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1、物理化学第八章界面现象及胶体第1页，本讲稿共162页引引 言言高度分散的物质具有巨大的表面积高度分散的物质具有巨大的表面积,往往产往往产生明显的界面效应生明显的界面效应.任意两相的接触面任意两相的接触面(约为几个分子层厚度约为几个分子层厚度)称称为为界面界面,其中物体与真空、本身的蒸气或含饱其中物体与真空、本身的蒸气或含饱和蒸气的空气的接触面称为和蒸气的空气的接触面称为表面表面.界面和表界面和表面有时指同一种面面有时指同一种面.第2页，本讲稿共162页界面并不是两相接触的几何面，它有一定的界面并不是两相接触的几何面，它有一定的厚度，故有时又将厚度，故有时又将界面界面称为称为界面相界面相.表面分
2、子所占比例随物质分散度的增大而表面分子所占比例随物质分散度的增大而增大增大.分散度的大小用分散度的大小用比表面积比表面积as 衡量衡量:as=As/m=As/V As为物质的表面积为物质的表面积,m为物质的质量为物质的质量.第3页，本讲稿共162页界面层分子与体相分子界面层分子与体相分子所处力场不同所处力场不同lg8.18.1界面张力、润湿、弯曲液面的附加压力界面张力、润湿、弯曲液面的附加压力 P326P3261.液体的界面张力、表面功及表面吉布斯函数液体的界面张力、表面功及表面吉布斯函数第4页，本讲稿共162页扩张表面需要对系统做功扩张表面需要对系统做功扩张表面系统吉布斯函数增加扩张表面系统
3、吉布斯函数增加比表面功比表面功和和比表面吉布斯函数比表面吉布斯函数和和表面张力表面张力液体表面层分子所受合力不为零液体表面层分子所受合力不为零,而是受到而是受到一个指向液体内部的拉力一个指向液体内部的拉力,导致导致液体表面有自液体表面有自动收缩动收缩的趋势的趋势.第5页，本讲稿共162页表面张力的作用表面张力的作用沿着液体表面沿着液体表面,垂直垂直作用于单位长度上的紧作用于单位长度上的紧缩力缩力,称为称为表面张力表面张力,用用 表示表示.要增大液体的表面积要增大液体的表面积(相当于增加表面分子相当于增加表面分子的数目的数目),必须有外力克服表面张力作功必须有外力克服表面张力作功.第6页，本讲稿
4、共162页图示液膜面积增加图示液膜面积增加dAS2ldx,对系统做可逆非对系统做可逆非体积功：体积功：做表面功示意图做表面功示意图lF=2 lF(环环)=F+dFdx第7页，本讲稿共162页 垂直作用于液面上单位长度线段上的力垂直作用于液面上单位长度线段上的力表面张表面张力力增加液体的单位面积所须付出的功增加液体的单位面积所须付出的功比表比表面功面功增加液体单位面积时系统所增加的吉布斯函数增加液体单位面积时系统所增加的吉布斯函数比表面吉布斯函数比表面吉布斯函数三者的单位皆为三者的单位皆为N m1(=J m 2).第8页，本讲稿共162页2.热力学公式热力学公式G=f(,As,nB,nC,nD,
5、)第9页，本讲稿共162页以上式是以上式是更具普遍意义的热力学基更具普遍意义的热力学基本方程本方程,可适用于组成可变和高度分散的系可适用于组成可变和高度分散的系统统第10页，本讲稿共162页(1)物质本性的影响物质本性的影响液液体体或或固固体体中中分分子子间间作作用用力力愈愈大大,表表面面张张力力愈愈大大.一一般般说说来来,(金金属属键键)(离离子子键键)(极极性性共共价键价键)(非极性共价键非极性共价键)同同一一种种物物质质与与不不同同性性质质的的其其它它物物质质接接触触时时,表表面面层层中中分分子子所所处力场不同处力场不同,导致表面导致表面(界面界面)张力出现明显差异张力出现明显差异.3.
