重点总结-材料表界面

1、材材 料料 表表 界界 面面管管 涌涌 杨云霞杨云霞 联系方法联系方法： 材料学院材料学院 实验一楼实验一楼309309室室 电话：电话：6425334364253343 Email： 主讲教师主讲教师: 李书召李书召 主讲教师主讲教师: 李书召李书召 管管 涌涌 杨云霞杨云霞 主讲教师主讲教师: 李书召李书召 主讲教师主讲教师: 李书召李书召 主讲教师主讲教师: 管管 涌涌 杨云霞杨云霞 李书召李书召 主讲教师主讲教师: 考考 核核 方方 式式 平时成绩：平时成绩： 2020 （包括考勤（包括考勤1010和课堂练习、和课堂练习、作业等作业等1010） 期末考试：期末考试： 8080 附加分：

2、附加分：5%5%第二章第二章 液体表面液体表面2.1.1、表面张力产生的原因、表面张力产生的原因 (2 1)2FL温度升高表面张力如何变化？温度升高表面张力如何变化？ 表面张力也可以理解为系统增加单位面积时所需做表面张力也可以理解为系统增加单位面积时所需做的可逆功，单位为的可逆功，单位为J/mJ/m2 2，是功的单位或能的单位。，是功的单位或能的单位。所以所以也可以理解为表面自由能，简称表面能。也可以理解为表面自由能，简称表面能。 表面功：表面功：温度、压力和组成恒定时，可逆使表面积增加温度、压力和组成恒定时，可逆使表面积增加dA所需要对体系作的功，称为表面功。用公式表示为：所需要对体系作的功

3、，称为表面功。用公式表示为：= W/ A (2-4)dd表面能与表面张力在量纲上等效，不严格区分例：例：20时汞的表面张力为时汞的表面张力为4.8510-1 Jm-2，求，求在此温度及在此温度及101.335 kPa 的压力下，将半径的压力下，将半径1mm的汞滴分散成半径的汞滴分散成半径10-5 mm的微小汞滴，的微小汞滴，至少需要消耗多少功？至少需要消耗多少功？例：例：试求试求2525，质量，质量m m1g1g的水形成一个球形水滴时的水形成一个球形水滴时的表面自由能的表面自由能E1E1。若将该水滴分散成直径。若将该水滴分散成直径2nm2nm的微的微小水滴，其总表面能小水滴，其总表面能E2E2

4、又是多少？（已知又是多少？（已知2525时时水的比表面自由焓水的比表面自由焓G Gs s为为72721010-3-3 J J* *m m-2-2) )248 2/ (2-15)Prr drprr d 12(1/1/) (2-18)prr 2022-3-92.4.12.4.1毛细管法毛细管法2.4.3 滴重法2022-3-9022ln (2-40)PVMRTPrr2022-3-9 例：25时，水的饱和蒸气压为3.168kPa，求该温度下比表面积为106 m2 *kg-1时球形水滴的蒸气压（水在25时的表面张力为71.9710-3 N*m-1).2022-3-9 应用应用KelvinKelvin公

5、式可以解释一些现象公式可以解释一些现象 1 1、人工降雨、人工降雨 2 2、过热液体、过热液体 3 3、过冷水、过冷水 4 4、过饱和液体、过饱和液体2022-3-9溶液的表面张力溶液的表面张力溶液的表面张力不仅与温度和压力有关，还与其组成有关 在水溶液中,表面张力随溶液组成的变化规律一般有三种比较典型的类型。2022-3-9112 (2-47)2ln22cccRTRTTT 2022-3-9 例：294K下测定甲酚水溶液的表面张力随甲酚浓度的变化关系如下： C (mol/l) 0.2301 0.1793 0.1194 0.0816 （10-3 N/m) 40.92 42.81 47.81 52

6、.27 C (mol/l) 0.0726 0.0475 0.0323（10-3 N/m) 53.94 57.94 61.98(1)求甲酚的表面吸附量；（2）每平方米表面的甲酚分子数以及甲酚分子的横截面积。2022-3-9例：19时丁酸水溶液的表面张力可表示为： =0-bln(1+c/a)0为纯水表面张力，a,b为常数，各为 5.097*10-2mol/L与0.180，c为浓度。求：1）c=0.200mol/L时的12； 2）c/a1时的12值，并计算丁酸分子所占面积。2022-3-9解：因为=0- 0 bln(1+c/a)所以：011Tbacca102 (a)1TcbcacRTcRTa 211

7、022720.20072.8 0.1805.097 104.30 10/0.2008.314 10292.215.097 10mol cm 以以a,b,c值代入值代入注意单位，注意单位，厘米克秒制厘米克秒制2022-3-92）当c/a1时，1+c/ac/a,(a)式简化为：1102025.39 10/bmol cmRT 221421102320111100.3085.39 106.02 10mnmnmacmN分子102 (a)1TcbcacRTcRTa bp= (3-10)1+ bp 此式称为Langmiur吸附等温式，b称为吸附系数。 以以p/Vp作图，可得一直线，从直作图，可得一直线，从直

