第三章-界面化学...ppt

第3章界面化学P20，第1节基本概念1，界面：界面可分为气液界面、气固界面、液液界面、液固界面和固固界面。2.表面物理化学的理论基础(边缘学科)(1)表面张力(2)毛细现象(3)润湿现象(3)表面活性剂的应用(1)氯化钾工艺中的浮选机(2)氯化钠工艺中的防潮剂(3)食品加工中的分散剂(4)洗涤剂中的添加剂(5)结晶前加入表面活性剂可改变粒度和形状；第二节界面现象和吸附；1.表面张力(1)液体表面分子被液体内部吸引，并有向液体内部迁移的趋势。(2)为了将液相中的分子移动到表面，需要对其做功，即表面功。(3)从热力学的角度来看，对于纯液体，如果系统的表面积dA在恒定的温度和压力下可逆地增加，则系统的表面功w/=dA。(是一个比例常数，它的值等于表面张力值)(4)对于只有一个表面的纯液体，当系统可逆地变化时，它的表面功W/等于在恒温恒压下系统自由焓G的变化dG=W，因此dG=dA=(dG/dA)T，PdG:自由焓(J或erg)， dA:表面积(cm2):表面自由焓(J/m2或erg/cm2)是系统自由能增加量，称为比表面自由能(简称表面自由能或表面自由焓或表面能)(5)恒温恒容=(dF/dA)T，VdF:功焓DA:表面积:表面自由能或表面功(表面能)，(6)表面张力的定义：在单位长度的作用线上。 液体表面的收缩力(液体的表面张力和表面能的值是相同的，但是它们的物理概念是不同的)例子：表面张力的机械推导：(7)表面张力和表面自由能(p21)之间的关系：表面张力是用机械方法研究液体表面现象的物理量； 表面自由能是用热力学方法研究表面现象的物理量。为了增加液体的表面，必须消耗一定量的功。消耗的功转化为表面能。表面能、表面张力和表面自由能具有不同的物理意义，但具有相同的值和尺寸(单位)。当使用适当的单位时，两者是相同的。(8)表面张力和现象理解液滴应尽可能呈球形，以保持表面积最小。(2)固体表面也存在表面能和表面张力，固体不能流动，表面张力难以测试。讨论界面性质的热力学问题时，应引入表面能的概念。超细颗粒容易团聚，这可以用表面张力理论来解释。(4)表面张力是物质的一个特征。这是物质中分子间相互吸引的表现。分子间的引力很大，物质的表面张力也很大。 会随着温度的升高而降低，例如：水0，=75.6825，=71.79，(9)表面张力的测量：表面张力的仪器种类很多，所以测试方法也很多。液体的表面张力是可以测量的，而固体几乎是不可预测的。2.弯曲界面现象：(1)当没有外力时，液体或气泡应该是球形的，因为当体积相同时，球形物体的表面积最小且最稳定。(2)肥皂泡膨胀的条件是：肥皂泡内的压力大于肥皂泡外的压力，肥皂泡内外的压力差P，P在凸起部分指向液体内部，P在凹陷部分指向液体外部，P在平面上趋于零，P指向弯曲方向。图1，图2，P，P，b .P=4/r(双面，如肥皂泡)c .P=2/r(如液滴和固体粉末为单面)结论：(1)r小，肥皂泡半径小，曲率大，泡沫两侧压差大，系统不稳定。对于固态，粒子小，曲率大，比表面积大，大且不稳定。(2)对于平面：R趋于无穷大，P趋于零，平面压差为零。(5)如果液滴不是圆的，需要两个曲率半径来描述曲面(误差液体表面是平的，当r趋于无穷大时，Pr=Poc。如果液体表面是凹的，此时，液体表面的曲率半径r是负的，那么液体比平坦的液体更难蒸发，Pr小于po，这是毛细管原理。液体蒸发：凸面首先蒸发；b .平面二次蒸发；c .凹面第三次蒸发。(3)毛细原理可以解释以下现象：例如，土壤纤维织物和其他物质，因为它们含有大量的毛细孔隙，水在毛细孔隙中润湿形成一个凹入的月球表面，因此，土壤的毛细结构具有保水能力，水不容易蒸发。(4)开尔文公式用于固体在液体中的平衡溶解度(以活性表示)(RTlnar/ao=2ls)。M/r)，其中，ar球形颗粒(新的微小颗粒)的活性和ao平面颗粒的活性(溶解后溶质的活性)；氩与溶解度成正比，与R成反比。因此，如果R小，氩大，溶解度高。实验现象的解释：实验1:实验2:4，润湿(P23-24概念)，(1)润湿(2)润湿(3)润湿(4)铺展，5，接触角和润湿方程(P25)，(1)接触角：通过液体内部从固体界面到气液界面的角度，以表示。