6、影响表面张力的因素影响表面张力的因素(2)接触相性质的影响接触相性质的影响(3)温度的影响温度的影响一般情况下，温度升高液体表面张力降低。一般情况下，温度升高液体表面张力降低。第12页，本讲稿共162页()其它因素的影响其它因素的影响高高压压下下液液体体的的表表面面张张力力比比常常压压下下要要大大;当当物物质质分分散散到到接接近近分分子子大大小小时时分分散散度度的的影影响响显显得得重重要要;高高速速旋旋转转的的液液体体有有较大的表面张力较大的表面张力.固体分子间的作用力远大于液体固体分子间的作用力远大于液体,因而有更大的表面张力因而有更大的表面张力.第13页，本讲稿共162页某些液体、固体的表
7、面张力和液某些液体、固体的表面张力和液/液界面张力液界面张力润湿与铺展润湿与铺展第14页，本讲稿共162页8.2 亚稳定状态和新相的生成亚稳定状态和新相的生成 P332物质相变时物质相变时,由于最初生成的新相体积极由于最初生成的新相体积极小而具有很大的比表面和表面吉布斯函数小而具有很大的比表面和表面吉布斯函数,因因而新相难以形成而引起各种而新相难以形成而引起各种过饱和现象过饱和现象,此时此时系统处于系统处于亚稳状态亚稳状态.第15页，本讲稿共162页(1)过饱和蒸气过饱和蒸气 P473压力超过通常液体的饱和蒸压力超过通常液体的饱和蒸气压的蒸气为气压的蒸气为过饱和蒸气过饱和蒸气.过饱和蒸气的压力
8、尚未达到过饱和蒸气的压力尚未达到该液体微小液滴的饱和蒸气压该液体微小液滴的饱和蒸气压(见图示见图示).减轻过饱和程度的方法是减轻过饱和程度的方法是引入凝结中心引入凝结中心,使液滴核心易使液滴核心易于生成于生成(如人工降雨如人工降雨).p过饱和蒸气的产生过饱和蒸气的产生气相区气相区T0p0P液相区液相区OAB第16页，本讲稿共162页过热水的产生过热水的产生373.15Kp(大气大气)p(附加附加)h=0.02m(2)过热液体过热液体温度高于沸点的液体为温度高于沸点的液体为过热液体过热液体.过热液体是因为液体内微小气泡难以生成而不过热液体是因为液体内微小气泡难以生成而不能在正常沸点沸腾所造成的能
9、在正常沸点沸腾所造成的(见图示见图示).第17页，本讲稿共162页过热水的产生过热水的产生373.15Kp(大气大气)p(附加附加)h=0.02m设存在一个半径为设存在一个半径为108 m的的小气泡小气泡.小小气泡气泡须反抗的外压为须反抗的外压为:大气压力大气压力 p(大气大气)=101.325kPa附加压力附加压力 p=11.774 103 kPa静压力静压力 p(静静)=0.1878 kPa总外压总外压=11.875 103 kPa而水气泡内水蒸气的压力仅为而水气泡内水蒸气的压力仅为 pr=94.34 kPa(凹液面凹液面).在液体中加入少量素烧瓷片或毛细管等物质可大大在液体中加入少量素烧
10、瓷片或毛细管等物质可大大降低过热的程度降低过热的程度.第18页，本讲稿共162页(3)过冷液体过冷液体p过冷液体的产生过冷液体的产生气相区气相区TfT f温度在凝固点以下的液体为温度在凝固点以下的液体为过冷液体过冷液体.液体的过冷是由于液体的过冷是由于微小晶粒微小晶粒具有高表面吉布斯函数具有高表面吉布斯函数(高的饱高的饱和蒸气压和蒸气压)而不能在正常凝固温而不能在正常凝固温度下生成而造成的度下生成而造成的.在过冷液体中投入小晶体作为新相的种在过冷液体中投入小晶体作为新相的种子子,能使液体迅速凝固成晶体能使液体迅速凝固成晶体.第19页，本讲稿共162页(4)过饱和溶液过饱和溶液浓度超过饱和浓度的
11、溶液为浓度超过饱和浓度的溶液为过饱和溶液过饱和溶液.过饱和溶液产生的原因是微小晶粒具有比普通过饱和溶液产生的原因是微小晶粒具有比普通晶体更大的溶解度晶体更大的溶解度.第20页，本讲稿共162页p分散度对溶解度的影响分散度对溶解度的影响c3c2c1微小晶体的饱和蒸气微小晶体的饱和蒸气压大于普通晶体压大于普通晶体,而蒸气而蒸气压与溶解度有密切的关压与溶解度有密切的关系系.晶体的颗粒愈小晶体的颗粒愈小,溶溶解度愈大解度愈大.这可从相平衡这可从相平衡原理给予解释原理给予解释(见图见图).第21页，本讲稿共162页可知可知,当溶液浓度达到普通晶体的饱当溶液浓度达到普通晶体的饱和浓度时和浓度时,相对于微小
