第四章表面张力与润湿作用

1、张张 婉婉 萍萍问问 题题电动现象是指溶胶粒子的运动与电性质之间的关系，电动现象是指溶胶粒子的运动与电性质之间的关系，包括：包括： 、 、 和和 。 （电泳电泳、电渗电渗、流动电势流动电势和和沉降电势沉降电势）流动电势流动电势: 在外力作用下在外力作用下, 相对于带电表面流动而相对于带电表面流动而产生的电势差，它是产生的电势差，它是 的逆过程。的逆过程。 （液体介质液体介质、电渗电渗）胶体粒子切动面的位置在胶体粒子切动面的位置在stern平面之外，切动面与溶平面之外，切动面与溶液内部的电势差称为液内部的电势差称为 。（电动势（或电动势（或 电势）电势） ）2Colloid & Surf

2、ace Chemistry 问问 题题在等电点处，可使在等电点处，可使 为零，处于等电点的粒子是不带为零，处于等电点的粒子是不带电的电的, 、 的速度也必然为零。的速度也必然为零。 （ 电势、电泳、电渗电势、电泳、电渗）流变性质是指在外力作用下该体系的流变性质是指在外力作用下该体系的 与与 性质。性质。（流动流动、形变形变）不同的浓分散体系按流型的不同，可以分为不同的浓分散体系按流型的不同，可以分为 和和 ，* 又分为又分为 、 、 ；（牛顿流体、非牛顿流体；非牛顿流体、塑流牛顿流体、非牛顿流体；非牛顿流体、塑流型型 、 假塑流型假塑流型 、 胀流型胀流型 ）3Colloid & Su

3、rface Chemistry 问问 题题DLVO理论认为胶体粒子之间的总作用能为理论认为胶体粒子之间的总作用能为 与与 之和。之和。 （排斥能、吸引能排斥能、吸引能）胶体体系的稳定性一般从胶体体系的稳定性一般从 、 与与 三方面来表征。三方面来表征。（热力学稳定性、动力学稳定性、聚集稳定性热力学稳定性、动力学稳定性、聚集稳定性）胶体体系的临界聚沉浓度主要是由体系中无机盐电解质的胶体体系的临界聚沉浓度主要是由体系中无机盐电解质的 决定的，其价数越高，决定的，其价数越高，CCC越小。越小。 （反粒子反粒子）4Colloid & Surface Chemistry 问问 题题沾湿过程是指液

4、体与固体从不接触到接触，沾湿过程是指液体与固体从不接触到接触， 和和 合为合为 的过程。的过程。 （液气界面液气界面 lg 、固气界面、固气界面 sg 、固液界面、固液界面 sl ）在润湿过程中，当液体在固体界面不润湿时，其接触角为在润湿过程中，当液体在固体界面不润湿时，其接触角为（ ） A. 180 B. 0或不存在或不存在 C. 90 D. 90在润湿过程中，粘附功在润湿过程中，粘附功Wa、浸润功、浸润功Ws及铺展系数及铺展系数S之间的大之间的大小关系是：小关系是： 。 （ WaWsS ）D5Colloid & Surface Chemistry 问问 题题影响接触角的因素主要有：

5、影响接触角的因素主要有： 、 、 和和 。 （物质的本性、润湿角的滞后现象、固体表面的粗糙性物质的本性、润湿角的滞后现象、固体表面的粗糙性与不均匀性、环境的影响与不均匀性、环境的影响）6Colloid & Surface Chemistry 问问 题题为什么针可以躺在水面上？为什么针可以躺在水面上？为什么两块玻璃之间有水层，很难拉开？为什么两块玻璃之间有水层，很难拉开？7Colloid & Surface Chemistry 问问 题题 p小的气泡与大的气泡内的气体压力哪个小的气泡与大的气泡内的气体压力哪个大？为什么？大？为什么？pWa、Wi、S的含义是什么？大小关系？的含义是

