林化表面化学.pptx

界面化学研究涉及领域界面化学研究涉及领域农业农业 生物学与医学生物学与医学日用品的生产与使用日用品的生产与使用 轻工业轻工业环境科学环境科学 分析化学分析化学材料材料 海洋科学海洋科学天文与气象学天文与气象学 油田开发油田开发界面化学与其他学科的联系界面化学与其他学科的联系界界面面化化学学 生命科学（生物膜及膜模拟化学）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）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）材料科学（超细材料、材料的表面改型）信息科学（信息科学（LBLB膜，微电子器件）膜，微电子器件）一些涉及界面化学的实例一些涉及界面化学的实例v分析化学分析化学中的吸附指示剂、色谱等；中的吸附指示剂、色谱等；v物理化学物理化学中的成核作用、过饱和、液晶等；中的成核作用、过饱和、液晶等；v生物化学和分子生物学生物化学和分子生物学中的电泳、膜现象蛋白质和中的电泳、膜现象蛋白质和核酸等；核酸等；v化学制造中化学制造中的催化剂、洗涤剂、润滑剂、粘合剂、的催化剂、洗涤剂、润滑剂、粘合剂、农药；农药；v环境科学环境科学中的气溶胶、泡沫、污水处理；中的气溶胶、泡沫、污水处理；v材料科学材料科学中陶瓷制品、水泥、涂料等；中陶瓷制品、水泥、涂料等；v日用品日用品中的牛奶、豆浆等；中的牛奶、豆浆等；v石油工业石油工业中的油品回收、乳化。中的油品回收、乳化。与界面现象相关的几个问题与界面现象相关的几个问题v为什么为什么自然界中液滴、气泡总是球形的？自然界中液滴、气泡总是球形的？为什为什么么与液滴相比气泡容易破裂？与液滴相比气泡容易破裂？v毛细现象毛细现象为什么为什么会产生？会产生？v天空天空为什么为什么会下雨？人工降雨依据什么原理？会下雨？人工降雨依据什么原理？向高空抛撒粉剂向高空抛撒粉剂为什么为什么能人工降雨？能人工降雨？v为什么为什么会产生液体过热现象？蒸馏过程会产生液体过热现象？蒸馏过程为什么为什么在体系中加入沸石？原理是什么？在体系中加入沸石？原理是什么？v水在干净的玻璃上能铺展，水银在玻璃上却形水在干净的玻璃上能铺展，水银在玻璃上却形成液滴？成液滴？为什么为什么？怎样让水在玻璃上成滴？怎样让水在玻璃上成滴？v活性碳活性碳为什么为什么可以做防毒面具或冰箱除臭剂？可以做防毒面具或冰箱除臭剂？v为什么为什么在参观面粉厂时在参观面粉厂时,不能穿带铁钉鞋不能穿带铁钉鞋?v土壤土壤为什么为什么能将水份保存起来能将水份保存起来?旱季旱季为何为何要锄地要锄地？v沙漠地带水沙漠地带水为何为何容易蒸发容易蒸发?如何抑制如何抑制v木制家具和油画木制家具和油画为什么为什么会自动裂损会自动裂损?v鸭子鸭子为什么为什么会浮在水中会浮在水中?v洗衣粉洗衣粉为什么为什么有去污作用有去污作用?v明矾明矾为什么为什么能净水能净水v肥皂肥皂为什么为什么能去污？能去污？v什么是表面活性剂？选择性的加入一些表面活什么是表面活性剂？选择性的加入一些表面活性剂，性剂，为什么为什么起到净化水质的作用？起到净化水质的作用？v为什么为什么利用矿物浮选可得到高品位的矿利用矿物浮选可得到高品位的矿?v怎样除烟去尘怎样除烟去尘?2024/8/27 周二第八章第八章 表面化学表面化学v8.1 8.1 表面张力与表面表面张力与表面GibbsGibbs自由能（自由能（掌握概念掌握概念）v8.2 8.2 弯曲液面的特性弯曲液面的特性 掌握掌握弯曲液面的特性及拉普拉斯方程、开尔文方程的应用弯曲液面的特性及拉普拉斯方程、开尔文方程的应用v8.3 8.3 吸附现象吸附现象 1.1.溶液的表面吸附；溶液的表面吸附；2 2 气固界面吸附；气固界面吸附；3 3 液固界面吸附液固界面吸附 v8.4 8.4 润湿作用润湿作用 了解了解液体对固体表面的润湿作用；液体对固体表面的润湿作用；理解理解杨氏方程杨氏方程v8.5 8.5 表面活性剂表面活性剂 了解了解表面活性物质的结构特点及其应用；表面活性物质的结构特点及其应用；了解了解HLBHLB值，值，了解了解表面膜、胶束；表面膜、胶束；v表面和界面表面和界面v界面现象的本质界面现象的本质v比表面比表面v分散度与比表面分散度与比表面v表面功表面功v表面自由能表面自由能v表面张力表面张力v影响表面张力的因素影响表面张力的因素8.1 8.1 表面张力与表面表面张力与表面GibbsGibbs自由能自由能表面和界面表面和界面(surface and interface)界面是指两相接触的约界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区几个分子厚度的过渡区，若其中一相为气体，这种界面通常称为若其中一相为气体，这种界面通常称为表面表面。