12、晶粒还未饱和相对于微小晶粒还未饱和,微微小晶粒不能从中析出小晶粒不能从中析出,这是造成这是造成过饱和过饱和溶液溶液的原因的原因.例例3第22页，本讲稿共162页 泡泡压压法法测测定定丁丁醇醇水水溶溶液液的的表表面面张张力力.20实实测测最最大大泡泡压压力力为为 0.4217kPa,20时时测测的的水水的的最最大大泡泡压压力力为为0.5472 kPa,已已知知20时时水水的的表表面面张力为张力为 72.75103 Nm1,请计算丁醇溶液的表面张力请计算丁醇溶液的表面张力.设设 p1,p2,1,2 分分别别为为丁丁醇醇溶溶液液及及水水的的最最大大泡泡压压力力与与表表面面张张力力.根根据据拉拉普拉斯
13、公式及泡压法的原理可知普拉斯公式及泡压法的原理可知:例2 p(最大最大)压入空气压入空气实验使用同一根毛细管实验使用同一根毛细管,r为定值为定值,故故解：解：第23页，本讲稿共162页 20时时,汞的表面张力为汞的表面张力为 483103 Nm 1,体积质量体积质量(密度密度)为为13.5510 3 kgm3.把内直径为把内直径为 103 m的玻璃管垂直插入汞中的玻璃管垂直插入汞中,管内汞管内汞液面会降低多少液面会降低多少?已知汞与玻璃的接触角为已知汞与玻璃的接触角为 180,重力加速度重力加速度 g=9.81 m s2.例4管内汞面会降低管内汞面会降低 0.0145 m.解：解：第24页，本
14、讲稿共162页 25 半半径径为为1 m的的水水滴滴与与蒸蒸气气达达到到平平衡衡,试试求求水水滴滴的的内内外外压压力力差差及及水水滴滴的的饱饱和和蒸蒸气气压压.已已知知25 时时水水的的表表面面张张力力为为71.97103 Nm1,体体积积质质量量(密密度度)为为0.9971gcm 3,蒸蒸气气压压为为 3.168 kPa,摩摩尔尔质质量量为为18.02 gmol 1.例3第25页，本讲稿共162页8.38.3固体表面上的吸附作用固体表面上的吸附作用P335P335吸咐现象吸咐现象在相界面上某种物质的浓度不同于在相界面上某种物质的浓度不同于体相浓度的现象体相浓度的现象吸附剂吸附剂 具有吸附能力
15、的固体具有吸附能力的固体吸附质吸附质 被吸附的物质被吸附的物质物理吸附物理吸附和和化学吸附化学吸附第26页，本讲稿共162页1.物理吸附与化学吸附物理吸附与化学吸附产生产生物理吸附物理吸附的作用力是的作用力是分子间力分子间力,即范德即范德华力华力.产生产生化学吸附化学吸附的作用力是的作用力是化学键力化学键力.化学吸化学吸附时可发生附时可发生电子的转移电子的转移,原子的重排原子的重排,化学键化学键的断裂的断裂与与形成形成等微观过程等微观过程.第27页，本讲稿共162页物理吸附与化学吸附的比较物理吸附与化学吸附的比较物理吸附物理吸附物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附化学吸附化学吸附吸附力吸附力吸附力
16、吸附力分子间力分子间力分子间力分子间力化学键力化学键力化学键力化学键力吸附分子层吸附分子层吸附分子层吸附分子层多分子层或单分子层多分子层或单分子层多分子层或单分子层多分子层或单分子层单分子层单分子层单分子层单分子层吸附温度吸附温度吸附温度吸附温度低低低低高高高高吸附热吸附热吸附热吸附热小小小小,冷凝热数量级冷凝热数量级冷凝热数量级冷凝热数量级大大大大,反应热数量级反应热数量级反应热数量级反应热数量级吸附速率吸附速率吸附速率吸附速率快快快快慢慢慢慢吸附选择性吸附选择性吸附选择性吸附选择性无无无无有有有有第28页，本讲稿共162页2.等温吸附等温吸附 P337 当吸附达平衡时当吸附达平衡时,单位质
17、量吸附剂所吸附单位质量吸附剂所吸附的气体的物质的量或标准状况下的体积称为的气体的物质的量或标准状况下的体积称为平衡吸附量平衡吸附量,简称简称吸附量吸附量,表示为表示为:或或mol.kg-1m3.kg-1第31页，本讲稿共162页吸附等温线吸附等温线:恒温下恒温下,描述吸附量与平衡压描述吸附量与平衡压力间关系的曲线力间关系的曲线吸附等压线吸附等压线:恒压下恒压下,描述吸附量与温度之描述吸附量与温度之间关系的曲线间关系的曲线 吸附等量线吸附等量线:吸附量恒定时吸附量恒定时,描述平衡压力与描述平衡压力与温度间关系的曲线温度间关系的曲线 第32页，本讲稿共162页不同温度下氨气在炭粒上的吸附等温线不同
18、温度下氨气在炭粒上的吸附等温线压力一定时压力一定时,温度愈高吸附量愈低温度愈高吸附量愈低.温度一定时温度一定时,压力愈高吸附量愈大压力愈高吸附量愈大.如如23.5时时,低压段；低压段；中压段；中压段；高压段高压段 吸附趋向饱和吸附趋向饱和.第33页，本讲稿共162页3.吸附经验式吸附经验式-弗罗因德利希公式弗罗因德利希公式 P479取对数得取对数得 lg(Va/V)=nlg(p/p)+lg(k/k)以以lg(Va/V)对对lg(p/p)作图作图,应得应得一条直线一条直线,可由斜率和截距分别求得常数可由斜率和截距分别求得常数n和和k.弗罗因德利希提出如下等温吸附经验式弗罗因德利希提出如下等温吸附
