溶液表面的吸附现象.
溶液的表面吸附
s s A s A
G = n µ + n µ + Aγ
s s A s A s B s B
s A s A s B s B s B s B
dG = n dµ + µ dn + n dµ + µ dn + γdA + Adγ
表面热力学基本关系式: 表面热力学基本关系式
dG = − S dT + V dp + µ dn + µ dn
代入吉布斯等温吸附式 b′γ 0 a2 Γ2 = ⋅ ' RT K + a2 Ka2 Γ2 = Γ∞ ⋅ 1 + Ka2
两亲分子在气液界面上的定向排列
根据实验， 根据实验，脂肪酸在水中的浓度达到一定数值 后，它在表面层中的超额为一定值，与本体浓度无 它在表面层中的超额为一定值， 关，并且和它的碳氢链的长度也无关。 并且和它的碳氢链的长度也无关。 这时， 这时，表面吸附已达到 饱和，脂肪酸分子合理的 饱和， 排列是羧基向水， 排列是羧基向水，碳氢链向 空气。 空气。
溶液的表面吸附
溶液的表面张力
H 2O
C2H5OH (aq)
NaCl (aq)
溶液的表面张力不仅与温度、压力有关， 溶液的表面张力不仅与温度、压力有关， 并且还与溶液的种类和浓度有关。 并且还与溶液的种类和浓度有关。
溶质对表面张力的影响
1.
d γ / dc > 0
非表面活性物质 无机盐、不挥发酸碱
γ
n dµ + n dµ + Adγ = 0
s A s A s B s B
溶液相, 由吉布斯-杜亥姆方程 溶液相 由吉布斯 杜亥姆方程 Gibbs-Duhem equation
溶液表面吸附的测定
溶液表面吸附的测定一、实验目的1、采用最大泡压法测定不同浓度的乙醇水溶液的表面张力2、根据吉布斯吸附公式计算溶液表面的吸附量和乙醇分子的横截面积二、实验原理1、表面自由能 从热力学观点看，液体表面缩小是一个自发过程，这是使体系总的自由能减小的过程。
如欲使液体产生新的表面△A ，则需要对其作功。
功的大小应与△A 成正比：A W ∆=σ-式中σ为液体的表面自由能，亦称表面张力。
它表示了液体表面自动缩小趋势的大小，其量值与液体的成分、溶质的浓度、温度及表面气氛等因素有关。
2、溶液的表面吸附 纯物质表面层的组成与内部的组成相同，因此纯液体降低表面自由能的唯一途径是尽可能缩小其表面积。
对于溶液，由于溶质能使溶剂表面张力发生变化，因此可以调节溶质在表面层的浓度来降低表面自由能。
根据能量最低原则，溶质能降低溶剂的表面张力时，表面层溶质的浓度比溶液内部大；反之，溶质使溶剂的表面张力升高时，表面层中的浓度比内部的浓度低。
这种表面浓度与溶液内部浓度不同的现象叫做溶液的表面吸附。
显然，在指定的温度和压力下，溶质的吸附量与溶液的表面张力及溶液的浓度有关，从热力学方法可知它们之间的关系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程：Tdc dσRTc-Γ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛= 式中：Γ为表面吸附量(单位：mol·m -2)；T 为热力学温度(单位：K)；c 为稀溶液浓度(单位：mol·dm -3)；R 为气体常数。
T dc dσ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛<0，则Γ>0，称为正吸附；Tdc dσ⎪⎪⎭⎫⎝⎛>0，则Γ<0，称为负吸附。
以表面张力对浓度作图，即得到c -σ曲线，在c -σ曲线上任选一点作切线，如图12.1所示，即可得该点所对应浓度c i 的斜率：()T i c d /d σ，图12.1 表面张力与浓度的关系其中： ()T i i c c MN d /d σ-= 则： RT MN /=Γ，根据此式可求得不同浓度下各个溶液的Γ值。
