物理化学课件---第九章表面现象

1、10/29/2021第九章表面现象10/29/2021 第九章 表面现象9.1 表面自由能和表面张力9.2 弯曲液面的附加压力9.3 弯曲液面的蒸汽压9.4 溶液的表面吸附9.5 表面膜9.6 铺展与润湿9.7 表面活性剂及其应用9.8 固体表面的吸附10/29/2021 9.1 表面自由能和表面张力1. 表面现象及其本质2. 表面自由能3. 表面张力10/29/2021 9.1.1 表面现象及其本质什么是表面? 凝聚态(液态、固态)物质与其饱和蒸气达成平衡时，在两相紧密接触、约有几个分子厚度的过渡区，称为该凝聚态的表面（surface）。 通常将凝聚态物质与空气达成平衡时，在两相紧密接触、约

2、有几个分子厚度的过渡区，也称为该凝聚态的表面，严格讲那是界面。10/29/2021 9.1.1 表面现象及其本质常见的界面有：气-液界面 但没有气-气界面，不同气体接触总是很快就混合均匀。气-固界面液-液界面什么是界面? 不同相态之间，两相紧密接触、约有几个分子厚度的过渡区，称为该两相的界面（interface）。液-固界面固-固界面10/29/2021 9.1.1 表面现象及其本质气-液界面空气空气4CuSO溶液气气- -液液界面界面10/29/2021 9.1.1 表面现象及其本质气-固界面气气- -固界面固界面10/29/2021 9.1.1 表面现象及其本质液-液界面2H OHg液-液

3、界面10/29/2021 9.1.1 表面现象及其本质液-固界面玻璃板玻璃板Hg2H O液液- -固界面固界面10/29/2021 9.1.1 表面现象及其本质固-固界面铁管铁管CrCr镀层镀层固固- -固界面固界面10/29/2021 9.1.1 表面现象及其本质表面现象的本质 表面层分子与内部分子相比，它们所处的环境不同，受力不等。 体相内部分子所受四周邻近相同分子的作用力是对称的，各个方向的力彼此抵销；如红色球所示10/29/2021 9.1.1 表面现象及其本质表面现象的本质如兰色球所示 处在界面层的分子，由于两相密度不等，其作用力未必能相互抵销正由于这剩余价力的存在，使界面层显示出一

4、些独特的性质。如表面张力表面吸附毛细现象润湿与铺展等等。10/29/2021 9.1.1 表面现象及其本质什么是比表面? 比表面通常用来表示物质分散的程度，有两种常用的表示方法：s0ASm式中，m和V分别为固体的质量和体积，As为其总表面积。一种是单位质量的固体所具有的表面积另一种是单位体积固体所具有的表面积单位是21mgs0ASV单位是23mm10/29/2021 9.1.2 表面自由能f,RsdWA什么是表面功?式中 为比例系数 在温度、压力和组成恒定时，可逆使表面积增加dA所需要对系统做的功，称为表面功。用公式表示为： 在数值上等于在等T，等p及组成恒定的条件下，增加单位表面积时所必须对

5、系统做的可逆非膨胀功。10/29/2021 9.1.2 表面自由能f,RWG f,RsdWA 在等温、等压和组成不变的条件下，环境对系统做的可逆表面功就等于系统自由能的增加值Bs, ,T p nGA 保持温度、压力和组成不变，每增加单位表面积时，Gibbs自由能的增加值称为表面Gibbs自由能，或简称表面自由能或表面能。则表面自由能为单位为2J msdGA10/29/2021 9.1.2 表面自由能 在等温、等压和组成不变的条件下，系统总的表面自由能有自发向减小的方向变化 所以液体表面有自动收缩的趋势. 为什么小液滴、小气泡都呈球形？ 相同体积的物质，构成球形时表面积最小，具有的总表面自由能最

6、低。10/29/2021 9.1.3 表面张力2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l 将一含有一个活动边框的金属线框架放在肥皂液中，然后取出悬挂，活动边在下面。 去掉活动边插销，由于金属框上的肥皂膜的表面张力作用，可滑动的边会被向上拉，直至顶部。10/29/2021 9.1.3 表面张力如果在活动边框上挂一重物这时 12()Fmmg l 是滑动边的长度，因膜有两个面，所以边界总长度为2l2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2m1m使重物质量m2与边框质

