界面化学基本理论-界面与表面特性

《表面活性剂、胶体与界面化学基础》

考试考核平时成绩：考勤+课堂表现

线上考核、互动、评价：50%期末考试：50%基本理论界面和分散体系胶体体系概述胶体的基本性质界面和表面特性表面活性剂结构和定义

表面活性剂在界面的吸附表面活性剂溶液性质——胶束和临界胶束浓度CMC乳状液的HLB值、PIT理论

学习目标：理解界面和表面特性（了解界面现象、理解其成因）学习目标：理解表面张力水滴为什么是圆形而不是方形它们为什么可以漂在水面上水在毛细管中为什么会上升?水ps大气毛细玻璃管为什么自然界中液滴、气泡总是圆形的？为什么气泡比液滴更容易破裂？毛细现象为什么会产生？天空为什么会下雨？人工降雨依据什么原理？水在玻璃上能铺展，水银在玻璃上却形成液滴？为什么？活性碳为什么可以做防毒面具？冰箱除臭剂？什么是表面活性剂？选择性的加入一些表面活性剂，为什么起到净化水质的作用？界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区，如果其中一相为气体时，我们习惯上将这种界面称之为表面。常见的界面主要包括：气-液、气-固、液-液、固-固、固-液界面表面严格讲表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间的界面，但习惯上把液体或固体与空气的界面称为液体或固体的表面。按物质聚集状态，界面可分为五类：固－气（S-g）、固－液（S-l）、固－固（S-S）、液－气（l-g）、液－液（l-l）学习目标：理解表面张力界面现象的起因表面层分子与内部分子所处的环境差别很大；体系内部本体分子四周都是相同分子，受到来自周围的力大小相等，方向相反，相互抵消；界面层分子处于两相交界，不仅受到本体内部相同分子的作用，而且还会受到另一相中性质不同分子的作用，这两种力通常难以抵消，引起一些特殊的界面性质，如表面张力、表面吸附等界面现象的起因表面层分子与内部分子所处的环境差别很大体系内部本体分子四周都是相同分子，受到来自周围的力大小相等，方向相反，相互抵消界面层分子处于两相交界，不仅受到本体内部相同分子的作用，而且还会受到另一相中性质不同分子的作用，这两种力通常难以抵消，引起一些特殊的界面性质，如表面张力、表面吸附等液体空气10液体空气表面张力导致液体表面自动收缩荷叶效应毛细现象

表面层分子与内部分子相比，所处的环境不同。

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，其作用力往往不能相互抵销，因此，界面层会显示出一些独特的性质。对于单组分体系，这种特性主要来自于同一物质在不同相中的密度不同；对于多组分体系，则特性来自于界面层的组成与任一相的组成均不相同。

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。

表面张力是分子力的一种表现.它发生在液体和气体接触时的边界部分.是由于表面层的液体分子处于特殊情况决定的.液体内部的分子和分子间几乎是紧挨着的,分子间经常保持平衡距离,稍远一些就相吸,稍近一些就相斥,这就决定了液体分子不像气体分子那样可以无限扩散,而只能在平衡位置附近振动和旋转。

在液体表面附近的分子由于只显著受到液体内侧分子的作用,受力不均,使速度较大的分子很容易冲出液面,成为蒸汽,结果在液体表面层(跟气体接触的液体薄层)的分子分布比内部分子分布来得稀疏.相对于液体内部分子的分布来说,它们处在特殊的情况中.表面层分子间的斥力随它们彼此间的距离增大而减小,在这个特殊层中分子间的引力作用占优势.这种表面层中任何两部分闻的相互牵引力,促使了液体表面层具有收缩的趋势,由于表面张力的作用,液体表面总是趋向于尽可能缩小,因此空气中的小液滴往往呈圆球形状。液体空气表面张力详解力的三要素：大小、方向、作用点表面张力：作用点在表面/弯曲面的切面，表面收缩体现方向，单位长度上的力是大小。与力的本质区别：作用在单位长度上的力，是二维空间的压力概念。与力、压强、能量不同，但有联系平面弯曲液面mg预习：什么是表面活性？能使溶剂的表面张力降低的性质即为表面活性什么是表面活性剂?以极低的添加量就能够显著地降低溶剂的表面张力的物质就被称为表面活性剂，它能改变体系界面状态，并具备一些重要的特性：润湿、乳化、增溶、消泡、起泡、去污、平滑、抗静电、润滑、防锈、杀菌和絮凝等油酸加氢加成得到硬脂酸[硬脂酸CH3(CH2)16COOH又称十八（烷）酸

;硬质酸钠：肥皂（肥皂是脂肪酸金属盐的总称）油酸化学式C18H34O2油酸钠化学式C18H37O2NaNaOH亲油亲水NaNa界面吸附与定向排列不饱和吸附亲油基亲水基水面饱和吸附亲油基亲水基表面活性剂分子紧密且有规则地定向排列单分子膜饱和吸附：表面活性剂毫无间隙地密集于液面上，形成了单分子吸附膜。空气与水处于完全隔离状态，表面吸附达饱和。此时，溶液的表面张力达到最低点！一般来说，水的表面张力比油的表面张力大表面活性剂溶液《表面活性剂、胶体与界面化学基础》

