第八章-表面現(xiàn)象(2015)課件

第八章表面現(xiàn)象與分散系統(tǒng)（一）表面現(xiàn)象§8.1表面自由能與表面張力§8.2純液體的表面現(xiàn)象§8.3氣體在固體表面上的吸附§8.4溶液的表面吸附§8.5表面活性劑及其作用（二）分散系統(tǒng)§8.6分散系統(tǒng)的分類§8.7溶膠的光學(xué)及力學(xué)性質(zhì)§8.8溶膠的電性質(zhì)§8.9溶膠的聚沉和絮凝§8.10溶膠的制備與凈化（一）

表面現(xiàn)象

界面：密切接觸的兩相之間的過渡區(qū)（大約幾個(gè)分子層厚度）。§8-1表面吉布斯函數(shù)和表面張力

1、比表面和表面功

比表面：單位體積(或單位質(zhì)量)物質(zhì)所具有的表面積，分別用As和Aw表示，即As=A/V

(m-1)Aw=A/m

(m2.kg-1)物理意義或目的：表示物系的分散度。分散度：把物質(zhì)分散成細(xì)小微粒的程度。一定大小的物質(zhì)分割得越小，則分散度越高，比表面也越大。1cm3立方體分散為小立方體時(shí)表面積的變化立方體邊長l/m粒子數(shù)總表面積As/m210-216′10-410-31036′10-310-41066′10-210-51096′10-110-610126′10010-710156′10110-810186′10210-910216′103nm級(jí)的超細(xì)微粒，比表面積巨大，表現(xiàn)出獨(dú)特的表面效應(yīng)(界面現(xiàn)象)---新材料和多相催化的研究熱點(diǎn)。界面現(xiàn)象的本質(zhì)表面層分子與內(nèi)部分子相比所處的環(huán)境不同

體相內(nèi)部分子---所受作用力具有對(duì)稱性;

處在界面層的分子----所受作用力不能相互抵銷;

分散程度越高，比表面越大，處在表界面上的分子數(shù)越多，表面能也越高。表面層的分子活性大，能量高------“表面能”液體表面有自動(dòng)收縮的趨勢；表面功：系統(tǒng)在溫度、壓力和組成不變的條件下，可逆地增加表面積對(duì)系統(tǒng)作的非體積功。δWr'=σdAσ：比表面功或表面能，在溫度、壓力和組成不變的條件下，可逆地增加單位表面積對(duì)系統(tǒng)作的非體積功。σ又稱為表面吉布斯函數(shù)。單位是J·m-2。界面層分子有自發(fā)與外來分子發(fā)生化學(xué)或物理結(jié)合的趨勢。界面現(xiàn)象的結(jié)果δWr‘

=dG＝σdA趨勢：使界面減小、降低表面能“表面能”的熱力學(xué)表達(dá)？（表面功）←←←←←←←←←←ldxF3、表面張力

液體表面最基本的特性是趨向于收縮。例：液膜的自動(dòng)收縮肥皂膜的表面積增大dA:dA=2l·dx環(huán)境對(duì)系統(tǒng)作的表面功為：δWr'=F·dxF·dx=2lσdx；

σ=F/2l=dG=σdAσ:在單位長度上使液體表面縮小的力，表面張力。單位：N·m-1

●溫度：溫度增加，表面張力降低。

4、影響表面張力的因素

●液體本身的性質(zhì)有關(guān)外，還與共存的另一相的性質(zhì)有關(guān)；

●壓力：氣體壓力增加，表面張力降低。(壓力的影響不大)某些液體、固體的表面張力和液/液界面張力Δp

的大小與曲率半徑成反比，與表面張力成正比。Δp=2σ/r拉普拉斯方程彎曲液面附加壓力與曲率半徑的關(guān)系：空氣中的肥皂泡附加壓力為：Δp=4σ/r

2、彎曲液面的飽和蒸氣壓（開爾文公式）平衡飽和蒸汽壓

p0μ平=μθ

＋RTln(p0/pθ

)液體（T,pl）＝飽和蒸汽（T,pg）r平衡飽和蒸汽壓

prμr=μθ＋RTln(pr/pθ

)Δμ=μr-μ平=RTln(pr/p0)p0prr液體的密度:ρ，摩爾質(zhì)量:M，則Vm(l)=M/ρ開爾文(Kelvin)方程

對(duì)于凹液面（氣泡），r<0，

pr<p0，即氣泡內(nèi)的蒸氣壓小于平面液體的蒸氣壓，且r越小，其飽和蒸氣壓越小。

對(duì)于凸液面（液滴），r>0，

pr>p0，即液滴的蒸氣壓大于平面液體的蒸氣壓，且r越小，其飽和蒸氣壓越大；

Δμ=RTln(pr/p0)

=Vm(l)Δp=Vm(l)2σ/r人工降雨、沸石防暴沸3、鋪展和潤濕原來的g-s界面被g-l界面和l-s界面取代把液體滴在固體表面上，可以在固體表面上呈現(xiàn)不潤濕、潤濕和鋪展。鋪展把液體滴在完全不互溶的另一種液體上，也可以形成鋪展和不鋪展。