电极溶液界面的吸附现象
电极溶液界面的吸附现象
电极溶液界面的吸附现象是电化学研究中的重要现象之一，它是描述电化学过程中离子、分子在电极表面的吸附现象。
在电化学反应过程中，电极表面的离子、分子与电极之间存在一种相互作用，称为电化学吸附，它极大地影响着电化学反应的速率和机理。
1. 离子吸附
离子与电极表面间的吸附作用可以是物理吸附或化学吸附。
物理吸附是指离子与电极表面通过静电相互作用而产生的吸附作用；化学吸附是指离子与电极表面形成化学键而产生的吸附作用。
离子吸附是电极表面电荷的来源，对电极的反应速率和反应路径有影响。
3. 水合物吸附
许多离子在溶解于水中时与水分子形成水合物，而这些水合物和离子可吸附在电极表面。
水合物吸附对电解质电导度的测量、离子交换、膜生长等过程有着重要的影响。
在电化学研究中，吸附现象对电极的反应活性有着重要的影响。
通过研究电极表面的吸附现象，可以揭示反应过程中离子或分子吸附的量、类型和质量分布等信息，从而促进电化学反应的研究和探索。
溶液表面的吸附现象
脂肪酸吸附量大小顺序为： 甲酸<乙酸<丙酸<丁酸<……
表面活性物质
能使水的表面张力明显降低的溶质称为表面活性物质。
这种物质通常含有亲水的极性基团和憎水的非极性碳链或碳环(或称亲油 基团)有机化合物。简称两亲分子。
溶于水中时，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。
表面活性剂的效率与有效值在数值上常常是相反的。例如，当憎水基团的 链长增加时，效率提高而有效值降低。
两亲分子在气液界面上的定向排列
两表面活性剂分子在低浓度时，主 要分布在水面上。当浓度达到一定数值 后，它在表面层中的超额为一定值，与 本体浓度无关，并且和它的碳氢链的长 度也无关。这时，表面吸附已达到饱和， 分子合理的排列是亲水基基向水，碳氢 链向空气。
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
表面活性剂效率和有效值
表面活性剂效率 使水的表面张力明显降低所需要的表面活性剂的浓度。显然，所需浓度愈 低，表面活性剂的性能愈好。
表面活性剂有效值 能够把水的表面张力降低到的最小值。显然，能把水的表面张力降得愈低， 该表面活性剂愈有效。
2质.浓度( 低c>于0)，本T 增体加浓溶度质。2表的面浓惰度性使物表质面属张于力这升种高情，况G。为负值，是负吸附。表面层中溶
表面活性物质
有研究表明，一些短链的表面活性物质表面张力几 乎相等，但是，当将他们溶于水中后，使水表面张力降 低的能力却不相同，相应地，其吸附量也有所不同。
溶液的表面吸附
二、溶液的表面吸附和吉布斯吸附等温式
（一）溶液的表面吸附现象 温度为T 温度为 ，压力为 p 时，表面吉布斯能 G表面 = σ A， ， dGT,p< 0 的自发方向： 的自发方向： 自动缩小。 纯液体 ：指定温度下σ 为定值，A自动缩小。 自动缩小 溶液： σ 不仅是温度的函数，还和组成有关。溶液不仅会 溶液： 不仅是温度的函数，还和组成有关。 自发使表面积缩到最小， 自发使表面积缩到最小，还会尽可能改变表面浓度使表面张 力降到最低。 力降到最低。
一、溶液的表面张力和浓度之间的关系
II.一些极性较强的小 一些极性较强的小 分子有机物如醇、 分子有机物如醇、醛、 酯等， 酸、酯等，虽然也溶于 水，但和溶剂间的相互 作用力较弱。 作用力较弱。 这一类溶液的表面张 力随浓度的增大而缓慢 下降。 下降。 III.表面活性剂溶液在低浓度时，溶液的表面张力随浓度 III.表面活性剂溶液在低浓度时， 表面活性剂溶液在低浓度时 的增加而急剧下降，当达到一定浓度后，表面张力值趋于稳定， 的增加而急剧下降，当达到一定浓度后，表面张力值趋于稳定， 不再随浓度的增加而改变。 不再随浓度的增加而改变。 表面活性剂是一些分子量较大， 表面活性剂是一些分子量较大，同时具有较强极性和非极性 基团结构的溶质，如烷基磺酸盐、羧酸盐等。 基团结构的溶质，如烷基磺酸盐、羧酸盐等。