8、线的斜率和截距可以求出线的斜率和截距可以求出Vm和和b。 4. Langmuir吸附等温式的另一种写法吸附等温式的另一种写法p1 (3-11)VmmpV bV 例：用活性炭吸附例：用活性炭吸附CHCl3，符合，符合Langmuir吸附吸附等温式，在等温式，在0 时的饱和吸附量为时的饱和吸附量为93.8 dm-3*kg-1。已知。已知CHCl3的分压为的分压为13.4kPa时的平衡时的平衡吸附量为吸附量为82.5 dm-3*kg-1 。试计算。试计算CHCl3的分压的分压为为为为6.67kPa时的平衡吸附量。时的平衡吸附量。0011)(PPCVCCVPPVPmm)1)(1 (xCxxCxVVm（

9、3-21）（3-22） 例：77K时N2在硅胶上的吸附数据如下，其中吸附量已折算成S.T.P。已知硅胶的质量为0.5978g，用BET法求此硅胶的比表面积。P/po 0.07603 0.09687 0.1567 2.2213 0.2497V(cm3) 0.8984 0.9228 1.076 1.166 1.58 例：77K77K时时N N2 2在硅胶上的吸附数据如下，其中吸附在硅胶上的吸附数据如下，其中吸附量已折算成量已折算成S.T.PS.T.P。已知硅胶的质量为。已知硅胶的质量为0.5978g0.5978g，用，用BETBET法求此硅胶的比表面积。法求此硅胶的比表面积。问题：为什么选择问题：

10、为什么选择77K77K？氮气的沸点为零下氮气的沸点为零下196196度（度（77K77K），其饱和），其饱和蒸气压即为一个大气压；易于控温。蒸气压即为一个大气压；易于控温。 Young方程 接触角测试方法 前进角、后退角 三种润湿方式2. Young方程方程力学方法推导力学方法推导cos (5-1)SGSLLGWa (5-5)粘附功粘附功Wc=2 (5-6)内聚功或内聚能内聚功或内聚能SLW(1+cos ) (5-10)LG 粘附润湿粘附润湿 浸湿浸湿 铺展润湿铺展润湿 以上三种润湿发生的条件可归纳如下：粘附润湿：浸湿：铺展润湿是： aW0SGSLLG0 (5-34)iSGSLAWL/SS0S

11、GSLLGaW0SGSLLG0 (5-34)iSGSLAWL/SS0SGSLLGaW0SGSLLG0 (5-34)iSGSLAW借助借助Young方程，将方程，将SGSG= =SLSL+ +LGLGcoscos, ,代入（代入（5-5-3434）中，可得：）中，可得：L /S(1co s)co sS(co s1)aL GL GL GWA 表面活性剂分子有两种不同性质的基团所组成，一种是非极性的亲油基团，另一种是极性的亲水基团。 （2 2）按亲水基类型分：）按亲水基类型分： 表面活性剂溶于水能电离生成离子的叫做离子型表表面活性剂溶于水能电离生成离子的叫做离子型表面活性剂（阴离子、阳离子和两性表面

12、活性剂面活性剂（阴离子、阳离子和两性表面活性剂)。 不能电离的叫非离子型表面活性剂不能电离的叫非离子型表面活性剂。（3 3）按分子量分：）按分子量分：低分子量表面活性剂：低分子量表面活性剂：2001000中高分子量表面活性剂：中高分子量表面活性剂：1000以上以上 +RCNRXQ X+-+QCNNa CNQX+-+-+XQCNNa 水相水相界界面面有机有机相相阳离子冠醚的金属络合物阳离子冠醚的金属络合物Q+X-的负电荷部分的负电荷部分X-，在水溶液中，在水溶液中和其他阴离子和其他阴离子Y-交换后，溶于含有反应试剂的交换后，溶于含有反应试剂的RX有机相中，有机相中，与与RX反应生成反应生成RY，

13、本身复原为，本身复原为Q+X-，同时再进入水相。反复，同时再进入水相。反复循环，起到催化作用。循环，起到催化作用。 5.2.1.1 5.2.1.1 亲疏平衡值亲疏平衡值 亲水亲水-疏水平衡值疏水平衡值HLB（Hydrophile-Lipophile Balance )的概念。的概念。（1）非离子型）非离子型HLB值的计算值的计算对聚乙二醇和多元醇非离子型表面活性剂:1005亲水基分子量疏水基分子量亲水基分子量1005H L B 亲 水 基 部 分 分 子 量表 面 活 性 剂 分 子 量表面活性剂分子量=616HLB=396/616*100/5=12.86C H919O (CH CH O)22

14、9H对多元醇型脂肪酸酯非离子型表面活性剂对多元醇型脂肪酸酯非离子型表面活性剂: HLB=20(1-S/A)S为酯的皂化值为酯的皂化值, A为脂肪酸的酸值为脂肪酸的酸值.7 (4-4)HLBHL CH OOC(CH ) CHCHOHCH OH221632 解： HLB20（1161/198）3.8 解2： 20 C： 0.475209.5 2-OH 1.923.8 1个-COO- 2.4HLB=3.8+2.4+7-9.5=3.7 (CH ) CHCH CH CH(CH ) COOH3522273OSO NaCH （1）分配系数法）分配系数法：将水和油（通常用辛烷）放在一起，再加入表面活性剂，当其