常见的常见的界面界面有：气有：气-液界面，气液界面，气-固界面，液固界面，液-液液界面，液界面，液-固界面，固固界面，固-固界面。固界面。严格讲表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间严格讲表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间的的界面界面，但习惯上把液体或固体与空气的界面称为，但习惯上把液体或固体与空气的界面称为液体或固体的液体或固体的表面表面。表面和界面表面和界面(surface and interface)常见的界面有：常见的界面有：1.气气-液界面液界面表面和界面表面和界面(surface and interface)2.气气-固界面固界面表面和界面表面和界面(surface and interface)3.液液-液界面液界面表面和界面表面和界面(surface and interface)4.液液-固界面固界面表面和界面表面和界面(surface and interface)5.固固-固界面固界面界面现象的本质界面现象的本质 最简单的例子是液体及其蒸气组成的表面。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，受到气相分子的分子的拉力大，受到气相分子的拉力小（因为气相密度低），拉力小（因为气相密度低），所所以表面分子受到被拉入体相的作以表面分子受到被拉入体相的作用力。用力。这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势，并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，使表面层显示出一些独特性质，如表面张力、表面吸如表面张力、表面吸附、毛细现象、过饱和状态等。附、毛细现象、过饱和状态等。比表面（比表面（specific surface area）比表面通常用来表示物质分散的程度，有两比表面通常用来表示物质分散的程度，有两种常用的表示方法：一种是单位质量的固体所具种常用的表示方法：一种是单位质量的固体所具有的表面积；另一种是单位体积固体所具有的表有的表面积；另一种是单位体积固体所具有的表面积。即：面积。即：式中，式中，m和和V分别为固体的质量和体积，分别为固体的质量和体积，A为其表为其表面积。目前常用的测定表面积的方法有面积。目前常用的测定表面积的方法有BET法和法和色谱法。色谱法。分散度与比表面分散度与比表面 把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。把一定大小的物质分割得越小，则分散度越高，把一定大小的物质分割得越小，则分散度越高，比表面也越大。比表面也越大。例如，把边长为例如，把边长为1cm的立方体的立方体1cm3逐渐分割逐渐分割成小立方体时，比表面增长情况列于下表：成小立方体时，比表面增长情况列于下表：边长边长l/m 立方体数立方体数 比表面比表面Av/（m2/m3）110-2 1 6 102 110-3 103 6 103 110-5 109 6 105 110-7 1015 6 107 110-9 1021 6 109 分散度与比表面分散度与比表面 从表上可以看出，当将边长为从表上可以看出，当将边长为10-2m的立方体分的立方体分割成割成10-9m的小立方体时，比表面增长了一千万倍。的小立方体时，比表面增长了一千万倍。边长边长l/m 立方体数立方体数 比表面比表面Av/（m2/m3）110-2 1 6 102 110-3 103 6 103 110-5 109 6 105 110-7 1015 6 107 110-9 1021 6 109 可见达到可见达到nm级的超细微粒具有巨大的比表面积级的超细微粒具有巨大的比表面积，因而具有许多独特的表面效应，成为新材料和多相因而具有许多独特的表面效应，成为新材料和多相催化方面的研究热点。催化方面的研究热点。表面张力（表面张力（surface tension）(a)(b)m1m2表面张力示意图v从力学角度考虑，表面从力学角度考虑，表面层分子因受到来自体相层分子因受到来自体相分子的引力，液体表面分子的引力，液体表面有自动收缩能力。