胶体与界面化学(第13章new)-dzx
胶体与界面化学
对于立方体而言，S0=S/V=6l2/l3=6/l，l越小， S0越大。以1cm3的水分割为例：由表（1）可以看出，
分割的越细，则总表面程度越大，表面能越高，如边
长为0.01μ m时，总表面达6000m2，表面能为460J。 由此可知，分散度的大小是表征分散体系特性的重
要依据，通常按分散程度不同可将分散体系分为三类：
分散范围内存在的物质，而不是某类物质固有的特性，所以“胶体”
这一名词的含意从一开始就很不确切。 现在“胶体”定义：指具有高度分散的分散体系（亦是研究对 象），分散相可以是一相和多相，粒子大小通常为10－7～10－9m之间。 上世纪初，人们把胶体分为两类： 亲液胶体（溶胶）：如蛋白质、明胶，是热力学稳定体系 憎液胶体（溶胶）：如金溶胶、硫化砷溶胶，是热力学不稳定体系
l
s
§0-3 多分散性和平均相对 分（粒）子质量（自学）
胶体是多分散体系，分散相由大小不同的粒子组成， 胶体化学中常用粒子直径的平均值或相对分子质量平均 值来描述粒子和分子的平均大小。 由于实验方法不同，进行统计平均加权因子性质不 同，平均值的含义也不同。
6cm2 60cm2 600 cm2 6000 cm2 6 m2 60 m2 600 m2 6000 m2
6cm-1 6×10cm-1 6×102cm-1 6×103cm-1 6×104cm-1 6×105cm-1 6×106cm-1 6×107cm-1
4.6×10-5 4.6×10-4 4.6×10-3 4.6×10-2 4.6×10-1 4.6 46 460
序号 1 2 3 4 5 分散相 表3 分散体系的分类 分散介质 体 系 名 称 g g 气溶胶（如雾） 气溶胶，如烟、尘 泡沫，如灭火泡沫 乳状液，如牛奶、原油 溶胶，悬浮液，如油漆、钻井液 和 实 例
胶体与界面化学
绪论（2学时）第一章胶体的制备与纯化第二章液体的表面性质第三章固体的表面性质第四章表面活性物质第五章液-液界面和固-液界面第六章胶体的动力学性质第七章胶体的光学性质第八章胶体的电学性质第九章胶体的稳定性第十章胶体的流变性一、胶体体系及其分类1、胶体体系国际纯粹化学与应用化学联合会（IUPAC）规定：直径在1~1000nm范围内的颗粒为胶体颗粒。
含有胶体颗粒的体系称为胶体体系或胶体分散体系。
1m = 106 µm = 109 m 1nm = 10 À系。
零维量子点；纳米粒低维一维纳米线二维薄膜按分散相颗粒大小分类：粗分散体系>10-6 m (1µm) 宏观胶体分散体系10-9 m ~10-6 m 介观分子分散体系< 10-9 m (1nm) 微观2.胶体体系的分类（1）按胶体颗粒结构①胶体分散体系溶胶、乳状液、泡沫、气溶胶等多相体系，具有很大的界面能，热力学不稳定，相分离后又容易恢复原状。
②分子胶体高分子溶液，均相体系，热力学稳定，相分离后易恢复。
③缔合胶体胶束溶液、液晶、微乳液等。
均相体系，热力学稳定。
（2）按胶粒与介质的亲和力①亲液胶体---分子胶体和缔合胶体②疏液胶体---胶体分散体系（溶液），难溶物高度分散在介质中（3）按分散相和分散介质的聚集状态----8大类s.t.g.3.胶体分散体系的特点①高度分散的多相体系②动力学稳定③热力学不稳定④巨大的比表面积比表面积: 单位体积或质量的物体所具有的表面积。
S0 = S/V (m-1)= S/W (m2/g)20℃,1cm3水滴分散成半径10-7cm的小水滴S0 = 3*107（cm2/cm3）表面分子占分子总数的90%表面自由能218J/ cm3二、胶体化学的研究内容1、胶体化学研究胶体体系各种行为的科学分散体系胶体体系2、内容高分子溶液界面现象界面上发生的各种物理或化学现象，如界面电现象、界面吸附三、胶体化学与界面化学共存的、“界面”有厚度四、学科特点胶体与界面化学物理化学化学交叉学科、应用性很强、基础学科五、胶体化学的产生和发展1861年，Graham （美）提出“胶体”概念。
第十三章 界面化学
a2 为溶质的活度； a 是表面张力随溶液浓度的 2 T
变化率。
第十三章 界面和胶体化学
物理化学电子教案
Γ2 为溶质的表面超量. 即表面层中溶质的量相 对本体溶液超出的量. 单位: mol· m-2.
