第四章表面张力与润湿作用

张婉萍第四章

表面张力与润湿作用当前1页，总共102页。问题电动现象是指溶胶粒子的运动与电性质之间的关系，包括：

、

、

和

。（电泳、电渗、流动电势和沉降电势）流动电势:在外力作用下,

相对于带电表面流动而产生的电势差，它是

的逆过程。（液体介质、电渗）胶体粒子切动面的位置在stern平面之外，切动面与溶液内部的电势差称为

。（电动势（或电势））2Colloid&SurfaceChemistry当前2页，总共102页。问题在等电点处，可使

为零，处于等电点的粒子是不带电的,

、

的速度也必然为零。（电势、电泳、电渗）流变性质是指在外力作用下该体系的

与

性质。（流动、形变）不同的浓分散体系按流型的不同，可以分为

和

，*又分为

、

、

；（牛顿流体、非牛顿流体；非牛顿流体、塑流型、假塑流型、胀流型）3Colloid&SurfaceChemistry当前3页，总共102页。问题DLVO理论认为胶体粒子之间的总作用能为

与

之和。（排斥能、吸引能）胶体体系的稳定性一般从

、

与

三方面来表征。（热力学稳定性、动力学稳定性、聚集稳定性）胶体体系的临界聚沉浓度主要是由体系中无机盐电解质的

决定的，其价数越高，CCC越小。（反粒子）4Colloid&SurfaceChemistry当前4页，总共102页。问题沾湿过程是指液体与固体从不接触到接触，

和

合为

的过程。（液气界面lg

、固气界面sg、固液界面sl

）在润湿过程中，当液体在固体界面不润湿时，其接触角为（）

A.180°B.0或不存在C.θ＜90°D.θ＞90°在润湿过程中，粘附功Wa、浸润功Ws及铺展系数S之间的大小关系是：

。（Wa＞Ws＞S）D5Colloid&SurfaceChemistry当前5页，总共102页。问题影响接触角的因素主要有：

、

、

和

。（物质的本性、润湿角的滞后现象、固体表面的粗糙性与不均匀性、环境的影响）6Colloid&SurfaceChemistry当前6页，总共102页。问题为什么针可以躺在水面上？为什么两块玻璃之间有水层，很难拉开？7Colloid&SurfaceChemistry当前7页，总共102页。问题小的气泡与大的气泡内的气体压力哪个大？为什么？Wa、Wi、S的含义是什么？大小关系？θ为0或不存在、θ＜90°、θ＞90°的润湿情况分别是什么？8Colloid&SurfaceChemistry当前8页，总共102页。问题三个润湿过程的内能变化？衡量三个润湿过程自发进行的条件及含义是什么？GO9Colloid&SurfaceChemistry当前9页，总共102页。主要内容第一节表面张力和表面能第二节液-液界面张力第三节毛细作用与Laplace公式和Kelvin公式第四节润湿作用和杨方程第五节固体表面能10Colloid&SurfaceChemistry当前10页，总共102页。第一节表面张力和表面能一、净吸力和表面张力的概念二、影响表面张力的因素三、测定液体表面张力的方法11Colloid&SurfaceChemistry当前11页，总共102页。一、静吸力和表面张力的概念气泡水滴气球Why？？？12Colloid&SurfaceChemistry当前12页，总共102页。一、净吸力和表面张力的概念液体自动收缩的表面现象——表面一般表现出收缩其表面积的倾向，如椭圆球形的雨滴、毛细管口的水滴、露珠，是因为等质量的液体所呈现的各种形状，以球体的表面积最小。界面上存在界面张力13Colloid&SurfaceChemistry当前13页，总共102页。净吸力表面分子受到垂直于液体表面、指向液体内部的“合吸力”——净吸力。净吸力使得液体表面的分子有拉入液体内部的倾向。若液体分子从液体相移到表面，必须有较高的能量，以克服此力的作用。14Colloid&SurfaceChemistry当前14页，总共102页。表面张力和表面自由能表面张力是指在液面上垂直作用于液体表面上单位长度直线上的使表面积收缩的力，力的方向是与该直线垂直并与液面相切。表面张力是温度、压力和液体组成的函数。在温度、压力、溶液组成恒定时液体表面张力为恒定数值。15Colloid&SurfaceChemistry当前15页，总共102页。表面张力和表面自由能表面张力是指在液面上垂直作用于液体表面上单位长度直线上的使表面积收缩的力，力的方向是与该直线垂直并与液面相切。16Colloid&SurfaceChemistry当前16页，总共102页。表面自由能的微观解释在液相内部分子之间受到了短程吸引力——范德华力，而在界面的分子受到上面的力小于下面受到的吸引力，合力不为零。若液体分子从液体相移到表面，必须有较高的能量，以克服此力的作用。17Colloid&SurfaceChemistry当前17页，总共102页。表面自由能的微观解释因此，同量液体处于表面分子越多，表面积越大，体系的能量就越高，或者说增加表面积就是增加体系的能量，此能量的增加来自环境对体系做功，故称为表面功：W=γΔA或δW=γdA如喷雾器撒农药、小麦磨成面粉、油通过搅拌分散到水中18Colloid&SurfaceChemistry当前18页，总共102页。表面张力和表面自由能γ