二、溶液的表面吸附和吉布斯吸附等温式
2．实验方法 ． 测定溶液在不同浓度c 测定溶液在不同浓度 时 的表面张力σ ，根据所测数 据用浓度c 据用浓度 对表面张力σ 作 图。 再用图解法求出所绘表面 张力等温线各指定浓度点切 线的斜率， 线的斜率，根据吉布斯公式 可以求出各浓度下溶液的表 面吸附量。 面吸附量。 曲线。 用所得结果绘制Γ-c曲线。 曲线
固体在溶液中的吸附实验报告
固体在溶液中的吸附实验报告
实验目的：研究固体在溶液中的吸附现象。
实验原理：固体在溶液中的吸附是指固体表面对溶液中的溶质发
生吸附作用。
吸附过程涉及到物质的表面化学性质和溶液中的溶质分
子结构，吸附剂的表面可以通过物理吸附和化学吸附两种方式发生吸
附作用。
实验步骤：
1. 准备实验装置：取一定量的固体样品并将其放置在一个玻璃容器中。
2. 准备溶液：根据实验需要，配制出一定浓度的溶液。
3. 将溶液倒入玻璃容器中，与固体样品接触。
4. 让溶液和固体样品充分接触，并保持一定的反应时间。
5. 根据实验要求，可以调节温度、PH值等条件，观察吸附效果的变化。
6. 取出固体样品，用适当的方法对其进行分析和测量，以获得吸附量
的数据。
7. 根据实验结果，分析固体在溶液中的吸附现象，并总结影响吸附效
果的因素。
实验结果：根据实验数据，可以得到固体在溶液中的吸附量，并
可以通过吸附等温线等图像来描述吸附效果。
实验结论：根据实验结果，可以得出固体在溶液中的吸附效果受
到多种因素的影响，包括溶液浓度、温度、PH等条件。
吸附等温线的
形状可以提供一定的信息，如吸附类型（物理吸附或化学吸附）和吸
附强度等。
实验总结：固体在溶液中的吸附现象是一个复杂的过程，需要考
虑多个因素的影响。
通过实验可以了解吸附行为，并为实际应用中的
吸附分离、废水处理等提供参考。
在实验过程中，需要注意实验条件
的准确控制和数据的准确测量，以保证实验结果的可靠性。
表面络合吸附
表面络合吸附
表面络合吸附（surface complexation adsorption）指的是溶
液中各种离子与固体表面形成络合键，从而被固体吸附的一种现象。
这种吸附方式在地质化学、环境化学和水处理等领域中具有广泛的应用。
一般情况下，表面络合吸附包括以下步骤：
第一步，固体表面的官能团与溶液中的离子发生化学反应，形成
化学络合物。
这些官能团可能是负电荷基团，如氧化物表面上的羟基、胶体表面上的硅酸基等，也可能是正电荷基团，如适量引入的铁离子。
第二步，离子以化学络合物的形式，从溶液中转移到固体表面。
这个过程需要一定能量，并且与带电的固体表面极性有关。
第三步，离子被牢牢地捕获在固体表面上，并且与表面的官能团
形成牢固的成键。
这个过程可以通过化学和物理实验手段来检测。
在环境化学和水处理中，表面络合吸附的应用广泛而重要。
例如，在地下水净化过程中，铁氧化物或铝氧化物作为吸附剂捕获水中的痕
量重金属，从而使水质得到改善。
此外，在土壤中，表面络合吸附是
影响污染物分布和流动的关键因素之一。
总的来说，表面络合吸附是一种重要的化学现象，它在环境化学
和水处理领域有着广泛的应用。
通过理解各种离子与固体表面的相互
作用，我们可以更好地处理和净化我们所处的环境。
化学表面化学练习题表面吸附和界面现象
化学表面化学练习题表面吸附和界面现象化学表面化学练习题：表面吸附和界面现象表面吸附和界面现象是化学中重要的概念，对于理解材料的特性及其应用具有重要意义。
