胶体与表面化学1.1-(2)
胶体与表面化学的应用研究
胶体与表面化学的应用研究胶体和表面化学是相互关联的两个领域，它们在材料科学、生物学、化学工程、环境科学等领域具有广泛的应用。
本文将简要介绍胶体和表面化学的基本概念，以及它们的应用研究。
一、胶体学胶体是指颗粒大小在1-1000纳米的分散体系，其中颗粒的表面性质对胶体的物理、化学和生物性质起着重要作用。
胶体的稳定性是由电荷、分子相互作用力、表面活性剂等因素决定的。
胶体学研究的主要内容包括胶体的结构、稳定性、能量行为和相互作用等方面。
胶体稳定性研究是胶体学的重要内容之一，它直接关系到胶体的物理、化学、生物性质以及工业应用。
胶体学的应用研究包括材料制备、涂料、油墨、化妆品、医学用品等领域。
例如，在医学上，胶体作为一种新型药物提供了一种新的途径用于药物传递和释放。
二、表面化学表面化学是研究物质表面和界面的化学性质及其影响的学科，其研究对象通常包括气-固、液-固、液-液以及固-固等不同表面和界面类型。
表面化学的主要研究内容包括表面的内部结构、表面分子的排布、表面物质的吸附等。
表面化学在材料领域有广泛的应用，例如，表面处理技术在材料加工中是不可或缺的一部分。
表面化学在催化、油泥清洗、电子材料制备、纤维素制备以及设备清洗等方面具有重要作用。
新型表面活性剂的开发和应用也是表面化学的研究重点之一。
三、在化妆品制造中，胶体和表面化学被广泛应用。
胶体在染发剂、护肤品和化妆品中被用作乳液稳定剂。
表面化学理论则可用来解释化妆品与皮肤表面相互作用的基础。
此外，研究表面分子的吸附和排布规律，对理解某些彩妆产品的性质和特性也很重要。
然而，胶体和表面化学的应用远不仅止于此，更广阔的前景在于其在生物医学、能源开发、环境保护等方面的应用。
例如，在生物医学上，胶体学为癌症、肾脏疾病等提供了一种有效的药物释放途径。
在能源开发方面，如何设计和改进太阳能电池的阳极，使其更高效转换太阳能到电能，是表面化学最热门的研究方向之一。
在环境保护中，胶体科学和表面化学已成为处理废水和空气污染的有力手段，例如胶体沥青用于道路的铺装，可有效减少空气中有害颗粒的含量等。
物化第11章 胶体与表面化学
例：室温时小水滴，r =1mm时， p≈200Pa (1.5mmHg) r =10-5mm时， p≈145p ∴ 当颗粒半径可用mm描述时，可忽略p；当颗粒 半径小至不可用mm描述时(超细粉，纳米材料)， 由于p值巨大，会使液、固体许多性质发生巨变， 与正常液、固体不同。
§11－3 Young-Laplace方程的应用
若等温下将固体变成纳 米颗粒，则
l s p可忽略 Tmo
(s, r) > (l)
∴ s将熔化。表明Tmo不是纳 米颗粒的熔点， Tm < Tmo ，表明小颗粒更易熔化。
(s) = (l)
定量计算： 自学
四、亚稳相平衡 (Metastable phase equilibrium)
亚稳相： 过饱和蒸汽 过热液体 (A) (B) (C)
sln xBo B(s)
若将B(s)变成纳米材料(作 表面功)，则 r↓ B(s) ↑,
B(s, r) > B(sln)
∴ B(s)将溶解。即xBo对纳 米颗粒而言是不饱和浓度。 xB > xBo，表明小颗粒更易溶解。
p可忽略
B(s) = B(sln)
定量计算
2 sl M B ln o RT Br xB xB
§11－5 溶液表面
液体自动降低表面能 纯液体：A↓ 溶液
A↓
↓：通过自发改变表面情况(∵ sln的与浓度有关)
一、溶液的表面张力和表面吸附现象 (Surface tension of solution and adsorption at solution surface)
