第十三章_界面现象和胶体溶液.ppt

1、2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,1,第十三章 界面现象和胶体溶液Chapter 13 Interfacial Phenomenon & Colloidal Solution,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,2,目 录 1 表面张力和表面自由能 2 凝聚相的界面现象 3 固体表面的吸附 4 溶液吸附 5 表面活性剂及其应用 6 分散系统的分类 7 溶胶的特性 8 影响溶胶稳定性与聚沉的因素 9 胶溶作用和触变作用,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,3,学习要求,1、掌握接触角并能用它正确判断液体对固体的润湿程度 。 2、掌握弯曲液面附加压力的计

2、算，掌握开尔文方程并能应用于实际计算。 3、掌握兰格缪尔吸附等温式。 4、了解溶液的表面吸附现象及吉布斯吸附等温式。 5、掌握分散系统的分类及性质，掌握溶胶粒子的结构和稳定性。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,4,界面现象,界面（interface）：密切接触的两相之间的过渡区 （约几个分子的厚度）,气液 气固 液液 液固 固固,界面称为表面（surface）,界面现象所讨论的是在相的界面上发生的一些行为,水滴会自动呈球状 固体表面易自动吸附气体物质 微小的晶体易溶解 毛巾能被润湿,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,5,界面现象产生的原因表面分子与体系中的分子

3、（体相分子）所处的环境不同,体相分子，四周所受的作用力相同，受力均匀,界面分子，两面所受作用力不同，因此处在界面层的物质的物理和化学性质与任一体相中的都不同。,对于单组分系统，这种特性主要来自于同一物质在不同相中的密度不同；对于多组分系统，则特性来自于界面层的组成与任一相的组成均不相同。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,6,最简单例子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

4、张力、表面吸附、毛细现象、过饱和状态等。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,7,13.1 表面张力和表面自由能,1 表面自由能,由于表面层分子的受力情况与本体中不同，因此如果要把分子从内部移到界面（增加表面积），就必须克服体系内部分子之间的作用力，对体系做功。,温度、压力和组成恒定时，可逆使表面积增加dA所需要对体系作的功，称为表面功。用公式表示为：,式中s为比例常数，它在数值上等于当T，P及组成恒定的条件下，增加单位表面积时所必须对体系做的可逆非体积功。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,8,表面自由能,s物理意义：保持温度、压力和组成不变，每增加单位表面积时

5、，体系自由能的增加值。,单位：,等温等压可逆过程,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,9,在两相（特别是气-液）界面上，处处存在着一种张力，这种力垂直与表面的边界，指向液体方向并与表面相切。即沿着相的表面与相的界面相切，并促使其表面积缩小。,把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用 或 g 表示。,表面张力的单位是：,2 表面张力,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,10,液体表面的最基本的特性是趋向于收缩。,将一含有一个活动边框的金属线框架放在肥皂液中，然后取出悬挂，活动边在下面。,由于金属框上的肥皂膜的表面张力作用，可滑动的边会被向上拉，直至顶部。,从液膜自

6、动收缩的实验，可以更好地认识表面张力。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,11,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,12,如果在活动边框上挂一重物，使重物质量W2与边框质量W1所产生的重力与总的表面张力大小相等方向相反，则金属丝不再滑动。,这时,l 是滑动边的长度，因膜有两个面，所以边界总长度为2l， 或g就是作用于单位边界上的表面张力。,F=2 l,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,13,l,dx,表面张力,表面张力是作用在单位长度上使表面收缩的力，在数值上等于增加单位表面积时体系自由能的增加。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,

7、14,如果在金属线框中间系一线圈，一起浸入肥皂液中，然后取出，上面形成一液膜。,(a),(b),由于以线圈为边界的两边表面张力大小相等方向相反，所以线圈成任意形状可在液膜上移动，见(a)图。,如果刺破线圈中央的液膜，线圈内侧张力消失，外侧表面张力立即将线圈绷成一个圆形，见(b)图，清楚的显示出表面张力的存在。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,15,13.2 凝聚相的界面现象,1 液体对固体的润湿作用,液固界面现象,什么是润湿过程？,润湿过程可以分为三类，即：粘湿、浸湿和铺展,滴在固体表面上的少许液体，取代了部分固气界面，产生了新的液固界面。这一过程称之为润湿过程,2020/8