7、量m1所产生的重力F与总的表面张力大小相等方向相反，则金属丝不再滑动。2Fl 就是作用于单位边界上的力，称为表面张力。10/29/2021 9.1.3 表面张力什么是表面张力？ 在表面上，表面张力无处不在，只是在液体表面中间，任意边界两边的表面张力对消,看不出来罢了。表面张力的单位是： 在一定温度和压力下，在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着一种张力，这种力垂直与单位长度的边界，指向液体方向并与表面相切。1N m10/29/2021 9.1.3 表面张力 在金属线框中间系一线圈，一起浸入肥皂液中，然后取出，上面形成一液膜。 若刺破线圈中央的液膜，线圈内侧张力消失，外侧表面张力立即将线圈绷成

8、一个圆形，如图，清楚的显示出表面张力的存在。 由于以线圈为边界的两边表面张力大小相等方向相反，故线圈成任意形状可在液膜上移动。10/29/2021 9.1.3 表面张力温度升高，表面张力下降表面张力与温度的关系当达到临界温度Tc时，表面张力趋向于零。这是因为温度升高后（1）分子振动加剧，彼此作用力减弱（2）气相与液相的密度差下降，表面层分子的剩余价力变小。 到达临界温度时气相与液相的密度相同，气-液界面消失，表面张力趋向于零。10/29/2021 9.1.3 表面张力表面张力是物质本身的特性 对纯液体或纯固体，表面张力的大小决定于分子间相互作用能的强弱。(金属键) (离子键) (极性共价键)

9、(非极性共价键)一般化学键越强，表面张力越大。液体中，汞的表面张力最大，因为是金属键水的表面张力也很大，因为有氢键非极性有机液态化合物的表面张力很小10/29/2021 9.2 弯曲液面的附加压力1. 弯曲液面的附加压力2. Young-Laplace 公式3. 毛细管现象10/29/2021 9.2.1 弯曲液面的附加压力 研究液面任意小圆圈A周围的受力情况，由于边界上每点的两边都存在表面张力，大小相等，方向相反，所以没有附加压力。 设向下的大气压力为po，向上的反作用力也为po ，附加压力ps等于零。s000ppp液面正面图0p1.在平面上A10/29/2021 9.2.1 弯曲液面的附加

10、压力0spp2.在凸面上 在液滴球面上A小圈周围的受力情况,由于每点两边的表面张力都与液面相切,大小相等，但不在同一平面上,不能相消,会产生一个向下的合力。A0psp这合力称为附加压力,指向圆心所有点产生的合力之和为sp球面上受的总压力为：sp10/29/2021 9.2.1 弯曲液面的附加压力3.在凹面上0spp这合力称为附加压力,指向圆心所有点产生的合力之和为sp气泡内壁受的总压力为：Asp0p 在气泡内壁上A小圈周围的受力情况,由于每点两边的表面张力都与内壁相切,大小相等，但不在同一平面上,不能相消,会产生一个向圆心的合力。溶液sp10/29/2021 9.2.2 Young-Lapla

11、ce 公式 1805年Young-Laplace 导出了附加压力与曲率半径之间的关系式.为简便起见,只考虑球形 在毛细管内充满液体，管端有半径为R 的球状液滴与之平衡。 外压为 p0 ，附加压力为 ps ,液滴所受总压为：0sppR0psp10/29/2021 9.2.2 Young-Laplace 公式 对活塞稍加压力，将毛细管内液体压出少许R0psp相应地其表面积增加dA使液滴体积增加dV 克服附加压力ps所作的功等于可逆增加表面积的Gibbs自由能ssddp VA10/29/2021 9.2.2 Young-Laplace 公式s2pR34 3VR代入24AR2 d4dVRRd8dAR

12、Rssddp VA得这就是Young-Laplace 公式的特殊形式R0psp10/29/2021 9.2.2 Young-Laplace 公式s2pR附加压力与液体的表面张力成正比为了体现附加压力的方向附加压力与球面的曲率半径成反比规定:凸面的曲率半径取正值凹面的曲率半径取负值所以，凸面的附加压力指向液体，凹面的附加压力指向气体，即附加压力总是指向球面的球心。10/29/2021 9.2.3 毛细管现象什么是毛细管现象? 当把毛细管插入液体中,管中液面会高于或低于管外的平面 植物依赖毛细管吸取土壤中的水分和养料 在低于饱和的蒸汽压力下,毛细管中就有液体凝聚等等.产生毛细管现象的原因? 在弯曲