有自动收缩能力。v其方向平行或切于液体其方向平行或切于液体表面。表面。v定义定义作用在单位长度上作用在单位长度上的表面收缩力的表面收缩力，称作，称作表表面张力面张力 。v的量纲的量纲 N.mN.m-1-1表面张力（表面张力（surface tension）影响表面张力的因素影响表面张力的因素（1）分子间相互作用力的影响）分子间相互作用力的影响（2）温度的影响）温度的影响 温度升高，表面张力下降。温度升高，表面张力下降。（3）压力的影响）压力的影响 表面张力一般随压力的增加而下降。表面张力一般随压力的增加而下降。一般一般化学键越强，表面张力越大化学键越强，表面张力越大。(金属键金属键)(离子键离子键)(极性共价极性共价键键)(非极性共价键非极性共价键)表面功（表面功（surface work）式中式中为比例系数，它为比例系数，它在数值上等于当在数值上等于当T，P及组成及组成恒定的条件下，增加单位表面积时所必须对体系恒定的条件下，增加单位表面积时所必须对体系做的做的可逆非膨胀功可逆非膨胀功。由于表面层分子的受力情况与本体中不同，因此如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，或可逆的增加表面积，就果要把分子从内部移到界面，或可逆的增加表面积，就必须必须克服体系内部分子之间的作用力克服体系内部分子之间的作用力，对体系做功。，对体系做功。温度、压力和组成恒定时，可逆使表面积增加温度、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，称为所需要对体系作的功，称为表面功表面功。用公式表示为：。用公式表示为：W=dA表面自由能表面自由能(surface free energy)由此可得：由此可得：考虑了考虑了表面功，热表面功，热力学基本公力学基本公式中应相应式中应相应增加增加 dA一项，即：一项，即：表面自由能表面自由能(surface free energy)广义的表面自由能定义：广义的表面自由能定义：狭义的表面自由能定义：狭义的表面自由能定义：保持温度、压力和组成不变，增加单位表面上保持温度、压力和组成不变，增加单位表面上的分子比体相内部相当量分子所多出的那部分能的分子比体相内部相当量分子所多出的那部分能量，又叫量，又叫表面过剩表面过剩Gibbs自由能自由能，也称，也称表面能表面能，单，单位为位为Jm-2。保持相应的特征变量不变，每增加单位表面积保持相应的特征变量不变，每增加单位表面积时，相应热力学函数的增值。时，相应热力学函数的增值。为什么在参观面粉厂时为什么在参观面粉厂时,不能穿带铁钉鞋不能穿带铁钉鞋?v在煤粉或在面粉厂，因为细小的煤粉或面在煤粉或在面粉厂，因为细小的煤粉或面粉悬浮在空中，形成巨大的表面，有着巨粉悬浮在空中，形成巨大的表面，有着巨大的表面能。大的表面能。v一个小小的火星，会加速煤粉或面粉表面一个小小的火星，会加速煤粉或面粉表面上发生的氧化反应，反应中放出的热量又上发生的氧化反应，反应中放出的热量又加速了其它颗粒表面的氧化反应加速了其它颗粒表面的氧化反应，因，因此，引起爆炸！此，引起爆炸！v一大块煤燃烧为什么不爆炸？一大块煤燃烧为什么不爆炸？为什么把泉水小心注入干燥杯子时，水面会高为什么把泉水小心注入干燥杯子时，水面会高 出杯面？为什么井水比河水有较大的表面张力？出杯面？为什么井水比河水有较大的表面张力？比表面比表面GibbsGibbs自由能、表面张力二者的概念、单自由能、表面张力二者的概念、单 位是否相同？位是否相同？固体表面有过剩的固体表面有过剩的GibbsGibbs自由能吗？它与液体的自由能吗？它与液体的 有何不同？有何不同？大小相同的水泡，水滴，气泡，表面自由能大小相同的水泡，水滴，气泡，表面自由能 的大小的大小gglggl8.2 8.2 弯曲液面的性质弯曲液面的性质 弯曲液面的附加压力弯曲液面的附加压力1.在平面上在平面上2.在凸面上在凸面上3.在凹面上在凹面上 Young-Laplace公式公式 Klvin公式公式附加压强附加压强p p：由表面张力的合力产生，指向由表面张力的合力产生，指向“球心球心”的压强的压强pABp0p=p0+p凸面凸面AB pp0p=p0-p凹面凹面ABABp0平面平面p=p0 一、弯曲液面的附加压力一、弯曲液面的附加压力 1805年Young-Laplace导出了附加压力与曲率半径之间的关系式：杨杨-拉普拉斯公式拉普拉斯公式特殊式（对球面）：特殊式（对球面）：根据数学上规定根据数学上规定，凸面的曲率半径取正值凸面的曲率半径取正值，凹凹面的曲率半径取负值。