15、在油水两相中达到溶解平衡时，分别测定它在两相中的浓度：水相中Cw，油相中Co，然后计算HLB值。)/ln(36. 07owCCHLB （3）混合表面活性剂HLB值的计算mA 、mB为混合表面活性剂种A,B组分的质量，HLBA,HLBB为A,B组分各自的HLB值。 (4-5)AABBABmHLBmHLBHLBmm 非离子型表面活性剂乳状液随着温度升高非离子型表面活性剂乳状液随着温度升高, ,从原来从原来O/WO/W型转变为型转变为W/OW/O型的温度型的温度, ,称为相转型温度称为相转型温度( (PITPIT), ), 也叫做亲水也叫做亲水- -亲油平衡温度亲油平衡温度( (HLBHLB温度温度

16、).). PIT PIT 不仅可以反映亲水亲油性，还可反映油的种不仅可以反映亲水亲油性，还可反映油的种类、温度、浓度、相体积的影响。类、温度、浓度、相体积的影响。 PIT与HLB的关系近乎直线，可解释HLB值大，其亲水性强, 其PIT越高. PIT随油相性质而改变，越容易溶解非离子表面活性剂的油，其PIT值越低;油相极性越小，PIT越高. 固定表面活性剂浓度,增大油/水比例, PIT增大. 固定表面活性剂与油相比例,即使增大油/水比,PIT不再变化. 少量活性剂的加入可使水的表面张力迅速下少量活性剂的加入可使水的表面张力迅速下降，但到某一浓度后，水溶液的表面张力几降，但到某一浓度后，水溶液的表

17、面张力几乎不变。这个表面张力转折点的浓度称为临乎不变。这个表面张力转折点的浓度称为临界胶束浓度界胶束浓度（CMCCMC) )。 影响影响CMCCMC的因素的因素 2.2.4.1 Krafft温度温度K.P点实际上是分子溶解和点实际上是分子溶解和胶束溶解的分界点，溶解度胶束溶解的分界点，溶解度之所以急剧增加是由于表面之所以急剧增加是由于表面活性剂以胶束形式溶解。温活性剂以胶束形式溶解。温度低于度低于K.P点不形成胶束，点不形成胶束，只有温度高于只有温度高于K.P点才形成点才形成胶束。因此胶束。因此，K.P点相应溶点相应溶液的浓度即为液的浓度即为CMC值，值，K.P点也可认为是表面活性剂在点也可认

18、为是表面活性剂在溶液中的溶解度等于它的溶液中的溶解度等于它的CMC值时的温度。值时的温度。 K.P K.P 点之点之下无下无CMCCMCOOCHO22CH22CHCHCHO22CH22CHCHCHCHO22CH22OCH2H OOH2OH2OH2OH2OH2CH2 当温度上升时，氢键被削弱，升到一定温度，氢键当温度上升时，氢键被削弱，升到一定温度，氢键断裂，表面活性剂从溶液中析出，使溶液突然变浊。断裂，表面活性剂从溶液中析出，使溶液突然变浊。 具有相同极性剂的同系物，烃链较短者具有较高的具有相同极性剂的同系物，烃链较短者具有较高的浊点；如果烃链长度相同，则浊点随氧乙烯基团数浊点；如果烃链长度相

19、同，则浊点随氧乙烯基团数n n的增高而升高的增高而升高, ,如下图所示。如下图所示。 5.2.6.1 胶束的结构胶束的结构 离子型表面活性剂胶束呈球形，离子型表面活性剂胶束呈球形，内核内核为近于液态的碳氢链，为近于液态的碳氢链，内核内核外部外部为与极性基团相连或相邻的为与极性基团相连或相邻的CH2，周围有渗入的水分子（已，周围有渗入的水分子（已成为胶束的一部分），故与内核成为胶束的一部分），故与内核的的CH2不同；不同；再外层再外层由极性基团由极性基团组成，组成，最外层最外层是与极性基团结合是与极性基团结合的反离子和结合水。在表面之外，的反离子和结合水。在表面之外，还有由反离子组成的还有由反离子组成的扩散层扩散层。双。双电层的存在，保证了胶束的稳定电层的存在，保证了胶束的稳定型。型。其内核与离子型表面其内核与离子型表面活性剂一样，具有与活性剂一样，具有与液烃相似的性质，其液烃相似的性质，其表面由聚氧乙烯和醚表面由聚氧乙烯和醚键氧原子相结合的水键氧原子相结合的水构成，没有双电层结构成，没有双电层结构，其表面厚度往往构，其表面厚度往往超过内核尺寸超过内核尺寸 6.1 表面张力与温度的关系6.2 表面张力与分子量的关系6.3 表面张力与表面形态的关系6.4 表面张力与分子