13、表面上有附加压力存在,使弯曲表面的饱和蒸汽压与平面不同.毛细管现象与哪些因素有关? 主要与液体和毛细管的性质有关10/29/2021 9.2.3 毛细管现象AHgh0p10/29/2021 9.2.3 毛细管现象当把洁净的玻璃毛细管插入汞中时,0pAhHg管内液面呈凸面并低于管外的汞平面因为凸面A点处有向下的附加压力,使A点处压力比平面上大管内液面下降后又达成了新的平衡h高度的汞柱压力就等于附加压力10/29/2021 9.2.3 毛细管现象s2pR0pAhHggl()ghlgh 忽略管内气体的密度,得l2ghR 代表管内气体和管外液体的密度差gl()10/29/2021 9.2.3 毛细管现

14、象当把洁净的玻璃毛细管插入纯水中时,0pBh2H O管内液面呈凹面并高于管外的水平面因为凹面B点处有向上的附加压力,使B点处压力比平面上小管内液面上升后又达成了新的平衡h高度的水柱压力就等于附加压力10/29/2021 9.2.3 毛细管现象s2pRlg()ghlgh忽略管外气体的密度,得l2ghR0pBh2H O若管外是另一种液体,则l,l,2()ghR外内gh 代表管内液体和管外气体的密度差lg()10/29/2021 9.2.3 毛细管现象2()ghR外内gh 根据这个公式,从实验测定毛细管中液面上升或下降的高度,可以计算液体的表面张力 如果已知表面张力和毛细管半径,可以预测液面上升的高

15、度 植物就是利用这种毛细管现象,源源不断地从土壤中吸取水分和营养. 人们也可利用这种毛细管现象,给植物输液。必要时得切断地表的毛细管，达到保墒的目的。10/29/2021 9.2.3 毛细管现象毛细凝聚现象 因为凹面上有附加压力,蒸气压比平面上小ABa 在小于饱和蒸汽压时，凹面上已达饱和而发生凝聚，这就是毛细凝聚现象。 在测量固体吸附量时，采用的吸附质能润湿固体,在毛细管中会形成凹面 发生毛细凝聚后会使吸附结果偏高。 10/29/2021 9.2.3 毛细管现象曲率半径与毛细管半径的关系cosRRcosRR是接触角,可用实验测量0 ,180RR10/29/2021 9.3 弯曲液面的蒸气压1.

16、 弯曲液面的蒸气压2. Kelvin 公式的应用10/29/2021 9.3.1 弯曲液面的蒸气压弯曲液面的蒸气压当该液体分成小液滴时,与蒸气也达成平衡,则有(B,l)(B,g) 00B(l, )B(g, , )p Tp T当纯液体B的平面液体与蒸气达成平衡时为平面液体的饱和蒸气压0plgB(l, )B(g, , )p Tp Tl0spppd (B,l)d (B,g) 为小液滴表面所受的压力lp为小液滴表面上的饱和蒸气压gp10/29/2021 9.3.1 弯曲液面的蒸气压mmlglg(l)(g)ddTTGGppppm(B)(B) G对纯液体B有由于小液滴表面压力改变而引起的Gibbs自由能改

17、变可表示为因为dddGS TV p TGVp则mlmg(B,l)d(B,g)dVpVp设为理想气体gdln RTp10/29/2021 9.3.1 弯曲液面的蒸气压lgl,0g,0mlg(B,l)ddlnppppVpRTp对上式积分,区间从平面到小液滴上所受压力mlg(B,l)ddln VpRTpll,0sppp2R等式左边的积分结果为mll,0(B,l) ()Vppms(B,l)Vp因为2(B,l)MRm(B,l)(B,l)MV10/29/2021 9.3.1 弯曲液面的蒸气压g02 (B,l)ln()pMRTpR等式右边的积分结果为0glnpRTp所以积分结果为这就是 Kelvin 公式

18、对于同一液体,影响弯曲液面饱和蒸气压的主要因素是曲面半径 它指出了弯曲液面的饱和蒸气压 与平面上饱和蒸气压 之间的关系.p0p10/29/2021 9.3.1 弯曲液面的蒸气压21212 (B,l)11lnpMRTpRR 比较同一液体,不同曲率半径的弯曲液面上蒸气压的关系式为 Kelvin 公式的这个形式用得更普遍 因为当R 0pp10/29/2021 9.3.2 Kelvin 公式的应用21212 (B,l)11lnpMRTpRR(1) 在凸面上附加压力与蒸气压力方向相同,总压力是两者加和,曲率半径取正值，蒸气压与曲率半径成反比小液滴或小颗粒的蒸气压随曲率半径的下降而升高 这可以解释人工降雨

