《应用胶体及界面化学》03 表面张力及润湿作用

1、疏液胶体的稳定性疏液胶体的稳定性疏液胶体稳定存在的原因疏液胶体稳定存在的原因电解质对于溶胶聚沉作用的影响电解质对于溶胶聚沉作用的影响临界聚沉浓度Schulze-Hardy规则电解质的聚沉值与胶粒的异电性离子的价数的6次方成反比感胶离子序胶体的聚沉理论胶体的聚沉理论-DLVO理论理论 DLVO理论认为疏液胶体粒子间既有因粒子带电形成的扩散双电层交联时产生的静电斥力，又有粒子间范德华力相互吸引作用。四、聚合物对溶胶的稳定和絮凝作用1.1.空间稳定理论空间稳定理论2.高分子化合物的敏化作用和保护作用高分子化合物的敏化作用和保护作用五、分散剂 & 絮凝剂作用机理03 03 表面张力与润湿作用表

2、面张力与润湿作用3-1 液体的液体的 表面张力表面张力3-2 LaplaceLaplace公式公式.3-4 浮选浮选3-3 润湿润湿接触角与Young方程的影响因素3-5 液液界面张力液液界面张力3-6 界面张力的测定界面张力的测定3-7 固体的固体的 表面能表面能 及及 测定测定3-8 KelvinKelvin公式公式的影响因素导出、应用毛细升高法、吊片/拉环法、最大气泡压力法l 在s 表面自发铺展的基本条件物理意义、应用 对于单组分系统，这种特性主要来自于同一物质在不同相中的密度不同；对于多组分系统，则特性来自于界面层的组成与任一相的组成均不相同。 表面层分子与内部分子相比所处的环境不同

3、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； 但是处在界面层的分子，一方面受到体相内相同物质分子的作用，另一方面受到性质不同的另一相中物质分子的作用，其作用力未必能相互抵销，因此，界面层会显示出一些独特的性质。3-1 液体的表面张力液体的表面张力 最简单的例子是液体及其蒸气组成的表面。 液体内部分子所受的力可以彼此抵销，但表面分子受到体相分子的拉力大，受到气相分子的拉力小（因为气相密度低），所以表面分子受到被拉入体相的作用力。 这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势，并使表面层显示出一些独特性质，如表面张力、表面吸附、毛细现象、过饱和状态等。 如果在活动边框上挂一重

4、物，使重物质量W2与边框质量W1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。液体表面的最基本的特性是趋向于收缩液体表面的最基本的特性是趋向于收缩 1 液体表面自动缩小2 欲扩大表面积需外界对其做功力学定义：力学定义： 这时 2Fl l 是滑动边的长度，因膜有两个面，所以边界总长度为2l， 就是作用于单位边界上的表面张力。2W1W2 l12=()FWWg=把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用 或 表示。在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着表面张力，表面张力垂直与表面的边界，指向液体方向并与表面相切。表面张力的单位是：1mN m力学定义：力学定义： 温度、压力和组成

5、恒定时，可逆使表面积增加dA所需要对系统作的非体积功，称为表面功。用公式表示为：能量角度：能量角度：dWA表面热力学的基本公式BBBddddUT Sp Vn根据多组分热力学的基本公式 对需要考虑表面层的系统，由于多了一个表面相，在体积功之外，还要增加表面功，则基本公式为 B, ,UU S V nsBBBdddddUT Sp VAnsB, ,UU S V A n表面热力学的基本公式所以考虑了表面功的热力学基本公式为sBBBdddddUT Sp VAnsBBBdddddHT SV pAnsBBBdddddAS Tp VAn sBBBdddddGS TV pAn 从这些热力学基本公式可得BBBBss