为比表面自由能，简称表面自由能——单位液面上的物质比其在液体体相内自由能的增量。19Colloid&SurfaceChemistry当前19页，总共102页。表面自由能的微观解释液体（单位面积）总表面能的增量；液体（单位面积）表面自由能或表面张力；20Colloid&SurfaceChemistry当前20页，总共102页。表面自由能的微观解释在液相内部分子之间受到了短程吸引力——范德华力，而在界面的分子受到上面的力小于下面受到的吸引力，合理不为零。若液体分子从液体相移到表面，必须有较高的能量，以克服此力的作用。表面张力产生的原因：物质分子之间都存在相互的吸引力；表面层相邻两相的密度差；21Colloid&SurfaceChemistry当前21页，总共102页。表面张力与表面自由能的区别符号相同，量纲相同，单位适宜时数值相同。单位不同（mN/m,mJ/m）物理意义不同：分别是力学/热力学方法在表面现象中物理量。22Colloid&SurfaceChemistry当前22页，总共102页。Colloid&SurfaceChemistry23分子间力可以引起净吸力，净吸力引起表面张力；表面张力永远与表面相切，而和净吸力相互垂直。当前23页，总共102页。二、影响表面张力的因素物质的本性温度的影响压力24Colloid&SurfaceChemistry当前24页，总共102页。物质的本性液体分子间相互作用力的性质与大小有关液态金属原子之间有金属键，表面张力大水分子间有氢键，表面张力较大非极性液体分子间只有vanderWaals力，表面张力小25Colloid&SurfaceChemistry当前25页，总共102页。温度的影响由于温度使得分子热运动加剧，分子间引力减弱，表面张力多随温度升高而减小。（随着水体系温度的提高，水分子间的氢键减弱）26Colloid&SurfaceChemistry当前26页，总共102页。压力的影响从气液两相密度差和净吸力考虑，气相压力对表面张力有一定的影响——一般情况表面张力随压力的增大而减小。27Colloid&SurfaceChemistry当前27页，总共102页。第二节液-液界面张力液液界面张力可以根据一定的模型由形成界面的两种液体的表面张力进行估算一、Antonoff规则二、Good-Girifalco公式三、Fowkes的理论四、液-液界面张力的测定28Colloid&SurfaceChemistry当前28页，总共102页。一、Antonoff规则两互相饱和液体所形成的界面之界面张力等于两液体表面张力之差，即：29Colloid&SurfaceChemistry当前29页，总共102页。二、Good-Girifalco公式两种液体分子间vanderwaals作用是永远存在的启发，表征两种液体a,b间黏附过程（形成界面）自由能降低的黏附功Wa与表征同种液体a或b相互作用的内聚功间也有几何平均关系：30Colloid&SurfaceChemistry当前30页，总共102页。三、Fowkes的理论分子间各种作用力可以分为两大类：极性作用力和非极性作用力（色散力）。当液体分子之间只存在色散力时，混合液体与两液体表面张力的关系有：31Colloid&SurfaceChemistry当前31页，总共102页。第三节毛细作用与Laplace公式和Kelvin公式一、毛细作用二、弯曲界面的内外压力差——