19、的原理、解释为什么大小液滴共存时，小液滴先消失等等。10/29/2021 9.3.2 Kelvin 公式的应用21212 (B,l)11lnpMRTpRR对小颗粒，使用Henry定律得 小颗粒的蒸气压随曲率半径的下降而升高，则其饱和溶解度也随曲率半径的下降而升高 这可以解释定量分析中为什么要有个“陈化”过程pkcs-l21212 (B,s)11ln(s)McRTcRR10/29/2021 9.3.2 Kelvin 公式的应用21212 (B,l)11lnpMRTpRR(2) 在凹面上附加压力与蒸气压力方向相反,总压力是两者之差曲率半径取负值，蒸气压与曲率半径成正比小气泡内的蒸气压随曲率半径的下

20、降而下降 这可以解释有机蒸馏中的“暴沸”现象和加沸石为何能防止暴沸(沸石是多孔固体,可提供成泡中心)。用该公式可以解释一切“新相难成”的过饱和现象。10/29/2021 9.4 溶液的表面吸附1. 表面活性物质和非表面活性物质2. Gibbs 吸附等温式3. 分子在界面上的定向排列10/29/2021 9.4.1 表面活性物质与非表面活性物质 当纯水中加入溶质,溶液的表面张力会发生变化,几种类型如图所示(1)(2)(3)c(1) 非表面活性物质 加入后,能使水的表面张力明显升高,如曲线(1)所示.无机盐和不挥发的酸、碱等属于这一类。10/29/2021 9.4.1 表面活性物质与非表面活性物质

21、 当纯水中加入溶质,溶液的表面张力会发生变化,几种类型如图所示(1)(2)(3)c(2) 表面活性物质 加入后,能使水的表面张力降低,如曲线(2)所示.短链脂肪酸、醇、酮、醛和胺等有机物属于这一类。10/29/2021 9.4.1 表面活性物质与非表面活性物质 当纯水中加入溶质,溶液的表面张力会发生变化,几种类型如图所示(1)(2)(3)c(3) 表面活性剂 加入少量后,能使水的表面张力显著降低,到一定程度后基本不变，如曲线(3)所示.8个碳以上的有机碳链与亲水基团组成的两亲分子属于这一类。10/29/2021 9.4.2 Gibbs 吸附等温式什么是Gibbs吸附等温式？ Gibbs用热力学

22、方法，求得在定温下溶液浓度、表面张力与吸附量之间的定量关系的微分方程，称为Gibbs吸附等温式。即BBBTaRTa 或BBBTcRTc BB, ac分别是溶质B的活度和浓度B是溶质B的表面超额（或表面超量、表面过剩）10/29/2021 9.4.2 Gibbs 吸附等温式表面超额的物理意义是： 在单位面积的表面层中，所含溶质的物质的量与具有相同数量溶剂的本体溶液中所含溶质的物质的量之差值。表面超额的单位：2mol m 表面超额的值可以是正值，即表面浓度大于本体浓度。加入表面活性剂时是如此。 表面超额的值可以是负值，即表面浓度小于本体浓度。加入非表面活性剂时是如此。10/29/2021 9.4.

23、2 Gibbs 吸附等温式（1） 增加溶质B的浓度使表面张力下降，表面超额为正值，是正吸附。表面层中溶质浓度大于本体浓度。表面活性物质属于这种情况。B0 TcB 0（2） 增加溶质B的浓度使表面张力上升，表面超额为负值，是负吸附。表面层中溶质浓度小于本体浓度。非表面活性物质属于这种情况。B0 TcB 010/29/2021 9.4.3 分子在界面上的定向排列表面活性剂分子是两亲分子,具有亲水和亲油基团亲水基团进入水中,亲油基团朝向空气表面活性剂分子在溶液表面定向排列溶液表面溶液表面碳氢链碳氢链10/29/2021 9.4.3 分子在界面上的定向排列c表面超额是正值表面超额随浓度增加而递增如曲线

24、前半段所示B 当表面吸附达饱和,表面超额为极大值如曲线后半段所示m m 称为饱和吸附量实验测定饱和吸附量,可计算活性剂分子的截面积s ALm110/29/2021 9.5 表面膜1. 表面压2. 不溶性单分子膜3. 生物双分子层膜10/29/2021 9.5.1 表面压什么是表面压?(a)在纯水面上的木棍因两边张力相同而静止不动(a)(b)在左边加活性剂,木棍两边张力不等而向左移动* * 2 H O2 H O2 H O 溶液* (b)10/29/2021 9.5.1 表面压什么是表面压?2 H O 溶液* * 纯水与表面活性剂溶液的表面张力的差值称为表面压表面压可用Langmuir天平测量表面