面的曲率半径取负值。所以，凸面的附加压力指向所以，凸面的附加压力指向液体，凹面的附加压力指向气体，液体，凹面的附加压力指向气体，即附加压力总是即附加压力总是指向球面的球心。指向球面的球心。一般式：一般式：杨杨-拉普拉斯公式拉普拉斯公式水泡的附加压力水泡的附加压力 肥皂泡两个肥皂泡两个l-g界面，界面，r1r2 p=p外外+p内内=4/r r1r2ps,1ps,2气气vLaplace公式的应用公式的应用v 应用应用Laplace公式可解释一些现象。公式可解释一些现象。v1.在在无无外外力力场场影影响响时时，自自由由的的液液滴滴或或气气泡泡常常呈呈球形。球形。n2.2.旱季为何要锄地？旱季为何要锄地？n土壤间隙被认为是一些毛细管，水在其中呈凹液面。土壤间隙被认为是一些毛细管，水在其中呈凹液面。天旱无雨时，农民通过锄地来保持土壤水分，因为天旱无雨时，农民通过锄地来保持土壤水分，因为锄地可切断地表的土壤间孔隙锄地可切断地表的土壤间孔隙(即毛细管即毛细管)，以防止，以防止土壤中水分沿毛细管进一步上升蒸发。土壤中水分沿毛细管进一步上升蒸发。把半径为把半径为r的毛细管插入液体中，若液体能润湿管的毛细管插入液体中，若液体能润湿管壁，管中将形成凹面，壁，管中将形成凹面，液体在毛细管中上升液体在毛细管中上升；若不能；若不能润湿管壁，管中将形成凸面，润湿管壁，管中将形成凸面，液体在毛细管中下降液体在毛细管中下降，如图所示。如图所示。毛细管现象毛细管现象图图 毛细管现象毛细管现象(a)液体在毛细管中上升液体在毛细管中上升h(b)液体在毛细管中下降液体在毛细管中下降h2024/8/27 周二附加压力与毛细管中液面高度的关系附加压力与毛细管中液面高度的关系1.1.曲率半径曲率半径r与毛细管半径与毛细管半径r r的关系：的关系：r=r/cosq q2.2.p=2/r=(r rl-r rg)gh如果曲面为球面，则如果曲面为球面，则r=r。因因r rlr rg ps=2/r=r rlgh一般式：一般式：2 cosq q/r=DrDrgh2024/8/27 周二 二、弯曲液面的蒸气压现象：小液滴消失，大液滴变大现象：小液滴消失，大液滴变大原因：小液滴蒸汽压比大液滴大原因：小液滴蒸汽压比大液滴大Kelvin公式公式 弯曲液面的蒸气压 凹液面，凹液面，r0，则：则：pr=p凹凹 p0 且且|r|越小越小，p凹凹越小；越小；凸液面，凸液面，r0，则：则：pr=p凸凸 p0 r/m 10-6 10-7 10-8 10-9 pr/p0 1.001 1.011 1.114 2.95 物质要小到一定程度，表面效应才显著物质要小到一定程度，表面效应才显著 微小物质的饱和蒸气压微小物质的饱和蒸气压p pr r增大，其化学势增高增大，其化学势增高 微小物质的熔点低（凸面）微小物质的熔点低（凸面）微小物质化学势大块物质化学势，熔融时，则：微物熔融应满足：只有降低熔点，才能使 减小，故有：Tf（微小）Tf（大块）微小固体物质的溶解度大微小固体物质的溶解度大和若r2r1，则c2 c1，即：物质颗粒越小，其溶解度越大物质颗粒越小，其溶解度越大；因为固体颗粒的r0，所以微小物质的溶解度(cr)大于正常条件下物质的溶解度(c0)将开尔文公式与亨利定律结合，推导得：高温液体中微小的起泡难逸出高温液体中微小的起泡难逸出液液体体达达到到沸沸点点，表表面面可可自自由由气气化化，液液体体内内部部若若出出现现的极微小气泡的极微小气泡(新相新相)，气泡内为凹液面，压力为，气泡内为凹液面，压力为p。但小气泡受到的压力为：但小气泡受到的压力为：p外外=p大气大气+ps+p静静 p静静=gh ps=2/rpphhp?根据开尔文公式，气泡内液面上的液体饱和蒸气压为根据开尔文公式，气泡内液面上的液体饱和蒸气压为p pr r：所以，必须升高液体温度，使气泡凹液面的饱和蒸气压等所以，必须升高液体温度，使气泡凹液面的饱和蒸气压等于或超过于或超过p外外，才能使液体沸腾，这样就会引起过热导致，才能使液体沸腾，这样就会引起过热导致溶液暴沸。加入多孔沸石、毛细管等可避免暴沸。溶液暴沸。加入多孔沸石、毛细管等可避免暴沸。n微小气泡上承受着外压和很大的附加压力微小气泡上承受着外压和很大的附加压力n p=2/r.n p外外=p大气压大气压+2/r+p静静p大气ph亚稳态亚稳态v 过过饱饱和和蒸蒸气气、过过冷冷液液体体、过过热热液液体体和和过过饱饱和和溶溶液液等等均均是是亚亚稳稳态态。