6、, , , , ,ssS V nS p nT V nT p nUHAGAAAA表面自由能 (surface free energy) 广义的表面自由能定义：B, ,s()S V nUAB, ,s()S P nHAB, ,s()T V nAAB, ,s()T P nGA 狭义的表面自由能定义：B, ,s()T P nGA 表面自由能的单位：2J m：在等温等压且体系所含物质的量不变的条件下，增加单位表(界)面积所引起体系Gibbs函数的增量(比)表面Gibbs函数、(比比)表面自由能表面自由能思思 考考3-1 表面张力为什么在参观面粉厂时,不能穿带铁钉的鞋? 在煤粉或在面粉厂，因为细小的煤粉或面

7、粉悬浮在空中，形成巨大的表面，有着巨大的表面能。 一个小小的火星，会加速煤粉或面粉表面上发生的氧化反应，反应中放出的热量又加速了其它颗粒表面的氧化反应，因此，引起爆炸！ 一大块煤燃烧为什么不爆炸？3-1 表面张力关于表面张力关于表面张力 表面张力是由处于表面层的分子受到“净吸力”的作用而产生的与表面相切、与“净吸力”相互垂直、引起液体表面自动收缩的力。 表面张力与表面吉布斯自由能是同一数值的二个不同概念，前者从力学角度，而后者从能量角度讨论界面所存在现象。 表面张力是物质的自然属性，与温度、压力、组成以及共存的另一相有关。二、二、 的影响因素的影响因素1.1.物质本性物质本性3-1 表面张力不

8、同液体表面张力值大体范围液态金属液态金属极性液体极性液体 & & 非极性液体非极性液体同系物同系物2. 2. 温度温度气液差别减小，界面张力下降当达到临界温度Tc时，界面张力趋向于零。Ramsay -Shields 经验式3-1 表面张力液体的表面张力与温度的关系液体的表面张力与温度的关系 2 3mc 6.0Vk TT3.3.压力压力实践中无法测量 表面张力与分子间作用力密切相关1.极性物质的非极性物质2.结构相似时，分子量越大，越高3.芳环或共轭双键一般饱和碳氢化合物4.一般有机液体的在20-50 mN/m.水是常见液体中表面张力最高的约72 mN/m.熔盐及液体金属最高。H

9、g 486.520, Fe 18801550, He 0.3651K表面张力的一些规律表面张力的一些规律3-2 弯曲液面内外压力差与曲率半径的关系-Laplace公式 Laplace 公式公式的简单推导的简单推导1.在平面上 对一小面积AB，沿AB的四周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。s000ppp0pABff0p 弯曲表面上的附加压力2. 在凸面上 由于液面是弯曲的，则沿AB的周界上的表面张力不是水平的，作用于边界的力将有一指向液体内部的合力 0sppp总0pABff0sppsp 所有的点产

10、生的合力和为 ps ，称为附加压力凸面上受的总压力为： 弯曲表面上的附加压力3. 在凹面上 由于液面是凹面，沿AB的周界上的表面张力不能抵消，作用于边界的力有一指向凹面中心的合力 0sppp总0pABff0sppsp 所有的点产生的合力和为 ps ，称为附加压力凹面上受的总压力为： 弯曲表面上的附加压力 由于表面张力的作用，在弯曲表面下的液体与平面不同，它受到一种附加的压力，附加压力的方向都指向曲面的圆心。 凹面上受的总压力小于平面上的压力凸面上受的总压力大于平面上的压力附加压力的大小与曲率半径有关 例如，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。0sppp总0pspR 对活塞稍

11、加压力，将毛细管内液体压出少许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 VA34 3Vr2s4Ar2 d4drVrsd8drArs2prLaplace公式公式讨论：讨论：1. 凸形液面 (r0) p0 , p液 p气 凹形液面 (r0) p0 , p液 p气 平面 r = p = 0 , p液 =p气p总是指向曲面的球心2 .越大，r越小，p越大。液滴愈小则所受附加压力愈大3. 空气中的气泡：存在两个气液界面气泡内压力大于外部压力4 pr 3-2 Laplace公式2pr Laplace公式的应用举例公式的应用举例1. 毛