25、压的单位与表面张力相同在表面活性剂浓度不高时,溶液表面如二维理想气体s AkT或s An RTs ,AA分别为一个和总的表面活性分子的截面积s n是界面上表面活性分子的物质的量10/29/2021 9.5.2 不溶性单分子膜什么是不溶性单分子膜? 微溶或难溶物质在液体表面自动扩展,形成一个分子厚度的膜,称为不溶性单分子膜不溶性单分子膜的应用覆盖在湖泊、水库表面，可减缓水分蒸发覆盖在沙漠表面，可起到抗旱保苗的作用将单分子膜进行各种叠加，制备不同的L-B膜10/29/2021 9.5.2 不溶性单分子膜什么是L-B膜？ Langmuir 和他的学生Blodgett女士将不溶性表面膜转移到固体基质上

26、，进行不同的叠加，形成多分子膜，称为L-B膜。 L-B膜可具有不同形状和厚度，一般都在纳米级，可以制备具有实用功能的分子电子器件 膜化学发展极其迅速，用途也越来越广泛。10/29/2021 9.5.2 不溶性单分子膜几种L-B膜示意图固体基质单层膜固体基质多层膜(1)固体基质多层膜(2)10/29/2021 9.5.3 生物双分子层膜双分子层膜结构示意图类脂分子有一个亲水基团和两条长长的碳链整齐排列，极性基团一致对着膜的内外中间的疏水区控制通过膜的物质膜上的蛋白质起着专一、活性的传输作用人工膜应用在渗透、超过滤、海水淡化、气体分离、废水处理等方面10/29/2021 9.6 铺展与润湿1. 铺

27、展2. 接触角3. 润湿作用10/29/2021 9.6.1 铺展 一种液体能否在另一种不互溶的液体上铺展，取决于两种液体本身的表面张力和两种液体之间的界面张力。 一般说，铺展后，表面自由能下降，则这种铺展是自发的。 大多数表面自由能较低的有机物可以在表面自由能较高的水面上铺展。10/29/2021 9.6.1 铺展设一种液体1的表面张力为1 1 另一种液体2的表面张力为2 2 两种液体的界面张力为1,2 1,2 液体2能否在液体1面上铺展,决定于铺展前后界面张力的改变21,21 不能铺展10/29/2021 9.6.2 接触角 在气、液、固三相交界点，气-液与液-固界面张力之间的夹角称为接触

28、角，通常用表示。 若接触角大于90，说明液体不能润湿固体，如汞在玻璃表面； 若接触角小于90，液体能润湿固体，如水在洁净的玻璃表面。 接触角的大小可以用实验测量，也可以用公式计算s-gs-ll-gcos10/29/2021 9.6.2 接触角10/29/2021 9.6.3 润湿作用 液体能自发占领固体表面,把固体表面掩盖起来,称之为液体能润湿固体,反之,则不能. 液体能否润湿固体,决定于三个表面张力的相对大小.s-gs-ll-gcosHgs-ll-gs-gcos90不能润湿cos90能润湿10/29/2021 9.6.3 润湿作用 表面活性剂可以降低液体表面张力，改变接触角的大小，从而达到所

29、需的目的。 例如，要农药润湿带蜡的植物表面，要在农药中加表面活性剂,使接触角变小； 如果要制造防水材料，就要在物体表面涂憎水的表面活性剂，使接触角大于90。研究润湿作用的用处 如果能制造“双疏”材料，使物体既不亲水，又不亲油，这物体就可以成为免洗材料。10/29/2021 9.7 表面活性剂及其作用1. 表面活性剂的分类2. 胶束和临界胶束浓度3. 亲水亲油平衡4. 表面活性剂的作用10/29/2021 9.7.1 表面活性剂的分类表面活性剂的分类 表面活性剂通常采用按化学结构来分类，分为离子型和非离子型两大类 显然阳离子型和阴离子型的表面活性剂不能混用，否则可能会发生沉淀而失去活性作用。 离

30、子型中又可分为阳离子型、阴离子型和两性型表面活性剂。10/29/2021 9.7.1 表面活性剂的分类表面活性剂的分类1.离子型2.非离子型阳离子型阴离子型两性型表面活性剂10/29/2021 9.7.1 表面活性剂的分类阴离子型+15311531C H COONaC H COONa阳离子型1633316333C HNH ClC HNHCl两性型 CH3 |R-N+-CH2COONa | CH3 CH3 |R-N+-CH2COO- +Na + | CH310/29/2021 9.7.2 胶束和临界胶束浓度 表面活性剂是两亲分子。溶解在水中达一定浓度时，其非极性部分会自相结合，形成聚集体，使憎水

