表面膠體現(xiàn)象課件

表面膠體現(xiàn)象表面膠體現(xiàn)象2023/8/3表面積和表面吉布斯能表面積表面吉布斯能和表面張力表面的熱力學關系式影響表面吉布斯能的因素表面現(xiàn)象2023/8/3表面積和表面吉布斯能表面積表面現(xiàn)象2023/8/3表面和界面界面： 即相界面，是指兩相之間幾個分子厚度的過渡區(qū)。常見的界面有：氣-液界面，氣-固界面，液-液界面，液-固界面，固-固界面。表面： 若兩相中有一相為氣體，這種相界面習慣稱為表面。包括氣-液界面，氣-固界面。2023/8/3表面和界面界面：2023/8/3空氣氣-液界面汽油NaCl溶液鹽塊液-液界面固-液界面表面和界面2023/8/3空氣氣-液界面汽油NaCl溶液鹽塊液-液界面2023/8/3表面積分散度：把物質(zhì)分散成細小微粒的程度只有當分散程度較高時，物質(zhì)表面性質(zhì)的重要性才明顯通常用比表面來反映物質(zhì)的分散程度比表面有兩種常用的表示方法：單位質(zhì)量的固體所具有的表面積，即：單位體積的固體所具有的表面積，即：2023/8/3表面積分散度：把物質(zhì)分散成細小微粒的程度通常2023/8/3將半徑為0.01m的水珠分散成多滴半徑為110-5m的水珠球形顆粒的表面積和體積水滴數(shù)增加109倍表面積增加1000倍球形顆粒的體積比表面表面積2023/8/3將半徑為0.01m的水珠分散成多滴半徑為12023/8/3表面層分子與內(nèi)部分子相比：表面吉布斯能和表面張力表面層分子，只受到下面分子的吸引，而上面氣相分子的密度小對液面分子的吸引可忽略。體相內(nèi)部分子所受四周鄰近分子的作用力是對稱的；結(jié)果：表面分子總是盡力往液體內(nèi)部擠，液體表面有張力、有自動收縮的傾向。2023/8/3表面層分子與內(nèi)部分子相比：表面吉布斯能和表面2023/8/3由于液體表面張力的存在，肥皂膜會自動收縮。若欲制止膜的收縮，需在反方向施加一個力F。表面張力()：引起液體表面收縮的單位長度上的力FlF=l’=2l表面吉布斯能和表面張力W’=Fdx=2ldx=dA當表面積變化較大時，W’=dA=A2023/8/3由于液體表面張力的存在，肥皂膜會自動收縮。若2023/8/3表面吉布斯能和表面張力dGT,p,n=W’W’=dAdGT,p,n=dA：T,p,n恒定條件下，可逆增加單位表面積時吉布斯能的增量，定義為表面能。(Jm-2)GT,p,n=

A當表面積變化較大時2023/8/3表面吉布斯能和表面張力dGT,p,n=W2023/8/3如果在金屬線框中間系一線圈，浸入肥皂液后，上面形成一液膜。由于以線圈為邊界的兩邊表面張力大小相等方向相反，所以線圈成任意形狀可在液膜上移動。如果刺破線圈中央的液膜，線圈內(nèi)側(cè)張力消失，外側(cè)表面張力立即將線圈繃成一個圓形。表面吉布斯能和表面張力還有什么方法能使線圈繃緊成圓形？2023/8/3如果在金屬線框中間系一線圈，浸入肥皂液后，上2023/8/3表面吉布斯能和表面張力溫度的影響：溫度升高，表面張力下降。為什么？壓力的影響：壓力增加，表面張力微降。為什么？2023/8/3表面吉布斯能和表面張力溫度的影響：溫度升高，2023/8/3彎曲液面的性質(zhì)曲面的附加壓力曲面的蒸氣壓亞穩(wěn)狀態(tài)和新相生成表面現(xiàn)象2023/8/3彎曲液面的性質(zhì)曲面的附加壓力表面現(xiàn)象2023/8/3楊拉普拉斯公式1805年Young-Laplace導出了p與r之間的關系式根據(jù)體積功定義：

