大学工科化学表面化学市公开课获奖课件

1、第八章 表面化学一、基本定义界面：紧密接触两相之间过渡区域，几种分子厚度（并非几何学中没有厚度概念平面或曲面）。表面：包括气相界面为表面。表面化学：在原子或分子水平上研究两相界面上所发生化学过程一门边沿学科。第1页第1页界面种类 依据物质存在形态：固(s)、气(g)、液(l)，界面有 5 类： 气液：g-L 气固：g-S习惯上称之为“表面”（有一相为气相） 液液：L-L 液固：L-S 固固：S-S “界面”第2页第2页第3页第3页第4页第4页8.1表面吉布斯函数与表面张力一、表面状态与表面分子特性以液体和空气相接触情况为例内部分子：受邻近各方向力彼此抵消；界面分子：受不同两相中物质分子作用。

2、第5页第5页比如：表面分子受到指向液体内部拉力，致使液体表面有自发收缩成表面积最小趋势。亦即一个孤立（忽略重力）液滴趋于呈球形，由于球形是表面积与体积比最小形状。第6页第6页比表面（A0） 把物质分散成细小微粒程度称为分散度。惯用比表面（A0）来表示多相分散系统分散程度。 （单位体积物质所含有表面积） 把一定大小物质分割得越小，则分散度越高，比表面A0也越大。第7页第7页比如，把边长为1cm立方体1cm3逐步分割成小立方体时，比表面增长情况列于下表：边长l/m 立方体数 比表面Av/（m2/m3）110-2 1 6 102 110-3 103 6 103 110-5 109 6 105 110

3、-7 1015 6 107 110-9 1021 6 109 可见达到nm级超细微粒含有巨大比表面积，因而含有许多独特表面效应，成为新材料和多相催化方面研究热点。第8页第8页二、表面吉布斯函数与表面张力1.表面吉布斯函数如前分析，g-L 表面相分子受到垂直指向液体内部吸引力，即表相分子比本体相分子含有额外（表面）势能。要使表面积增长，即把分子从体相拉到表相，外界必须做功。第9页第9页表面功：在等温等压（构成不变）下可逆地使表面积增长A所需对系统做功叫表面功（可逆非体积功）。 G表：表面吉布斯函数 ：比表面吉布斯函数。等温等压下，增长单位面积表面时，吉布斯函数增长。等温等压可逆过程： (G )

4、T, P = Wf （1） = A = G表第10页第10页显然系统自由能： G = G内+ G表G内 : 若所有分子均为体相分子（内部分子）时系统自由能；G表 : 表相分子比等量体相分子多出额外（表面）势能。当系统分散度很小时， G表 0， G = G内当系统分散度很大时， G = G内+ G表= G内+ A第11页第11页2、表面张力 从前面讨论得知：“液体表面含有表面自由能。”由于系统能量越低越稳定，因此其表面含有自动收缩，以减少表面积趋势。能够将这种收缩趋势理解为由表面分子之间互相吸引造成结果。第12页第12页这种 “表面收缩力”与表面平行（如图），垂直于边界线并指向表面内部；或垂直作

5、用于表面上任一曲线两边 我们称之为 “表面张力”。第13页第13页 表面张力 定义：表面上单位长度边界线上指向表面内部（或表面上单位长度任意曲线两边）、与液面相切表面收缩力，叫做表面张力。表面张力 单位：N / m第14页第14页例 1：金属环皂膜 第15页第15页例 2 AB 受到皂膜表面张力 f 向左拉力： f = 2l （肥皂膜有两个表面）若在 AB 上加一向右力 F，使 AB 可逆地向右移动 x 距离。第16页第16页则外力对体系做表面功： W = Fx = f x = 2l x 即 W = A （1）（ A= 2l x，为膜表面积增量，注意膜有正、反两面。)第17页第17页表面功即系

6、统表面自由能增长，即等温等压下： W = Wf = A （2） W = A （1）比较（1）,（2）两式：表面张力 与比表面吉布斯自由能 在数值上是相等。结论：能够用同一符号 “ ” 来表示比表面吉布斯函数或表面张力。第18页第18页3、比表面吉布斯函数与表面张力异同点 异：物理概念、意义不同：2）表面张力（通常）指纯物质表面层分子间实际存在着（收缩）张力。单位：N / m。 1）比表面自由能表示形成单位面积新表面时系统表面吉布斯函数增长（能量角度），单位： J / m2 ：第19页第19页同： 既可表示比表面自由能又可表示表面张力，两者量纲相同，数值相等： 表面自由能 J / m2 = Nm