1.溶液表面张力与浓度的关系：
即
l dpv Vm 2 1 o pv r RT d r p r
第二章(表面化学和胶体化学)PPT课件
可见光波长：
400 ～ 700 nm
在真溶液中，溶质颗粒太小（<10-9 m）,
光的散射极弱，看不到丁达尔效应。阳光从狭
缝射进室内形成光柱也是丁达尔效应。
（2） 动力学性质（布朗运动）
在超显微镜下观察胶体溶液，可以看到胶体
粒子的发光点在介质中间不停地作不规则的运
动，称布朗运动。
-
24
布朗运动产生的原因： 分散质粒子本身处于不断的热运动中。 分散剂分子对分散质粒子的不断撞击。
① 离子选择性吸附 ② 离子交换吸附：
吸附和解吸的关系： 动态平衡
-
17
制备As2S3溶胶
2H3AsO3 + 3H2S = As2S3 + 6H2O
H2S发生电离：H 2 S
H ++H S -
As2S3 选择吸附HS- 而带负电荷。
-
18
如：去离子水的制备（阴、阳离子交换树脂）
2 R -S O 3 H +C a 2 + (R -S O 3 )2 C a +2 H + 2 R -N (C H 3)3 O H + S O 4 2 - [R -N (C H 3)3 ]2S O 4 + 2 O H -
9
一克水分散成半径 1 × 10-9 m的小水 滴，需要做功220J，增加的能量可将这 一克水的温度升高50℃。
同一体系，其分散度越大，其表面 能越大。
-
10
表面能
W•S
σ: 恒温恒压下增加单位表面
积所引起的系统能量增量
表面张力
σ: 与表面相切，垂直作用
于单位长度边界线上的力。
-
11
润湿和润湿角
第十一章表面化学和胶体化学-2解析讲课教案
2) B线： c↑，σ↓，正吸附
例：大部分低脂肪酸、醇、 醛等极性有机物，σ比水小。
3) C线：c↑，σ↓↓，到一定
浓度后，σ几乎不再变化，正 吸附。
/Nm-1
A
H2O
B C
工科大学化学
能使水的表面张力显著降低的溶质称为表 面活性剂。
3.特劳贝规则（图11-35） 对于同系物，同一种溶质在低浓度时，表
△G铺展 = σlg + σls+ σgs
当△G铺展 < 0，有 σgs > σlg + σls，表 示液体在固体上的铺展是自动过程，
并且是润湿的最好形式。
液体 固体
工科大学化学
内聚功(work of cohesion) 液
液
等温、等压条件下，
分开单位面积液柱所作的
可逆功称为内聚功，是液
体本身结合牢固程度的一
2）当△G沾湿=0，即当σsg= σsl - σlg ， 刚好开始润湿，即发生最小润湿；
(a)沾湿
3）当△G沾湿<0，即当σsg> σsl - σlg， 可以润湿。
工科大学化学
在等温等压下，若发生上述的逆过程—将固/液界面分开
而还原成固/气和液/气界面所需的可逆功，称为粘附功(work
of adhesion)，它与对应的润湿过程的吉布斯自由能的关系为：
面张力的降低效应和浓度成正比；不同的酸在 相同的浓度时，使水的表面张力降低效应随着 碳氢链的增长而增加，每增加一个“—CH2 —”， 其表面张力降低效应平均可增加3.2倍。
工科大学化学
4. 溶液表面吸附的Gibbs吸附等温式
二元溶液 溶剂量：n1(本体相) ，n1s(表面相) 溶质量：n2 (本体相)，n2s(表面相)
胶体和表面化学必会的题目及解答
胶体化学研究胶体体系的科学。
是重要的化学学科分支之一。
表面活性剂使表面张力在稀溶液范围内随浓度的增加而急剧下降，表面张力降至一定程度后（此时溶液浓度仍很稀）便下降很慢，或基本不再下降，这种物质被称为表面活性剂。