W’=pdV根據(jù)表面張力定義：W’=dA可逆使實心液滴半徑增大dr。2023/8/3楊拉普拉斯公式1805年Young-Lap2023/8/3當毛細管下端為一肥皂泡時，具有內(nèi)外兩個表面（一凸一凹）楊拉普拉斯公式2023/8/3當毛細管下端為一肥皂泡時，具有內(nèi)外兩個表面（2023/8/3對于平面：r1=r2=∞對于球面：r1=r2=r對于柱面：r1=r,r2=∞若考慮r為矢量，則規(guī)定：凸液面：r>0，p

為正值。凹液面：r<0，p

為負值。方向都是曲面中心楊拉普拉斯公式2023/8/3對于平面：r1=r2=∞對于球面：r1=r2兩塊玻璃的問題2023/8/3兩塊玻璃的問題2023/8/32023/8/3毛細現(xiàn)象rR毛細現(xiàn)象是曲面上附加壓力作用的必然結(jié)果對于凹面，附加壓力=靜水壓問題：液面的曲率半徑r難以測定，已知的是毛細管半徑Rh2023/8/3毛細現(xiàn)象rR毛細現(xiàn)象是曲面上附加壓力作用的2023/8/3曲面的蒸氣壓等溫條件下，dGm=Vmdp則，Vm(l)dpl=Vm(g)dpg氣-液平衡時，必然有Gm(g)=Gm(l)，當改變液滴大小達到新平衡，必然有dGm(g)=dGm(l)。由于Vm(l)幾乎不受壓力影響，Vm(g)看作理想氣體平面液體轉(zhuǎn)變?yōu)榍嬉旱螘r，pp+p，pgpr2023/8/3曲面的蒸氣壓等溫條件下，dGm=Vmdp則，2023/8/3凸面，如空中液滴，r>0，r越小液滴的蒸氣壓越高，凹面，如水中氣泡，r<0，r越小氣泡內(nèi)的蒸氣壓越低。Kelvin公式曲面的蒸氣壓2023/8/3凸面，如空中液滴，r>0，r越小液滴的蒸氣壓2023/8/3比較兩個半徑分別為r1，r2的液滴或氣泡可知只有當曲率半徑很小時，曲面對蒸氣壓的影響才明顯。曲面的蒸氣壓2023/8/3比較兩個半徑分別為r1，r2的液滴或氣泡可知2023/8/3鋪展與潤濕液體的鋪展固體表面的潤濕表面現(xiàn)象2023/8/3鋪展與潤濕液體的鋪展表面現(xiàn)象2023/8/3鋪展是自發(fā)的，G=a

A+a-b

A+

b(-A)

0。鋪展：液體在另外一種不互溶的液體表面自動展開成膜的過程。b(1)(2)(3)鋪展后，b的表面減少A，則a-b增加A，a增加約A得，a

+a-b

b0。即，

ba

a-b0。液體的鋪展2023/8/3鋪展是自發(fā)的，G=aA+a-2023/8/3能否鋪展取決于兩種液體本身的表面張力和兩種液體之間的界面張力。令鋪展系數(shù)S=ba

a-b，則S0，a能在b上自動鋪展，S<0，a不能在b上鋪展.b為底物，a為被鋪展物。若液體部分互溶，則ba

a-b都必須用互溶平衡后的數(shù)據(jù)。液體的鋪展2023/8/3能否鋪展取決于兩種液體本身的表面張力和兩種液2023/8/3固氣=σ固液+σ液氣cosθ0<<90，液體可在固體表面潤濕90≤