Laplace公式三、弯曲界面上的饱和蒸汽压Kelvin公式32Colloid&SurfaceChemistry当前32页，总共102页。问题为什么会有毛细现象？毛细现象为什么有的液面上升，有的液面下降？为什么针可以躺在水面上？为什么苯滴到水的界面的界面上可以铺展？之后又是以球形液滴存在？33Colloid&SurfaceChemistry当前33页，总共102页。一、毛细现象液体表面张力的存在而引起的液体表面形态、性质变化的各种现象。34Colloid&SurfaceChemistry当前34页，总共102页。二、弯曲界面的内外压差——laplace公式35Colloid&SurfaceChemistry弯曲液面的表面现象不同于平面当前35页，总共102页。二、弯曲界面的内外压差——laplace公式在液体中形成一半径为r的液滴，体系平衡时，液滴半径发生无限小的变化时体系的自由能不变，即dG/dr=0在发生无限小变化中，液滴体系增加dV，表面积增加dA，相应的能量变化相等。36Colloid&SurfaceChemistry当前36页，总共102页。二、弯曲界面的内外压差——laplace公式37Colloid&SurfaceChemistry描述弯曲液面上的压力差与表面张力和曲率半径的关系式就是Laplace公式当前37页，总共102页。二、弯曲界面的内外压差——laplace公式38Colloid&SurfaceChemistry1.平面，则，即平面液面上下不存在压力差。2.球面，则r﹥0，故﹥0；凹液面r﹤0，故﹤0；凸液面当前38页，总共102页。二、弯曲界面的内外压差——laplace公式39Colloid&SurfaceChemistry对肥皂泡，由于有内外两个表面，则3.圆柱面：，则，其中r是柱面的圆形底面的半径。当前39页，总共102页。二、Laplace公式p指弯曲液面内外压力差，即p=p内–p外，p内通常指曲率半径为正值一侧的压力；根据Laplace公式，r越小，p越大。40Colloid&SurfaceChemistry当前40页，总共102页。二、Laplace公式液滴越小，液滴内外压差越大，即凸液面下方液相的压力大于液面上方气相的压力；若液面是凹的，此时凹液面下方液相的压力小于液面上方压力；若液面是平的，压差为零。41Colloid&SurfaceChemistry当前41页，总共102页。二、Laplace公式对于弯曲液面，若将液相作为内侧，液面的曲率半径可能是正的也可能是负的：形成凸液面时，曲率中心在液体内部，r为正值，p＞0；形成凹液面时，曲率中心在液体外部，r为负值，p＜0.42Colloid&SurfaceChemistry当前42页，总共102页。毛细管上升与下降现象p＞0p＜043Colloid&SurfaceChemistry当前43页，总共102页。毛细现象的应用实例利用毛细现象测定液体的表面张力44Colloid&SurfaceChemistry当前44页，总共102页。毛细现象的应用实例亲液固体片间液体凹液面引起的附加压力的作用45Colloid&SurfaceChemistry当前45页，总共102页。毛细现象的应用实例弯曲液面上压力差可以解释夹一薄水层的两块玻璃片难于垂直方向分开的现象。液体水是可以完全润湿玻璃的，因此水形成的柱面是凹弯月面，那么：两玻璃片间夹有（A）润湿性液体水和（B）完全不润湿性液体汞所形成的（A）凹弯月面和（B）凸弯月面示意图46Colloid&SurfaceChemistry当前46页，总共102页。三、弯曲液面上的饱和蒸气压，Kelvin公式饱和蒸气压液滴大小对液面饱和蒸气压的影响小液滴表面的饱和蒸气压大于大液滴凹液面上方小于平面饱和蒸气压，气泡内饱和蒸气压较低47Colloid&SurfaceChemistry

当前47页，总共102页。三、弯曲液面上的饱和蒸气压，Kelvin公式1.对于凸液面，如液滴，r﹥0，那么pr>p0而且液滴半径越小，则对应的pr蒸气压越高，这正是过饱和蒸气产生的根本原因。2.对于平液面，由于△p=0，故pr=p0

3.对于凹液面，r﹤0，则pr﹤p0，也就是说在凹液面上对应的蒸气压低于通常的蒸气压。48Colloid&SurfaceChemistry当前48页，总共102页。三、弯曲液面上的饱和蒸气压，Kelvin公式液滴大小对液面饱和蒸气压的影响小液滴表面的饱和蒸气压大于大液滴凹液面上方小于平面饱和蒸气压，气泡内饱和蒸气压较低49Colloid&SurfaceChemistry