31、基向里、亲水基向外。 随着亲水基不同和浓度不同，形成的胶束可呈现棒状、层状或球状等多种形状。 这种多分子聚集体称为胶束。10/29/2021 9.7.2 胶束和临界胶束浓度临界胶束浓度(critical micelle concentration) 临界胶束浓度简称 CMC 表面活性剂在水中随着浓度增大，表面上聚集的活性剂分子形成定向排列的紧密单分子层 多余的分子在体相内部也三三两两的以憎水基互相靠拢，聚集在一起形成胶束。这种开始形成胶束的最低浓度称为临界胶束浓度 这时溶液性质与理想性质发生偏离，继续增加活性剂浓度，表面张力不再降低，而胶束不断增多、增大。10/29/2021 9.7.2 胶束

32、和临界胶束浓度活性剂浓度低于活性剂浓度低于CMC小型胶束活性剂浓度等于活性剂浓度等于CMC层状胶束 活性剂浓度大于活性剂浓度大于CMC10/29/2021 9.7.2 胶束和临界胶束浓度各种形状的胶束10/29/2021 9.7.2 胶束和临界胶束浓度10/29/2021 9.7.2 胶束和临界胶束浓度10/29/2021 9.7.3 亲水亲油平衡 表面活性剂都是两亲分子，由于亲水和亲油基团的不同，很难用相同的单位来衡量HLB值 =亲水基质量亲水基质量 + 憎水基质量100/5对非离子型的表面活性剂，HLB的计算公式为： Griffin提出了用一个相对的值即HLB值来表示表面活性物质的亲水性1

33、0/29/2021 9.7.3 亲水亲油平衡HLB值=亲水基质量亲水基质量+憎水基质量100/5例如：石蜡无亲水基，所以 HLB = 0 聚乙二醇，全部是亲水基，HLB=20其余非离子型表面活性剂的HLB值介于0-20之间。10/29/2021 9.7.3 亲水亲油平衡HLB值 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 | | | | | | 石蜡 W/O乳化剂 润湿剂 洗涤剂 增溶剂 | | 聚乙二醇 O/W乳化剂例如：HLB值在2-6之间，作油包水型的乳化剂；8-10之间作润湿剂；12-18之间作为水包油型乳化剂。10/29/2021 9.7.4 表面活性剂的作用 表面活性剂

34、的用途极广，主要有五个方面：1.润湿作用 表面活性剂可以降低液体表面张力，改变接触角的大小，从而达到所需的目的。 例如，要农药润湿带蜡的植物表面，要在农药中加表面活性剂； 如果要制造防水材料，就要在表面涂憎水的表面活性剂，使接触角大于90。10/29/2021 9.7.4 表面活性剂的作用泡泡水矿物浮游选矿的原理图 选择合适的捕集剂，使它的亲水基团只吸在矿砂的表面，憎水基朝向水。 当矿砂表面有5%被捕集剂覆盖时，就使表面产生憎水性，它会附在气泡上一起升到液面，便于收集。有用矿物废矿石憎水表面10/29/2021 9.7.4 表面活性剂的作用2.起泡作用 “泡”就是由液体薄膜包围着气体。有的表面

35、活性剂和水可以形成一定强度的薄膜，包围着空气而形成泡沫，用于浮游选矿、泡沫灭火和洗涤去污等，这种活性剂称为起泡剂。 也有时要使用消泡剂，在制糖、制中药过程中泡沫太多，要加入适当的表面活性剂降低薄膜强度，消除气泡，防止事故。10/29/2021 9.7.4 表面活性剂的作用10/29/2021 9.7.4 表面活性剂的作用3.增溶作用 非极性有机物如苯在水中溶解度很小，加入油酸钠等表面活性剂后，苯在水中的溶解度大大增加，这称为增溶作用。 增溶作用与普通的溶解概念是不同的，增溶的苯不是均匀分散在水中，而是分散在油酸根分子形成的胶束中。 经X射线衍射证实，增溶后各种胶束都有不同程度的增大，而整个溶液

36、的的依数性变化不大。10/29/2021 9.7.4 表面活性剂的作用3.增溶作用 被增溶的碳氢化合物表面活性剂分子10/29/2021 9.7.4 表面活性剂的作用4.乳化作用 一种或几种液体以大于10-7 m直径的液珠分散在另一不相混溶的液体之中形成的粗分散系统称为乳状液。 要使它稳定存在必须加乳化剂。根据乳化剂结构的不同可以形成以水为连续相的水包油乳状液(O/W) 有时为了破坏乳状液需加入另一种表面活性剂，称为破乳剂，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。或以油为连续相的油包水乳状液(W/O)10/29/2021 9.7.4 表面活性剂的作用4.乳化作用