<180，液體在固體表面不潤濕

=0，完全潤濕即鋪展?jié)櫇窠佑|角()：氣液界面與固液界面的夾角。楊氏方程固體表面的潤濕2023/8/3固氣=σ固液+σ液氣cosθ0<2023/8/3氣體在固體表面上的吸附物理吸附和化學吸附吸附等溫線Freundlish吸附等溫式單分子層吸附理論——Langmuir吸附等溫式多分子層吸附理論——BET公式表面現(xiàn)象2023/8/3氣體在固體表面上的吸附物理吸附和化學吸附表面2023/8/3物理吸附和化學吸附吸附質(zhì)：被吸附的物質(zhì)吸附劑：具有吸附能力的固體發(fā)生表面吸附的主要原因：通過吸附氣體或液體分子可以降低固體表面自由能2023/8/3物理吸附和化學吸附吸附質(zhì)：被吸附的物質(zhì)發(fā)生表2023/8/3物理吸附和化學吸附比較物理吸附和化學吸附物理吸附和化學吸附往往同時發(fā)生2023/8/3物理吸附和化學吸附比較物理吸附和化學吸附物理2023/8/31。單位質(zhì)量的吸附劑所吸附氣體物質(zhì)的量2。單位質(zhì)量的吸附劑所吸附氣體的體積吸附等溫線吸附平衡：T,P條件下，吸附質(zhì)的吸附速率等于脫附速率吸附量：吸附平衡時，單位質(zhì)量吸附劑所吸附氣體的量單位：mol/kg單位：m3/kg2023/8/31。單位質(zhì)量的吸附劑所吸附氣體物質(zhì)的量2。2023/8/3對于給定體系，達到吸附平衡時，T=常數(shù)，

=f(p)，吸附等溫式p=常數(shù)，

=f(T)，吸附等壓線=常數(shù)，p=f(T)，吸附等量線吸附曲線影響吸附量的因素：吸附劑本質(zhì)、溫度、氣體壓力。2023/8/3對于給定體系，達到吸附平衡時，T=常數(shù)，2023/8/3Freundlich吸附等溫式公式形式：公式類型：經(jīng)驗公式物理量含義：k和n均為常數(shù)適用范圍：單分子吸附k和n的計算2023/8/3Freundlich吸附等溫式公式形式：公式2023/8/3單分子層吸附理論——Langmuir吸附等溫式Langmuir假設：固體表面對氣體分子是單分子層吸附固體表面均勻，各處吸附能力相同被吸附分子間無作用力，吸附不影響脫附吸附是動態(tài)平衡2023/8/3單分子層吸附理論——Langmuir吸附等溫2023/8/3表面覆蓋度表示固體表面覆蓋的分數(shù)， （1-）表示空白表面的分數(shù)達到平衡時，r(吸附)=k1(1-)p，r(脫附)=k2

