胶体与表面化学(1)

1、高分子专业选修课程高分子专业选修课程(2400540)胶体与表面化学胶体与表面化学蔡红兰蔡红兰 化学与材料科学学院化学与材料科学学院胶体与表面化学胶体与表面化学(一一) 从历史角度看，界面化学是胶体化学的一个最重要的从历史角度看，界面化学是胶体化学的一个最重要的分支，也是其中最兴旺的一个学科分支，也是其中最兴旺的一个学科, ,两者间关系密切。而两者间关系密切。而随着科学的发展，现今界面化学已独立成一门科学，有关随着科学的发展，现今界面化学已独立成一门科学，有关“界面现象界面现象”或或“胶体与界面现象胶体与界面现象”的专著在国内外已有的专著在国内外已有多种版本。多种版本。 本课程主要介绍本课程主

2、要介绍与界面现象有关的物理化学原理及应与界面现象有关的物理化学原理及应用用。它包括各种相界面和表面活性剂的相关特性，界面上。它包括各种相界面和表面活性剂的相关特性，界面上的各种物理化学作用，实验的和理论的研究方法及其重要的各种物理化学作用，实验的和理论的研究方法及其重要应用以及有关胶体应用以及有关胶体( (纳米材料、介孔材料纳米材料、介孔材料) )的一些知识。的一些知识。0 绪绪 论论0 绪绪 论论0 绪绪 论论0 绪绪 论论-界面化学发展简史界面化学发展简史1805 T . Young 提出界面张力概念提出界面张力概念体系中两个相接触的均匀流体，从力学的观体系中两个相接触的均匀流体，从力学的

3、观点看就象是被一张无限薄的弹性膜所分开，点看就象是被一张无限薄的弹性膜所分开，界面张力则存在于这一弹性膜中。杨还将界界面张力则存在于这一弹性膜中。杨还将界面张力概念推广应用于有固体的体系，导出面张力概念推广应用于有固体的体系，导出了联系气了联系气液、固液、固液、固液、固气界面张力与气界面张力与接触角关系的接触角关系的杨氏方程杨氏方程。1806 P.S. Laplace 表面张力与曲率半径关系表面张力与曲率半径关系Pierre-Simon Laplace 1749-18271869年普里（年普里（A.Dapre）研究）研究了润湿和黏附现象，将黏附功了润湿和黏附现象，将黏附功与界面张力联系起来。与

4、界面张力联系起来。0 绪绪 论论-界面化学发展简史界面化学发展简史1859年，开尔文（年，开尔文（Kelvin）将界）将界面扩展时伴随的热效应与界面张面扩展时伴随的热效应与界面张力随温度的变化联系起来。后来，力随温度的变化联系起来。后来，他又导出蒸汽压随界面曲率的变他又导出蒸汽压随界面曲率的变化的方程即著名的开尔文方程。化的方程即著名的开尔文方程。0 绪绪 论论-界面化学发展简史界面化学发展简史Kelvin, Lord William Thomson (1824-1907) 1878 Gibbs提出了界面相厚度为提出了界面相厚度为零的吉布斯界面模型，导出了联零的吉布斯界面模型，导出了联系吸附量

5、和界面张力随体相浓度系吸附量和界面张力随体相浓度变化的普遍关系式即著名的吉布变化的普遍关系式即著名的吉布斯吸附等温式。斯吸附等温式。Gibbs 1839-19030 绪绪 论论-界面化学发展简史界面化学发展简史1932 Nobel Prize for Chemistry 1881-19571913-19421913-1942年期间，美国科学家年期间，美国科学家LangmuirLangmuir在界面科学领域做出在界面科学领域做出了杰出的贡献，特别是对吸附、了杰出的贡献，特别是对吸附、单分子膜的研究尤为突出。单分子膜的研究尤为突出。 他于他于19321932年获诺贝尔奖，被年获诺贝尔奖，被誉为界面