本文将围绕表面吸附和界面现象展开论述，探讨相关练习题，旨在帮助读者进一步理解和应用相关知识。
1. 吸附现象是指气体、液体或固体在与表面接触的情况下，被物质的表面吸附或附着的现象。
根据吸附力的强弱，可以将吸附分为物理吸附和化学吸附。
2. 物理吸附主要由范德华力引起，其吸附速度快，吸附热较低；化学吸附则需要化学键的形成和断裂，吸附速度较慢，吸附热较高。
3. 表面活性剂是一类能够降低液体表面或液-固界面的表面张力的物质。
常见的表面活性剂包括阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂和两性表面活性剂。
4. 表面活性剂具有乳化、分散、润湿等特性，被广泛应用于液体洗涤剂、乳化剂、润滑剂等领域。
5. 分散系统中，存在两种无序排列的结构，即胶束结构和微乳液结构。
胶束结构是表面活性剂在溶液中形成的球形结构，其中疏水基团聚集在内，疏水基团聚集在外；微乳液结构是指表面活性剂和一定量的溶剂形成的连续的液滴结构。
6. 界面张力是液体与气体或液体与液体交界面上的单位长度所受的力，常用符号为γ。
根据界面上的液体种类不同，可以将界面张力分为气液界面张力和液液界面张力。
7. 洗涤剂对界面张力有明显影响，能够降低液体表面的张力，使表面张力减小，达到润湿和乳化的效果。
8. 表面活性剂的胶束结构对其性能具有重要影响。
胶束的大小与表面活性剂的浓度有关，随着浓度的增加，胶束的大小逐渐增大，直至形成连续的液滴。
9. 色散系统中的分散相通常是固体微粒，而分散介质可以是气体、液体或固体。
颗粒的大小和分散体系的粘度都会影响分散体系的流变性质。
10. 界面活性剂的添加对分散系统的流变性质有重要影响，可以改变其黏度、流变曲线的形状和流动特性。
总结起来，表面吸附和界面现象是化学中不可忽视的重要现象。
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棒状
10
表面活性物质
在临界胶束浓度前后, 除表面张力外, 电导率, 渗透压, 蒸气压, 光学性质, 去污能力及增溶作用等皆有很大差异.
去污能力 电导率 增溶作用
渗透压
性质
表面张力
摩尔电导
C.M.C
浓度
• 表面活性剂溶液的性质与浓度关系示意图
11
表面活性物质
HLB法: HLB意指亲水亲油平衡(Hydrophile-Lipophile Balance). 用HLB值的大小表示每种表面活性物质的亲水性, HLB值愈大, 亲水性愈强. 该值可作为选择表面活性剂的参考.
(1)去污作用
肥皂的成份是硬脂酸钠(C17H38COONa), 是一种阴离子表 面活性剂. 肥皂能减小水与衣物的界面张力, 增大衣物与油污 之间的接触角而使衣物变为憎油. 这样, 油污经机械摩擦和水 流带动而很容易脱落, 并被肥皂液乳化而分散在水中.
水(w)
σow
σsw大 σso
油(o) 固(s)
洗涤前
β相 Vβ(实) cBβ
b
b
σ界面层 Vσ(实)
s
a
a
α相 V α(实) cBα
β相 Vβ cBβ σ界面相
Vσ= 0
α相 V α cBα
V = Vσ(实) + Vβ(实) + V α(实) V = Vσ+ Vβ • 实际溶液界面(左)与吉布斯界面模型(右)
h
h
cβ(溶剂)
cα(溶剂) cβ(溶质) cα(溶质)
质. 习惯上指溶入少量就能显著降低溶液表面张力的物质.
• 表面活性剂显著降低水的表面张力. (左) 将硫(密度2.1g/cm3)小心地放 到水面上, 水－硫界面张力大而难 以增大其界面积, 使硫不能浸湿. (右) 向水中滴入几滴清洁剂, 水－ 硫界面张力减小, 硫沉入水底.