2 A 4（ 107） 2.4 1020
表面积为:
3.0 107 cm2 3.0 104 m2
计算表明：水珠分散为水雾比表面剧增, 将产 生十分突出表面效应（如过饱和现象等）. 胶体为高分散度度系统, 粒子尺寸在10-9～10-7 m 之间, 有具大的比表面, 因此胶体化学中所研究的 许多问题属于表面化学问题.
时的 a , 2 T
再利用 Gibbs公式计算表面吸附量.
第十三章 界面和胶体化学
物理化学电子教案
3. 表面活性剂的基本性质 表面活性剂的结构
表面活性剂不对称两亲结构特征: 憎水基团 + 亲水基团 如:
CH3 (CH2 )n — CO O
CH3 (CH2 )n — SO3
H S T T T A, p ,nB A T,p ,nB A T,p ,nB
由此两式求得恒温条件下, 系统扩展表面时热 力学能及焓的变化值。
第十三章 界面和胶体化学
物理化学电子教案
二. 弯曲液面的附加压力 1. 附加压力 由于表面张力的作用, 弯曲液面下液体受力情 况与静止的平液面不同, 会产生一个额外的附加压 力(见下图)。
第十三章 界面和胶体化学
物理化学电子教案
三. 弯曲液面上的饱和蒸汽压 1. 液体蒸汽压与曲率半径的关系 在弯曲液面上, 其蒸汽压较平液面有所变化, 大 小与曲率半径有关, 推导如下: 恒温下设计如下热力学过程:
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
胶体与界面化学
胶体与界面化学
胶体与界面化学是一个古老的学科，研究的主要是分散体系。
日常生活中涉及或使用的如洗涤剂、食品、药品、化妆品、油脂、涂料都是以胶体与界面化学为基本的理论基础。
因为分散体系的广泛存在，胶体与界面科学涉及内容十分广泛，从丁达尔效应、毛细管现象、血液凝固、到泥沙沉降，到空气污染颗粒或灰尘的沉降，都可以用胶体与界面科学的理论解释。
近年来因为纳米科技的兴起，胶体与界面科学因其在纳米尺度研究的重要性又焕发生机。
研究内容：胶体与界面化学鼓励利用理论化学与先进实验技术，深化对胶体与界面体系本质的认识。
重视新型表面活性剂、分散体系和纳米颗粒的设计与构筑，深入理解界面吸附与组装和浸润行为；构筑具有自修复、外场响应性的胶体体系；加强石油开采、食品、日用化工、生命科学以及环境治理等领域中胶体化学的基础研究。
胶体与界面化学（总结）
胶体与界⾯化学（总结）本章基本内容与要求1、理解与掌握界⾯热⼒学基本原理与公式。
（1）理解界⾯张⼒（⾃由能）与过剩量的意义，理解界⾯系统热⼒学基本原理与平衡条件。
（2）掌握拉普拉斯⽅程、开尔⽂⽅程及吉布斯等温⽅程的推导、含义与应⽤（计算与解释界⾯现象）。
（3）了解润温程度的判剧。
2、了解界⾯平衡特性。
（1）理解化学吸附与物理吸附概念。
（2）掌握兰缪尔吸附模型的意义与应⽤。
（3）了解BET多层吸附模型的意义与应⽤。
3、了解界⾯反应动⼒学及多相催化。
4、了解胶体系统的各种分类以及物质的尺度在分类中的意义。
5、掌握胶体系统的稳定、制备和破坏的⽅法。
（1）理解胶体和稳定机制及相关理论。
（2）掌握胶体失稳的各种因素。
6、掌握胶体系统的各种特性。
包括相平衡性质、动⼒性质、动电性质、流变性质，并了解其变化规律。
7、了解缔合胶体、乳状液、泡沫以及凝胶的特点，了解影响其稳定性的因素。
本章重点与难点：1、有关界⾯现象的有：表⾯张⼒、弯曲液⾯的附加压⼒及后果、表⾯吸附量与接触⾓。
2、有关胶体系统的有：胶体的各种特性、胶性稳定性及相关理论、有关沉降公式及流动电势的计算。
3、有关⼤分⼦溶液的有：平均分⼦质量及测定、⼤分⼦溶液的粘度、唐南平衡。
本章教学时数：10-12学时，习题课：2学时。
通常分为胶体化学与界⾯化学两章讨论，因胶体是⾼度分散的多相体系，其有很⼤的⽐表⾯，故合为⼀章。
但讲述仍是分开，先谈界⾯化学。
体系内相与相之间存在的⼀个过渡层，称为相界⾯。
历史上曾称为“表⾯”。
因⼈们习惯把S-g、L-g的界⾯称为表⾯。
现已多改之，因称“表⾯”有⼆点不妥：①表⾯似指⼀个没有厚度的纯⼏何⾯；⽽界⾯则是两相间的过渡层，通常具有⼏个分⼦层厚为三维空间。