(2)润湿方程：平衡接触角与三个界面自由能之间的关系：sg-sl=lgcos例如P25图3-7，图3-7中接触角 90为非润湿；90是润湿；=0表示完全润湿，也称为铺展；=180完全不润湿。lg、sg、sl，可被液体润湿的固体称为亲液固体；未被液体润湿的固体称为疏水固体。常见的亲水性固体包括应时、硫酸盐等。疏水性固体包括石蜡和石墨；一些植物的叶子(如芋头叶、荷叶、竹叶等。)6、毛细管中的液体(液体表面张力测量原理)(1)毛细管现象p25图3-9a，(2)毛细管张力测量原理， l=h lgr/2 cos a .物理意义：h:毛细管液面高度:气-液-固三相角r:毛细管半径l:液体密度g:重力加速度，b .毛细管张力测量原理(公式应用)通过测量毛细管半径r，测量角，测量毛细管液面高度h .称为液体表面张力可以测量。固体的表面张力是不可预测的，因此很难判断固体的表面能。然而，固体颗粒的比表面积可以用大的比表面积、许多悬挂键、大的表面能和大的活性来测量。(1)基本概念P26吸附剂：能够吸附的固体。吸附剂：吸附在固体表面的物质的物理吸附：分子间的力，相当于气体分子在固体表面的凝结。化学吸附：本质上是一种化学反应。(2)Langmuir吸附等温线气体在固体表面单层上的吸附理论，t，V吸附量，Vm吸附量，第3节表面活性剂，第1节表面活性剂的定义：P28(1)“工业味精”:添加量少，效果显著。(2)表面活性剂的定义：它是一种能大大降低溶剂的表面张力，改变体系的表面状态，从而产生润湿和抗润湿、乳化和破乳、分散和凝聚、发泡和消泡、增溶等一系列作用的化学物质。表面活性剂在界面1上的吸附。溶液表面的吸附：在固体表面，由于表面自由能(悬挂键)的存在而发生吸附。由于溶液表面张力的变化，溶液表面也会发生吸附。P29图3-12，图3-12水溶液的-c曲线，c，图3-12说明：线A:无机电解质水溶液(电解质浓度增加，溶液表面张力增加，系统不稳定。它表明表面层中的溶质分子低于本体相中的溶质分子)线b:大多数有机水溶液具有更高的有机浓度、更低的表面张力和更稳定的体系。C行：将表面活性剂物质加入水中后，溶液的表面张力开始时急剧下降，达到一定浓度后缓慢下降(p30错误)。C0值：只要使用少量的表面活性剂，表面张力就会显著降低，系统趋于稳定线C转折点处的浓度C0是临界浓度。当表面活性剂的浓度达到C0时，表面活性剂的浓度将继续增加。此时，溶液的表面张力将缓慢下降(几乎没有变化)。如果表面活性剂的浓度继续增加，它将被浪费掉。例如，如果分子数相同，前一部分中组分1的摩尔数比后一部分中的摩尔数大7。例如：(1)(2)(3)可以测量溶液的表面张力，因此7，1)制备不同浓度的C溶液，测量表面张力，并作图。2)在计算某个Ci值时，在计算某个Ci值时，将曲线的斜率d/dc=斜率3)Ci和d/dc引入吉布斯方程，得到I公式，并进行计算。I 4)用I-Ci绘图。图：从图中可以看出，当浓度增加到一定量时，如C0，吸附量趋于极限值。当表面活性剂的浓度低时，它是线段1，-C是线性的。当表面活性剂浓度适中时，为线段2，-C呈曲线状。c .当表面活性剂浓度较高时，为线段3，值不变，不随浓度变化，表明溶液的界面吸附达到饱和(如图所示，当浓度为C0时，值达到最高)。3.吸附层P30-31的结构(1)水溶性表面活性剂如RCOOH、ROH和RNH2。它们含有极性基团和非极性基团，排列在水面上，如下图所示：(2)水不溶性表面活性剂(水面上只有一层分子膜，水中没有表面活性剂)。a .水不溶性液体表面活性剂：实施例：b .水不溶性固体表面活性剂：实施例：4。表面吸附层状态方程p31(1 )=0-:表面张力降低值(或表面膜的表面压力)。二维空间压力，单位N/m或达因/厘米)0:纯液体(溶剂)表面张力:覆盖表面膜的表面张力(2) = rt(表面层分子的二维运动方程)对于稀溶液(也称为理想溶液)，是每单位表面溶质的摩尔量，(3) / na=kbt，当形成单层时，1/ na是每个成膜分子所占据的面积，并由A(4)A=KBT(4)和表示但计算方法不同(测得的物理量不同)，(4)公式是液体表面吸附膜在稀溶液中遵循的状态方程，也称为二维空间理想气体状态方程* 有一个测试装置。 