2
表面过剩与吉布斯吸附等温式
对于恒温恒压下的二元系统, 有
dGσ =γdAs + µ1dn1σ + µ2dn2σ µ1和µ2 分别为界面相中溶剂和溶质的化学势, 因吸附平衡, 也
分别是同一物质在溶液本体中的化学势.
在各强度性质恒定的情况下对上式进行积分, 可得
G σ = µ1n1σ + µ2n2σ + γAs dG σ =µ1dn1σ +n1σdµ1 +µ2dn2σ +n2σdµ2 +γdAs +Asdγ
• 实际界面(实线)与吉布斯模型(虚线) 中不同高度处溶剂和溶质的浓度
单位界面过剩量ΓB:
对任一总量为nB 的 s 组分B,
ΓB def
nB −VαcαB −V βcBβ As
吉布斯界面的位置
以溶剂的界面过剩量为 零来确定. 下左图中两
部分阴影的面积恰好抵
消;下右图中阴影面积
为溶质的界面过剩量,
表示的是正吸附这种情
Γ2
=
−⎜⎜⎝⎛
∂γ ∂µ 2
⎟⎟⎠⎞T
=
−
1 RT
⎜⎛ ⎜⎝
∂γ
∂ ln a c , 2
⎟⎞ ⎟⎠T
对稀溶液, 活度可用浓度代替, 则有
µ2
=
µ
Θ
c,
2
+
RT lnac,2
Γ2
=
−
c2 RT
⎜⎜⎝⎛
∂γ
∂c2
⎟⎟⎠⎞T
• 若 ( ∂γ / ∂c2)T > 0, 则Γ 2 < 0, 发生负吸附;
• 若 ( ∂γ / ∂c2)T < 0, 则Γ 2 > 0, 发生正吸附. 以实测的γ对c2作图, 求出指定浓度下的斜率( ∂γ / ∂c2)T,
醇类
－CH2OH
0.216
6
表面活性物质在吸附层的定向排列
不同的长碳链有机化合物在水溶液表面饱和吸附时占 据几乎相同的面积, 该面积实际上是碳氢链的横截面积, 可 见这些活性剂分子是定向紧密在排列在表面层中的.
一般表面活性剂分子都是由亲水性的极性基团和憎水 (亲油) 性的非极性基团两部分所构成 (见图示).
• 表面活性物质的分子在溶液本体及表面层中的分布
9
表面活性物质
胶束: 分散在水中的表面活性分子以其非极性部位自相结合, 形成憎水基向里、亲水基朝外的多分子聚集体. 临界胶束浓度(C.M.C): 表面活性剂分子开始形成缔合胶体的 最低浓度.
胶束的形状除球状外, 还有层状或棒状(见图示).
球状
层状 • 各种缔合胶束的形状
即可由吉布斯吸附等温式求得该浓度 时溶质吸附量 Γ2 . 5
表面活性物质在吸附层的定向排列
一般情况下, 表面活性物质的 Γ- c 曲线如下图所示. 类
Γ
似于朗谬尔单分子层吸附, 有
Γ = Γ m kc /(1 + kc )
Γm
式中Γm为单分子层饱和吸附量. 由Γm的实
测值可算出每个表面活性分子所占面积Am,
洗涤时
• 洗涤过程示意图
13
表面活性物质
(2)助磨作用 表面活性物质(助磨剂)能增加粉碎程度, 提高粉碎效率. 物料粉碎过程是相界面显著增大的过程, 当物料颗粒很小 时, 比表面很大. 若采用干磨, 增大的表面是表面张力很大的固 －气界面, 系统吉布斯函数急剧增大, 须消耗很大的表面功. 而 湿磨时增大的是界面张力小得多的固-液(表面活性剂溶液)界 面, 因此得到同样分散度的粉末消耗的能量要小得多. 分散后 的颗粒也因表面活性物质吸附在表面而不易粘聚. 同时, 表面活性物质还发挥“劈裂”作用和助滑作用.
况.
