专题讲解-界面现象-胶体化学
天津大学胶体与表面化学课件第四章界面现象和吸附
所以： wr
dAs
- 表面张力， 表示液体增加单位表面 积时，环境所做的可逆功，单位 J. m-2。
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由于恒T、P下，可逆非体积功等于系统的Gibbs函数变
wr dGT .P dA
所以：
(
G As
)T
.P
所以也称为增加单位表面积时增加的Gibbs函数， 单位 J.m-2。
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注：表面张力:
F / 2l
单位面积表面功:
wr
dAs
单位面积表面Gibbs函数:
( G As
)T .P
三者虽为不同的物理量，但三者单位均可
化为 N.m-1 。
因为: N.m-1 = N.m/m2 = J/m2
根据Van’t Hoff 等压方程
吸附平 衡常数
吸附热
ln
Kp
H RT
ln
C
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设: A + S 平衡 CgA
A-S CsA
Kp
C As
C
g A
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因为 CsA与色谱的保留体积VR成正比（即CsA∞ VR ）。
C
s A
C
g A
KVR
Kp
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二、热力学公式：（先考虑系统内只有一个相界面）
dG SdT Vdp dn B() B() dA B
du Tds PdV dn B() B() dA B
界面和胶体化学基础PPT讲稿
T ,P, ,nj
i
A ni
T ,P ,
,n j
i
Ai
i is Ai , Ai 0, i is
当前你正在浏览到的事第十三页PPTT，方程
对纯液体
i i , is i ,s ,
i
,s i
Ai
i i
is
,s i
分为如图12-31所示的亲水基和憎水基部分：
当前你正在浏览到的事第十九页PPTT，共一百二十二页。
2.1表面活性剂分类
表面活性剂的种类繁多，但其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，离子型中又可分为阳离子型、阴离子型和两性 型表面活性剂。显然阳离子型和阴离子型的表面活性剂不能混用，否则可能 会发生沉淀而失去活性作用。
用扭力天平测出它施加在AA边上的压力。这种膜天平的准确度
可达1×10-5N/m。
当前你正在浏览到的事第十一页PPTT，共一百二十二页。
Langmuir膜天平
如果用表面压 对表面积A作等温线(A图)，可以 看到A图因分子的本性不同或温度不同而不同。 当表面膜行为象二维理想气体时，它的状态方程为：
A n RT
表面活性剂
1.离子型 2.非离子型
阳离子型 阴离子型 两性型
当前你正在浏览到的事第二十页PPTT，共一百二十二页。
常用表面活性剂类型
RCOONa 羧酸盐
阴离子表面活性剂
R-OSO3Na R-SO3Na R-OPO3Na2
硫酸酯盐 磺酸盐
磷酸酯盐
如肥皂一般是含碳14～18个的羧酸盐，这类表面活性剂一般不适用于硬水
1s 2b 1b 2s
胶体和界面化学的应用和研究
胶体和界面化学的应用和研究胶体和界面化学是化学科学的一个重要分支，是研究物质的微粒子、胶体及其与表面的相互作用的领域。
该领域的发展促进了各种化学工业的应用，包括制药、食品、化妆品、涂料、油漆、纸张、染料、催化剂等，具有广泛的应用前景和意义。
一、胶体学及其应用胶体学是研究稳定的粒子组合体，一般称之为胶体。
其研究包括胶体粒子、胶体溶液、胶体微乳液、胶体膜等。
胶体学主要研究胶体的形成、结构、性质等方面，可以广泛应用于化学、生物学、药学、环境治理等领域。
1、制药领域胶体化学在药物溶解度，注射系统、缓释统的制备及药物靶向传递等方面具有广泛的应用。
纳米胶体、脂质体、微粒子及黏土纳米管等介质可以带有药物分子并对药物进行保护，并可通过靶向递送技术增强生物利用度和细胞渗透能力。
2、器械制造领域胶体技术广泛应用于纳米器械的制造和表面修饰。
纳米计算机、微流控芯片、纳米发电机、柔性屏幕等都是胶体技术在器械制造的重要应用，这些先进的器械与传统器械相比，功能更加强大、精度更高、生产成本低等优点明显。