8、/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,16,粘湿过程,液体与固体从不接触到接触，使部分液-气界面和固-气界面转变成新的固-液界面的过程,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,17,在恒温恒压可逆情况下，将具有单位表面积的固体浸入液体中，气固界面转变为液固界面的过程称为浸湿过程,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,18,等温、等压条件下，单位面积的液固界面取代了单位面积的气固界面并产生了单位面积的气液界面，这种过程称为铺展过程,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,19,1 液体对固体的润湿作用,润湿现象,润湿程度影响因素,液固种类,温度,加入润湿剂,液体能

9、附在固体上，称为“润湿”。,液固两相接触后，系统的表面自由能降低，即为“润湿”。,自由能降低多少即表示润湿程度的大小。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,20,接触角,在气、液、固三相交界点，气-液与固-液界面张力之间的夹角称为接触角，通常用q表示。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,21,接触角,若接触角大于90，说明液体不能润湿固体，如汞在玻璃表面；,若接触角小于90，液体能润湿固体，如水在洁净的玻璃表面。,接触角的大小可以用实验测量，也可以用公式计算,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,22,气,液,O,O,润湿,不润湿, 90 固体能为液体

10、所润湿，固体称为亲液固体, 90固体不为液体所润湿，固体称为憎液固体,润湿方程杨氏方程,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,23,2 毛细现象和弯曲液面的附加压力,（1） 毛细现象,液体沿缝隙上升或扩散，从而润湿含细小缝隙物体的现象。,如： 毛细管插入水中，水会沿管柱上升到一定高度。 毛巾吸水 灯芯吸油,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,24,（2） 弯曲液面的附加压力,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,25,a. 在平面上,对一小面积AB，沿AB的四周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

11、作用力也为po ，附加压力ps等于零。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,26,b. 在凸面上,由于液面是弯曲的，则沿AB的周界上的表面张力不是水平的，作用于边界的力将有一指向液体内部的合力,所有的点产生的合力和为 ps ，称为附加压力,凸面上受的总压力为：,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,27,c. 在凹面上,由于液面是凹面，沿AB的周界上的表面张力不能抵消，作用于边界的力有一指向凹面中心的合力,所有的点产生的合力和为 ps ，称为附加压力,凹面上受的总压力为：,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,28,由于表面张力的作用，在弯曲表面下的液体与

12、平面不同，它受到一种附加的压力，附加压力的方向都指向曲面的圆心。,凹面上受的总压力小于平面上的压力,凸面上受的总压力大于平面上的压力,附加压力的大小与曲率半径有关,例如，在毛细管内充满液体，管端有半径为R 的球状液滴与之平衡。,外压为 p0 ，附加压力为 ps ，液滴所受总压为：,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,29,对活塞稍加压力，将毛细管内液体压出少许,相应地其表面积增加dA,使液滴体积增加dV,克服附加压力ps所作的功等于可逆增加表面积的Gibbs自由能,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,30,代入,得,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,

13、31,凸面上曲率半径取正值，附加压力方向指向液体内部。,曲率半径越小，附加压力越大,凹面上曲率半径取负值，附加压力方向指向气体。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,32,1. 假若液滴具有不规则的形状，则在表面上的不同部位曲面弯曲方向及其曲率不同，所具的附加压力的方向和大小也不同，这种不平衡的力，必将迫使液滴呈现球形,自由液滴或气泡通常为何都呈球形 ？,2. 相同体积的物质，球形的表面积最小，则表面总的Gibbs自由能最低，所以变成球状就最稳定,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,33,毛细管现象,由于附加压力而引起的液面与管外液面有高度差的现象称为毛细管现象,把

14、毛细管插入水中，管中的水柱表面会呈凹形曲面，凹面上的总压pp0，管内汞面下降。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,34,毛细管内液柱上升（或下降）的高度可近似用如下的方法计算,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,35,曲率半径 R与毛细管半径R的关系：,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,36,13.2.3 表面曲率对液体蒸汽压力的影响开尔文方程,实验现象：,微小液滴的蒸气压力大于大液滴的蒸气压力，使微小液滴的水蒸发成蒸气而凝结在大液滴上。,实验结论：,物质的饱和蒸气压（ p* ）除与温度（T ）有关，还与物质的分散度（微粒半径 r ）有关。,（Ke

