表面现象与分散系统课件

第八章表面现象与分散系统第八章表面现象与分散系统我们身边的表面现象雨滴露珠曙光晚霞碧海蓝天我们身边的表面现象雨滴露珠曙光晚霞碧海蓝天我们身边的表面现象活性碳粉脱色；硅胶吸水、塑料防水；玻璃毛细管内水面上升、汞面下降；牛奶、豆浆成乳状液而稳定存在；肥皂、洗衣粉起泡去污；水过冷而不结冰、液体过热而不沸腾；溶液过饱和而不结晶；我们身边的表面现象活性碳粉脱色；界面?气液固气—液界面气—固界面液—液界面液—固界面固—固界面（固体表面）（液体表面）界面的特殊性？考虑界面效应的必要性？界面即两相的接触面界面?气气—液界面（固体表面）（液体表面）界面的特殊性？界面界面的特殊性界面是系统中的特殊部分界面层分子所处力场不对称界面的特殊性界面是系统中的特殊部分界面层分子所处力场不对称在高度分散系统中界面效应不可忽视例：水滴分散成微小水滴表面积：3.1416cm2314.16m2

分为1018个直径10nm

直径1cm相差106倍在高度分散系统中界面效应不可忽视例：水滴分散成微小水滴表面积§8.1表面自由能与表面张力单组分密闭系统的基本公式为：在定温定压下，可逆扩展表面所做的功：§8.1表面自由能与表面张力单组分密闭系统的基本公式为：在1.σ的物理意义1.σ的物理意义2.表面张力σ

物理意义：在相表面的切面上，垂直作用于表面上任意单位长度切线的表面紧缩力。界面张力、单位面积的表面功、单位面积的表面吉布斯函数三者物理意义不同，但数值和量纲是等同的，单位均可化为N·m-12.表面张力σ物理意义：在相表面的切面上，垂直作用影响表面张力的因素(1)物质的种类及共存相的种类（性质）影响表面张力的因素(1)物质的种类及共存相的种类（性质）第八章表面现象与分散系统课件第八章表面现象与分散系统课件(2)温度的影响一般情况下，T升高，因分子间引力减弱，σ下降。如常压下的纯液体：-S(2)温度的影响一般情况下，T升高，因分子间引力减弱，σ下第八章表面现象与分散系统课件第八章表面现象与分散系统课件3、考虑界面效应的热力学公式多组分体系同理3、考虑界面效应的热力学公式多组分体系同理于是：恒T,p,nB,下积分下式：得：于是：恒T,p,nB,下积分下式：得：解释界面现象对求全微分

降低表面积降低界面张力液滴自动成球形固体、液体表面自动吸附其它物质解释界面现象对求全微分§8.2纯液体的表面现象1.附加压力§8.2纯液体的表面现象1.附加压力第八章表面现象与分散系统课件第八章表面现象与分散系统课件2.曲率对蒸气压的影响2.曲率对蒸气压的影响由Kelvin公式可知：凸液面r越小pr越大由Kelvin公式可知：凸液面r越小pr越大Kelvin公式的应用：几种亚稳态

p

T正常TlgT小CC´AOO´p0OC：通常液体的饱和蒸气压曲线O´C´：微小液滴的饱和蒸气压曲线按照相平衡条件，应当凝结而未凝结的蒸气称为过饱和蒸气。应用：喷洒微小AgI颗粒的人工降雨。Kelvin公式的应用：几种亚稳态按照相平衡条件，应当沸腾而不沸腾的液体称为过热液体。ρghp大气压p假设在101.325kPa、100℃距离液面0.02m

的深度处有半径为10nm的小气泡，其承受的压力：消除：投入沸石等。按照相平衡条件，应当沸腾而不沸腾的液体称为过热液体。ρghp3.液体的润湿与铺展3.液体的润湿与铺展第八章表面现象与分散系统课件第八章表面现象与分散系统课件4.毛细管现象rRӨ4.毛细管现象rRӨ毛细管现象的应用：毛细管现象的应用：§8.3气体在固体表面上的吸附§8.3气体在固体表面上的吸附1.气固吸附的一般常识气固吸附：气体分子在固体表面相对聚集的现象称为气体在固体表面上的吸附。吸附质：被吸附的气体。吸附剂：吸附气体的固体。1.气固吸附的一般常识气固吸附：气体分子在固体表面相对聚集(1)吸附的类型(1)吸附的类型(2)吸附平衡与吸附量(2)吸附平衡与吸附量(3)吸附曲线定压下，描述吸附量与吸附温度间关系的曲线。此曲线可以用来判别吸附的类型。(3)吸附曲线定压下，描述吸附量与吸附温度间关系的曲线。第八章表面现象与分散系统课件第八章表面现象与分散系统课件第八章表面现象与分散系统课件第八章表面现象与分散系统课件