当前49页，总共102页。第一节三、测定液体表面张力的方法

毛细管升高法

吊片法和脱环法

最大气泡压力法

滴体积法

滴外形法50Colloid&SurfaceChemistry当前50页，总共102页。毛细管升高法当一毛细管下端插入能使管壁完全润湿的液体中（θ=0o）,液体沿毛细管上升，上升高度与由Laplace公式所决定的毛细压力相等的静压力对应之高度决定，从而得到：51Colloid&SurfaceChemistry当前51页，总共102页。毛细管升高法如图所示的弯月面的曲率半径r一般不等于毛细管内径R，除非弯月面是半球面，即接触角θ=0。那么在弯月面顶点O处应存在如下平衡：以（△p）0=O为顶点的液柱压强p0毛细现象示意图52Colloid&SurfaceChemistry当前52页，总共102页。吊片法和脱环法吊片法将一薄片（玻璃、云母、铂片等）悬吊在天平一臂上，使其底边与液面平行，测定底边刚接触液面时所受的拉力f。最好选择θ=0o53Colloid&SurfaceChemistry当前53页，总共102页。最大气泡压力法将空气经半径为r的毛细管通入液体中，根据气泡破裂时之压力值依Laplace公式计算液体表面张力：54Colloid&SurfaceChemistry当前54页，总共102页。第四节润湿作用和杨方程一、润湿现象和润湿角二、润湿角的测量方法三、影响润湿角大小的一些因素四、铺展五、润湿热55Colloid&SurfaceChemistry当前55页，总共102页。一、润湿现象和润湿角在固、液、气三相交界处，自固液界面经液体内部到气液界面的夹角叫接触角接触角是描述或衡量液体在固体表面的润湿情况56Colloid&SurfaceChemistry当前56页，总共102页。一、润湿现象和润湿角润湿作用按接触角的不同可以分为四种情况：完全不润湿完全润湿不润湿部分润湿57Colloid&SurfaceChemistry当前57页，总共102页。θ=180°完全不润湿空气液体固体空气液体固体θ=0完全润湿空气液体固体空气液体固体θ＜90部分润湿空气液体固体空气液体固体θ＞90不润湿空气液体固体空气液体固体58Colloid&SurfaceChemistry当前58页，总共102页。杨氏方程γslγsgγlgγlgγsgγsl59Colloid&SurfaceChemistry当前59页，总共102页。二、润湿角的测量方法角度测量法长度测量法用动态法测定粉末-液体体系的润湿角60Colloid&SurfaceChemistry当前60页，总共102页。三、影响润湿角大小的一些因素固体的界面特性液体的界面特性61Colloid&SurfaceChemistry当前61页，总共102页。决定和影响接触角大小的因素物质的本性接触角的滞后现象固体表面的粗糙性和不均匀性环境的影响62Colloid&SurfaceChemistry当前62页，总共102页。物质的本性对于指定固体，液体表面张力越小，接触角θ越小；对于同一液体，固体表面能越大，θ越小。θ反映了液体分子与固体表面亲和作用的大小，亲和力越强，越易在固体表面铺开，θ越小。63Colloid&SurfaceChemistry当前63页，总共102页。接触角的滞后现象前进角与后退角前进角θa——固液界面取代固气界面后形成的接触角后退角θr——气固界面取代固液界面形成的接触角接触角滞后——前进角与后退角不相等的现象；通常后退角小于前进角。64Colloid&SurfaceChemistry当前64页，总共102页。接触角的滞后现象接触角示意图。（A）液固相对静止，（B）液固相对移动若液体与固体发生相对运动时，则会形成两个不同的接触角。较大的θa称为前进接触角（advancingcontactangle），较小的θr称为后退接触角(recedingcontactangle)。这种θa＞θr的现象称为接触角滞后。65Colloid&SurfaceChemistry当前65页，总共102页。接触角的滞后现象r值表示表面粗糙的程度。θ≥90°r越大，接触角越大；润湿性越差θ＜90°r越大，接触角越小；润湿性越好。表面粗糙度66Colloid&SurfaceChemistry当前66页，总共102页。接触角的滞后现象表面不均匀（污染）——使得不同区域的表面能不同，导致接触角的变化67Colloid&SurfaceChemistry当前67页，总共102页。固体表面的粗糙性和不均匀性液体在粗糙表面与平滑表面的润湿角不同粗糙度使得润湿性差的更差，润湿性好的更好68Colloid&SurfaceChemistry当前68页，总共102页。环境的影响固体表面，尤其是高能表面从周围环境中吸附某些组分而降低表面能，同时改变了表面性质69Colloid&SurfaceChemistry当前69页，总共102页。四、润湿过程润湿过程可以分为三类：沾湿浸湿铺展70Colloid&SurfaceChemistry当前70页，总共102页。沾湿指液体与固体从不接触到接触，液气界面lg和固气界面sg合为固液界面sl的过程。γslγsgγlgWa称为粘附功71Colloid&SurfaceChemistry当前71页，总共102页。沾湿Wa称为粘附功，是沾湿过程体系对外所能做的最大功，也是将接触的固体和液体自交界处拉开，外界所需做的最小功。γslγsgγlg72Colloid&SurfaceChemistry当前72页，总共102页。浸湿固气界面sg