19、经验式:k 和和 n 为经验常数为经验常数,该经验式只适用于该经验式只适用于中压范围中压范围的吸附的吸附.第34页，本讲稿共162页CO在椰子壳炭上的吸附在椰子壳炭上的吸附第35页，本讲稿共162页 1916年年兰兰兰兰格格格格缪缪缪缪尔尔尔尔(Langmuir)提提出出单单分分子子层层吸吸附附理理论论.基基本本假假设如下设如下:单单分分子子层层吸吸附附:固固体体表表面面上上每每个个吸吸附附位位只只能能吸吸附附一一个个分分子子,气气体体分子只有碰撞到固体的空白表面上才能被吸附分子只有碰撞到固体的空白表面上才能被吸附;固体表面是均匀的固体表面是均匀的:表面上各个晶格位置的吸附能力相同表面上各个晶
20、格位置的吸附能力相同;被被吸吸附附的的气气体体分分子子间间无无相相互互作作用用力力:吸吸附附或或脱脱附附的的难难易易与与邻邻近近有无吸附分子无关有无吸附分子无关;吸吸附附平平衡衡是是动动态态平平衡衡:达达吸吸附附平平衡衡时时,吸吸附附和和脱脱附附过过程程同同时时进进行行,且速率相同且速率相同.4.兰格缪尔兰格缪尔单分子层吸附理论及吸附等温式单分子层吸附理论及吸附等温式第36页，本讲稿共162页以以 k1 和和 k1分分别别代代表表吸吸附附与与脱脱附附速速率率常常数数,A 代代表表气气体分子体分子,M 代表固体表面代表固体表面,则吸附过程可表示为则吸附过程可表示为A +M AMk1k1表面覆盖率
21、表面覆盖率 P480(1 )则代表固体空白表面的分数则代表固体空白表面的分数.第37页，本讲稿共162页当吸附达平衡时当吸附达平衡时,1=1,所以所以k1(1 )p k1 脱附速率脱附速率 1=k1 吸附速率吸附速率 1=k(1 )p根据单分子层吸附理论根据单分子层吸附理论,可知可知得得上式即为上式即为兰格缪尔吸附等温式兰格缪尔吸附等温式,式中式中b=k1/k1,称为称为吸附系数吸附系数,具有压力倒数的量纲具有压力倒数的量纲.b实质为吸附实质为吸附作用的平衡常数作用的平衡常数,其其大小大小表示吸附作用的表示吸附作用的强弱强弱.第38页，本讲稿共162页以以Va代表覆盖率为代表覆盖率为 时的平衡
22、吸附量时的平衡吸附量,以以Va m代表在足够代表在足够高压力下的饱和吸附量高压力下的饱和吸附量(=1),则有则有 以以1/Va a对对1/1/p作图作图,直线的斜率直线的斜率1/b Vam、截距、截距1/Vam 可求可求得得 b 与与Vam.第39页，本讲稿共162页若已知每个被吸附若已知每个被吸附分子的截面积分子的截面积am,则可计算则可计算吸附吸附剂的比表面剂的比表面:V0 是是1mol气体在标准状况气体在标准状况(0,101.325kPa)下的体积下的体积 第40页，本讲稿共162页 兰格谬尔等温式可较好地解释典型的吸附兰格谬尔等温式可较好地解释典型的吸附等温线的特征等温线的特征:Vap
23、当压力很低或吸附较弱时当压力很低或吸附较弱时,bp1,得得 V a V am,呈水平呈水平段段.在中压或中强吸附时在中压或中强吸附时,吸附等吸附等温线呈曲线温线呈曲线.第41页，本讲稿共162页几种类型的吸附等温线几种类型的吸附等温线(a)(b)(c)(d)(e)pN2在活性炭上的在活性炭上的吸附吸附(195)N2在硅胶上的在硅胶上的吸附吸附(195)Br2在硅胶上的在硅胶上的吸附吸附(79)苯在氧化铁凝胶苯在氧化铁凝胶上的吸附上的吸附(50)水气在活性碳上水气在活性碳上的吸附的吸附(100)产生偏差的原因是兰格谬尔理论的前产生偏差的原因是兰格谬尔理论的前 3 个假设并不符合个假设并不符合实际
24、情况实际情况.但但但但该理论的基本模型为吸附理论的发展起了奠该理论的基本模型为吸附理论的发展起了奠基的作用基的作用.例6例7溶液表面溶液表面第42页，本讲稿共162页溶质的加入使溶液的表面张力发生变化溶质的加入使溶液的表面张力发生变化8-48-4溶液表面的吸附溶液表面的吸附 P341P3411.溶液表面的吸附现象溶液表面的吸附现象水溶液表面张力与溶质浓度的关系水溶液表面张力与溶质浓度的关系cI 无机酸无机酸,碱碱,盐等盐等.有机酸有机酸,醇醇,酯酯,醚醚,酮等酮等.肥皂肥皂,合成洗合成洗涤剂等涤剂等.0第43页，本讲稿共162页若溶质的加入使溶液表面张力降低若溶质的加入使溶液表面张力降低,则溶