3、食品工业领域胶体化学主要应用于食品中蛋白质胶体、乳香粘稠体、胶囊等的研究和制备，胶体技术可保留植物营养素，提高食品的营养价值和品质。
4、环境治理领域胶体技术也可以广泛应用于环境污染控制和废弃物处理等方面。
如通过胶体介质技术可以过滤污水中的某些有害物质，去除水中的油脂、金属离子和有机污染物等。
此外，生物胶体也可用于生物有机物的处理。
二、界面化学及其应用界面化学是专门研究分界面现象和分界面行为的一门学科。
其研究表面的物理、化学和结构特征，可以广泛应用于非线性光学、化学反应、电化学、材料科学等领域。
1、非线性光学领域界面化学在非线性光学领域的应用主要是在光纤通信中。
其原理是通过在光纤的内部沉积金属纳米颗粒或光敏介质，利用人工制备的代谢介质和天然光学介质间的巨大界面反应更新了非线性光学物质。
由于其光电性能得到提高，光学计算机，数据存储系统，光学集成电路的发展将应用它的先驱技术。
胶体与界面化学
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2020/4/23
前言
1806年，拉普拉斯（place）导出了弯曲液面两边附加 压力与界面张力和曲率半径的关系.可用该公式解释毛细管现 象。1869年普里（A.Dapre）研究了润湿和黏附 现象，将黏 附功与界面张力联系起来。界面热力学的奠基人吉布斯 （Gibbs）在1878年提出了界面相厚度为零的吉布斯界面模型， 他还导出了联系吸附量和界面张力随体相浓度变化的普遍关 系式即著名的吉布斯吸附等温式。1859年，开尔文（Kelvin） 将界面扩展时伴随的热效应与界面张力随温度的变化联系起 来。后来，他又导出蒸汽压随界面曲率的变化的方程即著名 的开尔文方程。
在一个非均匀的体系中,至少存在着两个性质不同的相。两 相共存必然有界面。可见，界面是体系不均匀性的结果。 一般指两相接触的约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。
常见的界面有：气-液界面，气-固界面，液-液界面， 液-固界面，固-固界面。
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2020/4/23
1.1表面和界面(surface and interface)
几点说明：
1、严格讲，界面是“界”而不是“面”。因客观存在的界面 是物
理面而非几何面，是一个准三维的区域。
2、目前，常用于处理界面的模型有两种：一为古根海姆
（Guggenheim）模型。其处理界面的出发点是：界面是一个
胶体化学作为一门学科来说，它的历史比较一致的看法 是从1861年开始的，创始人是英国科学家Thomas Graham， 他系统研究过许多物质的扩散速度，并首先提出晶体和胶体 （colloid）的概念，制定了许多名词用来形容他所发现的
物理化学界面现象与胶体
况下)数据如下:
兰格缪尔吸附等温式基本假设如下:
(1)外表是匀称的,吸附剂外表原子力场有剩余价力,能吸附气体分子 P(kP)0.5241.7313.0584.5347.49710.327V(cm3)0.9873.0435.0827.0471
物质的浓度，或分压与它在体相中不同的现象称为吸附。
示。
2.吸附剂:在气-固界面上发生吸附时，固体是起吸附作用的物质，称
或
为吸附剂；
1.弗仑德利希(Freundlich)公式：
3.吸附质:气体是被吸附的物质，称为吸附质。
弗仑德利希依据试验,总结出吸附的阅历公式:
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或
肯定温度下，弯曲液面的附加压力与液体的外表张力成正比，与曲率
半径成反比，其关系为：Δp = 2γ/r
上式为杨氏方程。
此式称为拉普拉斯方程。式中，r 为液面的曲率半径。
肯定温度与压力下，接触角与润湿程度有如下关系：
二.液体对固体的润湿作用
(1) 若液-固界面张力大于气-固外表张力，则,。此时不润湿。当时，
由于凹液面的附加压力Δp 0，使管内液面所受的压力小于管外平液面所 层单分子层或多分子层单分子层
受的压力，因此管外的液体将自动流入管内，导致管内液柱上升，直到上
吸附速率
升的液柱，高度为 h，所产生的静压力ρgh 等于附加压力Δp 时，系统到
较快，不受温度影响，一般不需要活化能较慢，随温度升高速率加快，
1.润湿
则为完全不润湿。
润湿是指当液体接触固体时，原有的气-固外表或气-液外表自动地被
(2) 若液-固界面张力小于气-固外表张力，，。此种状况称为润湿。