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表面张力和表面特性（影响表面张力的因素）表面活性剂在界面的吸附表面活性剂溶液性质乳状液HLB值、PIT理论

学习目标：理解界面和表面特性（影响表面张力的因素）(1)分子间力的影响

液体或固体中的分子间的相互作用力或化学键力越大，表面张力越大。一般σ(金属键)>σ(离子键)>σ(极性共价键)>σ(非极性共价键)

同一种物质与不同性质的其它物质接触时，表面层中分子所处力场则不同，导致表面(界面)张力出现明显差异。如下表：某些液体、固体的表面张力和液／液界面张力(2)温度的影响MB，

B——液体的摩尔质量及体积质量；Tc——临界温度；k’——经验常数。非极性非缔合的有机液体

与T有如下线性经验关系式：(1-11)一般T,液体的

—这是由于物质的[

B(l)-

B(g)]，使表面层分子受指向液体内部的拉力减小。实验数据表明：纯液体表面张力在温度升高时会随之下降表面张力与温度呈线性下降的关系只是在一定温度范围内的近似关系。表面张力随着温度升高而下降这是符合实际情况的，但不一定在全部讨论温度范围内都是一种线性降低的关系，这是应该说明的。

p

，

B(g);

p

，气体分子易被液面吸附;

p

，气体在液体中的溶解度增加。一般p,液体的

，因为(3)压力的影响等温等压条件下，增加液体的表面积，体积几乎不变，即(

V/

A)T,p,n

0,因此不考虑气相受压力影响时，有(/T)A,p,n0。但因为压力增加，气相密度增加，表面分子受力不均匀性略有好转。另外，若是气相中有别的物质，则压力增加，促使表面吸附增加，气体溶解度增加，也使表面张力下降。综上表面张力一般随压力的增加而下降，但影响不大。小结（2）温度的影响多数液体随温度升高，表面张力下降。（3）压力的影响

表面张力一般随压力的增加而下降。因为压力增加，气相密度增加，表面分子受力不均匀性略有好转。另外，若是气相中有别的物质，则压力增加，促使表面吸附增加，气体溶解度增加，也使表面张力下降。对纯液体或纯固体，表面张力决定于分子间形成的化学键能的大小，一般化学键越强，表面张力越大。(金属键)>(离子键)>(极性共价键)>(非极性共价键)两种液体间的界面张力，界于两种液体表面张力之间。（1）分子间相互作用力的影响弯曲表面下的附加压力1.在平面上2.在凸面上3.在凹面上弯曲液面的饱和蒸气压液体对固体的润湿作用毛细管现象弯曲表面下的附加压力1.在平面上剖面图液面正面图研究以AB为直径的一个环作为边界，由于环上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。

Ps=Po-

Po=0弯曲表面下的附加压力2.在凸面上：研究以AB为弦长的一个球面上的环作为边界。由于环上每点两边的表面张力都与液面相切，大小相等，但不在同一平面上，所以会产生一个向下的合力。所有的点产生的总压力为Ps，称为附加压力。凸面上受的总压力为：Po+

PsPo为大气压力，Ps为附加压力。剖面图附加压力示意图弯曲表面下的附加压力（3）在凹面上：剖面图附加压力示意图研究以AB为弦长的一个球形凹面上的环作为边界。由于环上每点两边的表面张力都与凹形的液面相切，大小相等，但不在同一平面上，所以会产生一个向上的合力。所有的点产生的总压力为Ps，称为附加压力。凹面上向下的总压力为：Po-Ps，所以凹面上所受的压力比平面上小。弯曲表面下的附加压力1805年Young-Laplace导出了附加压力与曲率半径之间的关系式：杨-拉普拉斯公式特殊式（对球面）：根据数学上规定，凸面的曲率半径取正值，凹面的曲率半径取负值。所以，凸面的附加压力指向液体，凹面的附加压力指向气体，即附加压力总是指向球面的球心。一般式：

对于象空气中的肥皂泡那样的球形液膜有内、外两个表面，均产生向球心的附加压力，因此附加压力为：弯曲表面上的饱和蒸汽压——开尔文公式这就是Kelvin公式，式中r为密度，M为摩尔质量。为了表示附加压力的方向，规定：+适用于凸液面，-适用于凹液面-------开尔方程结论：凸液面：其半径越小，蒸气压越大；凹液面：其半径越小，蒸气压越低。表面化学生命科学（生物膜及膜模拟化学）能源科学（三次采油、煤的液化、化学电源）材料科学（超细材料、材料的表面改型）信息科学（LB膜，微电子器件）界面化学的发展和现状1805T.Young提出界面张力概念1806P.S.Laplase表面张力与曲率半径关系1878Gibbs