12、细上升及下降 由于附加压力而引起的液面与管外液面有高度差的现象称为毛细管现象 把毛细管插入水中，管中的水柱表面会呈凹形曲面，致使水柱上升到一定高度。当插入汞中时，管内汞面呈凸形，管内汞面下降。 MN0ppp2H OHg1. 毛细上升及下降毛细上升及下降 毛细管内液柱上升（或下降）的高度可近似用如下的方法计算 2pghr 1g当1g12hrg1. 毛细上升及下降毛细上升及下降 1。假若液滴具有不规则的形状，则在表面上的不同部位曲面弯曲方向及其曲率不同，所具的附加压力的方向和大小也不同，这种不平衡的力，必将迫使液滴呈现球形 自由液滴或气泡通常为何都呈球形自由液滴或气泡通常为何都呈球形 ？ 2。相同

13、体积的物质，球形的表面积最小，则表面总的Gibbs自由能最低，所以变成球状就最稳定 在一管径不均匀的毛细管中有一些可润湿管壁的液体存在。平衡时，液体所在位置？ 4.毛细现象毛细吸力毛细吸力下雨后泥土塌陷玻璃板之间夹水毛细阻毛细阻力力气阻现象：打针和输液时严禁带入气泡油滴阻力（输水），水滴阻力（输油） 有人建议由测定同一液体在两个管径不同的毛细管中的上升高度来求出液体的表面张力。请导 出 计 算 公 式 ， 并 说 明 此 法 的 优 点 。 3-3 润湿作用润湿作用润湿状况与界面性质有关：一、接触角一、接触角与杨氏方程与杨氏方程润湿过程固气表面被固液界面取代的过程在干净的玻璃上滴一滴水.将水滴

14、在棉布上.将水滴在荷叶上.润湿： 沾湿、铺展及浸湿讨论：讨论：1. 凸形液面 (r0) p0 , p液 p气 凹形液面 (r0) p0 , p液 p气 平面 r = p = 0 , p液 =p气p总是指向曲面的球心2 .越大，r越小，p越大。液滴愈小则所受附加压力愈大3. 空气中的气泡：存在两个气液界面气泡内压力大于外部压力4 pr 3-2 Laplace公式2pr 复习：复习：Laplace公式的应用举例公式的应用举例1. 毛细上升及下降 有人建议由测定同一液体在两个管径不同的毛细管中的上升高度来求出液体的表面张力。请导 出 计 算 公 式 ， 并 说 明 此 法 的 优 点 。 与之相关的

15、现象和应用与之相关的现象和应用: (1) 植物靠着毛细现象输运养料和水分。植物靠着毛细现象输运养料和水分。(2) 利用棉花来吸水。利用棉花来吸水。(3) 外科手术中用的缝线经过蜡处理的丝线。外科手术中用的缝线经过蜡处理的丝线。沾湿沾湿(adhesion)：液体与固体由不接触到接触，变液气界面和固气界面为固液界面的过程A -() =Wl gs gs lGWA0 沾湿过程自发I - =Ws gs lGWI0 浸湿过程自发浸湿浸湿(immersion)：固体浸入液体的过程。（洗衣时泡衣服）固气界面为固液界面替代。铺展铺展(spreading)：以固液界面取代固气界面同时，液体表面扩展的过程。 -()

16、 =Ss gl gs lG铺展过程自发0S -() =Ss gl gs lG铺展：I - =Ws gs lG浸湿：沾湿：A -() =Wl gs gs lGs gs lAA称为黏附张力，A越大越有利于上述三种润湿过程的进行将液体滴于固体表面上，液体或铺展或覆盖于表面，或形成一液滴停于其上，此时在三相交界处，自固液界面经液体内部到气液界面的夹角就叫做接触角接触角接触角与Yong方程3-3 润湿作用三相交界处存在三个界面张力 s gs ll gcoss gs ll gcos液滴平衡时：接触角(润湿角)三相交界处，g-l界面与s-l界面间夹角液体对固体表面的润湿性能可以用接触角来衡量9090=180