这这是是一一种种不不稳稳定定状状态。态。v 过过热热液液体体是是指指加加热热到到沸沸点点以以上上也也不不沸沸腾腾的的液液体体。沸沸腾腾时时，液液体体生生成成的的微微小小气气泡泡，液液面面呈呈凹凹面面。气气泡泡中中的的液液体体饱饱和和蒸蒸气气压压比比平平面面液体的小，且气泡越小，蒸气压越低。液体的小，且气泡越小，蒸气压越低。微小物质的化学势大微小物质的化学势大v气体中，小液滴的蒸气压低气体中，小液滴的蒸气压低v液体中，小气泡的蒸气压高液体中，小气泡的蒸气压高v粉末中，小晶体的熔点低粉末中，小晶体的熔点低v液体中，小晶体的溶解度大液体中，小晶体的溶解度大 亚稳态与新相难成亚稳态与新相难成 易蒸发，易升华，易融化，易溶解，其逆过程易蒸发，易升华，易融化，易溶解，其逆过程 难冷凝，难凝华，难凝固，难结晶。难冷凝，难凝华，难凝固，难结晶。共同特征：从原体系中形成新的相态，初成的共同特征：从原体系中形成新的相态，初成的 新相颗粒是极微小的，则新相颗粒是极微小的，则i大，大，微粒微粒很快很快蒸发蒸发 (升华，融化，溶解升华，融化，溶解),),形成亚稳态（介安体系）形成亚稳态（介安体系）过饱和蒸气过饱和蒸气 过冷液体过冷液体 过热液体过热液体 过饱和溶液过饱和溶液 亚稳态亚稳态固固液液气：易气：易气气液液固：难固：难v人工降雨对一些现象的解释人工增雨，降温节能人工增雨，降温节能人工增雨，驱除空气中的灰尘人工增雨，驱除空气中的灰尘v人人工工降降雨雨:将将粉粉末末状状干干冰冰或或AgI晶晶种种作作为为水水蒸蒸气气的的凝凝结结核核心心喷喷撤撤在在水水蒸蒸气气过过饱饱和和的的空空气气中中，使使水水蒸蒸气气形形成雨滴落下。成雨滴落下。v毛细凝聚现象毛细凝聚现象:v前面论及锄地可以切断地表毛细管，防止水分沿毛前面论及锄地可以切断地表毛细管，防止水分沿毛细管上升而蒸发，此外，切断的毛细管又易于使大细管上升而蒸发，此外，切断的毛细管又易于使大气中的水蒸气在其中凝聚，增加土壤水分，有利于气中的水蒸气在其中凝聚，增加土壤水分，有利于植物的生长。植物的生长。对一些现象的解释对一些现象的解释2024/8/27 周二习题习题5 5在夏天的乌云中，用飞机撒干冰微粒，使气温迅速降至298K，此时水蒸气发生过饱和，若过饱和度（p/p0）为4。试计算（1）此时，刚开始形成雨滴的半径是多少？（2）每一滴雨滴中含有多少水分子？v解解:(1)根据根据Kelvin公式，求在此饱和蒸气压时液滴的半径公式，求在此饱和蒸气压时液滴的半径 =7.49 10-102024/8/27 周二v（2 2）每一滴雨中含有多少水分子）每一滴雨中含有多少水分子8.3 吸附现象吸附现象表面活性物质表面活性物质非表面活性物质非表面活性物质Gibbs吸附公式吸附公式正吸附和负吸附正吸附和负吸附两亲分子在气液界面上的定向排列两亲分子在气液界面上的定向排列溶液的表面张力和吸附现象溶液的表面张力和吸附现象将溶质加入到溶剂中形成溶液时，溶液的表面张力随将溶质加入到溶剂中形成溶液时，溶液的表面张力随溶质浓度的变化大致可分为三种类型，如图所示。溶质浓度的变化大致可分为三种类型，如图所示。c 曲线曲线I，以水溶液而言，无机，以水溶液而言，无机盐、酸、碱、盐、酸、碱、蔗糖、甘油蔗糖、甘油等属于等属于此类。此类。曲线曲线II，许多有机酸、醇等属，许多有机酸、醇等属于此类。于此类。曲线曲线III，肥皂、合成洗涤剂等属于此类。，肥皂、合成洗涤剂等属于此类。溶液表面张力和吸附现象溶液表面张力和吸附现象表面活性物质表面活性物质 能使能使水水的表面张力的表面张力明显降低明显降低的的溶质溶质称为表面活性物质。称为表面活性物质。这种物质通常含有这种物质通常含有亲水的极性基团亲水的极性基团和和憎水的非极性基憎水的非极性基团的团的有机化合物。亲水基团进入水中，憎水基团企图离开有机化合物。亲水基团进入水中，憎水基团企图离开水而指向空气，在界面定向排列。水而指向空气，在界面定向排列。表面活性物质表面活性物质的的表面浓度大于本体浓度，增加单位面表面浓度大于本体浓度，增加单位面积所需的功较纯水小。非极性成分愈大，表面活性也愈大。积所需的功较纯水小。非极性成分愈大，表面活性也愈大。c非表面活性物质非表面活性物质 能使水的能使水的表面张力明显升高表面张力明显升高的溶质称为非表的溶质称为非表面活性物质。如无机盐和不挥发的酸、碱等。面活性物质。如无机盐和不挥发的酸、碱等。