15、lvin 公式）,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,37,液珠越小，饱和蒸汽压大越大。,20时水珠半径（r）与 蒸气压力的关系,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,38,凸面,凹面,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,39,考虑液体及其饱和蒸气与孔性固体构成的体系。孔中液面与孔外液面的曲率不同，导致蒸气压力不同。在形成凹形液面的情况下，孔中液体的平衡蒸气压低于液体的正常蒸气压。故在体系蒸气压低于正常饱和蒸气压时即可在毛细管中发生凝结。此即所谓毛细管凝结现象。 硅胶能作为干燥剂就是因为硅胶能自动地吸附空气中的水蒸气，使得水气在毛细管内发生凝结。,1）毛

16、细管凝结,开尔文公式的应用,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,40,2）过饱和蒸汽,恒温下，将未饱和的蒸汽加压，若压力超过该温度下液体的饱和蒸汽压仍无液滴出现，则称该蒸汽为过饱和蒸汽。,原因：液滴小，饱和蒸汽压大，新相难成而导致过冷。,解决办法：引入凝结核心,如人工降雨，向空中撒凝结核心AgI，使凝聚水滴的初始曲率半径加大，其相应的饱和蒸气压小于高空中已有的水蒸气压力，因此蒸气会迅速凝结成水。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,41,3）过热液体,沸腾是液体从内部形成气泡、在液体表面上剧烈汽化的现象。但如果在液体中没有提供气泡的物质存在时，液体在沸点时将无法沸腾

17、。我们将这种按相平衡条件，应当沸腾而不沸腾的液体，称为过热液体。,原因：液体过热现象的产生是由于液体在沸点时无法形成气泡所造成的，这样便造成了液体在沸点时无法沸腾而液体的温度继续升高的过热现象。过热较多时，极易暴沸。,解决办法：为防止暴沸，可事先加入一些沸石或瓷片等多孔性物质。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,42,13.3 固体表面的吸附,1. 吸附作用概念,例子: 充满Br2蒸气的玻璃瓶，加入活性碳，红棕色气体 逐渐消失，说明活性碳表面吸附了Br2蒸气。,吸附：以一种物质的原子或分子附着在另一种物质的表面上的 现象，或者说物质在相界面上，浓度自动变化的现象。,吸附剂：具有

18、吸附作用的物质。,吸附质：被吸附的物质。,吸附的热力学原理：固体表面质点处于力场不平衡状态，表面 具有过剩的能量（表面能）。,13.3.1 气体在固体表面上的吸附,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,43,固体表面的特点,固体表面上的原子或分子与液体一样，受力也是不均匀的，所以固体表面也有表面张力和表面自由能。,固体表面的特点是：,1固体表面分子（原子）移动困难，只能靠吸附来降低表面自由能。,2固体表面是不均匀的 ，不同类型的原子的化学行为、吸附热、催化活性和表面态能级的分布都是不均匀的。,3固体表面层的组成与体相内部组成不同。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,

19、44,吸附的热力学原理：,固体表面质点处于力场不平衡状态，表面具有过剩的能量 （表面能）。,不平衡力场因吸附而得到某种程度的补偿，从而降低了表面能，故固体表面可以自动吸附那些能够降低其表面能的物质。,气体的吸附可以看作是气体在固体表面上的凝聚过程，为 放热过程。相反的解吸过程是吸热过程。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,45,2. 吸附平衡和吸附量,气体分子 （空间）,气体分子 （被吸附在固体表面上）,吸附,解吸,吸附量单位质量的固体所吸附气体的物质的量或体积,吸附量与温度和气体的压力有关,（13.13）,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,46,3. 吸附曲线

20、,p常数,吸附等压线,吸附等温线,T常数,吸附等量线,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,47,吸附等压线：等压力下，不同温度下的吸附量,当压力一定时，温度越高吸附量越低，即随着温度的增加，吸附剂的吸附能力逐渐降低。,p常数,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,48,吸附等温线：等温度下，不同压力下的吸附量。,T常数,：直线,：增加程度减小,：几乎不变，饱和吸附,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,49,从吸附等温线画出的吸附等压线和等量线,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,50,典型的五种吸附等温线,吸附等温线的形状反映了吸附剂与吸附