3固体表面吸附是固体表面对其他物质的捕获，任何表面都有自发降低表面能的倾向，由于固体表面难于收缩，所以只能靠降低界面张力的办法来降低表面能，这就是固体表面产生吸附作用的根本原因。
润湿是用一种流体取代固体表面上存在的另一种流体的过程。
固体表面改性通过物理或化学的方法，使固体表面性质发生改变的过程。
吸附剂能够通过物理的或化学的作用，吸附其它物质的物质。
乳状液的变型乳状液的变型也叫反相，是指O/W型（W/O型）乳状液变成W/O型（O/W型）乳状液的现象。
触变作用凝胶振动时，网状结构受到破坏，线状粒子互相离散，系统出现流动性；静置时，线状粒子又重新交联形成网状结构。
净吸力在气液界面，液体表面分子受到体相分子的拉力大，受到气相分子的拉力小，所以表面分子受到一个垂直于液体表面、指向液体内部的合吸力，称为"净吸力"。
Krafft 点离子型表面活性剂在水中的溶解度随着温度的变化而变化。
当温度升高至某一点时，表面活性剂的溶解度急剧升高，该温度称为krafft点。
浊点加热非离子型表面活性剂的透明水溶液，其在水溶液中的溶解度随温度上升而降低，在升至一定温度值时出现浑浊，这个温度被称之为该表面活性剂的浊点。
表面张力表面张力是为增加单位面积所消耗的功。
临界胶束浓度：在表面活性剂溶液中，开始大量形成胶束的表面活性剂浓度。
起泡剂在气液分散体系中，使泡沫稳定的表面活性剂，称为起泡剂。
凝胶一定浓度的溶胶体系，在一定的条件下失去流动性而形成的半固体物质。
高分子溶液分散相是高分子物质的分散体系。
比表面积对于粉末或多孔性物质，1g固体所占有的总表面积为该物质的比表面。
增溶作用指难溶和不溶有机物在表面活性剂胶束水溶液中溶解度增大的现象离浆作用水凝胶在基本上不改变原来形状的情况下，分离出所包含的一部分液体，使构成凝胶网络的颗粒相互收缩靠近，排列得更加有序。
胶体与表面化学 复习
胶体与表面化学第一章绪论胶体与表面化学：研究胶体分散系统、一般粗分散系统及表面现象的化学分支。
胶体化学：研究胶体体系的科学，是物理化学的分支。
表面化学：研究发生在表面或界面上的物理、化学现象的一门学科，是胶体化学的分支。
分散系统：一种物质以细分散状态分散在另一种物质中构成的系统。
被分散的不连续相为分散相，连续相为分散介质。
可分为：粗分散系统、胶体分散系统、分子分散系统。
习惯上，按分散介质的类型把胶体系统分为气、液、固溶胶。
溶胶：以液体为分散介质时，分散相为固体小粒子的胶体分散系统。
凝胶：以固体为分散介质时，分散相为液体的胶体分散系统。
(第九章)胶体分散系统：分散相粒子至少在一个尺度上的大小处于1~100nm范围内的分散系统。
胶体是物质存在的一种状态而非特殊的物质，不是物质的本性；胶体是两相或多相不均匀分散系统。
界面：不相混溶的两相间的边界区域。
凝聚相与气相的边界区域称为表面。
比表面：单位质量或体积的分散相物质所具有的总表面积。
第二章胶体与纳米粒子胶体制备的一般条件：1.分散相在介质中的溶解度必须极小 2.必须有稳定剂存在胶体制备方法：一、分散法：1.机械分散（助磨剂、分级设备） 2.电分散（金属水溶胶）3超声波分散（乳状液）4.胶溶（在某些新生成的松散聚集沉淀物中，加入适量的电解质或置于某一温度下，使沉淀重新分散成溶胶。
例如正电荷溶胶MMH或MMLHC）二、凝聚法：用物理或化学方法使分子或离子聚集成胶体粒子的方法。
物理凝聚：将蒸气或溶解状态的物质凝聚成胶体状态。
（蒸汽骤冷、更换溶剂）化学凝聚：通过各种化学反应使生成物呈过饱和状态，初生成的难溶物微粒结合成胶粒，在少量稳定剂存在时形成溶胶。