这些物质的离子有水合作用，趋向于把水分这些物质的离子有水合作用，趋向于把水分子拖入水中，非表面活性物质在子拖入水中，非表面活性物质在表面的浓度低于表面的浓度低于在本体的浓度在本体的浓度。如果要增加单位表面积，所作的功中还必须如果要增加单位表面积，所作的功中还必须包括克服静电引力所消耗的功，所以表面张力升包括克服静电引力所消耗的功，所以表面张力升高。高。它的物理意义是它的物理意义是：在单位面积的表面层中，所含溶质在单位面积的表面层中，所含溶质的物质的量与具有相同数量溶剂的本体溶液中所含溶的物质的量与具有相同数量溶剂的本体溶液中所含溶质的物质的量之差值质的物质的量之差值。即：。即：Gibbs吸附公式吸附公式正吸附和负吸附正吸附和负吸附吉布斯吸附公式：吉布斯吸附公式：1.1.d/dc0，增加溶质的浓度使表面张力升高，增加溶质的浓度使表面张力升高，G G为为负值负值，是，是负吸附负吸附。表面层中溶质浓度低于本体浓度。表面层中溶质浓度低于本体浓度。非表面活性物质属于这种情况。非表面活性物质属于这种情况。两亲分子在气液界面上的定向排列两亲分子在气液界面上的定向排列 根据实验，脂肪酸在水中的浓度达到一定数值后，根据实验，脂肪酸在水中的浓度达到一定数值后，它在表面层中的最大吸附量为一定值，与本体浓度无它在表面层中的最大吸附量为一定值，与本体浓度无关，并且和它的碳氢链的长度也无关。关，并且和它的碳氢链的长度也无关。这时，表面吸附已达到这时，表面吸附已达到饱和，脂肪酸分子合理的饱和，脂肪酸分子合理的排列是羧基向水，碳氢链向排列是羧基向水，碳氢链向空气。空气。两亲分子在气液界面上的定向排列两亲分子在气液界面上的定向排列 根据这种紧密根据这种紧密排列的形式，可以排列的形式，可以计算每个分子所占计算每个分子所占的截面积的截面积A Am m。式中式中L为阿伏加德罗常数，为阿伏加德罗常数，G G原来是最大吸附量，当达原来是最大吸附量，当达到饱和吸附时到饱和吸附时,G G 可以作为单位表面上溶质的物质的量。可以作为单位表面上溶质的物质的量。实验得到实验得到CnH2n+1X化合物在单分子膜中每个分子的截面积化合物在单分子膜中每个分子的截面积 化合物种类化合物种类 X a1020/m2 酯肪酸酯肪酸 -COOH 20.5 二元酯类二元酯类 -COOC2H5 20.5 酰胺类酰胺类 -CONH2 20.5 甲基酮类甲基酮类 -COCH3 20.5 甘油三酸酯类甘油三酸酯类 -COOCH2 20.5 饱和酸的酯类饱和酸的酯类 -COOR 22.0 醇类醇类 -CH2OH 21.68.5 表面活性剂及其应用表面活性剂分类常用表面活性剂类型临界胶束浓度亲水亲油平衡表面活性剂的重要作用起泡作用增溶作用乳化作用洗涤作用润湿作用表面活性剂分类 表面活性剂通常采用按化学结构来分类，表面活性剂通常采用按化学结构来分类，1.离子型2.非离子型阳离子型阴离子型两性型表面活性剂常用表面活性剂类型阴离子表面活性剂RCOONa羧酸盐R-OSO3Na 硫酸酯盐R-SO3Na磺酸盐R-OPO3Na2磷酸酯盐常用表面活性剂类型阳离子表面活性剂R-NH2HCl伯胺盐 CH3|R-N-HCl仲胺盐|H CH3|R-N-HCl叔胺盐|CH3 CH3|R-N+-CH3Cl-季胺盐|CH3常用表面活性剂类型两性表面活性剂R-NHCH2-CH2COOH 氨基酸型 CH3|R-N+-CH2COO-甜菜碱型|CH3常用表面活性剂类型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-(CH2CH2O)nH脂肪醇聚氧乙烯醚亲水亲油平衡(hydrophilic-lipophilic balance)对非离子型的表面活性剂，HLB的计算公式为：HLB值=亲水基质量亲水基质量+憎水基质量100/5例如：石蜡无亲水基，所以HLB=0 聚乙二醇，全部是亲水基，HLB=20。其余非离子型表面活性剂的HLB值介于020之间。亲水亲油平衡(hydrophilic-lipophilic balance)根据需要，可根据HLB值选择合适的表面活性剂。HLB值 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20|石蜡 W/O乳化剂 润湿剂 洗涤剂 增溶剂|聚乙二醇 O/W乳化剂临界胶束浓度(critical micelle concentration)胶束(micelle)胶束(micelle)胶束(micelle)胶束(micelle)表面活性剂的重要作用表面活性剂的重要作用1.1.