17、完全不润湿润湿不润湿液体对固体表面的润湿性能可以用界面张力分析 () =(cos1)s gl gs llgS铺展：I W=coss gs llg浸湿：沾湿：A W()=(cos1)l gs gs ll g越小，cos越大，越有利于上述三种润湿过程的进行s gs ll gcos3-3 润湿作用三、三、的影响因素的影响因素1.1.物质本性物质本性2.2.固体表面状况固体表面状况粗糙度均一性 l-g s-g3.3.吸附、温度等因素吸附、温度等因素（文策尔方程 ）cosrcos （卡西方程）前进角与后退角前进角与后退角固液界面取代固气界面后形成的接触角叫做前进角a;而气固界面取代固液界面形成的接触角叫

18、做后退角Rs gs ll gcos液滴前进角后退角三、三、的测量的测量如：观察测量法(显微量角法、摄影法)、斜板法、光反射法1.1.角度测量法角度测量法用量角器直接量出三相交界处l.与s.平面的夹角应用最广、方便简单，但切线不易作准将固体板插入液体中，当板面与液面的夹角恰为接触角时，液面一直延伸至三相交界处而不出现弯曲，此夹角即为接触角。2.2.长度测量法长度测量法3.3.力测量力测量滴高法3-3 润湿作用吊片法润湿的应用举例润湿的应用举例n冶金冶金n传热传热n焊接焊接n采油采油n矿物的泡沫浮选矿物的泡沫浮选n防水防水 农药对植物叶有良好的润湿作用 机器用的润滑油 油漆的使用采油采油 油层存在

19、于地层的毛细孔中，油与土壤的接触角大于油层存在于地层的毛细孔中，油与土壤的接触角大于土壤与水的接触角土壤与水的接触角 在水中加入润湿剂，通过井外注水，可增加水对地层在水中加入润湿剂，通过井外注水，可增加水对地层的润湿性，将油从毛细孔中顶出，然后从井内采出。的润湿性，将油从毛细孔中顶出，然后从井内采出。 缺点：表面活性剂用量太大，可能毁坏油田缺点：表面活性剂用量太大，可能毁坏油田矿物的泡沫浮选矿物的泡沫浮选 固体颗粒能否悬浮在液面，取决与接触角的大小。固体颗粒能否悬浮在液面，取决与接触角的大小。通过加入表面活性剂，可控制固体浮游的条件。通过加入表面活性剂，可控制固体浮游的条件。 悬浮悬浮疏水化疏

20、水化接触、附着接触、附着上浮上浮回收回收防水防水l纤维织物用防湿剂处理，纤维织物用防湿剂处理，增加水布之间的接触角，使水不能透过布，增加水布之间的接触角，使水不能透过布，而空气可以透过。而空气可以透过。l常见的防水材料：石蜡、硅油、多价金属皂等常见的防水材料：石蜡、硅油、多价金属皂等 织物防水织物防水 交通道路防水交通道路防水 l 例如，柏油路面的防水例如，柏油路面的防水一、接触角一、接触角与杨氏方程与杨氏方程3-3 润湿作用润湿作用润湿： 沾湿、铺展及浸湿s gs lAA称为黏附功，A越大越有利于上述三种润湿过程的进行s gs ll gcos铺展：浸湿：沾湿： () =coss gl gs

21、llgSI W=coss gs llgA W()=(cos1)l gs gs ll g3-5 l-l 界面张力界面张力两种不混溶的或不完全混溶的液体互相接触的物理界面即液液界面。由于界面两边分子性质不同，界面上分子所处力场不是各向同性的，也存在界面张力垂直通过液液界面上任一单位长度，与界面相切的收缩界面的力。（一）（一）Antonoff规则（规则（1907年）年）a被b饱和的a表面张力b被a饱和的b表面张力3-6 3-6 液体表面张力的测定方法液体表面张力的测定方法毛细上升法测定表面张力毛细上升法测定表面张力一般公认表面张力的测定方法中，以毛细上升法一般公认表面张力的测定方法中，以毛细上升法最