6、化学的开拓者。誉为界面化学的开拓者。1916 1916 年年 提出固体吸附等温方程式提出固体吸附等温方程式0 绪绪 论论-界面化学发展简史界面化学发展简史0 绪绪 论论-界面化学发展简史界面化学发展简史 界面化学的统计力学研究是从界面化学的统计力学研究是从范德华范德华开始的。开始的。1893年，范德华认识到在界面层年，范德华认识到在界面层中密度实际上是连续变化的。他应用了局中密度实际上是连续变化的。他应用了局部自由能密度的概念，结合范德华方程，部自由能密度的概念，结合范德华方程，并引入半经验修正，从理论上研究了决定并引入半经验修正，从理论上研究了决定于分子间力的状态方程参数与界面张力间于分子间

7、力的状态方程参数与界面张力间的关系。的关系。 50年代以后，界面现象的统计力学研究年代以后，界面现象的统计力学研究经 过 勃 夫 （经 过 勃 夫 （ F . B u f f ） 、 寇 克 伍 德） 、 寇 克 伍 德（Kirkwood）、哈拉西玛（）、哈拉西玛（Harasima）等的研究工作，取得了实质性的进展等的研究工作，取得了实质性的进展.The Nobel Prize in Physics 1910 J.D.van der Waals0 绪绪 论论lApplied Surface Science Elsevier (NL) ElProgress in Surface Science

8、Elsevier (NL) ElSurface and Coatings Technology Elsevier (NL) ElSurface and Interface Analysis Wiley DlSurface Science Elsevier (NL) ElSurface Science Reports Elsevier (NL) ElThin Solid Films Elsevier (NL) ElVacuum Surface Engineering, Surface Instrumentation & Vacuum Technology. Elsevier (NL) E0 绪绪

9、 论论-胶体化学发展简史胶体化学发展简史 胶体化学也是一门古老而又年轻的科学。胶体化学也是一门古老而又年轻的科学。 有史以前，我们的祖先就会制造陶器；汉朝已能利用有史以前，我们的祖先就会制造陶器；汉朝已能利用纤维造纸；后汉时又发明了墨；其他像做豆腐、面食以纤维造纸；后汉时又发明了墨；其他像做豆腐、面食以及药物的制剂等等在我国都有悠久的历史，这些成品及及药物的制剂等等在我国都有悠久的历史，这些成品及其制作过程都与胶体化学密切相关。其制作过程都与胶体化学密切相关。 1809 1809年，俄国化学家年，俄国化学家ScheeleScheele发现了土粒的电泳现象；发现了土粒的电泳现象； 1829182

10、9年英国植物学家年英国植物学家BrownBrown观察到花粉的布朗运动。此后，观察到花粉的布朗运动。此后，许多人相继制备了各种溶胶，并研究了它们的性质。许多人相继制备了各种溶胶，并研究了它们的性质。 胶体化学作为一门学科来说，它的历史胶体化学作为一门学科来说，它的历史比较一致的看法是从比较一致的看法是从18611861年开始的，创年开始的，创始人是英国科学家始人是英国科学家Thomas GrahamThomas Graham，他系，他系统研究过许多物质的扩散速度，并首先统研究过许多物质的扩散速度，并首先提出晶体和胶体（提出晶体和胶体（colloidcolloid）的概念，制）的概念，制定了许多

11、名词用来形容他所发现的事实。定了许多名词用来形容他所发现的事实。0 绪绪 论论-胶体化学发展简史胶体化学发展简史1805-1869 British chemist often referred to as “the father of colloid chemistry.” 0 绪绪 论论-胶体化学发展简史胶体化学发展简史现今所用的一些名词，如溶胶（现今所用的一些名词，如溶胶（sol）、凝胶（）、凝胶（gel）、胶溶）、胶溶（peptization）、渗析（）、渗析（dialysis）、离浆（）、离浆（syneresis）都是）都是Graham提出的。尽管在这一时期积累了大量的经验和知识，提出