21、质之间的相互作用情况,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,51,4. 吸附类型,化学吸附：吸附剂表面与吸附物之间的相互作用类似于化学键并发生表面化学反应。固体表面的原子价未完全被相邻原子饱和，还有剩余的成键能力。化学吸附有选择性；单分子吸附、吸附温度高。,物理吸附: 吸附剂与吸附物之间仅以范德华力相互作用。 由于是分子间作用力，故物理吸附无选择性；但吸附剂吸附物的种类不同，分子间引力大小各异，因此存在吸附量的差异。吸附为单分子层、多分子层。,选择性吸附：某一吸附剂只对某些吸附质发生化学吸附。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,52,2020/8/25,第十三章 界

22、面现象和胶体溶液,53,1.物理吸附,2.化学吸附,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,54,1. 兰格缪尔吸附理论要点,13.3.2 单分子层吸附理论,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,55,覆盖度: 表面吸附分子所占的百分数,1-: 未吸附分子的固体表面所占的百分数,2. 单分子吸附等温式兰格缪尔吸附等温式,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,56,平衡时 吸附速率 = 解吸速率,Langmuir吸附等温式,低压下，P值很小，bP1，则q=bP，吸附量与压力成正比,高压下，P值很大，bP1，则q=1，表示固体表面被全部覆盖,b的大小代表了固体表面

23、吸附气体能力的强弱程度,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,57,平衡吸附量,同量吸附剂所能吸附的最大物质的量（饱和吸附量）,一定量吸附剂所吸附的物质的量,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,58,以 对 作图，应得一直线。,直线斜率 为截距为,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,59,1. 假设吸附是单分子层的，与事实不符。,2. 假设表面是均匀的，其实大部分表面是不均匀的。,3. 在覆盖度q 较大时，Langmuir吸附等温式不适用。,Langmuir吸附等温式的缺点：,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,60,吸附等温线的类型,从吸

24、附等温线可以反映出吸附剂的表面性质、孔分布以及吸附剂与吸附质之间的相互作用等有关信息。,(图中p/ps称为比压，ps是吸附质在该温度时的饱和蒸汽压，p为吸附质的压力),2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,61,吸附等温线的类型,() 在2.5 nm 以下微孔吸附剂上的吸附等温线属于这种类型。,例如78 K时 N2 在活性炭上的吸附及水和苯蒸汽在分子筛上的吸附。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,62,吸附等温线的类型,() 常称为S型等温线。吸附剂孔径大小不一，发生多分子层吸附。,在比压接近1时，发生毛细管凝聚现象。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶

25、液,63,吸附等温线的类型,() 这种类型较少见。当吸附剂和吸附质相互作用很弱时会出现这种等温线。,如 352 K 时，Br2在硅胶上的吸附属于这种类型。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,64,吸附等温线的类型,() 多孔吸附剂发生多分子层吸附时会有这种等温线。在比压较高时，有毛细凝聚现象。,例如在323 K时，苯在氧化铁凝胶上的吸附属于这种类型。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,65,吸附等温线的类型,()发生多分子层吸附，有毛细凝聚现象。,例如373 K时，水汽在活性炭上的吸附属于这种类型。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,66,13.

26、4 溶液吸附,13.4.1 溶液的表面吸附现象,无机酸、碱、盐,NaCl Na2SO4 KOH NH4Cl,醇类、有机酸类、醛类、酮类、醚类、和酯类,极性有机物,8个碳原子以上的有机酸盐、有机胺盐、磺酸盐、苯磺酸盐,表面活性剂,一般是能降低水的表面张力,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,67,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,68,13.4.2 吉布斯吸附等温式,表面活性剂在溶液表面上的吸附是表面活性剂最基本的性质之一。,其物理意义为：单位面积的表面相所含溶质的物质的量与在溶液体相中同物质的量溶剂所含的溶质的量的差值。也称为表面过剩或表面浓度。,为描述这种表面吸