25、质自动地从体相富集至表面则溶质自动地从体相富集至表面,增大增大其表面浓度其表面浓度,发生发生正吸附正吸附.若溶质的加入使溶液表面张力升高若溶质的加入使溶液表面张力升高,则发生则发生负吸附负吸附.第44页，本讲稿共162页凡能使溶液凡能使溶液表面张力增大表面张力增大的物质的物质,皆皆称为称为表面惰性物质表面惰性物质;凡能使溶液凡能使溶液表面张力降低表面张力降低的物质的物质,皆皆称为称为表面活性物质表面活性物质.习惯上把能显著降低液体表面张力的习惯上把能显著降低液体表面张力的物质称为该液体的物质称为该液体的表面活性剂表面活性剂.第45页，本讲稿共162页2.表面过剩与表面过剩与吉布斯等温吸附式吉布
26、斯等温吸附式 称为溶质的称为溶质的表面吸附量表面吸附量或或表面过剩表面过剩,其定义为其定义为:在单位在单位面积的表面层中面积的表面层中,所含溶质的物质的量与同量溶剂在溶所含溶质的物质的量与同量溶剂在溶液本体中所含溶质物质的量的差值液本体中所含溶质物质的量的差值.吉布斯等温吸附式吉布斯等温吸附式若若d/dc 0,发生发生正吸附正吸附.若若d/dc 0,则则 0,发生发生负吸附负吸附;第46页，本讲稿共162页3.表面活性物质在吸附层的定向排列表面活性物质在吸附层的定向排列一般情况下一般情况下,表面活性物质的表面活性物质的 -c 曲线如下图所示曲线如下图所示.溶液吸附等温线溶液吸附等温线cm例5第
27、47页，本讲稿共162页式中式中m可以看作是在单位表面上定向排列呈单分可以看作是在单位表面上定向排列呈单分子层吸附时溶质的物质的量子层吸附时溶质的物质的量.由由m的实测值可算的实测值可算出每个表面活性分子的横截面出每个表面活性分子的横截面a am m,即即 am=1/(m L)类似于兰格谬尔单分子层吸附类似于兰格谬尔单分子层吸附,有有第48页，本讲稿共162页CnH2n+1X化合物在单分子膜中每个分子的截面积化合物在单分子膜中每个分子的截面积第49页，本讲稿共162页不同的长碳链有机化合物在水溶液表不同的长碳链有机化合物在水溶液表面饱和吸附时占据几乎相同的面积面饱和吸附时占据几乎相同的面积,该
28、面该面积实际上是碳氢链的横截面积积实际上是碳氢链的横截面积,可见这些可见这些活性剂分子是定向紧密地排列在表面层活性剂分子是定向紧密地排列在表面层中的中的.第50页，本讲稿共162页一般表面活性剂分子都是由亲水性的极性基团和一般表面活性剂分子都是由亲水性的极性基团和憎水憎水(亲油亲油)性的非极性基团两部分所构成性的非极性基团两部分所构成(见图示见图示).油酸分子模型图油酸分子模型图COOCH3(CH2)7=CH(CH2)7H+第51页，本讲稿共162页表面活性物质表面活性物质表面活性物质表面活性物质的亲水基团的亲水基团X受到极性很强的水分子的受到极性很强的水分子的吸引而有竭力钻入水面的趋势吸引而
29、有竭力钻入水面的趋势,同时非极性的碳链倾向同时非极性的碳链倾向于翘出水面或钻入非极性的有机溶剂或油类的另一相中于翘出水面或钻入非极性的有机溶剂或油类的另一相中,从而在界面上形成从而在界面上形成单分子膜单分子膜.油酸单分子膜示意图油酸单分子膜示意图固定的固定的障片障片可移动可移动的障片的障片第52页，本讲稿共162页4.表面活性物质表面活性物质 P344表面活表面活性剂性剂离子型表面离子型表面活性剂活性剂两性表面活性剂两性表面活性剂阳离子表面活性剂阳离子表面活性剂阴离子表面活性剂阴离子表面活性剂如肥皂如肥皂 RCOONa如胺盐如胺盐 C18H37NH3+Cl-如氨基酸型如氨基酸型R-NH-H2C
30、OOH非离子型非离子型 表面活性剂表面活性剂如聚乙二醇类如聚乙二醇类 HOCOH2CH2OCH2nCH2OH阴离子型和阳离子型表面活性剂不可混用阴离子型和阳离子型表面活性剂不可混用.第53页，本讲稿共162页表面张力与浓度关系表面张力与浓度关系c 0少量的表面活性物质就可使溶液的表面张力急剧降低少量的表面活性物质就可使溶液的表面张力急剧降低;当表面活性物质的浓度达到一定值后当表面活性物质的浓度达到一定值后,进一步增加其浓度几进一步增加其浓度几乎不影响表面张力乎不影响表面张力.第54页，本讲稿共162页 上述性质是由表面活性分子在溶液中的存在形上述性质是由表面活性分子在溶液中的存在形态和分布引起
31、的态和分布引起的(见图示见图示).表面活性物质分子在溶液本体及表面层中的分布表面活性物质分子在溶液本体及表面层中的分布小型小型胶束胶束(a)稀溶液稀溶液(c)大于临界胶束大于临界胶束浓度的溶液浓度的溶液(b)开始形成胶束开始形成胶束的溶液的溶液球状球状胶团胶团单分子膜单分子膜第55页，本讲稿共162页分散在水中的表面活性分子以其非极性部位自相结合分散在水中的表面活性分子以其非极性部位自相结合,形成憎形成憎水基向里、亲水基朝外的多分子聚集体水基向里、亲水基朝外的多分子聚集体,称为称为胶束胶束胶束胶束.表面活性剂分子开始形成缔合胶体的最低浓度称作表面活性剂分子开始形成缔合胶体的最低浓度称作临临临临