（还原、氧化、水解、复分解法）溶胶净化：（粗粒子--过滤、沉降、离心；）胶体中过多的电解质--渗析：用半透膜将溶胶和纯分散介质隔开，仅能让小分子和离子通过而胶粒不能通过；由于浓度差，多余电解质向外渗透，更换溶剂便可净化溶胶。
胶体与表面化学课程大纲及重点
胶体与表面化学第一章绪论（2学时）1.1胶体的概念什么是胶体，胶体的分类1.2胶体化学发展简史1.3胶体化学的研究对象表面现象，疏液胶体，缔合胶体，高分子溶液。
重点：胶体、分散系统、分散相、分散介质的概念。
难点：胶体与表面化学在矿物加工工程中的作用及意义。
教学方法建议：启发式教学，引导学生对胶体及表面化学的兴趣。
第二章胶体与纳米材料制备（4学时）2.1胶体的制备胶体制备的条件和方法，凝聚法原理。
2.2胶体的净化渗析、渗透和反渗透。
2.3单分散溶胶单分散溶胶的定义及制备方法。
2.4胶体晶体胶体晶体的定义及制备方法2.5纳米粒子的制备什么是纳米材料，纳米粒子的特性及制备方法重点：胶体的制备、溶胶的净化、胶体晶体的制备。
难点：胶体制备机理。
教学方法建议：用多媒体教学，注重理论联系实际。
第三章胶体系统的基本性质（8学时）3.1溶胶的运动性质扩散、布朗运动、沉降、渗透压和Donnan平衡。
3.2溶胶的光学性质丁道尔效应和溶胶的颜色。
3.3溶胶的电学性质电动现象、双电层结构模型和电动电势（。
电势）3.4溶胶系统的流变性质剪切速度越切应力，牛顿公式，层流与湍流，稀胶体溶液的黏度。
3.5胶体的稳定性溶胶的稳定性、DLVO理论、溶胶的聚沉、高聚物稳定胶体体系理论。
3.6显微镜及其对胶体粒子大小和形状的测定显微镜的类型及基本作用重点：沉降、渗透压、电泳、电渗、。
电势的计算、双电层结构模型、DLVO理论、溶胶的聚沉。
难点：双电层结构模型。
教学方法建议：多媒体教学和板书教学相结合。
第四章表面张力、毛细作用与润湿作用（6学时）4.1表面张力和表面能净吸力和表面张力的概念、影响表面张力的因素、液体表面张力和固体表面张力的测定方法。
4.2液-液界面张力Anntonff规则、Good-Girifalco公式、Fowkes理论和液-液界面张力的测定。
4.3毛细作用与Laplace公式和Kelvin公式毛细作用，Laplace公式和Kelvin公式的应用，曲界面两侧的压力差及与曲率半径的关系，毛细管上升或下降现象，弯曲液面上的饱和蒸气压。
胶体与表面化学讲义第一章 基本概念
《胶体与界面化学》讲义第一章基本概念第一节胶体与表面一、胶体与胶体分散体系•目前科学地将颗粒大小在10-6～10-9m这样的物质（不管其聚集状态是气态、液态还是固态）称为胶体。
•胶体与其分散在其中的介质组成分散体系，介质可以是气、液和固体并与胶体颗粒间存在相界面，因此它还是高分散的多相的分散体系。
•胶体分散体系一般是两个组分以上的多组分体系，不过也存在极为罕见的单组分胶体分散体系，这类分散体系是液体，但由于分子的热运动而出现的涨落现象，一些分子会在液态内部聚集成较大的聚集体，这种分散体系称为类胶体（iso-colloid）分散体系。
聚合物或大分子量物质•聚合物或大分子量物质过去也称之为胶体分散体系的物质。
•如蛋白质，纤维素以及各种天然的和人工合成的聚合物，其尺寸也在胶体范围、并具有胶体的某些性质，比如慢扩散性，不透过半透膜，电泳行为等。
•因此过去也把它们作为胶体与表面化学的讲解内容。
但由于其迅速的发展，形成一个庞大的大分子家族，而成为一个独立学科去研究，不过它的某些理论和研究方法确系胶体的理论和研究方法。
二、表面和界面•表面（surface）：是指凝聚相与真空，空气或其蒸气间的交界•界面（interface）：是指凝聚相与其他相间的交界面。