37、乳化剂也是两亲分子乳化剂在分散相周围定向排列油滴水滴活性剂分子油水水包油油包水10/29/2021 9.7.4 表面活性剂的作用检验水包油乳状液加入水溶性染料如亚甲基蓝，说明水是连续相。加入油溶性的染料红色苏丹，说明油是不连续相。10/29/2021 9.7.4 表面活性剂的作用乳化作用的应用 高分子材料的乳化聚合 感光材料的乳化分散 纺织、印染和食品工业中的乳化技术 柴油中的乳化掺水技术，既可以节省油料，又可以提高热值，还可以减少氮氧化物的排放，是一举多得的好事 石油原油的破乳作用，可减少运输成本 牛奶的破乳作用，可提取黄油，进行深加工10/29/2021 9.7.4 表面活性剂的作用5.洗

38、涤作用 洗涤剂中通常要加入多种辅助成分，增加对被清洗物体的润湿作用，又要有起泡、增白、占领清洁表面不被再次污染等功能。 洗涤过程是包括润湿、增溶、乳化、起泡和保护清洁表面等一连串复杂过程 肥皂硬酯酸钠 肥皂粉长直链烷基苯磺酸钠污垢一般由油脂和灰尘组成，不易被水润湿10/29/2021 9.7.4 表面活性剂的作用加表面活性剂后的去污过程示意图上. 水不易润湿油污中. 表面活性剂的憎水基团朝向织物表面和吸附在污垢上，使污垢逐步脱离表面。下. 污垢悬在水中或随泡沫浮到水面后被去除，洁净表面被活性剂分子占领。10/29/2021 9.7.4 表面活性剂的作用好的洗涤剂要具备如下特点：1. 有良好的润

39、湿性能,与被洗表面充分接触2. 有效降低被洗固体与水以及污垢与水的界面张力,使污垢易脱落3. 有一定的增溶和起泡作用4. 能保护洁净表面不被再次污染5. 洗涤废水容易降解,不污染环境.如不能用含磷洗涤剂10/29/2021 9.8 固体表面的吸附1. 吸附剂与吸附质2. 物理吸附与化学吸附3. 吸附等温线4. 吸附等温式10/29/2021 9.8.1 吸附剂与吸附质固体表面的特性 固体表面上的原子或分子与液体一样，受力也是不均匀的，而且不像液体表面分子可以移动，通常它们是定位的。 固体表面是不均匀的，即使从宏观上看似乎很光滑，但从原子水平上看是凹凸不平的。 同种晶体由于制备、加工不同，会具有

40、不同的表面性质，而且实际晶体的晶面是不完整的，会有晶格缺陷、空位和位错等。10/29/2021 9.8.1 吸附剂与吸附质 正由于固体表面原子受力不对称和表面结构不均匀性，它可以吸附气体或液体分子，使固体表面自由能下降。 由于表面分子的位置不同,不同部位的吸附和催化的活性也不同。 吸附剂 常用的吸附剂有：硅胶、分子筛、活性炭等。 常用来测定比表面的吸附质有：氮气、水蒸气、苯或环己烷等的蒸汽。能吸附其他液体或气体的固体 吸附质 被吸附的液体或气体10/29/2021 9.8.1 吸附剂与吸附质常用的吸附质1. 活性炭按活性炭的制备原料不同,可分为:植物活性炭 用于食品和药物的提纯、除杂动物活性炭

41、 如骨炭，用于高温吸附矿物活性炭 用做化工工业的吸附剂和催化剂活性炭种类很多，用途各异，必须选择合适的使用活性炭使用前必须活化，活化温度随活性炭的品种不同而不同。活性炭是非极性吸附剂，优先吸附非极性物质。10/29/2021 9.8.1 吸附剂与吸附质2. 硅胶硅胶是硅酸的干凝胶，是极性无色吸附剂。硅胶在使用前必须活化，活化温度约120左右，温度太高会破坏硅胶的结构。硅胶广泛用作吸水干燥剂或催化剂载体。在制备硅胶时，常加入少量钴盐，使干燥硅胶呈兰色，吸饱水后呈粉红色，提醒人们需活化后再用。 硅胶优先吸附极性、溶解度小的大分子物质，在制药工业上用来提纯生物碱和甾体类药物。10/29/2021 9