32、界胶束浓度界胶束浓度界胶束浓度界胶束浓度(C.M.C).胶束的形状除球状外胶束的形状除球状外,还有层状或棒状还有层状或棒状(见图示见图示).各种缔合胶束的形状各种缔合胶束的形状球状球状层状层状棒状棒状第56页，本讲稿共162页在临界胶束浓度前后在临界胶束浓度前后,除表面张力外除表面张力外,电导率电导率,渗透压渗透压,蒸气蒸气压压,光学性质光学性质,去污能力去污能力及及增溶作用增溶作用等皆有很大差异等皆有很大差异.表面活性剂溶液的性质与浓度关系示意图表面活性剂溶液的性质与浓度关系示意图性性 质质浓浓度度去污能力去污能力电导率电导率增溶作用增溶作用渗透压渗透压表面张力表面张力摩尔电导摩尔电导C.M
33、.C第57页，本讲稿共162页表面活性剂有广泛应用表面活性剂有广泛应用,主要有主要有润湿润湿,助磨助磨,乳乳化化,去污去污,分散分散,增溶增溶,发泡发泡和和消泡消泡,以及以及匀染匀染,防锈防锈,杀菌杀菌,消除静电消除静电等作用等作用.(1)去污作用去污作用 P501肥皂的成份是硬脂酸钠肥皂的成份是硬脂酸钠(C17H38COONa),是一种阴离子表是一种阴离子表面活性剂面活性剂.肥皂在衣物油污和水界面上的定向排列分子膜能减肥皂在衣物油污和水界面上的定向排列分子膜能减弱油污在衣物上的附着力弱油污在衣物上的附着力,经机械摩擦和水分子吸引而使之脱落经机械摩擦和水分子吸引而使之脱落,乳化乳化,分散在水中
34、分散在水中.去污作用实际上就是乳化作用去污作用实际上就是乳化作用.第58页，本讲稿共162页(2)助磨作用助磨作用 P501表面活性物质表面活性物质(助磨剂助磨剂)能增加粉碎程度能增加粉碎程度,提高提高粉碎效率粉碎效率.物料粉碎过程是相界面显著增大的过程物料粉碎过程是相界面显著增大的过程,当物当物料颗粒很小时料颗粒很小时,比表面很大比表面很大.若采用若采用干磨干磨,增大的表增大的表面是表面张力很大的面是表面张力很大的固固-气界面气界面,系统吉布斯函数系统吉布斯函数急剧增大急剧增大,须消耗很大的表面功须消耗很大的表面功.而而湿磨湿磨时增大的时增大的表面是表面张力小得多表面是表面张力小得多固固-液
35、液(表面活性剂溶液表面活性剂溶液)界面界面,因此得到同样分散度的粉末消耗的能量因此得到同样分散度的粉末消耗的能量要小得多要小得多.第59页，本讲稿共162页在溶剂中添加表面活性剂后在溶剂中添加表面活性剂后,能明显使本来不溶或微能明显使本来不溶或微溶于溶剂的物质溶解或使其溶解度增加的现象称为溶于溶剂的物质溶解或使其溶解度增加的现象称为增溶作用增溶作用增溶作用增溶作用。一般把被增溶的物质称为一般把被增溶的物质称为增溶物增溶物；加入的表面活性剂；加入的表面活性剂成为成为增溶剂增溶剂。增溶作用有如下特点增溶作用有如下特点增溶作用有如下特点增溶作用有如下特点：（1 1）与溶液中增溶剂形成的胶束有关；与溶
36、液中增溶剂形成的胶束有关；（2 2）增溶是热力学稳定体系；）增溶是热力学稳定体系；（3 3）增溶对溶液的依数性影响很小，说明增溶不同于真正）增溶对溶液的依数性影响很小，说明增溶不同于真正的溶解。的溶解。第60页，本讲稿共162页增溶作用的机理增溶作用的机理：（1 1）增溶物进入增溶剂的球形或层状胶束的内芯，如：正）增溶物进入增溶剂的球形或层状胶束的内芯，如：正庚烷、苯等非极性简单碳氢化合物的增溶方式；庚烷、苯等非极性简单碳氢化合物的增溶方式；（2 2）增溶物或深或浅地穿插到原胶束层中形成混合胶束，）增溶物或深或浅地穿插到原胶束层中形成混合胶束，如：具有长碳链的醇、酸等极性有机物的增溶方式。如：
37、具有长碳链的醇、酸等极性有机物的增溶方式。（3 3）聚乙二醇型非离子表面活性剂水溶液增溶时，可能靠醚氧）聚乙二醇型非离子表面活性剂水溶液增溶时，可能靠醚氧键把增溶物包藏在胶束外层曲折的聚氧化乙烯的亲水链中。键把增溶物包藏在胶束外层曲折的聚氧化乙烯的亲水链中。增溶作用的应用增溶作用的应用第61页，本讲稿共162页两种互不相溶的液体，其中一种液体以极细小的液滴（一两种互不相溶的液体，其中一种液体以极细小的液滴（一般直径约般直径约101010m10m），均匀分散到另一种液体里的过程，），均匀分散到另一种液体里的过程，称为称为乳化作用乳化作用；所形成的体系称为；所形成的体系称为乳状液乳状液。有时为了破