•水的表面张力是水的表面（与空气或蒸汽的交界面）上的表面张力，约为72.8×10-3N/m；水和苯间界面张力为35×10-3N/m；水与汞间界面张力为375×10-3N/m。
•由此可见，界面张力值决定于相邻相的物质。
相边界上“面”的含义•这里所说的“面”是指相边界上的化学概念上的而非数学概念上的面。
数学面只有面积而无厚度，而化学面是有一定厚度的，起码有几个分子大小的厚度。
数学面所示在面上相的性质（如密度、浓度等）发生突变是不可思议的，而化学面中相的性质逐渐变化才是可理解的。
但在描述它时，由于其厚度值与两相本体尺寸比较可忽略不计近似为零。
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3、胶体体系
❖ 气、固、液三相除气－气外，形成8种胶体体系
分散介质 气 气 液 液 液 固 固 固
分散相 液 固 气 液 固 气 液 固
状态 云雾 烟，高空灰尘 泡沫 乳状液 墨汁、金溶胶 泡沫塑料、 水凝胶（超强吸水剂） 合金、宝石
4、分 类
分散介质
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 体系，不属于胶体范围.
过半透膜，渗透压低但有较强的动力稳定性 和乳光现象。
（2）多相不均匀性 具有纳米级的粒子是由许多离子或分子聚结而成，结构
复杂，有的保持了该难溶盐的原有晶体结构，而且粒子大小 不一，与介质之间有明显的相界面，比表面很大。
（3）热力学不稳定性
因为粒子小，比表面大，表面自由能高，是热力学不稳 定体系，有自发降低表面自由能的趋势，即小粒子会自动聚 结成大粒子。
II：如氢氧化铁、蛋白质等， 其溶液不能透过半透膜，蒸 干后，以粘稠形式出现。
胶体
Thomas Graham 实验
实验现象
1）糖、无机盐、尿素等溶液，扩散快，易从羊皮纸渗 析出来； 2）明胶、氢氧化铝、硅酸等，扩散慢，不能或难以渗 析出来。
Thomas Graham 实验
若将待测溶液蒸去水分后：
❖A. 固-固溶胶 如:有色玻璃，不完全互溶的合金 ❖B. 固-液溶胶 如:珍珠，某些宝石 ❖C. 固-气溶胶 如:泡沫塑料，沸石分子筛
5、说 明
❖ （1）胶体是物质存在的一种状态，不是一种特 殊的物质。
❖ （2）胶体体系是两相或多相的不均匀分散体系。 ❖ （3）高分子溶液在某些方面有类似与胶体的性
特性
粗分散 体系
胶体
分子分散 体系
大于0.1微 热力学不稳定，动力学也不稳定，不 米 扩散，不渗析，在显微镜下可见
10-9m～ 10-7m
<10-9m
热力学不稳定，但动力学稳定，扩散 慢，不渗析，能通过滤纸，在超显微 镜下可见
热力学稳定的均相体系，能透过半透 膜，在超显微镜下不可见
2、特 点
（1）特有的分散程度 粒子的大小在10-9~10-7 m之间，因而扩散较慢，不能透
❖ A. 气-固溶胶 如 :烟，含尘的空气
❖ B. 气-液溶胶 如 :雾，云
液溶胶
❖ 将液体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为 不同状态时，则形成不同的液溶胶：
❖A.液-固溶胶 如油漆，AgI溶胶 ❖B.液-液溶胶 如牛奶，石油原油等乳状液 ❖C.液-气溶胶 如泡沫
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：
质，但已成为新学科——高分子物理化学。
三、胶体与石油工程的关系
❖ 1、油田的发现
❖2、钻井 钻井液 完井、固井
❖ 3、采油：油气水、多孔介质与液相的相互作用。
一次采油 二次采油
三次采油
压裂
❖ 4、增产增注措施
酸化
三、胶体与石油工程的关系