27、附现象，定义吸附量,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,69,则加入溶质表面张力增大，表面过剩为负值，吸附量为负值，此时的吸附为负吸附，溶质在表面层的浓度小于溶液体相的浓度。,则加入溶质表面张力减小，表面过剩为正值，吸附量为正值，此时的吸附为正吸附，溶质在表面层的浓度大于溶液体相的浓度。,（13.22）,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,70,13.5.1 表面活性剂概念及其吸附结构,13.5 表面活性剂及其应用,表面活性剂分子结构的特点是具有不对称性，即由一亲水基和另一憎水基（或称亲油基）组成。,例如，棕榈酸钠（C15H31COONa）的结构可分为如下图所示的亲

28、水基和憎水基部分：,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,71,十二烷基硫酸钠为典型的表面活性剂。,亲水基,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,72,表面活性剂是两亲分子。溶解在水中达一定浓度时，其非极性部分会自相结合，形成聚集体，使憎水基向里、亲水基向外。,随着亲水基不同和浓度不同，形成的胶束可呈现棒状、层状或球状等多种形状。,这种多分子聚集体称为胶束（胶团）。,形成胶束的最低浓度称为临界胶束浓度。,继续增加表面活性剂的量，只能增加溶液中胶束的数量和大小。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,73,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,74

29、,形成胶束的稳定化过程,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,75,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,76,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,77,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,78,胶束的结构形成示意图,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,79,临界胶束浓度,表面活性剂在水中随着浓度增大，表面上聚集的活性剂分子形成定向排列的紧密单分子层，多余的分子在体相内部也三三两两的以憎水基互相靠拢，聚集在一起形成胶束。,这时溶液性质与理想性质发生偏离，在表面张力对浓度绘制的曲线上会出现转折。继续增加活性剂浓度，表面张力不再降低

30、，而体相中的胶束不断增多、增大。,这种开始形成胶束的最低浓度称为临界胶束浓度，简称CMC,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,80,表面活性剂的性质之差异主要取决于亲水和亲油基团的性质特别是亲水基团的性质。因此通常采用按化学结构的分类方法将其分为离子型和非离子型两大类，离子型中又可分为阴离子型、阳离子型和两性型表面活性剂。,13.5.2 表面活性剂的分类及作用,1. 表面活性剂的分类,表面活性剂,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,81,阴离子表面活性剂,R-OSO3Na硫酸酯盐,R-SO3Na磺酸盐,R-OPO3Na2磷酸酯盐,如肥皂一般是含1418个碳的羧酸盐，

31、这类表面活性剂一般不适用于硬水、酸性溶液和海水。 十二烷基硫酸钠是硫酸酯盐的典型代表。它具有良好的 乳化和起泡性能。 磺酸盐类表面活性剂主要有：烷基苯磺酸盐、烷基磺酸 盐、烷基萘磺酸盐。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,82,阴离子表面活性剂,脂肪醇硫酸酯钠,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,83,阳离子表面活性剂,CH3 | R-N-HCl仲胺盐 | H,CH3 | R-N-HCl叔胺盐 | CH3,CH3 | R-N+-CH3Cl-季胺盐 | CH3,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,84,阳离子表面活性剂,烷基三甲基氯化铵,2020/8/

32、25,第十三章 界面现象和胶体溶液,85,两性表面活性剂,CH3 | R-N+-CH2COO-甜菜碱型 | CH3,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,86,两性离子表面活性剂,甜菜碱型两性表面活性剂,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,87,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,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,88,非离子表面活性剂,脂肪族高级醇聚氧乙烯加成物,2020/8

33、/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,89,2. 表面活性剂的作用,润湿作用,润 湿,增溶作用,乳化作用,H2O 100g 苯 0.07g,浓度为10油酸钠 100g 苯 7g,表面活性剂能有效降低油水界面的表面自由能,胶团的形成,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,90,润湿作用,表面活性剂可以降低液体表面张力，改变接触角的大小，从而达到所需的目的。,例如，要农药润湿带蜡的植物表面，要在农药中加表面活性剂；,如果要制造防水材料，就要在表面涂憎水的表面活性剂，使接触角大于90。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,91,润湿作用,首先将粗矿磨碎，倾入浮选池中。在池水