6、什么？大小关系？p为为0或不存在、或不存在、90、90的润的润湿情况分别是什么？湿情况分别是什么？8Colloid & Surface Chemistry 问问 题题 p三个润湿过程的内能变化？三个润湿过程的内能变化？p衡量三个润湿过程自发进行的条件及衡量三个润湿过程自发进行的条件及含义是什么？含义是什么？9Colloid & Surface Chemistry 主主 要要 内内 容容p第一节第一节 表面张力和表面能表面张力和表面能p第二节第二节 液液-液界面张力液界面张力p第三节第三节 毛细作用与毛细作用与Laplace公式和公式和Kelvin公式公式p第四节第四节 润湿作用

7、和杨方程润湿作用和杨方程p第五节第五节 固体表面能固体表面能10Colloid & Surface Chemistry 11Colloid & Surface Chemistry 气气 泡泡水水 滴滴气气 球球Why？12Colloid & Surface Chemistry 界面上存在界面上存在界面张力界面张力13Colloid & Surface Chemistry 净净 吸吸 力力表面分子受到垂直于液体表面分子受到垂直于液体表面、指向液体内部的表面、指向液体内部的“合吸力合吸力”净吸力。净吸力。净吸力使得液体表面的分净吸力使得液体表面的分子有拉入液体内部的

8、倾向子有拉入液体内部的倾向。若液体分子从液体相移到若液体分子从液体相移到表面，必须有较高的能量，表面，必须有较高的能量，以克服此力的作用。以克服此力的作用。14Colloid & Surface Chemistry 表面张力和表面自由能表面张力和表面自由能15Colloid & Surface Chemistry 表面张力和表面自由能表面张力和表面自由能16Colloid & Surface Chemistry 表面表面自由能的微观解释自由能的微观解释在液相内部分子之间受到了在液相内部分子之间受到了短程吸引力短程吸引力范德华力，范德华力，而在界面的分子受到上面的而在界面

9、的分子受到上面的力小于下面受到的吸引力，力小于下面受到的吸引力，合力不为零合力不为零。若液体分子从。若液体分子从液体相移到表面，必须有较液体相移到表面，必须有较高的能量，以克服此力的作高的能量，以克服此力的作用。用。17Colloid & Surface Chemistry 表面表面自由能的微观解释自由能的微观解释因此，同量液体处于因此，同量液体处于表面分子表面分子越多，越多，表面积越表面积越大大，体系的能量体系的能量就越高，或者说增加表面积就就越高，或者说增加表面积就是增加体系的能量，此能量的增加来自环境对是增加体系的能量，此能量的增加来自环境对体系做功，故称为表面功：体系做功，故称

10、为表面功： W= A 或或W= dA 如喷雾器撒农药、小麦磨成面粉、油通过如喷雾器撒农药、小麦磨成面粉、油通过搅拌分散到水中搅拌分散到水中18Colloid & Surface Chemistry 表面张力和表面自由能表面张力和表面自由能19Colloid & Surface Chemistry 表面自由能的微观解释表面自由能的微观解释20Colloid & Surface Chemistry 表面自由能的微观解释表面自由能的微观解释21Colloid & Surface Chemistry 表面张力与表面自由能的区别表面张力与表面自由能的区别22Colloid

11、 & Surface Chemistry Colloid & Surface Chemistry 23分子间力可以引起净吸力，净吸力分子间力可以引起净吸力，净吸力引起表面张力；表面张力永远与引起表面张力；表面张力永远与表表面相切面相切，而和净吸力，而和净吸力相互垂直相互垂直。 二、影响表面张力的因素二、影响表面张力的因素24Colloid & Surface Chemistry 物质的本性物质的本性25Colloid & Surface Chemistry 温度的影响温度的影响26Colloid & Surface Chemistry 压力的影响压力的影

12、响27Colloid & Surface Chemistry 28Colloid & Surface Chemistry baab29Colloid & Surface Chemistry 2/12babaab30Colloid & Surface Chemistry 2/12dbdabaab31Colloid & Surface Chemistry 32Colloid & Surface Chemistry 问问 题题为什么会有毛细现象？为什么会有毛细现象？毛细现象为什么有的液面上升，有的液毛细现象为什么有的液面上升，有的液面下降？面下降？为什