12、的。尽管在这一时期积累了大量的经验和知识，但胶体化学真正为人们所重视并获得较大的发展是从但胶体化学真正为人们所重视并获得较大的发展是从1903年开始的。这时年开始的。这时席格蒙迪席格蒙迪Zsigmondy（德）发明了超显微镜，（德）发明了超显微镜，肯定了溶胶的一个根本问题肯定了溶胶的一个根本问题体系的多相性，从而明确体系的多相性，从而明确了胶体化学是界面化学。了胶体化学是界面化学。1907年，德国化学家年，德国化学家Ostwald创办创办了第一个胶体化学的专门刊物了第一个胶体化学的专门刊物胶体化学和工业杂胶体化学和工业杂志志，因而许多人把这一年视为胶体化学正式成为一门独，因而许多人把这一年视为

13、胶体化学正式成为一门独立学科的一年。接着立学科的一年。接着Freundlich和和Zsigmondy先后出版了他先后出版了他们的名著们的名著毛细管化学毛细管化学（1909）和）和胶体化学胶体化学（1902）。）。0 绪绪 论论-我国的发展简史我国的发展简史19541954年年 傅鹰院士（北京大学）傅鹰院士（北京大学） 中国胶体化学的奠基人之一中国胶体化学的奠基人之一19551955年年 戴安邦院士（南京大学）戴安邦院士（南京大学） 中国有了第一批胶体化学毕业生中国有了第一批胶体化学毕业生2020世纪世纪9090年代以前，只有北京大学、南京大学、年代以前，只有北京大学、南京大学、山东大学、华东师

14、范大学有胶体界面化学的研究山东大学、华东师范大学有胶体界面化学的研究机构。机构。19831983年在北京大学召开全国第一届胶体与界面化年在北京大学召开全国第一届胶体与界面化学会议，学会议，20022002年在山东大学召开第九届全国会议。年在山东大学召开第九届全国会议。傅鹰傅鹰1902-1979戴安邦戴安邦1901-1999江龙江龙1933江雷江雷 19651965研究领域研究领域 功能界面材料功能界面材料 特殊浸润性界面材料特殊浸润性界面材料 陈邦林、王果庭、陈宗其、沈钟、赵国玺等等陈邦林、王果庭、陈宗其、沈钟、赵国玺等等0 绪绪 论论-我国的发展简史我国的发展简史郝京诚郝京诚19640 绪绪

15、 论论农业 生物学与医学日用品的生产与使用 轻工业环境科学 分析化学材料 海洋科学天文与气象学 油田开发0 绪绪 论论p分析化学中的吸附指示剂、色谱等分析化学中的吸附指示剂、色谱等p物理化学中的成核作用、过饱和、液晶等物理化学中的成核作用、过饱和、液晶等p生物化学和分子生物学中的电泳、膜现象，蛋白质和核酸等生物化学和分子生物学中的电泳、膜现象，蛋白质和核酸等p化学制造中的催化剂、洗涤剂、润滑剂、粘合剂、农药化学制造中的催化剂、洗涤剂、润滑剂、粘合剂、农药p环境科学中的气溶胶、泡沫、污水处理环境科学中的气溶胶、泡沫、污水处理p材料科学中陶瓷制品、水泥、涂料、纳米材料、超细材料、材材料科学中陶瓷制

16、品、水泥、涂料、纳米材料、超细材料、材料的表面改性等料的表面改性等p日用品中的牛奶、豆浆、豆腐、啤酒、雨衣、皮革、明矾净水、日用品中的牛奶、豆浆、豆腐、啤酒、雨衣、皮革、明矾净水、鱼汤肉汤成冻等鱼汤肉汤成冻等p石油工业中的油品回收、乳化、破乳、三次采油等石油工业中的油品回收、乳化、破乳、三次采油等p信息科学中的信息科学中的LB膜、微电子器件等膜、微电子器件等气溶胶、烟雾的形成与大气污染气溶胶、烟雾的形成与大气污染水净化与污水处理水净化与污水处理毒气与毒剂的吸附毒气与毒剂的吸附黏土矿物的表面改性与应用黏土矿物的表面改性与应用人工降雨人工降雨天然水体中的胶体悬浮物与环境污染物之间的界面化学天然水体