天津大学胶体与表面化学课件第四章界面现象和吸附
（1）相界面性质与物质本性有关 通常：极性分子：大；非极性分子： 小。
如果：两液相之间的界面张力：
1212
（Antonoff 规则 34.4 ）
1，2分别为两个相互饱和的液体的表面张力。
（例：苯层28.8, 水层63.2) 。不是液体(苯28.4)与含有本 身蒸气的空气相接触时测量值。
（2）温度：
注：表面张力:
F/2l
单位面积表面功:
wr
dA s
单位面积表面Gibbs函数:
( G As
)T .P
三者虽为不同的物理量，但三者单位均可
化为 N.m-1 。
因为: N.m-1 = N.m/m2 = J/m2
二、热力学公式：（先考虑系统内只有一个相界面）
d G S d VT d Bp B ( )dB ( )n dA d T u d Ps d B V B ( )dB ( )n dA
(adsorption isotherm)
吸附等压线 (adsorption isobar)
150 53.3kPa 13.3kPa
100 5.3kPa
93.3kPa
50
150 200 250 300 350 400 450 T/K
P/kPa
吸附等量线 (adsorption isochore)
100 80 60 40 20
第四节 固体表面的吸附作用
Adsorption on the surface of solid
一、物理吸附和化学吸附
按吸附质与吸附剂间作用力本质的不同， 可将吸附分 为物理吸附与化学吸附。物理吸附时，两者分子间以范德 华引力相互作用；在化学吸附中，两者分子间发生部分或 全部的电子转移，是以化学键相结合。
造纸过程的胶体与界面化学
造纸过程的胶体与界面化学造纸术作为中国古代的四大发明之一，对于人类文明的发展起到了重要的推动作用。
如今，随着科技的进步，现代造纸工业已经发展成为一个高度复杂且精细的产业。
在这个过程中，胶体与界面化学发挥着不可忽视的作用。
本文将探讨造纸过程中胶体与界面化学的原理及应用。
一、胶体化学在造纸过程中的应用胶体化学是研究胶体体系的科学，胶体系由胶体颗粒分散在连续介质中形成。
在造纸过程中，纸张的形成就是纤维、填料和其他添加剂在水中形成胶体态的过程。
因此，胶体化学对于纸张的形成和性能具有重要影响。
首先，纤维在造纸过程中是核心原料，其分散和聚集状态直接影响纸张的匀度和强度。
纤维在水中形成胶体分散体系，需要通过胶体化学原理来调控纤维的分散和聚集，以获得理想的纸张结构。
其次，填料和添加剂也是造纸过程中不可或缺的成分。
它们可以改善纸张的光学性能、印刷性能和其他特殊性能。
这些添加剂在纸张中的分散和分布同样受到胶体化学原理的调控。
二、界面化学在造纸过程中的应用界面化学是研究不同相之间界面现象的科学，在造纸过程中涉及到液-液界面、固-液界面等多种界面现象。
这些界面现象对于纸张的性能和加工过程具有重要影响。
在造纸过程中，纤维、填料和其他添加剂需要在水中充分分散，然后经过压榨、干燥等工序形成纸张。
在这个过程中，纤维之间的相互作用、纤维与填料和添加剂之间的相互作用都涉及到界面化学问题。
通过调控这些界面相互作用，可以改善纸张的强度、韧性、吸水性等关键性能指标。
此外，在造纸过程中使用的各种化学品（如助留剂、助滤剂、湿强剂等）也涉及到界面化学问题。
这些化学品需要在纸张形成过程中与纤维、填料等组分发生相互作用，以实现特定的功能。
界面化学原理可以帮助我们理解和调控这些相互作用，从而提高造纸过程的效率和纸张的性能。
三、总结与展望总的来说，胶体与界面化学在造纸过程中发挥着重要作用。
通过深入研究胶体与界面化学原理，我们可以更好地理解和调控造纸过程中的各种物理和化学现象，从而提高纸张的性能和降低生产成本。
天津大学胶体与表面化学课件第四章界面现象和吸附
所以也称为增加单位表面积时增加的Gibbs函数， 单位 J.m-2。
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注：表面张力:
F / 2l
单位面积表面功:
wr
dAs G ( )T . P As
单位面积表面Gibbs函数:
三者虽为不同的物理量，但三者单位均可 化为 N.m-1 。
因为: N.m-1 = N.m/m2 = J/m2
2 cos 2 0 h g r g r
0
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3、测定液体表面张力的方法：
（1）毛细管上升法 ( capillary rise )