起泡作用起泡作用 “泡泡”就是由液体薄膜包围着气体。有的表面就是由液体薄膜包围着气体。有的表面活性剂和水可以形成一定强度的薄膜，包围着空活性剂和水可以形成一定强度的薄膜，包围着空气而形成泡沫，用于浮游选矿、泡沫灭火和洗涤气而形成泡沫，用于浮游选矿、泡沫灭火和洗涤去污等，这种活性剂称为去污等，这种活性剂称为起泡剂起泡剂。也有时要使用也有时要使用消泡剂消泡剂，在制糖、制中药过程，在制糖、制中药过程中泡沫太多，要加入适当的表面活性剂降低薄膜中泡沫太多，要加入适当的表面活性剂降低薄膜强度，消除气泡，防止事故。强度，消除气泡，防止事故。表面活性剂的用途极广，主要有五个方面：表面活性剂的用途极广，主要有五个方面：表面活性剂的重要作用表面活性剂的重要作用表面活性剂的重要作用表面活性剂的重要作用2.2.增溶作用增溶作用 非极性有机物如苯在水中溶解度很小，加入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。增加，这称为增溶作用。增溶作用与普通的溶解概念是不同的，增溶增溶作用与普通的溶解概念是不同的，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。子形成的胶束中。经经X X射线衍射证实，增溶后各种胶束都有不同射线衍射证实，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。程度的增大，而整个溶液的的依数性变化不大。表面活性剂的重要作用表面活性剂的重要作用3.3.乳化作用乳化作用 一种或几种液体以大于一种或几种液体以大于1010-7-7m m直径的液珠分散在另一直径的液珠分散在另一不相混溶的液体之中形成的不相混溶的液体之中形成的粗分散粗分散体系称为乳状液。体系称为乳状液。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的不同可以形成以水为连续相的水包油水包油乳状液乳状液(O/W)(O/W)，或以油为连续相的，或以油为连续相的油包水油包水乳状液乳状液(W/O)(W/O)。有时为了破坏乳状液需加入另一种表面活性剂，有时为了破坏乳状液需加入另一种表面活性剂，称为称为破乳剂破乳剂，将乳状液中的分散相和分散介质分开。，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。例如原油中需要加入破乳剂将油与水分开。表面活性剂的重要作用表面活性剂的重要作用4.4.洗涤作用洗涤作用 洗涤剂中通常要加入多种辅助成分，增加对被清洗涤剂中通常要加入多种辅助成分，增加对被清洗物体的润湿作用，又要有起泡、增白、占领清洁表洗物体的润湿作用，又要有起泡、增白、占领清洁表面不被再次污染等功能。面不被再次污染等功能。其中占主要成分的表面活性其中占主要成分的表面活性剂的去污过程可用示意图说明：剂的去污过程可用示意图说明：A.A.水的表面张力大，对油污润湿水的表面张力大，对油污润湿性能差，不容易把油污洗掉。性能差，不容易把油污洗掉。洗涤作用洗涤作用 加活性剂将油加活性剂将油污和基质润湿污和基质润湿 增溶、从表面增溶、从表面置换，使置换，使油污油污离开基质表面离开基质表面 乳化、起泡、乳化、起泡、带走带走油污，占油污，占领领基质表面基质表面表面活性剂的重要作用浮游选矿浮游选矿 首先将粗矿磨碎，倾入浮选池中。在池水中加入首先将粗矿磨碎，倾入浮选池中。在池水中加入捕集剂和起泡剂捕集剂和起泡剂等表面活性剂。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。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。不含矿石的泥砂、岩石留在池底，定时清除。浮游选矿浮游选矿浮游选矿的原理图浮游选矿的原理图 选择合适的捕集剂，使选择合适的捕集剂，使它的亲水基团只吸在矿砂的它的亲水基团只吸在矿砂的表面，憎水基朝向水。表面，憎水基朝向水。当矿砂表面有当矿砂表面有5%被捕被捕集剂覆盖时，就使表面产集剂覆盖时，就使表面产生憎水性，它会附在气泡生憎水性，它会附在气泡上一起升到液面，便于收上一起升到液面，便于收集。集。表面活性剂的重要作用表面活性剂的重要作用5.5.润湿作用润湿作用 表面活性剂可以降低液体表面张力，改变接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。