②“表⾯”的范围较窄，象S-L、S-S、L-L亦存“界⾯”。
处于界⾯中的分⼦所处环境与本体不同，性质⾃然不同，⽽表现出特殊的理化⾏为称为界⾯现象。
前述⼏章中未涉及界⾯层，是因所研究的物系具有的表⾯积较⼩，处于界⾯层中的分⼦数⽬⽐相本体要少很多，对物系性质的影响可忽略。
胶体与界面化学教学大纲
《胶体与界面化学》教学大纲课程编码：6400153课程名称：《胶体与界面化学》说明：胶体化学是应用非常广泛的化学分支学科，涉及石油开发、陶瓷、催化、涂料、建材、造纸、塑料、农药、环保、医药、食品等众多应用领域。
胶体与界面化学主要研究各种不同的界面性质、胶体化学的基本原理、胶体与界面现象的关系、表面活性物质、乳状液与高分子溶液，在此基础上介绍胶体科学的新发展，胶体与界面化学在环境、信息、生物、能源等领域的应用。
本课程理论授课共计32学时，考核方式为笔试。
内容：第一章液体界面性质（3学时）教学要求：要求学生掌握表面能与表面张力的含义，以及表面张力的测定方法和表面热力学。
知识要点：第一节表面能与表面张力1.表面能与表面张力的含义2.温度和压力对表面张力的影响第二节弯曲液体表面的现象place方程2.毛细现象3.液体蒸汽压与表面曲率的关系4.溶解度与表面曲率的关系第三节表面张力的测定1.毛细管上升法2.滴体积法3.最大压力气泡法第四节表面热力学1.Gibbs 表面热力学2.表面过剩量3.Gibbs吸附公式第五节液体与固体的界面1.接触角与润湿的关系2.接触角的测定本章重点：学习Lapl ace公式，掌握表面张力的测定方法；Gibbs吸附公式及表面热力学。
第二章固体界面性质（3学时）教学要求：掌握固体表面张力与表面能的意义，固体吸附的本质、吸附等温线及单分子层吸附理论，了解多分子层吸附理论，多孔性固体的吸附与凝聚，化学吸附与催化作用。
知识要点：第一节固体的表面张力与表面能第二节固体对气体的吸附第三节吸附热第四节单分子层吸附理论第五节Freundli ch吸附等温式第六节多分子层吸附理论第七节固体对溶液的吸附本章重点学习单分子层的吸附理论，包括Langmui r吸附等温式、Freundli ch吸附等温式。
第三章胶体的制备与纯化（2学时）教学要求：掌握分散法、凝聚法两种溶胶的制备方法，溶胶形成的条件和老化机理与纯化方法。
胶体与界面化学
摘要：胶体与界面化学是研究胶体分散体系和界面现象的一门科学。
随着科学技术的迅速发展，它已经成为一门独立的学科。
胶体与界面化学与生产、生活实际有着紧密的联系，无论是在工业生产，还是在日常生活的衣、食、住、行等各个方面，都会遇到与胶体化学有关的的各种问题。
关键词：胶体界面化学生活应用引言：胶体与界面化学是研究胶体分散体系和界面现象的一门科学。
随着科学技术的迅速发展，它已经成为一门独立的学科，正是因为胶体现象很复杂，且有它自己独特的的规律性；更重要的是它与生产、生活实际有着紧密的联系，无论是在工业生产，还是在日常生活的衣、食、住、行等各个方面，都会遇到与胶体化学有关的的各种问题，如土壤改良、功能与复合材料、三次采油、浆体的管道运输、人造血浆、药物缓释与定向、摩擦与润滑和油漆涂料等，与国家安全、能源开发、环境保护和人民生活等方面密切相关。
胶体与界面化学是一门古老的科学。
他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的概念，制定了许多名词用来形容他所发现的事实，如溶胶、凝胶、胶溶、渗析、离浆。
尽管在这一时期积累了大量的经验和知识，但是胶体化学真正为人们所重视并获得较大的发展是从1903年开始的，这时Zsigmondy（德）发明了超显微镜，肯定了溶胶的一个根本问题——体系的多相性，从而明确了胶体化学是界面化学。
胶体与表面化学是物理化学的一个重要组成部分，是一门应用性极强的学科，它所研究的领域涉及到化学、物理学、材料科学、环境科学、生物化学等，是诸学科的交叉和重叠。