38、坏乳状液需加入另一种表面活性剂，称为有时为了破坏乳状液需加入另一种表面活性剂，称为破破乳剂乳剂，将乳状液中的分散相和分散介质分开。例如原油，将乳状液中的分散相和分散介质分开。例如原油中需要加入破乳剂将油与水分开。中需要加入破乳剂将油与水分开。乳状液是热力学不稳定体系，乳状液是热力学不稳定体系，要使它稳定存在必须加乳要使它稳定存在必须加乳化剂，乳化剂多是表面活性剂或固体粉末等。化剂，乳化剂多是表面活性剂或固体粉末等。第62页，本讲稿共162页在乳状液中，以极小液滴的形式存在的不连续的相称为在乳状液中，以极小液滴的形式存在的不连续的相称为内相内相，而与之不互溶的另一连续的液相称为，而与之不互溶的另
39、一连续的液相称为外相外相。其中一相。其中一相是水，极性很大；另一相是有机液体，极性很小，称为是水，极性很大；另一相是有机液体，极性很小，称为“油油”。这样乳状液可分为两类：。这样乳状液可分为两类：水包油型（水包油型（O/WO/W）：油为内相而分散在水中；：油为内相而分散在水中；这种乳状液能用这种乳状液能用水稀释，如牛奶等。水稀释，如牛奶等。油包水型（油包水型（W/OW/O）：水为内相而分散在油中；：水为内相而分散在油中；如油井中喷出如油井中喷出的原油。的原油。第63页，本讲稿共162页乳状液的类型乳状液的类型乳状液的类型乳状液的类型不仅与两液相的相对量有关，更重要的是还不仅与两液相的相对量有关
40、，更重要的是还决定于加入乳化剂的性质。决定于加入乳化剂的性质。表面活性物质的表面活性物质的表面活性物质的表面活性物质的HLBHLBHLBHLB值值值值在在8 81515之间易形成之间易形成O/WO/W乳状液，乳状液，HLBHLB值在值在3 36 6之间易形成之间易形成W/OW/O 乳状液。乳状液。当乳化剂是固体粉末时，水对固体润湿性强时生成当乳化剂是固体粉末时，水对固体润湿性强时生成O/WO/W乳乳状液，油对固体润湿性强时生成状液，油对固体润湿性强时生成W/OW/O 乳状液。乳状液。乳状液的应用乳状液的应用如何破坏乳状液如何破坏乳状液第64页，本讲稿共162页当气相分散于液相中时，被液膜包着的
41、气泡称为当气相分散于液相中时，被液膜包着的气泡称为泡泡泡泡沫沫沫沫，形成泡沫的过程称为，形成泡沫的过程称为起泡作用起泡作用。为形成稳定的泡。为形成稳定的泡沫，需加入沫，需加入起泡剂起泡剂。第65页，本讲稿共162页消泡剂消泡剂消泡剂消泡剂起泡能力与泡沫稳定性起泡能力与泡沫稳定性：前者是指泡沫形成的前者是指泡沫形成的难易程度和生成泡沫量的多少；后者是指生成难易程度和生成泡沫量的多少；后者是指生成泡沫的持久性，即泡沫的寿命。泡沫的持久性，即泡沫的寿命。泡沫的应用泡沫的应用：浮选法、泡沫灭火、泡沫塑料、漂浮选法、泡沫灭火、泡沫塑料、漂染织物和洗涤去污等。染织物和洗涤去污等。第66页，本讲稿共162页
42、 固液界面的吸附经验规律固液界面的吸附经验规律 TraubeTraube规则：使固液界面表面自由能降低最多的规则：使固液界面表面自由能降低最多的规则：使固液界面表面自由能降低最多的规则：使固液界面表面自由能降低最多的 溶质被吸附的量最多。溶质被吸附的量最多。溶质被吸附的量最多。溶质被吸附的量最多。溶解度越小的溶质越易被吸附。溶解度越小的溶质越易被吸附。溶解度越小的溶质越易被吸附。溶解度越小的溶质越易被吸附。极性的吸附剂易于吸附极性的溶质，非极性的吸附极性的吸附剂易于吸附极性的溶质，非极性的吸附 剂易于吸附非极性的溶质。剂易于吸附非极性的溶质。剂易于吸附非极性的溶质。剂易于吸附非极性的溶质。以离
43、子键或极性键组成的吸附剂对离子的吸附作用以离子键或极性键组成的吸附剂对离子的吸附作用以离子键或极性键组成的吸附剂对离子的吸附作用以离子键或极性键组成的吸附剂对离子的吸附作用 除界面作用外还有静电作用。除界面作用外还有静电作用。第67页，本讲稿共162页 对同号离子对同号离子而言，离子价数高、离子水化程而言，离子价数高、离子水化程 度低和离子变形性大等有利于离子被吸附。度低和离子变形性大等有利于离子被吸附。固体对离子的吸附固体对离子的吸附常常是固体晶格上的同名常常是固体晶格上的同名 离子或化学成分相近，结晶构造相似的物质离子或化学成分相近，结晶构造相似的物质 的粒子。的粒子。固液界面的吸附经验规
44、律固液界面的吸附经验规律第68页，本讲稿共162页 丁达尔效应丁达尔效应第69页，本讲稿共162页分分散散介介质质:呈呈连连续续分分布布的的起起分分散散作作用用的的物物质质.绪绪 言言分散质分散质:被分散的物质被分散的物质.分分散散系系统统:一一或或几几种种物物质质分分散散在在另另一一种种物物质质中中所所构成的系统构成的系统.分散系统的定义分散系统的定义第70页，本讲稿共162页粗粗分分散散系系统统:分分散散相相粒粒子子在在某某方方向向上上的的线线度度大大于于1000nm,如如悬悬浮浮液液,乳乳状状液液,泡泡沫沫等等.与与胶胶体体有有许许多多共同特性共同特性.胶胶体体分分散散系系统统:分分 散