b=k1/k2Langmuir吸附等溫式單分子層吸附理論——Langmuir吸附等溫式2023/8/3表面覆蓋度表示固體表面覆蓋的分數(shù)，達到平衡2023/8/3因為=V/Vm單分子層吸附理論——Langmuir吸附等溫式2023/8/3因為=V/Vm單分子層吸附理論——Lang2023/8/31.實驗測定不同壓力下固體的吸附量V2.數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化單分子層吸附理論——Langmuir吸附等溫式2023/8/31.實驗測定不同壓力下固體的吸附量V2.2023/8/3單分子層吸附理論——Langmuir吸附等溫式意義：測定吸附量，判斷材料的能力利用吸附量估算材料表面積缺陷：只能解釋第Ⅰ類吸附曲線，對其余的無能為力2023/8/3單分子層吸附理論——Langmuir吸附等溫2023/8/3由Brunauer-Emmett-Teller三人提出多分子層吸附理論，依據(jù)該理論推導的公式簡稱BET公式。多分子層吸附理論——BET公式BET基本假設與Langmuir假設區(qū)別：假定吸附為多分子層的BET公式的形式p/ps一般控制在0.05~0.35之間。能夠解釋第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類吸附等溫線2023/8/3由Brunauer-Emmett-Telle2023/8/3BET的意義多分子層吸附理論——BET公式多分子層的吸附事實為什么當做單分子層使用？2023/8/3BET的意義多分子層吸附理論——BET公式多2023/8/3溶液的表面吸附溶液的表面張力和濃度之間的關系溶液的表面吸附和吉布斯吸附等溫式表面活性物質(zhì)在溶液表面的定向排列表面現(xiàn)象2023/8/3溶液的表面吸附溶液的表面張力和濃度之間的關系2023/8/3溶液的表面張力和濃度之間的關系一、溶液的表面張力和濃度之間的關系表面張力等溫線：T一定時，溶液的表面張力σ~溶液濃度c的變化曲線σcⅠⅡⅢⅠ:c↗,σ↗無機鹽，分子間作用力強Ⅱ:c↗σ↘大多數(shù)有機物Ⅲ:c↗σ↓表面活性劑，分子間作用力弱。2023/8/3溶液的表面張力和濃度之間的關系一、溶液的表面2023/8/3表面惰性物質(zhì)：通常稱為表面非活性物質(zhì)。凡加入后能增加溶液表面張力的物質(zhì)，c表面<c體相，負吸附表面活性劑：通常稱為表面活性物質(zhì)。加入少量便能顯著降低溶液表面張力的物質(zhì)，c表面>c體相，正吸附表面張力和濃度的經(jīng)驗公式：溶液的表面張力和濃度之間的關系2023/8/3表面惰性物質(zhì)：通常稱為表面非活性物質(zhì)。表面活2023/8/3B單位：molm-2吉布斯吸附等溫式 ，表面張力隨B濃度的增加而下降，B>

0，表面層中溶質(zhì)濃度大于本體濃度,是正吸附。表面活性物質(zhì)屬于這種情況。 ，表面張力隨B濃度的增加而增加，B<0，表面層中溶質(zhì)濃度小于本體濃度,是負吸附。2023/8/3B單位：molm-2吉布斯吸附等溫式 2023/8/3表面活性劑的結(jié)構特點：分子一端為親水基，另一端為親油基。表面活性物質(zhì)在溶液表面上的定向排列表面活性劑在水中的排列趨勢：低濃度時，親水基向水，親油基平躺在溶液表面；高濃度時，親水基向水，親油基指向空氣。當表面層定向排滿時，表面超量便不可能再增加即為一定值，與本體濃度無關，并且和它的碳氫鏈的長度也無關。2023/8/3表面活性劑的結(jié)構特點：表面活性物質(zhì)在溶液表面2023/8/3表面活性劑的親水親油平衡值HLB值：衡量非離子表面活性劑分子親水性和親油性的相對強度完全疏水，HLB=0完全親水，HLB=40HLB越小，越親油HLB越大，越親水2023/8/3表面活性劑的親水親油平衡值HLB值：完全疏水2023/8/3膠束膠束的形成和臨界膠束濃度膠束：當表面活性劑分子在溶液表面定向排列飽和后，繼續(xù)增加濃度，則其疏水基自動結(jié)合，形成憎水基向里、親水基向外的聚集體。臨界膠束濃度（CMC）：形成膠束所需的最低濃度2023/8/3膠束膠束的形成和臨界膠束濃度2023/8/3潤濕作用和去潤濕作用

表面活性劑降低液體表面張力，使固-液接觸角小于90，從而達到所需的目的。例如在農(nóng)藥中加表面活性劑。表面活性劑的親水基和棉布纖維中的羥基結(jié)合，使親油基伸向空氣，制造防水透氣防水材料。表面活性劑的重要作用2023/8/3潤濕作用和去潤濕作用表面活性劑降低液體2023/8/3乳化作用和破乳作用乳化作用：一種或幾種液體以細小液珠分散在另一不相混溶的液體之中形成高分散體系。HLB=3-8，形成W/O型油包水乳狀液，HLB=8-18，形成O/W型水包油乳狀液。破乳作用：加入另一種表面活性劑破壞乳狀液。表面活性劑的重要作用2023/8/3乳化作用和破乳作用乳化作用：一種或幾種液體以2023/8/3增溶作用