13、么针可以躺在水面上？为什么针可以躺在水面上？为什么苯滴到水的界面的界面上可以铺为什么苯滴到水的界面的界面上可以铺展？之后又是以球形液滴存在？展？之后又是以球形液滴存在？33Colloid & Surface Chemistry 34Colloid & Surface Chemistry 35Colloid & Surface Chemistry 弯曲液面的表面现象不同于平面弯曲液面的表面现象不同于平面36Colloid & Surface Chemistry 37Colloid & Surface Chemistry )11(21rrp38Colloid

14、 & Surface Chemistry glpppglppprrr21rp221rr0p39Colloid & Surface Chemistry rp41rrp40Colloid & Surface Chemistry 41Colloid & Surface Chemistry 42Colloid & Surface Chemistry 43Colloid & Surface Chemistry 毛细现象的应用实例毛细现象的应用实例44Colloid & Surface Chemistry 毛细现象的应用实例毛细现象的应用实例45Co

15、lloid & Surface Chemistry 毛细现象的应用实例毛细现象的应用实例两玻璃片间夹有（A）润湿性液体水和（B）完全不润湿性液体汞所形成的（A）凹弯月面和（B）凸弯月面示意图0rpppglrppppggl46Colloid & Surface Chemistry 47Colloid & Surface Chemistry 48Colloid & Surface Chemistry 49Colloid & Surface Chemistry 50Colloid & Surface Chemistry 2/grh51Colloid &

16、amp; Surface Chemistry 毛细现象示意图2g hr 12g r h 52Colloid & Surface Chemistry 53Colloid & Surface Chemistry 54Colloid & Surface Chemistry 55Colloid & Surface Chemistry 56Colloid & Surface Chemistry 57Colloid & Surface Chemistry 58Colloid & Surface Chemistry 59Colloid & Su

17、rface Chemistry 60Colloid & Surface Chemistry 61Colloid & Surface Chemistry 62Colloid & Surface Chemistry 物质的本性物质的本性对于指定固体，液体表面张力越小，接触对于指定固体，液体表面张力越小，接触角角越小；越小；对于同一液体，固体表面能越大，对于同一液体，固体表面能越大， 越小。越小。反映了液体分子与固体表面亲和作用的反映了液体分子与固体表面亲和作用的大小，亲和力越强，越易在固体表面铺开，大小，亲和力越强，越易在固体表面铺开， 越小。越小。63Colloid &a

18、mp; Surface Chemistry 接触角的滞后现象接触角的滞后现象前进角与后退角前进角与后退角前进角前进角a固液界面取代固气界面后形成的固液界面取代固气界面后形成的接触角接触角后退角后退角r气固界面取代固液界面形成的接气固界面取代固液界面形成的接触角触角接触角滞后接触角滞后前进角与后退角不相等的现象；前进角与后退角不相等的现象；通常后退角小于前进角。通常后退角小于前进角。64Colloid & Surface Chemistry 接触角的滞后现象接触角的滞后现象接触角接触角示意图。（示意图。（A）液固相对静止，（液固相对静止，（B）液固相对移动液固相对移动若液体与固体发生相对

19、运动时，则会形成两个不同的若液体与固体发生相对运动时，则会形成两个不同的接触角。较大的接触角。较大的a称为称为前进接触角前进接触角（advancing contact angle），），较小的较小的r称为称为后退接触角后退接触角(receding contact angle)。这种这种ar的现象称为的现象称为接触角滞后接触角滞后。 65Colloid & Surface Chemistry 接触角的滞后现象接触角的滞后现象r值表示表面粗糙的程度。值表示表面粗糙的程度。90r越大，接触角越大；润湿越大，接触角越大；润湿性越差性越差90r越大，接触角越小；润越大，接触角越小；润湿性越好。湿

20、性越好。表表面面粗粗糙糙度度66Colloid & Surface Chemistry 接触角的滞后现象接触角的滞后现象表面不均匀（污染）表面不均匀（污染）使得不同区域的使得不同区域的表面能不同，导致接触角的变化表面能不同，导致接触角的变化67Colloid & Surface Chemistry 固体表面的粗糙性和不均匀性固体表面的粗糙性和不均匀性液体在粗糙表面与平滑表面的润湿角液体在粗糙表面与平滑表面的润湿角不同不同粗糙度使得润湿性差的更差，润湿性粗糙度使得润湿性差的更差，润湿性好的更好好的更好68Colloid & Surface Chemistry 环境的影响环