3
表面过剩与吉布斯吸附等温式
总界面过剩量 nBσ = Γ B As = nB − (V α cαB + V β cBβ )
类似地, 定义界面相的其它热力学函数:
Uσ= U－(Uα+ Uβ); Sσ= S－(Sα+Sβ); Gσ= G－(Gα+ Gβ)
当界面相的吉布斯函数Gσ发生微小变化时,
dGσ =－SσdT + Vσdp +γdAs + ΣµBdnBσ
与前式对比, 得表面层的 吉布斯－杜亥姆方程:
n1σdµ1 + n2σdµ2 + Asdγ = 0
4
表面过剩与吉布斯吸附等温式
两边同除以 As , 得
n1σ As
dµ1 +
nσ2 As
dµ2 + dγ
=0
因 Γ B = nBσ / As , 又 Γ1 = 0, 得 Γ 2dµ 2 = −dγ
吉布斯吸附等温 式：
滑动面 • 表面活性物质的助磨作用
14
• 表面活性物质的HLB值与应用的对应关系
表面活性物质加水后的性质 HLB 值
应用
不分散
分散得不好 不稳定乳状分散体 稳定的乳状分散体 半透明至透明分散体
透明溶液
0
2 4
W/O 乳化剂 (油包水型)
6
8
润湿剂
10
12 洗涤剂
14
O/W 乳化剂
16
(水包油型)
18 增溶剂
12
表面活性物质
表面活性物质主要应用: 润湿, 助磨, 乳化, 去污, 分散, 增 溶, 发泡和消泡, 以及匀染, 防锈, 杀菌, 消除静电等作用.
表面活性物质的基本性质: 溶入少量 γ 就可使溶液的表面张力急剧降低; 当浓度 γ0 达到一定值后, 浓度几乎不影响表面张力.
上述性质是由表面活性分子在溶液中
的存在形态和分布引起的(见图示).
c • 表面张力与浓度关系
单分子膜
小型 胶束
球状 胶团
(a) 稀溶液
(b)开始形成胶束 的溶液
(c)大于临界胶束 浓度的溶液
CH3(CH2)7=CH(CH2)7 COO－
• 油酸分子模型图
固定的 障片
可移动 的障片
• 油酸单分子膜示意图
H+
表面活性物质的亲水基
团X受到极性很强的水分子
的吸引而有竭力钻入水面的
趋势, 同时非极性的碳链倾向
于翘出水面或钻入非极性的
有机溶剂或油类的另一相中,
从而在界面上形成单分子膜.
7
表面活性物质
溶液表面的吸附现象
溶液表面的吸附: 溶质在溶液表面层(表面相)中的浓度与在 溶液本体(体相)中浓度不同的现象.
溶液的表面张力与溶质的浓度有关 (见图示 3 种情况).
溶液表面吸附产生的原因是
系统为尽可能降低表面吉布斯函 γ 数而自动调整溶质在表面相和体
I 无机酸, 碱, 盐等.
相中的分布.
γ0
正吸附: 若溶质的加入使溶液表
面张力降低, 则溶质自动地从体
Ⅱ 有机酸, 醇, 酯, 醚, 酮等.
相富集至表面, 增大其表面浓度.
负吸附: 若溶质的加入使溶液表 面张力升高, 则溶质表面浓度自
Ⅲ 肥皂, 合成 c 洗涤剂等.
• 水溶液表面张力与溶质浓度的关系
动低于体相浓度. 1
溶液表面的吸附现象
表面吸附产生的浓度差又导致溶质在反方向上的扩散, 当这两种相反的趋势达到平衡时, 即达到溶液表面吸附平衡. • 表面惰性物质: 能使溶液表面张力增大的物质. • 表面活性物质(表面活性剂): 能使溶液表面张力降低的物
表面活性 物质分类
离子型表 OONa
阳离子表面活性剂 如胺盐 C18H37NH3+Cl－
两性表面活性剂 如氨基酸型R-NH-H2COOH
非离子型 如聚乙二醇类 表面活性剂 HOCOH2[CH2OCH2]nCH2OH
阴离子型和阳离子型表面活性剂不可混用.
8
表面活性物质
Am = 1 /Γm L