❖ 5、油水井的正常维护
防腊 防砂 化学堵水 稠油降粘
❖ 6、油气集输
一、基本概念
❖ 胶体化学：是研究胶体体系的科学。它是物理化 学的一个重要分支。随着胶体化学的发展，它已 经成为一门独立的学科。
❖ 表面化学：研究发生在表面或界面上的物理和化 学现象的一门科学。是胶体化学的分支。
二、胶体体系
❖1、定义： 分散相粒子半径在1 ~100 nm 的分 散体系。
名称
粒子大小
四、胶体化学的发展史
❖ 1861年，英国科学家Graham系统研究，区分晶体和胶体的概念， 提出名词，如：胶体 、溶胶、凝胶、胶溶、渗析等。
1861年
半透 膜
溶 液
Resul ts
水 Thomas Graham 实验
I:一些物质，如氯化钠等无 机盐，可以透过半透膜，溶 液蒸干后，溶质以晶体形式 析出。 晶体
近现代 纳米材料的 应用，为胶体化 学的发展提供了 新的方向。
ห้องสมุดไป่ตู้
五.胶体化学研究的对象
❖研究对象： 溶胶、高分子溶液、表面活性剂溶液
在胶体化学中，人们不仅要研究这些体系的基本性质， 而且要研究与其基本性质相联系的许多实际问题。例如： ❖ (1)明矾为什么能净水？ ❖ (2)肥皂为什么能去污？ ❖ (3)向高空抛撒的粉剂为什么能人工降雨？ ❖ (4)鱼汤为什么能“冻”起来？ ❖ (5)含水原油如何脱水？ ❖ (6)农业中除草保熵？ …………………… 所有这些问题， 都需要用胶体与表面化学理论来解释。
破乳 乳化
四、胶体化学的发展史
史 前：陶器
汉 朝：纤维造纸
古
一
老
后 汉：墨的发明、豆腐制作
八
而
六
年 轻
古 埃 及：木材浸水膨胀来破裂山岩
的 科
瑞 典：化学家Scheele于1777年木炭
学
吸附气体实验
一 年 以 前
俄罗斯：1809年化学家Рейсс土粒的电泳现象
英国：1829年Brown发现了Brown运动
〖教学重点〗 胶体的制备方法及原理；胶体的性质；胶
体稳定性；表面现象及应用；吸附作用原理及 应用；表面活性剂的性质和分类；表面活性剂 在油田中的应用。
〖难点〗 胶体的电学性质、DLVO理论，表面活性剂的
Gibbs吸附方程及应用，Langmuir等温吸附式及 应用；HLB值的计算与应用
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第一章 绪论
• 前者 (扩散快者)：易于成晶体析出； • 后者 (扩散慢者)：大多成无定型的胶状物；Graham首先 提出这种胶状物为 “胶体”，其溶液叫作 “溶胶” 。
四、胶体化学的发展史
1903年 超显微镜的 发明，为胶体化 学的发展，提供 了新的研究手段 。
1907年 德国化学家 Ostwald创办了 《胶体化学和工 业杂志》。
章节结构
第一章 绪论 第二章 胶体的制备和性质 第三章 凝胶 第四章 界面现象和吸附
第五章 表面活性剂 第六章 乳状液
〖教学目的〗本课程为石油工程专业的必修课，其 目
的是使学生掌握胶体与表面化学的基本 原理和基本理论，为其它专业课的学习 奠定坚实的理论基础。
〖要
求〗主要是通过本课程的学习，使学生掌握 胶体与表面化学原理在石油工程中的应 用，用胶体化学理论解释油田开发中的 一些现象，用胶体与表面化学原理解决 油田开发中所遇到的一些问题。
东北石油大学石油工程学院
一、基本概念
化学
无机化学 有机化学 物理化学 分析化学
一、基本概念
❖ 相：体系中物理化学性质完全相同的均匀部分 ❖ 界面：相与相的交接面 ❖ 表面：一相为气相的界面 ❖ 比表面：单位体积或重量物体的表面积。
S0=S/V 对于立方体：S0=6L2/L3=6/L 对于球体 ：S0=3/R