增溶作用：表面活性劑形成膠束，使分散相進入膠束。如苯在水中溶解度很小，加入油酸鈉等表面活性劑后，溶解度大大增加。表面活性劑的重要作用增溶和乳化的區(qū)別？增溶和溶解的區(qū)別？2023/8/3增溶作用增溶作用：表面活性劑的重要作用2023/8/3洗滌作用

洗滌作用與潤濕、起泡、增溶和乳化都有關系。實質(zhì)：表面活性劑分子吸附在固體和污物表面，降低它們之間的表面張力，通過機械振動使污物脫落。表面活性劑的重要作用2023/8/3洗滌作用洗滌作用與潤濕、起泡、增溶和乳2023/8/3分散體系分類按分散度即分散相粒子的大小分類2023/8/3分散體系分類按分散度即分散相粒子的大小分類2023/8/32.多相性

具有納米級的粒子是由許多分子聚結(jié)而成，與介質(zhì)之間有明顯的相界面。3.熱力學不穩(wěn)定性 因為粒子小，比表面大，表面自由能高，粒子有自動聚結(jié)結(jié)趨勢，是熱力學不穩(wěn)定體系。憎液溶膠的基本特性分散性

D=10-7~10-9m，擴散較慢、不能透過半透膜、滲透壓低、有較強的動力學穩(wěn)定性。比表面積越大，這些性質(zhì)越明顯。2023/8/32.多相性3.熱力學不穩(wěn)定性憎液溶膠的2023/8/3溶膠的布朗運動：在超顯微鏡下可以觀察到溶膠粒 子不斷地作不規(guī)則“之”字形的運動。本質(zhì)是什么？布朗運動2023/8/3溶膠的布朗運動：在超顯微鏡下可以觀察到溶膠粒2023/8/3Einstein位移方程擴散速率與粒徑、粘度成反比，與溫度成正比。D的計算擴散與滲透現(xiàn)象2023/8/3Einstein位移方程擴散速率與粒徑、粘度2023/8/3膠體粒子大小的計算粒子的摩爾質(zhì)量的計算擴散與滲透現(xiàn)象2023/8/3膠體粒子大小的計算粒子的摩爾質(zhì)量的計算擴散與2023/8/3滲透現(xiàn)象：分散區(qū)和溶劑區(qū)化學勢不等，但膠粒無法半透膜，必然導致溶劑分子向分散體系透過，引起液面升高的現(xiàn)象。即山不轉(zhuǎn)水轉(zhuǎn)。溶膠區(qū)溶劑區(qū)在分散區(qū)施加外壓時，可以減弱溶劑分子的滲透。當外壓增加到某一值時滲透達到平衡，此時，兩區(qū)的壓力差即為分散體系的滲透壓。用=p1-p0表示。擴散與滲透現(xiàn)象2023/8/3滲透現(xiàn)象：分散區(qū)和溶劑區(qū)化學勢不等，但膠粒無2023/8/3重力沉降平衡與高度分布擴散使粒子的分布趨于均勻，但重力沉降的影響導致沉降平衡時粒子的濃度分布由下而上逐漸減小。c1c2由=cRT得，高度為dh的單位截面積內(nèi)粒子由c1向c2的總擴散力為d=RTdc則單個粒子的向上擴散力為2023/8/3重力沉降平衡與高度分布擴散使粒子的分布趨于均2023/8/3沉降平衡時，F(xiàn)擴散=F沉降2023/8/3沉降平衡時，F(xiàn)擴散=F沉降2023/8/3當 為定值，越小，h越大可以計算，rO2=2.710-10m h=5000mrAu=1.8610-7m h=210-7m當 為定值，r越小，h越大2023/8/3當 為定值，越小，h越大可以計算，rO2023/8/3溶膠的電學性質(zhì)電動現(xiàn)象溶膠粒子表面電荷的來源雙電層理論電泳測定2023/8/3溶膠的電學性質(zhì)電動現(xiàn)象2023/8/3膠粒帶電的本質(zhì)