因此，它的应用领域是极其广泛的，近年Hiemenz就列举了涉及胶体和表面化学的实例：（1）分析深化中的吸附指示剂、离子交换、沉淀物的可滤性、色谱等；（2）物理化学中的成核作用，过饱和及液晶等；（3）生物化学和分子生物学中的电泳、膜现象、蛋白质和核酸等；（4）化学制造中的催化剂、洗涤剂、润滑剂、粘合剂等；（5）环境科学中的气溶胶、泡沫、污水处理等；（6）材料科学中的陶瓷制品、水泥、纤维、塑料等；（7）石油科学中的油器回收、乳化等；（8）日用品中的牛奶、啤酒、雨衣等。
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第一极小值处： 较小粒子越过势垒，粒子间距离小，形成沉淀，称为“不可逆 聚沉”或“永久聚沉”，体系失去稳定性。
1.Effect of the Hamaker constant
A↑→The height of the potential energy barrier ↓.
2. Effect of the surface potential（ψ 0）
13.3 Interaction energy curves and their dependence on the properties of the dispersion The Interaction energy curves are useful for developing quantitative measure of kinetic stability of dispersions. Such a study of stability is known as the DLVO theory (Derjaguin-Landau-VerweyOverbeek, 1940). ΦT＝ΦR+ΦA （13-1）
ψ0 ↓→The height of the potential energy barrier ↓.
3. Effect of Electrolyte concentration
-empirical adjustment (经验调整参数) is quantity depends
on both concentration and valence of the indifference（不相干） electrolyte.
How interparticle forces and the concentration of the particles to determine the structure of dispersions.
Interparticle forces and the corresponding microstructure of monodisperse colloids
先经历从高分子均匀分布到不均匀分布的变化。这在热力学上是 一个能量升高过程，因此表现为粒子间的排斥作用。在溶液中高
分子浓度很高时，这一作用足以使胶体保持稳定，这称为空缺稳
定作用(depletion stabilization)。 • 空缺絮凝和空缺稳定作用都发生在溶液中高分子浓度很高的情形，
产生空缺稳定作用所要求的高分子浓度更高。
Bridging flocculation （桥联絮凝）
Steric stabilization （空间稳定）
Depletion stabilization （空缺稳定作用）
Depletion flocculation （空缺絮凝作用）
A simplified representation of the effects of polymers on the stability of dispersions
Chapter 13. Electrostatic and polymerinduced colloid stability 13.1 Introduction 1. Colloid stability Colloid stability: The ability of a dispersion to resist coagulation. Kinetic stability(动力稳定性): Evaluated（评价） by kinetics. Thermodynamic stability(热力学稳定性): Evaluated by thermodynamics.