液体沿毛细管上升的力与液体的重力平衡。
2r cos r gh
2
所以：
ghr 2 cos
定义铺展系数为： S
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Gs s l ls
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第四节 固体表面的吸附作用
Adsorption on the surface of solid
一、物理吸附和化学吸附
按吸附质与吸附剂间作用力本质的不同， 可将吸附分 为物理吸附与化学吸附。物理吸附时，两者分子间以范德 华引力相互作用；在化学吸附中，两者分子间发生部分或 全部的电子转移，是以化学键相结合。
（1）沾湿（ adhensional wetting ）
（2）浸湿（immersional wetting）
（3）铺展 （spreading
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wetting）
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沾湿：气-固，气-液界面消失，形成液-固界面的过程。
气 液 固
液
固
对单位面积沾湿过程：
G ls l s l (1 cos )
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表面吉布斯自由能和表面张力
1、界面：
密切接触的两相之间的过渡区（约几个分子的厚度）称为界面（interface），
通常有液－气、液－固、液－液、固－气、固－液等界面，如果其中一相为气体，
这种界面称为表面（surface）。
2、界面现
象：
由于界面两侧的环境不同，因此表面层的分子与液体内的分子受力不同：
1.液体内部分子的吸引力是对称的，各个方向的引力彼此抵销，总的受力效果是
合力为零；
2.处在表面层的分子受周围分子的引力是不均匀的，不对称的。
由于气相分子对表面层分子的引力小于液体内部分子对表面层分子的引
力，所以液体表面层分子受到一个指向液体内部的拉力，力图把表面层分子拉入
内部，因此液体表面有自动收缩的趋势；同时，由于界面上有不对称力场的存在，
使表面层分子有自发与外来分子发生化学或物理结合的趋势，借以补偿力场的不
对称性。由于有上述两种趋势的存在，在表面会发生许多现象，如毛细现象、润
湿作用、液体过热、蒸气过饱和、吸附作用等，统界面现象。
3、比表面（Ao）
表示多相分散体系的分散程度，定义为：单位体积（也有用单位质量的）的物质
所具有的表面积。用数学表达式，即为：
A0=A/V
高分散体系具有巨大的表面积。下表是把一立方厘米的立方体逐渐分割
成小立方体时，比表面的增长情况。高度分散体系具有巨大表面积的物质系统，
往往产生明显的界面效应，因此必须充分考虑界面效应对系统性质的影响。
边长 l/cm 立方体数 表面积A/cm2 比表面A0/cm-1 线性大小与此相近的体系
1 1 6 6 ——
10-1 103 6×10 6×10 ——
10-2 106 6×102 6×102 牛奶内的油滴
10-3 109 6×103 6×103 ——
10-4(=1μm) 1012 6×104 6×104 ——
10-5 1015 6×105 6×105 藤黄溶胶
10-6 1018 6×106 6×106 金溶胶
10-7(=1nm) 1021 6×107 6×107 细分散的金溶胶
4、表面功
在温度、压力和组成恒定时，可逆地使表面积增加dA所需要对体系做的功，
称为表面功（ω’）。
-δω’=γdA
(γ:表面吉布斯自由能，单位：J.m-²)
5、表面张力
观察界面现象，特别是气-液界面的一些现象，可以觉察到界面上处处存
在着一种张力，称为界面张力（interface tension）或表面张力（surface
tension）。它作用在表面的边界面上，垂直于边界面向着表面的中心并与表面
相切，或者是作用在液体表面上任一条线两侧，垂直于该线沿着液面拉向两侧。
如下面的例子所示：
计算公式：
-δω'= γdA ……（1）
式中 γ是比例常数，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作的非膨胀功。
我们从另一个角度来理解公式(1)。先请看下面的例子。
从上面的动画可知：肥皂膜将金属丝向上拉的力就等于向下的重力（W1+W2），即
为