表面膜的厚度可以通过控制将表面膜转移到固体基底上来控制，例如(5)B-T转移技术。5、朗缪尔-布洛杰特(L-B)薄膜特性和应用(1)L-B薄膜p32(2)L-B薄膜特性p321)，2)，3)，3)，3)L-B分子薄膜制备工艺p321，2)，3)，4)，实施例p33图3-14L-B薄膜形成工艺和结构(4)L-B薄膜测试手段p33。(5)L-B膜技术的应用p331)、金属绝缘膜2)、光学材料3)、功能材料6、表面活性剂的本体性质与临界浓度的关系(1)临界浓度：表面活性剂具有能显著降低水的表面张力的重要性质。随着表面活性剂浓度的增加，溶液的表面张力急剧下降。浓度达到一定值后，表面张力几乎不变，-C关系有一个非常明显的转折点。这个转折点的浓度称为临界浓度。说明：(2)在表面活性剂溶液的临界浓度之前和之后，溶液的性质发生显著变化。这些属性包括：p34，图3-16，下标7属性。胶束p35(1)胶束(胶束)以极性基团为核心，非极性基团为外层的分子有序组合称为胶束。(2)临界胶束浓度：表面活性剂达到一定浓度后才能大量产生胶束，这种浓度称为临界胶束浓度。(用临界胶束浓度表示)临界胶束浓度有三个特征：a .临界胶束浓度是一个小范围的浓度。例如，p34图3-16b。所有随胶束变化的溶液性质，如表面张力、电导率、渗透压等。可用于确定表面活性剂溶液的临界胶束浓度，如p34图3-16c。这*图1在水中，表面活性剂以胶束的形式存在(胶束的形成实现了疏水基团从水中逸出的目的)*图2在水面上，表面活性剂的亲水基团面向水，疏水基团从水中逸出。*图3:阴离子表面活性剂在水溶液中形成胶束结构，如十二烷基硫酸钠，(4)反胶束p36:表面活性剂在非水溶液中形成的聚集体称为反胶束，其中亲水基团形成内核，疏水基团形成外层。说明：(5)胶束形成过程实施例p36图3-20当表面活性剂浓度低时，单体分子分散在水中或吸附在界面上，浓度增加，界面被占据。为了保持在水中的稳定性，当浓度增加到临界胶束浓度时，形成胶束。当浓度大于或等于10倍羧甲基纤维素时，胶束形成柱。浓度继续增加，胶束形成六角柱。随着浓度继续增加，可以形成液晶结构(电子显示器的主要材料)。(6)胶束的形态取决于表面活性剂的几何形状p371)、2)、3)、4)和7)聚集数nn=胶束量(胶束的相对分子量)/表面活性剂分子量=构成胶束的表面活性剂分子数。通常，临界胶束浓度大，胶束聚集数大。胶束聚集数n与表面活性剂结构p371)、2)、3)、4)、2、液晶有关(1)液晶的定义p37:当表面活性剂从水溶液中结晶时，它通常携带一些溶剂以形成结晶水合物。在自然界中，它不仅保持液体的流动性，而且具有晶体的各向异性光学性质。这种结晶水合物被称为液晶。它是介于固体晶体和液体之间的亚稳态(也称为介晶相)。(2)常见表面活性剂液晶的形成见p38图3-21。六方液晶主要由外部带有亲水基团的柱状胶束、层状胶束结构形成的层状液晶和立方液晶组成。(3)液晶的应用：大量的液晶在电子工业中用作显示器。第5节界面电化学1，溶胶(1)胶束结构agno3ki-agi kno-3图p39胶束(2)溶胶：p39(3)布朗运动：如果花粉颗粒悬浮在水中，不规则运动，它们不仅可以平移，还可以旋转。所有足够小的粒子都有这种运动，称为布朗运动。通常，粒径小于5微米的颗粒进行布朗运动，而粒径大于5微米的颗粒不进行布朗运动。(1)Gouy-Chapman双电层模型(1)假设胶体颗粒表面通过静电作用吸附一层阳离子，该层的电位为0，胶体颗粒表面被视为平板。(溶液中的反离子扩散分布。反离子的浓度在胶体颗粒附近较高，在离胶体颗粒的距离处较低。在离胶体粒子1-10纳米处，反离子的浓度为零。然而，整个系统是电中性的，带有正负离子和相等的电荷量)。吸附层：溶液中的第一个水合反离子与胶体颗粒表面形成吸附层。(吸附层相当于一个有阳极和阴极的平板电容器，其厚度为，为水合离子的半径，吸附层的电位为 。(3)滑动面：吸附层不移动。吸附层附近的表面可以在固体和液体之间相对移动。这个表面叫做滑动表面，它的电势是(电势，非常接近 。(4)扩散层：由于热运动(或布朗运动)，一些反离子扩散到溶液中，形成扩散双电层(或扩散层)。扩散层厚度：1/k=(1000KBT/4E2NaCiozi 2)1/