21、境的影响固体表面，尤其是高能表面从周围环固体表面，尤其是高能表面从周围环境中吸附某些组分而降低表面能，同境中吸附某些组分而降低表面能，同时改变了表面性质时改变了表面性质69Colloid & Surface Chemistry 70Colloid & Surface Chemistry 沾沾 湿湿指液体与固体从不接触到接触，液气界面指液体与固体从不接触到接触，液气界面 lg和固气界面和固气界面 sg 合为固液界面合为固液界面 sl的过程。的过程。slsglgWa称为称为粘附功粘附功71Colloid & Surface Chemistry 沾沾 湿湿Wa称为粘附功，是沾

22、湿过程体系对外所称为粘附功，是沾湿过程体系对外所能做的最大功，也是将接触的固体和液体能做的最大功，也是将接触的固体和液体自交界处拉开，外界所需做的最小功。自交界处拉开，外界所需做的最小功。slsglg72Colloid & Surface Chemistry 浸浸 湿湿固气界面固气界面 sg 被固液界面被固液界面 sl所取代；所取代；+Wi称为称为浸润功浸润功73Colloid & Surface Chemistry 浸浸 湿湿Wi为浸润功，反映了液体在固体表面取为浸润功，反映了液体在固体表面取代气体的能力（代气体的能力（ sg sl）。）。+74Colloid & S

23、urface Chemistry 铺铺 展展铺展过程的实质是以固液界面铺展过程的实质是以固液界面 sl代替固气代替固气界面界面 sg的同时还扩展了气液界面的同时还扩展了气液界面 lgS为为铺铺展系数展系数75Colloid & Surface Chemistry 铺铺 展展S0时，液体可以在固体表面自动展时，液体可以在固体表面自动展开，连续的从固体表面取代气体。开，连续的从固体表面取代气体。76Colloid & Surface Chemistry 77Colloid & Surface Chemistry 78Colloid & Surface Chemist

24、ry 79Colloid & Surface Chemistry 80Colloid & Surface Chemistry 81Colloid & Surface Chemistry 82Colloid & Surface Chemistry 固液界面固液界面 sll气液界面气液界面 lg83Colloid & Surface Chemistry l降低固气界面降低固气界面 sgp使得使得Wa0slsglg84Colloid & Surface Chemistry 85Colloid & Surface Chemistry 固液界面固液

25、界面 slp使得使得Wi0+86Colloid & Surface Chemistry 87Colloid & Surface Chemistry 88Colloid & Surface Chemistry 89Colloid & Surface Chemistry 90Colloid & Surface Chemistry 91Colloid & Surface Chemistry 92Colloid & Surface Chemistry 93Colloid & Surface Chemistry Q实际体系例子的解释实际体系

26、例子的解释QLaplace公式与公式与Kelvin公式的应用公式的应用Q不同接触角的润湿情况不同接触角的润湿情况Q三个润湿过程内能的变化三个润湿过程内能的变化Q粘附功、浸润功及铺展系数的意义粘附功、浸润功及铺展系数的意义Q高能表面高能表面94Colloid & Surface Chemistry Stern双电层模型双电层模型斯斯特恩双电层特恩双电层模型模型（1924年年Stern 提出）提出）: 该模型认该模型认为溶液一侧的带电层应分为溶液一侧的带电层应分为紧密层和扩散层两为紧密层和扩散层两部分。部分。95Colloid & Surface Chemistry Stern双电层模型双电层模型紧密紧密层层: 溶液中反离子及溶剂溶液中反离子及溶剂分子受到足够大的静电力分子受到足够大的静电力, 范范德华力或特性吸附力德华力或特性吸附力, 而紧密而紧密吸附在固体表面吸附在固体表面上。上。其余其余反离子则构成扩散反离子则构成扩散层。层。96Co