17、中的胶体悬浮物与环境污染物之间的界面化学行为行为液膜分离技术与废水处理液膜分离技术与废水处理0 绪绪 论论研究对象研究对象研究内容研究内容体体 系系理理 论论分散体系分散体系分散体系的形成分散体系的形成与稳定与稳定光学性能光学性能流变性能流变性能纳米材料纳米材料气溶胶气溶胶憎液溶胶憎液溶胶亲液溶胶亲液溶胶粗分散体系（乳状粗分散体系（乳状液、悬浊液）液、悬浊液）智能流体，电、磁智能流体，电、磁流体流体单分散、单一形状单分散、单一形状颗粒的形成颗粒的形成纳米颗粒的有序排纳米颗粒的有序排列列气溶胶理论气溶胶理论成核理论，成核理论，DLVO稳定理论稳定理论高聚物溶液理论高聚物溶液理论，胶束理论，胶束理

18、论光吸收与光散射光吸收与光散射理论理论颗粒相互作用力颗粒相互作用力理论理论现代胶体与界面科学的研究内容现代胶体与界面科学的研究内容 0 绪绪 论论现代胶体与界面科学的研究内容现代胶体与界面科学的研究内容 0 绪绪 论论润湿、摩擦、润湿、摩擦、黏附黏附吸附现象吸附现象界面电现象界面电现象界面层结构界面层结构界面现象界面现象气固界面气固界面液固界面液固界面气液界面气液界面液液界面液液界面液固界面液固界面表面力理论、表面力理论、表面层结构、表面层结构、分子定性理论分子定性理论各种吸附理论各种吸附理论双电层理论双电层理论界面光谱学与界面光谱学与显微术能谱、显微术能谱、扫描探针显微扫描探针显微镜、激光拉

19、曼镜、激光拉曼等方法研究、等方法研究、界面分子定向界面分子定向、界面化学反、界面化学反应、界面力的应、界面力的研究研究现代胶体与界面科学的研究内容现代胶体与界面科学的研究内容 0 绪绪 论论有序组合体有序组合体溶液中有序分子溶液中有序分子组合体组合体生物膜与仿生膜生物膜与仿生膜有机无机混合膜有机无机混合膜有序组合体中的有序组合体中的物理化学反应物理化学反应胶束、微乳液、泡囊胶束、微乳液、泡囊LB膜膜、 脂质体、液脂质体、液晶、分形体等晶、分形体等夹心结构、溶胶凝夹心结构、溶胶凝胶膜胶膜分子间相互作用分子间相互作用力（氢键、范德力（氢键、范德华力、分子形状、华力、分子形状、弯曲能、相图）弯曲能、

20、相图）液晶理论、类脂液晶理论、类脂体与蛋白质的相体与蛋白质的相互作用、分形理互作用、分形理论论增溶现象、胶束增溶现象、胶束催化、定向合成催化、定向合成胶体与界面科学的发展前景胶体与界面科学的发展前景 0 绪绪 论论胶体与表面化学是一门应用性极强的学科。近百年来，胶体与表面化学是一门应用性极强的学科。近百年来，它的发展同步于工农业生产的发展，有些方面甚至是它的发展同步于工农业生产的发展，有些方面甚至是超前的，究其原因主要有两方面：超前的，究其原因主要有两方面：自然科学整体水平的提高，带动胶体与表面化学自然科学整体水平的提高，带动胶体与表面化学素质增幅素质增幅 利用现代物理与化学理论解决胶体与表面