7、 /m2 = N / m 表面张力第20页第20页影响表面张力原因 ：A 温度：T B 构成：金属键离子键极性共价键非极 性共价键极性 第21页第21页三、表面现象与表面吉布斯函数1.缩小表面积2.减少表面张力吸附现象3.同时改变润湿现象同一质量物质，分散度（比表面积A0=A/V)越大，表面吉布斯函数越大，系统总吉布斯函数越大，系统越不稳定，将向减小吉布斯函数方向改变。可通过下列三种方式自发地使系统处于稳定状态：第22页第22页8.2吸附作用吸附原因：表面分子受力不均，存在过剩表面吉布斯函数，能够吸引那些能减少其表面吉布斯函数气体或液体。一、 吸附现象及其本质吸附:物质界面吸引了周围介质质点而

8、使其暂时停留现象。吸附剂：能把周围介质吸引在自己表面上物质吸附质：被吸附剂吸附物质。第23页第23页吸附为自发过程 比如，活性炭表面吸引了乙醚分子或醋酸分子后，使得固体表面分子除受内部分子引力外，又增长了吸附质与吸附剂分子之间引力，这两种方向相反力使得表面分子受内部分子拉力削弱，固体吸附剂表面张力下降，表面吉布斯函数减少，因此固体能吸附其它物质。G表=A吸附结果 0G表0 自发过程第24页第24页二、物理吸附和化学吸附特点：吸附稳定性不高，吸附和解吸速率都很快；吸附无选择性，任何固体能够吸附任何气体，当然吸附量会有所不同。吸附过程不发生化学反应，不需要活化能；放热过程，高温对吸附不利。1.物理

9、吸附定义：吸附起源于吸附剂与吸附质之间范德华力，这种吸附为物理吸附。第25页第25页特点：吸附力是由吸附剂与吸附质分子之间产生化学键力，普通较强。吸附很稳定，一旦吸附，就不易解吸。吸附有选择性，固体表面活性位只吸附与之可发生反应气体分子，如酸位吸附碱性分子，反之亦然。2.化学吸附定义：吸附剂与吸附质发生化学反应。第26页第26页吸附只能生成单分子层；吸附热较高，靠近于化学反应热以上；需要活化能，普通在高温下进行。温度升高，吸附和解吸速率加快第27页第27页吸附剂与吸附质性质（同极性相吸）分散度越大，吸附剂吸附能力越强增温吸附量减少吸附质为气体时，吸附量与气体压力相关三、影响吸附作用原因四、 吸

10、附剂应用第28页第28页8.3表面活性物质 含有双亲结构有机化合物例：肥皂 CH3(CH2)16COONa 亲油基 亲水基一、表面活性剂及其分类定义：以很低浓度明显降低液体表面张力物质。1.表面活性剂结构特点第29页第29页2.表面活性剂分类按化学结构分：离子型和非离子型按离子类型分：阴离子、阳离子、两性按用途分：起泡剂、润湿剂、洗涤剂、增溶剂等 阴离子表面活性剂RCOONa羧酸盐R-OSO3Na硫酸酯盐R-SO3Na磺酸盐R-OPO3Na2磷酸酯盐其特点是洗净去污能力强，在化妆品中应用主要是清洁洗涤作用。第30页第30页阳离子表面活性剂R-NH2HCl 伯胺盐 CH3 |R-N-HCl仲胺盐

11、 | H CH3 |R-N-HCl叔胺盐 | CH3 CH3 |R-N+-CH3Cl-季胺盐 | CH3其特点是含有较好杀菌性与抗静电性，在化妆品中应用是柔软去静电。第31页第31页两性表面活性剂R-NHCH2-CH2COOH 氨基酸型 CH3 |R-N+-CH2COO-甜菜碱型 | CH3其特点是含有良好洗涤作用且比较温和，常与阴离子型或阳离子型表面活性剂搭配使用。第32页第32页R-(C6H4)-O(C2H4O)nH烷基酚聚氧乙烯醚非离子表面活性剂R2N-(C2H4O)nH聚氧乙烯烷基胺R-CONH(C2H4O)nH聚氧乙烯烷基酰胺R-COOCH2(CHOH)3H多元醇型R-O-(CH2C