45、散 质质 在在 某某 方方 向向 上上 的的 线线 度度 在在11000nm之间之间,非均相系统非均相系统,分散质又称为分散相分散质又称为分散相.溶溶液液(或或真真溶溶液液):粒粒子子线线度度小小于于1nm,均均相相系系统统,透透明明,不不能能发发生生光光的的散散射射,扩扩散散速速度度快快,为为热热力力学学稳稳定定状态状态.分散系统的分类分散系统的分类IUPAC第71页，本讲稿共162页非均相分散系统按聚集状态分类非均相分散系统按聚集状态分类非均相分散系统按聚集状态的分类非均相分散系统按聚集状态的分类第72页，本讲稿共162页溶胶溶胶亲液溶胶亲液溶胶:具有胶体的粒子线度和某些特征的高具有胶体的
46、粒子线度和某些特征的高分子化合物分子化合物,与水有很强的亲合力与水有很强的亲合力,大多是均相大多是均相的稳定系统的稳定系统.憎液溶胶憎液溶胶:指其它液溶胶指其它液溶胶,分散相具有明显的分散相具有明显的憎水性憎水性.第73页，本讲稿共162页胶体分散系统胶体分散系统主要特点主要特点:高度分散的多相性和热力学不稳定性高度分散的多相性和热力学不稳定性.前前者是后者的根源者是后者的根源,在一定条件下导致系统两方面的变在一定条件下导致系统两方面的变化化:自动聚集成大颗粒自动聚集成大颗粒,缩小表面积缩小表面积,使表面吉布使表面吉布斯函数减小斯函数减小(dGs=dAs 0,一定一定).自动吸附某种离子而带电
47、自动吸附某种离子而带电,使胶核表面不饱和使胶核表面不饱和力场得到部分补偿力场得到部分补偿,减小从而降低表面吉布减小从而降低表面吉布斯函数斯函数(dGs=Asd 0,As一定一定).与真溶液相比与真溶液相比,胶体粒子具有扩散慢胶体粒子具有扩散慢,渗透压高渗透压高,不不能透过半透膜等特征能透过半透膜等特征.第74页，本讲稿共162页12.112.1胶体系统的制备胶体系统的制备 P615P615胶体系统胶体系统11000nm分子分散分子分散系统系统1000 nm电弧法电弧法胶体磨胶体磨喷射磨喷射磨物理凝聚法物理凝聚法化学凝聚法化学凝聚法蒸气凝聚法蒸气凝聚法过饱和法过饱和法第75页，本讲稿共162页1
48、.分散法分散法(1)机械分散法机械分散法 通常采用胶体磨，它由两片靠得通常采用胶体磨，它由两片靠得很近的钨合金磨刀构成。当它们以相反方向高速很近的钨合金磨刀构成。当它们以相反方向高速转动时（一般转动时（一般500010000 rpm），粗颗粒的固），粗颗粒的固体就在其间磨细。体就在其间磨细。湿磨的粉碎程度更高，粉碎时湿磨的粉碎程度更高，粉碎时常加入少量表面活性剂以防止微粒聚集。常加入少量表面活性剂以防止微粒聚集。气流粉气流粉碎机也是一种重要的设备，可用来制备碎机也是一种重要的设备，可用来制备1m以下以下的超细粉末。的超细粉末。第76页，本讲稿共162页(2)超声波分散法超声波分散法 将两电极与
49、将两电极与106Hz的高频电接通，的高频电接通，此时设备的石英片产生此时设备的石英片产生 106Hz的振荡，高频率的机的振荡，高频率的机械波经过油及容器传入试管。由于机械波产生的械波经过油及容器传入试管。由于机械波产生的密度疏密交替，对被分散的物质产生强烈的撕碎密度疏密交替，对被分散的物质产生强烈的撕碎作用。作用。第77页，本讲稿共162页(3)电分散法电分散法:在两金属电极间通以高压直在两金属电极间通以高压直流电使之产生电弧流电使之产生电弧.电弧温度很高电弧温度很高,而使电而使电极表面的金属气化极表面的金属气化,金属蒸气遇水冷却而冷金属蒸气遇水冷却而冷凝成胶体系统凝成胶体系统.(4)胶溶法胶
50、溶法 在新生成的沉淀中加入适量电解在新生成的沉淀中加入适量电解质，使沉淀重新分散成胶体。如新生成的质，使沉淀重新分散成胶体。如新生成的Fe(OH)3沉淀。经洗涤再加入少量稀沉淀。经洗涤再加入少量稀FeCl3 溶溶液，通过搅拌后沉淀就转变为红棕色的液，通过搅拌后沉淀就转变为红棕色的Fe(OH)3溶胶。溶胶。第78页，本讲稿共162页2.凝聚法凝聚法物理凝聚法物理凝聚法:将蒸气或溶解状态的物质凝聚成胶体的将蒸气或溶解状态的物质凝聚成胶体的方法方法.蒸气凝聚法蒸气凝聚法 采用特制的仪器采用特制的仪器,使金属和有机溶剂在使金属和有机溶剂在超低压下蒸发超低压下蒸发,而后冷凝而成金属的有机溶胶而后冷凝而成