42、.8.1 吸附剂与吸附质3. 分子筛 分子筛又称为人造沸石，是人工合成的多孔硅铝酸盐，是高效的极性吸附剂和催化剂。 分子筛的基本结构是硅氧或铝氧四面体 根据合成条件不同，硅与铝的比例不同，四面体排列的方式不同，得到了各种不同型号的分子筛： 如A型，X型，Y型，L型，ZSM型等等。10/29/2021 9.8.1 吸附剂与吸附质 由于分子筛中铝氧四面体中的价态不平衡，根据平衡阳离子的不同，还可以分出H+，Na+ ，K + ，Ca 2+ 等等不同型号。 分子筛在使用前必须活化，活化温度随型号不同而不同，一般多在350以上，温度太高会破坏分子筛的骨架结构。 分子筛优先吸附极性物质. 不同型号的分子筛

43、，孔的形状不同，孔径大小不同，表面酸碱性不同，因而催化性能也不同。10/29/2021 9.8.1 吸附剂与吸附质分子筛的特点: 1. 比表面大. 一般多在400m/g以上，是高效吸附剂。 2. 孔径均一，同种分子筛有相同的孔径，可起到筛分分子的作用。也是很好的择形催化剂。 3. 吸附选择性好，优先吸附极性物质，可起到分离氧气和氮气的作用。 4. 吸附强度较大，可以活化被吸附分子，是一种选择性高的优质催化剂。10/29/2021 9.8.2 物理吸附和化学吸附物理吸附: 1. 吸附力是由固体和气体分子之间的 van der Waals 引力产生的，一般比较弱。 2. 吸附热较小，接近于气体的液

44、化热，一般在几个 kJ/mol 以下，吸附不需要活化能。 3. 吸附无选择性，任何固体可以吸附任何气体，当然吸附量会有所不同。 物理吸附仅仅是一种物理作用，没有电子转移，没有化学键的生成与破坏，也没有原子重排等。10/29/2021 9.8.2 物理吸附和化学吸附化学吸附: 1. 吸附力是由吸附剂与吸附质分子之间产生的化学键力，一般较强。2. 吸附热较高，接近于化学反应热，一般在40kJ/mol 以上。吸附需要活化能。 3. 吸附有选择性，固体表面的活性位只吸附与之可发生反应的气体分子，如酸位吸附碱性分子，反之亦然。吸附是单分子层的。 相当于吸附剂与吸附质分子发生了化学反应，在红外、紫外-可见

45、光谱中会出现新的特征吸收带。10/29/2021 9.8.3 吸附等温线 吸附量通常有两种表示方法：31 g m/ qV m单位：(2)单位质量的吸附剂所吸附气体物质的量。1 m/ol g qn m单位：(1)单位质量的吸附剂所吸附气体的体积体积要换算成标准状况(STP)10/29/2021 9.8.3 吸附等温线 对于一定的吸附剂与吸附质的系统，达到吸附平衡时，吸附量是温度和吸附质压力的函数，即： 通常固定一个变量，求出另外两个变量之间的关系，例如：( , )qf T p(1) T =常数，q = f (p)，得吸附等温线。(2) p =常数，q = f (T)，得吸附等压线。(3) q =

46、常数，p = f (T)，得吸附等量线。10/29/2021 9.8.3 吸附等温线 吸附等温线可以用实验测定,而吸附等压线和等量线是从吸附等温线绘制的. 吸附等温线的类型较多,这里只介绍分子筛吸附气体的吸附等温线. 从吸附等温线可以反映出吸附剂的表面性质、孔分布以及吸附剂与吸附质之间的相互作用等有关信息。10/29/2021 9.8.3 吸附等温线10/29/2021 9.8.3 吸附等温线重量法测定吸附等温线的步骤1. 用石英弹簧精确测定真空脱附后洁净吸附剂的质量2. 选定吸附温度为253K,把含有吸附剂盘的玻管外的恒温槽调至253K,放入一定量蒸汽,控制比压为0.05左右.3. 达吸附平

47、衡后,用石英弹簧精确测定在该比压下的吸附量,这样在吸附量对比压的图上获得第一个点.4. 增加比压,测定对应的吸附量,就获得若干实验点,连成平滑曲线,得到253K温度时的吸附等温线.5. 改变吸附温度,重复以上步骤,获得一组等温线.10/29/2021 9.8.3 吸附等温线重量法测定的一组吸附等温线q1q2q3q/sp p0.10.20.3253K273K303K353K吸附等温线吸附等温线比压一般在0.3以下比压太高,易发生毛细凝聚,使结果偏高开始时,比压升高,吸附量很快增高,在比压为0.3时,吸附基本饱和饱和吸附量用Vm表示10/29/2021 9.8.3 吸附等温线从一组吸附等温线画等压线q/sp p0.10.20.3253K273