理论的四个假设：(1)单分子层吸附；(2)固体表面均匀(吸附热为常数，与覆盖率无关)(3)被吸附在固体表面上的分子间无相互作用力；(4)吸附和解吸呈动态平衡。2.朗格缪尔(Langmuir)单分子层吸附等温式吸附等温式被吸附质覆盖的固体表面积固体总的表面积理论的四个假设：2.朗格缪尔(Langmuir)单分子层第八章表面现象与分散系统课件r吸附=k1(1-θ)pr解吸=k2θ

吸附平衡时：r吸附=r解吸

k1(1-θ)·p=k2

·θ

令：b=k1/k2

吸附平衡常数，吸附系数吸附等温式的推导：b与吸附剂、吸附质、T有关。b↑吸附能力↑r吸附=k1(1-θ)p吸附平衡时：r吸附=r平衡吸附量饱和吸附量平衡吸附量饱和吸附量以1/V

对1/p作图，截距、斜率Vm

和b

1)低压时：bp<<1，1+bp

1V

~p为直线关系2)高压时：bp>>1，1+bp

bpV

几乎不随p变化，达到饱和吸附Ө=1Vm以1/V对1/p作图，截距、斜率Vm和b第八章表面现象与分散系统课件第八章表面现象与分散系统课件第八章表面现象与分散系统课件3.BET多分子层吸附等温方程在兰缪尔单分子层吸附理论基础上，布尤瑙尔(Brunauer)、爱梅特(Emmett)和特勒尔(Teller)三人提出了多分子层吸附理论，简称BET理论。该理论假设如下：固体表面是均匀的；吸附靠分子间力，吸附可以是多分子层的被吸附的气体分子间无相互作用力；吸附与脱附建立起动态平衡。3.BET多分子层吸附等温方程在兰缪尔单分子层吸附理论基础V—T、p下质量为m的吸附剂吸附达平衡时吸附气体的体积；Vm—T、p下质量为m的吸附剂盖满一层时吸附气体的体积；p*—被吸附气体在温度T时成为液体的饱和蒸气压；C—与吸附第一层气体的吸附热及该气体的液化热有关的常数。BET公式的重要应用是测定和计算固体吸附剂的比表面积。V—T、p下质量为m的吸附剂吸附达平衡时吸附气体的体积；VmL——阿佛加得罗常量；W——吸附剂的质量；A——吸附质分子的截面积L——阿佛加得罗常量；第八章表面现象与分散系统课件第八章表面现象与分散系统课件§8.4溶液的表面吸附1.溶液表面的吸附现象溶液的表面吸附是指——溶质在表面层中与本体溶液中浓度不同的现象。正吸附：溶质在表面的浓度大于本体浓度负吸附：溶质在表面的浓度小于本体浓度（无机电解质）（可溶性有机化合物）§8.4溶液的表面吸附1.溶液表面的吸附现象溶液的表面吸(1)表面张力增大——负吸附(1)表面张力增大——负吸附(1)表面张力减小——正吸附(1)表面张力减小——正吸附第八章表面现象与分散系统课件2.吉布斯(Gibbs)吸附公式表面吸附量：单位面积的表面层中，溶质的物质的量与等量溶剂在溶液本体中所含溶质物质的量的差值。(1)当T一定时，dσ

/dc的正负决定了吸附类型：①dσ

/dc＞0，c升高，σ增大，Γ＜0，负吸附②dσ

/dc＜0，c升高，σ下降,Γ＞0，正吸附③

dσ/dc=0，Γ=0，不发生吸附(2)T

升高，Γ下降2.吉布斯(Gibbs)吸附公式表面吸附量：单位面积的表面表面吸附量

Γ

的求算(1)作σ~c曲线的切线，求斜率dσ/dc，代入Gibbs吸附公式，再作Γ~c图。作曲线的切线有两种方法：镜像法平行线段法表面吸附量Γ的求算(1)作σ~c曲线的切线，求斜率dσ(2)归纳溶液表面张力σ与浓度c的解析关系，然后求微商。(2)归纳溶液表面张力σ与浓度c的解析关系，然后求微商。将上式改写为对浓度c求微商将上式改写为对浓度c求微商第八章表面现象与分散系统课件3.表面活性剂的吸附层结构(1)表面活性剂：能使溶液表面张力显著下降的物质结构：亲油的长链非极性尾+亲水的极性头3.表面活性剂的吸附层结构(1)表面活性剂：能使溶液表面(2)表面活性剂的吸附量与浓度的关系(2)表面活性剂的吸附量与浓度的关系(3)表面活性剂的吸附层结构(3)表面活性剂的吸附层结构4.表面膜4.表面膜§8.5表面活性剂及其作用1.表面活性剂的分类：双亲性特点§8.5表面活性剂及其作用1.表面活性剂的分类：双亲性特表面活性剂在吸附层的定向排列和吸附量