34、中加入捕集剂和起泡剂等表面活性剂。,搅拌并从池底鼓气，带有有效矿粉的气泡聚集表面，收集并灭泡浓缩，从而达到了富集的目的。,不含矿石的泥砂、岩石留在池底，定时清除。,浮游选矿,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,92,矿物,浮游选矿的原理图,选择合适的捕集剂，使它的亲水基团只吸在矿砂的表面，憎水基朝向水。,当矿砂表面有5%被捕集剂覆盖时，就使表面产生憎水性，它会附在气泡上一起升到液面，便于收集。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,93,增溶作用,非极性有机物如苯在水中溶解度很小，加入油酸钠等表面活性剂后，苯在水中的溶解度大大增加，这称为增溶作用。,增溶作用与普通的溶

35、解概念是不同的，增溶的苯不是均匀分散在水中，而是分散在油酸根分子形成的胶束中。,经X射线衍射证实，增溶后各种胶束都有不同程度的增大，而整个溶液的的依数性变化不大。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,94,增溶作用的特点,（1）增溶作用可以使被溶物的化学势大大降低，是自发过程，使整个系统更加稳定。,（2）增溶作用是一个可逆的平衡过程,（3）增溶后不存在两相，溶液是透明的,增溶作用的应用极为广泛，例如，增溶作用是去污作用中很重要的一部分，工业上合成丁苯橡胶时，利用增溶作用将原料溶于肥皂溶液中再进行聚合反应（即乳化聚合），还可以应用于染色、农药以增加农药杀虫灭菌的功能以及在医药和生理

36、现象等方面。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,95,乳化作用,一种或几种液体以大于10-7 m直径的液珠分散在另一不相混溶的液体之中形成的粗分散系统称为乳状液。,要使它稳定存在必须加乳化剂。根据乳化剂结构的不同可以形成以水为连续相的水包油乳状液(O/W)，或以油为连续相的油包水乳状液(W/O)。,有时为了破坏乳状液需加入另一种表面活性剂，称为破乳剂，将乳状液中的分散相和分散介质分开。例如原油中需要加入破乳剂将油与水分开。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,96,简单的乳状液通常分为两大类。习惯上将不溶于水的有机物称油，将不连续以液珠形式存在的相称为内相，将连续

37、存在的液相称为外相。,1.水包油乳状液,2.油包水乳状液,用O/W表示。内相为油，外相为水，这种乳状液能用水稀释，如牛奶等。,用W/O表示。内相为水，外相为油，如油井中喷出的原油。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,97,洗涤作用,肥皂是用动、植物油脂和NaOH或KOH皂化而制得,肥皂在酸性溶液中会形成不溶性脂肪酸，在硬水中会与钙、镁等离子生成不溶性的脂肪酸盐，不但降低了去污性能，而且污染了织物表面。,用烷基硫酸盐、烷基芳基磺酸盐及聚氧乙烯型非离子表面活性剂等作原料制成的合成洗涤剂去污能力比肥皂强，且克服了肥皂的如上所述的缺点。,去污过程是带有污垢(用D表示)的固体(s)，浸入

38、水(w)中，在洗涤剂的作用下，降低污垢与固体表面的粘湿功，使污垢脱落而达到去污目的.,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,98,表面活性剂的去污过程示意图,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,99,例如：云，牛奶，珍珠,把一种或几种物质分散在另一种物质中就构成分散系统。,其中，被分散的物质称为分散相。,另一种物质称为分散介质 。,13.6 分散系统的分类,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,100,1. 低分子分散系统,分散相与分散介质以分子或离子形式彼此混溶，没有界面，是均匀的单相，分子直径在1 nm 以下 。,2. 胶体分散系统,分散相粒子的直径在

39、1 nm100 nm之间，目测是均匀的，但实际是多相不均匀系统。,3. 粗分散系统,当分散相粒子大于100 nm，目测是混浊不均匀系统，放置后会沉淀或分层。,按分散相粒子的大小，通常有三种分散系统,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,101,按分散相粒子大小分类的各种分散系统 分散质 分散系统类型 分散相 主要性质 粒子直径 100nm 粗分散系： 粗颗粒 多相,不稳定,扩散很慢 乳浊液 、 颗粒不能透过滤纸 悬浮液,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,102,若根据分散相和分散介质的聚集状态进行分类,1. 液溶胶,将液体作为分散介质所形成的溶胶。当分散 相为不同状