12、H2O)nH脂肪醇聚氧乙烯醚其特点是安全温和，无刺激性，含有良好乳化、增溶等作用，在化妆品中应用最广。第33页第33页二、表面活性剂性质及应用1.性质A 表面吸附B 形成胶团C 定向排列第34页第34页 润湿作用润湿概念从力学角度：当固体分子对液体分子粘附力不小于液体分子内聚力时，发生润湿。从热力学角度：为固液二相接触后，系统表面吉布斯函数减少现象。2.表面活性剂应用第35页第35页接触角：三相接触达平衡时，过三相接触点沿液气 界面切线与固液界面夹角。l-gs- ls-gs-g = l-g COS +s- lCOS = (s-g - s-l)/ l-g 接触角与界面张力关系第36页第36页接触

13、角与润湿程度之间关系： 0 完全润湿90 润湿 90 不润湿180 完全不润湿第37页第37页第38页第38页由于固体界面张力由固体结构决定，为常数（即s-g为常数），可通过改变液体表面张力l-g和固液表面张力s-l来改变润湿状态。加入表面活性剂可使l-g 和 s-l减小，变小,即表面活性剂有增长润湿作用。接触角与各界面张力相对大小相关s-g s-l，则 90s-g s-l ，则 90 因此可通过改变界面张力来调整接触角COS = (s-g - s-l)/ l-g 第39页第39页 乳化作用乳化：一个液体在另一个不溶性液体中，被分散成细小粒子称为乳化。乳化作用：在一定条件下，使不相混溶两种液体

14、形成含有一定稳定性液液分散体系作用。在乳浊液中，分散相呈细小液滴分散在介质中，相界面积很大，体系能量很高，为热力学上不稳定体系。乳化剂：能增长乳浊液稳定性物质叫乳化剂。第40页第40页减少界面张力形成牢固乳化膜乳化膜带电适当表面粘度乳化剂大多是表面活性剂，主要稳定原因：第41页第41页乳状液类型油包水型水包油型第42页第42页 增溶作用定义：一些难溶或不溶于水有机物可因表面活性胶团形成而大大提升其溶解度作用。机理：主要发生在胶团中。第43页第43页 起泡和消泡作用气泡：不溶性气体分散在液体或固体中所生成泡。泡沫：多数气泡集合体。气泡产生过程：起泡剂：起泡性能好物质称为起泡剂。用于浮游选矿、泡沫

15、灭火和洗涤去污等。第44页第44页浮游选矿 首先将粗矿磨碎，倾入浮选池中。在池水中加入捕集剂和起泡剂等表面活性剂；搅拌并从池底鼓气，矿物会附在气泡上一起升到液面。带有有效矿粉气泡汇集表面，搜集并灭泡浓缩，从而达到了富集目的。 不含矿石泥砂、岩石留在池底，定期清除。当矿砂表面有5%被捕集剂覆盖时，就使表面产生憎水性（选择适当捕集剂，使它亲水基团只吸在矿砂表面，憎水基朝向水）；第45页第45页浮游选矿原理图第46页第46页消泡：破坏泡沫为消泡。办法主要有两类：机械办法：搅拌、改变温度、压力等加入消泡剂：酒精、乙醚等使气泡里起泡剂分子减少，泡沫牢固程度下降，泡沫易于破灭。第47页第47页B.加入表面活性剂后，憎水基团朝向织物表面并吸附在污垢上，使污垢逐步脱离表面。C.污垢悬在水中或随泡沫浮到水面后被清除，洁净表面被活性剂分子占领。A.水表面张力大，对油污润湿性能差，不容易把油污洗掉。洗涤作用 第48页第48页8.4 溶胶稳定性和聚沉溶胶：分散相（直径在1nm-100nm)分散在液体中构成多相体系。一、溶胶稳定性问：溶胶含有巨大界面积，即表面吉布斯函数大，为何有些溶胶却能放置多年而不聚沉？第49页第49页电泳现象：胶体由于受电作用而移动现象。试验：在一个U型管里装入FeCl3水解制得红褐色氢氧化铁溶液，两端插入两根金属线作电极，通直流电后在阴极区颜色变深，表明氢氧化铁胶粒移