，純的物質在兩相中的化學勢相等，才能達成液學勢相等，才能達成液固兩相平衡。固兩相平衡。 形成過冷水是由于剛開始形成的冰晶很小，形成過冷水是由于剛開始形成的冰晶很小，據(jù)據(jù)Kelvin公式，小冰晶對應的飽和蒸氣壓比同溫下大冰塊的蒸公式，小冰晶對應的飽和蒸氣壓比同溫下大冰塊的蒸氣壓大，所以小冰晶在凝固點溫度下不能形成氣壓大，所以小冰晶在凝固點溫度下不能形成 過冷水是不穩(wěn)定的，一旦有灰塵、受到振動或摩擦器壁，過冷水是不穩(wěn)定的，一旦有灰塵、受到振動或摩擦器壁，過冷水馬上就會結成冰。過冷水馬上就會結成冰。 /Pap/KTABCOfqPD273.16水水冰冰水蒸氣水蒸氣610.6

27、2CT273.1551076沾濕粘附過程與粘附功沾濕過程是將沾濕過程是將氣氣-液液界面與氣界面與氣-固界面轉化為固固界面轉化為固-液界面的過程液界面的過程77粘附功(workofadhesion) 在等溫等壓條件下，將在等溫等壓條件下，將單位面積的液面與固體表單位面積的液面與固體表面拉開時外界面拉開時外界所作的最小功稱為粘附功所作的最小功稱為粘附功，它是固液界它是固液界面作用力大小的一種量度。面作用力大小的一種量度。粘附功越大，液體越能潤粘附功越大，液體越能潤濕固體，液濕固體，液- -固結合得越牢。固結合得越牢。 在粘附過程中，消失了單位液體表面和固體表面在粘附過程中，消失了單位液體表面和固體

28、表面，產生了單位液，產生了單位液- -固界面。粘附功就等于這個過程中表固界面。粘附功就等于這個過程中表面吉布斯自由能的變化值的負值。面吉布斯自由能的變化值的負值。al sg lg-s()WG gggWa0是沾濕過程自發(fā)進行的條件是沾濕過程自發(fā)進行的條件78浸濕過程與浸濕功 浸濕過程是將氣浸濕過程是將氣-固界面轉變?yōu)橐汗探缑孓D變?yōu)橐?固界面的過程固界面的過程而液體表面在這個過程中沒有變化。而液體表面在這個過程中沒有變化。79浸濕功(workofimmersion) 等溫、等壓條件下，將具有單位表面積的固等溫、等壓條件下，將具有單位表面積的固體可逆地浸入液體中所作的最小功稱為浸濕功，體可逆地浸入液體中所作的最小功稱為浸濕功，它是液體在固體表面取代氣體能力的一種量度。它是液體在固體表面取代氣體能力的一種量度。 只有浸濕功大于或等于零只有浸濕功大于或等于零，液體才能浸濕固液體才能浸濕固體。體。在浸濕過程中，消失了單位面積的氣、固表在浸濕過程中，消失了單位面積的氣、固表面，產生了單位面積的液、固界面，所以浸濕功面，產生了單位