40、态时，则形成不同的液溶胶：,. 液-固溶胶 如油漆，AgI溶胶,. 液-液溶胶 如牛奶，石油原油等乳状液,. 液-气溶胶 如泡沫,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,103,2. 固溶胶,将固体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为 不同状态时，则形成不同的固溶胶：,. 固-固溶胶 如有色玻璃，不完全互溶的合金,. 固-液溶胶 如珍珠，某些宝石,. 固-气溶胶 如泡沫塑料，沸石分子筛,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,104,3. 气溶胶,将气体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为固体或液体时，形成气-固或气-液溶胶，但没有气-气溶胶，因为不同的气体混合后是单相均一

41、系统，不属于胶体范围。,. 气-固溶胶 如烟，含尘的空气,. 气-液溶胶 如雾，云,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,105,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,106,13.7 溶胶的特性,13.7.1 溶胶的光学和分子动力学性质,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,107,Tyndall效应已成为判别溶胶与分子溶液的最简便的方法。,1869年Tyndall发现，若令一束会聚光通过溶胶，从侧面可以看到一个发光的圆锥体，这就是Tyndall效应。,其他分散体系也会产生一点散射光，但远不如溶胶显著。,Tyndall效应的另一特点是，不同方向观察到的光柱

42、有不同的颜色,1. 光学性质丁达尔效应,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,108,当光束通过分散系统时，一部分自由地通过，一部分被吸收、反射或散射。可见光的波长约在400700 nm之间。,（1）当光束通过粗分散系统，由于粒子大于入射光的波长，主要发生反射，使系统呈现混浊。,（2）当光束通过胶体溶液，由于胶粒直径小于可见光波长，主要发生散射，可以看见乳白色的光柱。,（3）当光束通过低分子溶液，由于溶液分子体积很小，且十分均匀，散射光很弱，看不见明显的散射光。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,109,1827 年植物学家 Brown 用显微镜观察到悬浮在液面上的

43、花粉粉末不断地作不规则的运动。,后来又发现许多其它物质如煤、 化石、金属等的粉末也都有类似的现象。人们称微粒的这种运动为Brown运动。,但在很长的一段时间里，这种现象的本质没有得到阐明。,2. 动力学性质,（1） 布朗运动,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,110,1903年发明了超显微镜，为研究Brown运动提供了物质条件。,用超显微镜可以观察到溶胶粒子不断地作不规则“之”字形的运动，从而能够测出在一定时间内粒子的平均位移。,通过大量观察，得出结论：粒子越小，Brown运动越激烈。其运动激烈的程度不随时间而改变，但随温度的升高而增加。,2020/8/25,第十三章 界面现象

44、和胶体溶液,111,1905年和1906年Einstein和Smoluchowski分别阐述了Brown运动的本质。,认为Brown运动是分散介质分子以不同大小和方向的力对胶体粒子不断撞击而产生的。,当半径大于5 m，Brown运动消失。,由于受到的力不平衡，所以连续以不同方向、不同速度作不规则运动。随着粒子增大，撞击的次数增多，而作用力抵消的可能性亦大。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,112,布郎运动（溶胶的运动性质之一） 溶胶中的分散相粒子由于受到来自四面八方的做热运动的分散介质的撞击而引起的无规则的运动。,溶胶中分散相粒子的扩散作用是由布朗（Brown）运动引起的。,

45、2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,113,胶粒有热运动，因此也具有扩散和渗透压。只是溶胶的浓度较稀，这种现象很不显著。,如图所示，在CDFE的桶内盛溶胶，在某一截面AB的两侧溶胶的浓度不同，c1c2,由于分子的热运动和胶粒的Brown运动，可以观察到胶粒从c1区向c2区迁移的现象，这就是胶粒的扩散作用。,（2） 扩散,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,114,（3）沉降和沉降平衡,溶胶是高度分散系统，胶粒一方面受到重力吸引而下降（沉降），另一方面由于Brown运动促使浓度趋于均一。,当这两种效应相反的力相等时，粒子的分布达到平衡，粒子的浓度随高度不同有一定的梯度