2.離子溶解。由于Ag+較小，活動能力強，比I-容易脫離晶格而進入溶液，使AgI膠粒帶負電。1.膠粒吸附，膠核最優(yōu)先吸附同組分離子，次優(yōu)先吸附負離子。

AgI溶膠，AgNO3過量，吸附Ag+，KI過量，吸附I-3.可電離的大分子溶膠，由于大分子本身發(fā)生電離，而使膠粒帶電。2023/8/3膠粒帶電的本質(zhì)2.離子溶解。由于Ag2023/8/3

膠粒在重力場作用下發(fā)生沉降，而產(chǎn)生沉降電勢；帶電的介質(zhì)發(fā)生流動，則產(chǎn)生流動電勢。這是因動而產(chǎn)生電。以上四種現(xiàn)象都稱為電動現(xiàn)象。由于膠粒帶電，而溶膠是電中性的，則介質(zhì)帶與膠粒相反的電荷。在外電場作用下，膠粒和介質(zhì)分別向帶相反電荷的電極移動，就產(chǎn)生了電泳和電滲的電動現(xiàn)象，這是因電而動。電動現(xiàn)象2023/8/3膠粒在重力場作用下發(fā)生沉降，而2023/8/3電泳和電滲帶電膠?；虼蠓肿釉谕饧与妶龅淖饔孟孪驇喾措姾傻碾姌O作定向移動的現(xiàn)象稱為電泳。

在外加電場作用下，帶電的介質(zhì)通過多孔膜或半徑為1~10nm的毛細管作定向移動，這種現(xiàn)象稱為電滲。2023/8/3電泳和電滲帶電膠?；虼蠓肿釉谕饧与妶龅淖饔孟?023/8/3流動電勢：與電滲相反，在外力作用下液體流經(jīng)毛細管或多孔膜而固相不動產(chǎn)生的電勢沉降電勢：與電泳相反，在重力場作用下膠體粒子沉降而液體不動，所產(chǎn)生的電勢危害：用泵輸送易燃流體易發(fā)生危險危害：貯油罐中的油內(nèi)常有水滴，水滴沉降產(chǎn)生的電勢可導致危險2023/8/3流動電勢：與電滲相反，在外力作用下液體流經(jīng)毛2023/8/3Gouy和Chapman認為，靜電吸引和熱運動的結(jié)果，溶液中的反離子一部分緊密地排在固體表面附近，稱為緊密層；另一部分離子按玻茲曼分布的濃度梯度擴散到本體溶液中，稱為擴散層。0+++++++++------+++++++++----------緊密層擴散層雙電層（doublelayer)2023/8/3Gouy和Chapman認為，靜電吸引和熱運2023/8/3吸附在固體表面的緊密層約有一、二個分子層的厚度的Stern層；0+++++++++------+++++++++--緊密層擴散層--+----+-+-+Stern層由于離子的溶劑化作用，膠粒在移動時，緊密層會結(jié)合一定數(shù)量的溶劑分子一起移動，所以滑移的切動面由比Stern層略右的曲線表示。2023/8/3吸附在固體表面的緊密層約有一、二個分子層的厚2023/8/3介質(zhì)粘度電泳速度ms-1r=81=8.8510-12C2N-1m-2電場強度Vm-1電位計算2023/8/3介質(zhì)粘度電泳速度ms-1r=81=8.2023/8/3膠體的穩(wěn)定性膠團結(jié)構溶膠的穩(wěn)定性與聚沉膠體穩(wěn)定理論2023/8/3膠體的穩(wěn)定性膠團結(jié)構2023/8/31.大量難溶物分子聚結(jié)形成膠粒的中心，稱為膠核；2.膠核選擇性吸附一種離子形成緊密層，緊密層外吸引少量反號離子形成膠粒；3.膠粒與擴散層中的反號離子，形成一個電中性的膠團2023/8/31.大量難溶物分子聚結(jié)形成膠粒的中心，稱為膠2023/8/3A