液體在固體上鋪展的過程：ΔG=σg-l+σl-s-σs-g≤0

在固體上鋪展過程的ΔG為：σs-gθσl-sσg-lOθσg-lσs-gσl-sO平衡時(shí)有：

σg-s=σl-s+σg-lcosθ

潤濕

接觸角θ：固-液界面張力與氣－液界面張力的夾角。接觸角θ的大?。河扇齻€(gè)界面張力的相對(duì)大小決定。楊氏(Yong)方程③

θ<900，能潤濕①

θ>900，液體不能潤濕固體②θ=1800，完全不潤濕④θ=00，完全潤濕§8－3氣體在固體表面的吸附

1）吸附類型：物理吸附和化學(xué)吸附

1、固體的表面吸附吸附劑：具有吸附能力的固體；吸附質(zhì)：被吸附的物質(zhì)。

為使表面能降低，固體表面分子因所受力場不均勻，會(huì)自發(fā)捕獲氣相或液相中的分子，使之在固體表面上濃集。實(shí)踐應(yīng)用：復(fù)相催化、色層分析、氣體的分離與純化、廢氣中有用成分的回收等。物理吸附化學(xué)吸附■吸附力■選擇性■吸附熱■吸附層

■吸附速率

分子間作用力，即范德華力；化學(xué)鍵力；無選擇性；有選擇性。固體表面的分子與被吸附的氣體分子間形成了化學(xué)鍵；吸附熱與氣體的液化熱相近，約為20～40kJ.mol-1；吸附熱與化學(xué)反應(yīng)熱相近，約為40～400kJ.mol-1；可以是單分子層，也可以是多分子層；只能是單分子層；吸附速率快，易達(dá)到平衡，也易解吸，且吸附速率一般不受溫度的影響。速率慢，難于達(dá)到平衡，解吸難，且隨溫度的升高，速率增加。a{p}(a)(b)(c)(d)(e)幾種類型的吸附等溫線

吸附等溫線蘭格繆爾（Langmuir）吸附等溫式吸附理論的要點(diǎn)：a.吸附是單分子層吸附;b.固體表面是均勻的，各處的吸附能力相同;

c.被吸附的分子之間無相互作用力;

d.吸附平衡是動(dòng)態(tài)平衡，同時(shí)存在解吸可能。表面覆蓋率：解吸(脫附)速率正比于固體的表面覆蓋率

rd=k2θ蘭格繆爾吸附等溫式的導(dǎo)出：吸附速率正比于吸附質(zhì)氣相分壓、空白率(1-θ)

rads=k1(1-θ)p

達(dá)吸附平衡時(shí)，吸附速率和解吸速率相等

k1(1-θ)p=k2θ空白率：(1-θ)

當(dāng)壓力很高時(shí)，bp>>1，a≈a∞，a不再隨壓力變化，吸附達(dá)到飽和。apaba∞

當(dāng)壓力很低時(shí)，bp<<1，a≈a∞bp，a與p呈直線關(guān)系；

p/a與p成線性關(guān)系p/V與p成線性關(guān)系P296例題2～～～蘭格繆爾吸附等溫式：BET多分子層吸附等溫式：P299

習(xí)題11～161）溶液的表面張力與表面吸附現(xiàn)象σcⅠⅡⅢ溶質(zhì)c對(duì)σ的影響非離子型有機(jī)物(有機(jī)酸、醇等)非表面活性物質(zhì)(無機(jī)鹽、堿等)

表面活性劑曲線Ⅰ

負(fù)吸附曲線Ⅱ

正吸附曲線Ⅲ

正吸附溶液的表面吸附—溶質(zhì)在表面層與本體溶液濃度不同的現(xiàn)象。§8－4溶液的表面吸附3)表面活性劑的吸附層結(jié)構(gòu)(1)表面活性劑的結(jié)構(gòu)特征

油酸表面活性劑的結(jié)構(gòu)特征COO-

CH3(CH2)7=CH(CH2)7H+由親水性的極性基團(tuán)(親水基)和憎水(親油)性的非極性基團(tuán)兩部分構(gòu)成。(2)表面活性劑加入水中時(shí)的排布方式(a)稀溶液(b)開始形成膠束的溶液(處于臨界膠束濃度的溶液)單分子膜球狀膠團(tuán)(c)大于臨界膠束濃度的溶液臨界膠束濃度(CMC)：表面活性劑分子開始形成締合膠體的最低濃度。（p307）球狀層狀棒狀(3)表面活性劑表面吸附量與濃度的關(guān)系ΓcΓ=?！蕈??！轐c吸附等溫線K：與溶質(zhì)表面活性有關(guān)的常數(shù)

濃度很小時(shí),Γ與c成直線關(guān)系;?！蓿猴柡臀搅?mol.m-2)

P304

濃度較大時(shí),Γ與c成曲線關(guān)系;

濃度足夠大時(shí),吸附達(dá)到飽和,吸附量不再隨濃度變化。類似P303（8.23）P296（8.11）單個(gè)表面活性劑分子所占的面積(A)為：單分子膜中單個(gè)表面活性分子所占的面積：L：阿伏伽德羅常數(shù)?！?/p>

：飽和吸附量(mol.m-2)。

近似：(1)表面層完全為溶質(zhì)分子占據(jù)，沒有溶劑分子存在；（飽和吸附）(2)溶液內(nèi)部沒有溶質(zhì)分子存在。P304（8.25）(4)表面活性劑的分類P306表面活性劑離子型表面活性劑兩性表面活性劑陽離子表面活性劑陰離子表面活性劑如肥皂

RCOONa如胺鹽

C18H37NH3+Cl-如氨基酸型R-NH-CH2COOH非離子型表面活性

如聚乙二醇類

HOCOH2[CH2OCH2]nCH2OH(5)表面活性劑的應(yīng)用P308潤濕作用(滲透作用)：用作潤濕劑、滲透劑。洗滌作用：用作洗滌劑。乳化作用，分散作用，增溶作用：用作乳化劑、分散劑、增溶劑。發(fā)泡作用，消泡作用：用作起泡劑、消泡劑。