• 当胶体粒子接近到距离小于高分子在溶液中的尺寸时，粒子之间
的空间内的高分子浓度将显著减小，形成所谓空缺区。 • 由于粒子之间的空间内与体相溶液内的高分子浓度不同而产生的
渗透压，在粒子间产生了附加的吸引作用。当溶液中高分子浓度
足够高时，这一吸引作用可以导致胶体絮凝，这称为空缺絮凝作 用。
• 另一方面，当粒子接近到粒子之间形成空缺区时，胶体体系必定
2. Focus of this chapter • The stability and the structure of dispersions; Structure: spatial(空间的) organization（构造、 架构） of the colloidal particles. • How interparticle forces influence the structure of a dispersion; • How the influence of interparticle interaction energies on dispersion stability; • How polymer influence the stability of dispersions.
ΦT –Total interaction energy ΦR – Repulsion energy, ΦA -Attraction energy
ΦR
64 n0 kT
e
2 2D 0
（13-2）
κ－Boltzman constant， 1/k－thickness of electrical double layer γ0－a constant
13.2 Interparticle forces, structure and stability of dispersions
To know the relation between interparticle forces and the microstructure of dispersions and the factors that determine such a relation. 1. Interplay between interpartcle forces and structure • Dominated by strong repulsion; • Dominated by strong attraction; • Intermediate situatio会聚沉 而憎液胶体尤为敏感，主要是双电层的破坏
2. 聚沉的实验规律 （1）Schulze -Hardy规则 起聚沉作用的主要是反离子，价数越高，聚沉效率越高
反离子价数↑，浓度↑， ↓，ψδ↓→稳定性↓
聚沉值：指定条件下使溶胶聚沉所需的电解质的最低浓度
明矾水解产物Al(OH)3，带正电
13.4 Polymer-colloid mixture Polymers(聚合物) can be used to stabilize colloid and the role of polymers on colloid stability is considerably more complicated than electrostatic stability. If the added polymers are polyelectrolyte(聚电 解质), then a clearly have a combination of electrostatic effect as well as effects that arise solely(单独地) from the polymeric nature of the additive. This combined effect is referred to as electrosteric stabilization（电空间稳定）.
聚沉值=C
3 ( T )5 0 4
A2 z 6
离子价数越高（ z↑ ），聚沉值越小，用量越少；双电层越小，
排斥能减弱；介质的介电常数大，聚沉值高
（2）离子大小
一价离子感胶离子序，聚沉能力： 正离子：H+ > CS+ > Rb+ > NH4+ > K+ > Na+ > Li+ 负离子：F- > IO3-> H2PO4- > BrO3- > Cl水化半径：小→大，聚沉值：小→大，聚沉能力：大→小 反离子水化半径增大，使静电引力减弱，不易被质点吸附。 （3）同号离子的影响
Van der Waals force: attractive and is strong at short interparticle separation. The protection against van der Waals force is usually provided in one of two ways: • Electrostatic force→electrical double layer. electrostatic stability(电稳定作用) • Polymer repulsive force: The adsorbed polymer layer on dispersed particles masks(屏蔽、对抗) the attraction force of Van der Waals force. Polymer-induced stability(聚合物稳定作用) or steric stability(空间稳定作用).
1 k
反离子聚沉值：一价25～150
二价0.5～2 三价0.01～0.1 聚沉值↑→聚沉能力↓→稳定性↑ 此规则仅适用于不相干电解质（电离形成的离子与表面电势 （ψ0）无关，可使ψδ↓）
临界聚沉浓度－聚沉值
电解质浓度↑→势垒下降 溶液中电解质使势能曲线 的最高点恰为零，体系为 临界聚沉状态时的电解质浓度
同号、大的有机离子由于质点Van der Waals力的吸引而被吸附，
使ψδ↑→↑，稳定性↑
（4）不规则聚沉
大离子或高价离子：少量→聚沉