(a)极稀溶液(b)中等浓度(c)吸附趋于饱和表面活性剂的两个重要参数：CMC和HLB表面活性剂在吸附层的定向排列和吸附量

(a)极稀溶液2.胶束和临界胶束浓度胶束：是众多表面活性剂分子聚集起来的大分子集团。临界胶束浓度：溶液本体中形成胶束所需表面活性剂的最低浓度,记为CMC，CMC一般是一个范围。一般在0.001—0.002mol·dm-3，与在溶液表面形成饱和吸附所对应的浓度基本一致。2.胶束和临界胶束浓度胶束：是众多表面活性剂分子聚集起来的第八章表面现象与分散系统课件3.表面活性剂的作用(1)润湿作用3.表面活性剂的作用(1)润湿作用第八章表面现象与分散系统课件(2)增溶作用(2)增溶作用(3)乳化作用(3)乳化作用第八章表面现象与分散系统课件(3)乳化作用——微乳液(3)乳化作用——微乳液第八章表面现象与分散系统课件(3)乳化作用——去乳化(3)乳化作用——去乳化例:去污作用水(w)油(o)固(s)(a)洗涤前油(o)水(w)固(s)(b)洗涤时(4)起泡，去污：洗衣液例:去污作用水(w)油(o)固(s)(a)洗涤前油(oHLB值描述表面活性剂亲水性大小，指导表面活性剂的选择。HLB应用4~6W/O型乳化剂8~10润湿剂12~14洗涤剂，O/W型乳化剂16~18增溶剂，O/W型乳化剂HLB值描述表面活性剂亲水性大小，指导表面活性剂的选择。HL(二)分散系统(二)分散系统§8.6分散系统的分类1.按分散相粒子大小分类§8.6分散系统的分类1.按分散相粒子大小分类2.按分散相和分散介质的聚集状态分类2.按分散相和分散介质的聚集状态分类胶体系统通常还可分为三类：1）溶胶—

分散相不溶于分散介质，有很大的相界面，很高的界面能，因此是热力学不稳定系统；2）高分子溶液—

以分子形式溶于介质，没有相界面，为均相热力学稳定系统；3）缔合胶体—

分散相为表面活性剂缔合形成的胶束，分散相与分散介质间有很好的亲和性，也是均相热力学稳定系统。胶体系统通常还可分为三类：§8.7溶胶的光学及动力学性质1、Tyndall（丁达尔）效应在暗室中，让一束光线通过一透明的溶胶，从垂直于光束的方向可以看到溶胶中显出一浑浊发亮的光柱，仔细观察可以看到内有微粒闪烁，这种现象称为丁达尔(Tyndll)效应。§8.7溶胶的光学及动力学性质1、Tyndall（丁达尔）丁达尔效应：丁达尔效应：2、布朗（Brown）运动1827年，英国植物学家Brown在显微镜下观察到悬浮于水中的花粉粒子处于不停息的、无规则的运动之中。此后发现凡线度小于4m的粒子，在分散介质中均呈现这种运动。2、布朗（Brown）运动1827年，英国原理：分子固有热运动的体现，无须消耗能量。原理：分子固有热运动的体现，无须消耗能量。3、扩散

在有浓度梯度存在时，物质粒子因热运动而发生宏观上的定向迁移。Fick扩散定律：

在一定温度下，在浓差作用下，单位时间内向x方向扩散,通过某截面的扩散量dm/dt与该截面面积A及浓度梯度dc/dx成正比。比例系数D称为扩散系数。c大c小A3、扩散在有浓度梯度存在时，物质粒子因热运动4、沉降与沉降平衡4、沉降与沉降平衡第八章表面现象与分散系统课件§8.8溶胶的电性质1、电动现象：电泳和电渗电动现象：在外电场作用下，分散相与分散介质发生相对移动的现象。电泳：在外电场的作用下，胶体粒子在分散介质中定向移动的现象。电渗：在外电场作用下，分散介质通过多孔固体（膜）而定向移动的现象。§8.8溶胶的电性质1、电动现象：电泳和电渗电动现象：在外(1)电泳(1)电泳(2)电渗(2)电渗(3)流动电势

在外力作用下，迫使液体通过多孔隔膜（或毛细管）定向流动，在多孔隔膜两端所产生的电势差，称为流动电势。（可视为电渗的逆过程）P：电位差计(3)流动电势在外力作用下(4)沉降电势

分散相粒子在重力场或离心力场的作用下迅速移动时，在移动方向的两端所产生的电势差，称为沉降电势。（可视为电泳的逆过程）(4)沉降电势分散相粒子在重力场或离心四种电现象的相互关系：

电泳

电渗流动电势沉降电位（液体静止，固体粒子运动）（固相不动，液体移动）外加电场引起相对运动相对运动产生电位差四种电现象的相互关系：电泳电渗流动电势沉降电位（液体静止2、溶胶粒子带电的原因2、溶胶粒子带电的原因3、溶胶粒子的双电层0x00x扩散层03、溶胶粒子的双电层0x00第八章表面现象与分散系统课件第八章表面现象与分散系统课件例：AgNO3+KIAgI+KNO3KI

过量：AgI

溶胶吸附

I－

带负电，

K＋为反离子；AgNO3过量：AgI

溶胶吸附

Ag＋带正电，