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；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，使接触角大于面活性剂，使接触角大于90。Fig.水滴在无任何修饰的聚四氟乙烯基底表面水滴在无任何修饰的聚四氟乙烯基底表面(左左)，水滴在水滴在PAH-D修修饰的聚四氟乙烯基底表面饰的聚四氟乙烯基底表面(右右)。润湿作用粘附功浸湿功铺展系数接触角当液体与固体接触时，液体能在固体表面上铺开，即原来的气-固界面被液固界面代替的过程叫做润湿。包括沾湿、浸湿，铺展三种情况粘附功(work of adhesion)l-sl-gs-gWa=G=l-s-l-g-s-g浸湿功(work of immersion)Wi=G=l-s-s-g铺展系数(spreading coefficient)S=G=g-l+l-s-s-g 0 接触角(contact angle)接触角的示意图：g-ls-gg-ls-gl-sOO平衡时有：平衡时有：s-g=l-s+g-l cos 杨氏（young）方程l-sWa=G=-l-g(1+cos)接触角测定仪接触角测定仪 接触角与润湿作用接触角与润湿作用完全不润湿 不润湿 能润湿 完全润湿Wa=G=-l-g(1+cos)润湿剂作用1 1。农药中要加表面活性剂以提高杀虫效果农药中要加表面活性剂以提高杀虫效果 润湿剂作用润湿剂作用2。0.1-0.25%的肥皂水可以杀灭水面蚊蝇的肥皂水可以杀灭水面蚊蝇海上石油泄漏可能导致大批海鸟死亡海上石油泄漏可能导致大批海鸟死亡石油泄漏的危害与治理石油泄漏的危害与治理 润湿剂作用润湿剂作用3 3。安瓿瓶和针剂管的玻璃内壁要疏水化。安瓿瓶和针剂管的玻璃内壁要疏水化 润湿剂作用4 4。用不同的活性剂制备疏水、疏油织物。用不同的活性剂制备疏水、疏油织物制备吸油不吸水的除油纤维和织物制备吸油不吸水的除油纤维和织物 润湿剂作用5 5。采油管和输油管内壁要。采油管和输油管内壁要亲水化亲水化以降低阻力以降低阻力6 6。热交换器的内壁要。热交换器的内壁要疏水化，疏水化，提高热效提高热效 润湿剂作用7 7。电焊、电镀、印刷、涂料中的润湿剂。电焊、电镀、印刷、涂料中的润湿剂v自然界中的“超疏水”与人工合成的“超疏水”v超疏水材料的应用v如何制备超疏水材料超疏水材料仿生界面化学 表面的防水与自洁作用表面的防水与自洁作用莲花效应莲花效应自然界中的“超疏水”与人工合成的“超疏水”植物界中的“超疏水”自清洁作用一些植物的叶子为什么需要一些植物的叶子为什么需要“自清洁自清洁”上述图文材料摘自从自然到仿生的超疏水纳米界面材料科技导报,第23卷,第2期 2005 年2月，作者：江雷 研究员 中科院化学所 动物界中的“超疏水”超疏水材料对我们有什么用？表面的防水与自洁作用 通过化学蒸镀法，将纳米丝进行地毯状组装。纳米丝，免洗布 水在这种超级不易被水沾湿的纳米丝上形成球形水滴 水滴迅速滑落，并将讨厌的灰尘粒子带走。超双疏性界面 由下到上、由原子到分子、由分子到聚集体，外延生长形成纳米尺寸和几何形状互补的界面，使物体表面覆盖一层气体薄膜，起到疏水、疏油的目的。表面的防水与自洁作用 在输油管的内壁、各种建材、包装材料、布匹等方面应用有重大意义。150o5o“水不沾、油不沾、墨不沾”鄂尔多斯羊绒衫 超双亲性界面 在表面的纳米区域形成亲水和亲油的二元协同的界面结构，在玻璃和瓷砖等建筑材料表面具有自洁和防雾的效果。表面的防水与自洁作用 在血管和人造器官表面进行修饰，可以防止血栓的形成。在 镜子、眼镜、橱窗、暖房薄膜、防毒面具和军用车辆视窗等方面应用也有重要意义。表面的防水与自洁作用表面的防水与自洁作用 石料和建筑材料表面的保护石料和建筑材料表面的保护自清洁建筑超疏水材料的其他用途v卫星天线、电线防积雪v空调防积水v冰箱防积霜L.Zhang et al.Journal of Colloid and Interface Science 319(2008)302308L.Zhang et al.Chem.Mater.2007,19,948-953超疏水材料的制备方法8.3.2 气-固体界面吸附v固体表面特性v气固界面吸附v液固界面吸附v润湿作用8.3.2 固体表面的特性 1 固体表面上的原子或分子是定位的。2 固体表面是不均匀的。3 同种晶体由于制备、加工不同，会具有不同的表面性质，会有晶格缺陷、空位和位错等。正由于固体表面原子受力不对称和表面结构不均匀性，它