被固液界面sl所取代；SGLGSLG+Wi称为浸润功73Colloid&SurfaceChemistry当前73页，总共102页。浸湿Wi为浸润功，反映了液体在固体表面取代气体的能力（sg

>>sl）。SGLGSLG+74Colloid&SurfaceChemistry当前74页，总共102页。铺展铺展过程的实质是以固液界面sl代替固气界面sg的同时还扩展了气液界面lgS为铺展系数75Colloid&SurfaceChemistry当前75页，总共102页。铺展S＞0时，液体可以在固体表面自动展开，连续的从固体表面取代气体。76Colloid&SurfaceChemistry当前76页，总共102页。对同一个体系，Wa＞Wi＞S，凡能自行铺展的体系，其他过程均能自动进行。沾湿浸湿铺展77Colloid&SurfaceChemistry当前77页，总共102页。沾湿浸湿铺展78Colloid&SurfaceChemistry当前78页，总共102页。四、润湿过程

79Colloid&SurfaceChemistry当前79页，总共102页。θ=180°完全不润湿空气液体固体空气液体固体θ=0完全润湿空气液体固体空气液体固体θ＜90部分润湿空气液体固体空气液体固体θ＞90不润湿空气液体固体空气液体固体80Colloid&SurfaceChemistry当前80页，总共102页。四、润湿过程81Colloid&SurfaceChemistryθ为0或不存在-∆G最大液体完全润湿即铺展θ为180°-∆G最小完全不润湿θ＜90°为润湿/浸润θ＞90°为不润湿/沾湿当前81页，总共102页。润湿作用的应用矿物的泡沫浮选金属的防锈与缓蚀织物的防水防油处理在农药中的应用

……82Colloid&SurfaceChemistry当前82页，总共102页。润湿作用的应用通过液体的界面特性减小固液界面sl气液界面lg使得S＞0在农药中的应用铺展83Colloid&SurfaceChemistry当前83页，总共102页。润湿作用的应用通过改变固体的表面特性降低固气界面sg使得Wa＜0在防水织物上的应用沾湿/不润湿γslγsgγlg84Colloid&SurfaceChemistry当前84页，总共102页。在防水织物上的应用85Colloid&SurfaceChemistry当前85页，总共102页。润湿作用的应用通过固体的表面特性减小固液界面sl使得Wi＞0固体粉末在水体系的分散润湿/浸湿SGLGSLG+86Colloid&SurfaceChemistry当前86页，总共102页。五、润湿热润湿热即浸润热由于固液分子间的相互作用必然要释放出热量反映了固液分子间相互作用的强弱润湿热大小与固体的粒子大小及比表面积有关87Colloid&SurfaceChemistry当前87页，总共102页。第五节固体表面能一、固体的表面二、固体的表面张力与表面能三、固体表面能的实验估测88Colloid&SurfaceChemistry当前88页，总共102页。一、固体的表面固体表面特点特点：表面原子活动小固体表面势能的不均一性89Colloid&SurfaceChemistry当前89页，总共102页。二、固体的表面张力与表面能固体可能存在各向异性，形成不同晶面时表面张力不同；表面区域原子间距离的改变可引起表面积改变，不需体相中原子做功而使其成为表面原子；表面不均匀使处于不同区域的微环境不同，受到周围原子的作用力不同。90Colloid&SurfaceChemistry当前90页，总共102页。二、固体的表面张力与表面能固体表面性质高能表面——干净的玻璃上低能表面——聚合物复合材料91Colloid&SurfaceChemistry当前91页，总共102页。二、固体的表面张力与表面能固体表面能的大小决定了其可润湿性质。液体在固体表面能自发铺展的基本条件是液体表面张力小于固体的表面能。液体表面张力越低，越有利于铺展进行。临界表面张力γc，表面张力低于γc的液体方能在低能表面上