21、中的基本理论问题利用现代物理与化学理论解决胶体与表面中的基本理论问题，如，如用量子化学研究吸附与催化、用分形理论研究胶粒形貌、用统计力用量子化学研究吸附与催化、用分形理论研究胶粒形貌、用统计力学研究高分子等；学研究高分子等；应用现代精密仪器和方法解决胶体与表面化学中悬而未应用现代精密仪器和方法解决胶体与表面化学中悬而未决的实际问题决的实际问题。如用不同力（学）显微镜研究胶粒间的力。如用不同力（学）显微镜研究胶粒间的力（大小）及表面上分子（原子）的形态、用不同的能谱仪（大小）及表面上分子（原子）的形态、用不同的能谱仪综合研究胶团表面分子相互作用的细节等；综合研究胶团表面分子相互作用的细节等；将胶

22、体与表面化学的观点和方法应用于医学、生理、将胶体与表面化学的观点和方法应用于医学、生理、土壤、环境、大气、海洋湖泊等诸多学科之中土壤、环境、大气、海洋湖泊等诸多学科之中，既丰富，既丰富了这些学科的内容，也促进了对胶体与表面化学更深层了这些学科的内容，也促进了对胶体与表面化学更深层次知识的探索。次知识的探索。胶体与界面科学的发展前景胶体与界面科学的发展前景 0 绪绪 论论工农业的飞跃发展对胶体与表面化学提出了高工农业的飞跃发展对胶体与表面化学提出了高而新的要求而新的要求 胶体与界面科学的发展前景胶体与界面科学的发展前景 0 绪绪 论论（1 1）新产品开发：组装分子器件、超精细材料）新产品开发：组

23、装分子器件、超精细材料（2 2）老产品的升级换代：洗涤剂、化妆品、颜料、）老产品的升级换代：洗涤剂、化妆品、颜料、 复印碳粉等复印碳粉等（3 3）旧工艺更新：单分散固态胶粒的制造与收集、）旧工艺更新：单分散固态胶粒的制造与收集、 采油工艺等采油工艺等2020世纪世纪9090年代以来，不少国家对年代以来，不少国家对纳米材料纳米材料制定了制定了跨世纪的长期研究计划，致使众多的物理学家加跨世纪的长期研究计划，致使众多的物理学家加盟表盟表( (界界) )面科学研究，其目标在于面科学研究，其目标在于开发纳米级或开发纳米级或分子（原子）级具有多种功能的电子器件分子（原子）级具有多种功能的电子器件。中国。中

24、国虽起步较晚，但发展迅速虽起步较晚，但发展迅速 。胶体与界面科学的发展前景胶体与界面科学的发展前景 0 绪绪 论论德国科学家德国科学家Gerhard Ertl (格哈德格哈德-埃特尔埃特尔 )在表面化学研究领域作出开拓性贡献在表面化学研究领域作出开拓性贡献一是对表面化学反应，特别是合成氨的机理研究，一是对表面化学反应，特别是合成氨的机理研究，实际上人们对合成氨的机理还没有完全弄清楚，实际上人们对合成氨的机理还没有完全弄清楚，而埃特尔的研究是最接近于真实情况的；二是对而埃特尔的研究是最接近于真实情况的；二是对非线性动力学过程的研究，这是化学和物理研究非线性动力学过程的研究，这是化学和物理研究中一个非常基本的过程，埃特尔不仅用现代表面中一个非常基本的过程，埃特尔不仅用现代表面科学的手段来研究它，还发展了一些理论。此外，科学的手段来研究它，还发展了一些理论。此外，他还用表面科学的方法和手段来研究很多相关领他还用表面科学的方法和手段来研究很多相关领域的科学问题，包括燃料电池、臭氧层的改变等域的科学问题，包括燃料电池、臭氧层的改变等 在2000年，中科院和德国马普学会组建了 “纳米催化技术”伙伴关系研究小组，利用表面科学的表征、制备手段，研究催化反应的纳米作用基础 2007