22、为准确，主要是因为其有比较健全的理论，最为准确，主要是因为其有比较健全的理论，但实验条件要求苛刻但实验条件要求苛刻。最准确的实验工作要求。最准确的实验工作要求液体必须能润湿管壁液体必须能润湿管壁，这样才能避免接触角的，这样才能避免接触角的不确定性引起的误差。最常采用的是玻璃毛细管，不确定性引起的误差。最常采用的是玻璃毛细管，不仅因其透明，而且也因为多数液体都能润湿玻璃。不仅因其透明，而且也因为多数液体都能润湿玻璃。玻璃表面必须玻璃表面必须极其干净极其干净，毛细管必须精确地，毛细管必须精确地垂直垂直，精确地知其半径，而且要求毛细管的半径是均匀的，精确地知其半径，而且要求毛细管的半径是均匀的，其横

23、截面与圆形的偏差应不超过百分之几。另外，其横截面与圆形的偏差应不超过百分之几。另外，对于玻璃毛细管，对溶液对于玻璃毛细管，对溶液碱度碱度有一定的限制。有一定的限制。环法环法(The ring method)4WWR 环总RW总在此法中，环一般由铂制成，以确保环可以被在此法中，环一般由铂制成，以确保环可以被液体完全润湿，接触角为零或接近于零。实验液体完全润湿，接触角为零或接近于零。实验前应将环放在火焰上烧过，以除去表面上有机前应将环放在火焰上烧过，以除去表面上有机类污染物。类污染物。在测量在测量表面活性物质的溶液表面活性物质的溶液以及测量以及测量液液-液界面液界面张力时，由于表面活性物质张力时，

24、由于表面活性物质在环上的吸附作用改变了环的润湿性质，使得测量误差较大，此时，可用在环上的吸附作用改变了环的润湿性质，使得测量误差较大，此时，可用聚四氟乙烯聚四氟乙烯或或聚乙烯聚乙烯制成的环来进行实验（表面活性物质的吸附会使环由制成的环来进行实验（表面活性物质的吸附会使环由憎水性质转变为亲水性质憎水性质转变为亲水性质）。）。最大气泡压力法最大气泡压力法(The maximum bubble pressure method)使惰性气体缓慢地通过浸在待测液体表面下的管子，使其吹泡。使惰性气体缓慢地通过浸在待测液体表面下的管子，使其吹泡。当气泡恰为半球时，半径最小，等于管的内半径，因而当气泡恰为半球时

25、，半径最小，等于管的内半径，因而P P最大。最大。惰性气体惰性气体max2gasPPPPghr hr滴重法滴重法(The drop weight method)2Wr Tate定律 (1864年)：r表面张力（表面张力（ ）和液滴）和液滴（W）的重力达到平衡）的重力达到平衡落滴高速摄影落滴高速摄影222WrWmgrrfff 滴重法校正因子滴重法校正因子从实验中测得液滴的质量（从实验中测得液滴的质量（m），再由液体的密度），再由液体的密度求得液滴的体积（求得液滴的体积（V），可求出），可求出r/V1/3，查表可得相，查表可得相应的应的f值。值。滴重法也可用于测定液滴重法也可用于测定液-液界面张力。此时，一种液界面张力。此时，一种液体在另一种液体之中形成液滴，所用公式相同，液体在另一种液体之中形成液滴，所用公式相同，但需记住此时的但需记住此时的W是液滴的重量减去被排出液体是液滴的重量减去被排出液体的重量。的重量。第七节第七节 固体表面能及测定固体表面能及测定第七节第七节 固体表面能及测定固体表面