46、，如图所示。,这种平衡称为沉降平衡。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,115,从电泳现象可以获得胶粒或大分子的结构、大小和形状等有关信息。,13.7.2 溶胶的电学性质,1. 电泳现象,电泳在外加电场作用下，带电的分散相粒子在分 散介质中向相反符号电极移动的现象。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,116,电渗方法有许多实际应用，如溶胶净化、海水淡化、泥炭和染料的干燥等。,2. 电渗现象,电渗在外加电场作用下，分散介质通过多孔膜或极细的毛 细管移动的现象(此时带电的固相不动)。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,117,在U型管1,2中盛电解质

47、溶液，将电极5,6接通直流电后，可从有刻度的毛细管 4中，准确地读出液面的变化。,图中，3为多孔膜，可以用滤纸、玻璃或棉花等构成；也可以用氧化铝、碳酸钡、AgI等物质构成。,如果多孔膜吸附阴离子，则介质带正电，通电时向阴极移动；反之，多孔膜吸附阳离子，带负电的介质向阳极移动。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,118,13.7.3 溶胶粒子带电的原因,1. 吸附,在胶体中，分散相粒子由于比表面积大，会从分散介质中吸附离子而带电荷。,胶核吸附离子是有选择性的，首先吸附与胶核中相同的某种离子，用同离子效应使胶核不易溶解,2. 解离,3. 扩散双电层,2020/8/25,第十三章 界

48、面现象和胶体溶液,119,例1：AgNO3 + KIKNO3 + AgI,KI过量,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,120,例2：AgNO3 + KI KNO3 + AgI,AgNO3过量,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,121,当固体与液体接触时，可以是固体从溶液中选择性吸附某种离子，也可以是固体分子本身发生电离作用而使离子进入溶液，以致使固液两相分别带有不同符号的电荷，在界面上形成了双电层的结构。,扩散双电层,1910年Gouy和1913年Chapman，提出了扩散双电层模型；,后来Stern又提出了Stern模型。,2020/8/25,第十三章 界面现

49、象和胶体溶液,122,在双电层结构中，由于正、负离子静电吸引和热运动两种效应的结果，溶液中的反离子只有一部分紧密地排在固体表面附近，相距约几个水分子厚度称为吸附层；,另一部分离子按一定的浓度梯度扩散到本体溶液中，离子的分布可用Boltzmann公式表示，称为扩散层。,双电层由吸附层和扩散层构成。移动的切动面为AB面。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,123,+ + + + + + + + + + + +,扩散层,吸附层,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,124,带电的固体或胶粒在移动时，移动的切动面与液体本体之间的电位差称为 电势。,在扩散双电层模型中，切动面

50、AB与溶液本体之间的电位差为 电势；,只有在带电质点移动时才显示出 电势，所以它又被称为动电电势。,电势总是比热力学电势低，外加电解质会使 电势变小甚至改变符号。,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,125,电势,外加电解质对 电势的影响,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,126,胶粒的结构比较复杂，胶粒的中心是由许多分散相分子或原子聚集而成的固体颗粒，称为胶核；,然后胶核选择性的吸附稳定剂中的一种离子，形成紧密吸附层；由于正、负电荷相吸，在吸附层外形成反离子的包围圈（扩散层）；胶核和吸附层形成了带与吸附层相同电荷的胶粒；,胶粒与扩散层中的反离子，形成一个电中性的

51、胶团。,胶核吸附离子是有选择性的，首先吸附与胶核中相同的某种离子，用同离子效应使胶核不易溶解,13.7.4 溶胶粒子的结构和胶体的稳定性,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,127,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,128,以KI溶液滴加至AgNO3溶液中形成的AgI溶胶为例。,溶液本体,胶核,胶粒,胶团,胶团的结构,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,129,胶粒在介质中的布朗运动可使其不致于因重力而沉降。,溶液中的颗粒都带有相同的电荷，具有静电斥力，因此不易聚结。,胶团扩散双电层中反离子是水化的，胶粒被水化离子包围，阻碍了粒子的合并。,溶胶的稳定因素：,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,130,13.8 影响溶胶稳定性与聚沉的因素,13.8.1 电解质对胶体稳定性的影响,2020/8/25,第十三章 界面现象和胶体溶液,131,聚沉值：使一定量的溶胶在一定时间