第九章 表面现象与分散体系
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9第九章 胶体分散系
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二、高分子化合物溶液的性质
•
高分子化合物溶液中，溶质和溶剂有较强的亲和力 ，两者之间有没有界面存在，属均相分散系。由于 在高分子溶液中，分散质粒子已进入胶体范围（1100nm），因此，高分子化合物溶液也被列入胶体 体系。它具有胶体体系的某些性质，如扩散速度小 ，分散质粒子不能透过半透膜等，但同时也具有自 己的特征。
•
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C:溶剂化的稳定作用 溶胶的吸附层和扩散层的离子都是水化的（如为非 水溶剂，则是溶剂化的），在水化膜保护下，胶粒 较难因碰撞聚集变大而聚沉。水化膜越厚，胶粒就 越稳定。 (2)溶胶的聚沉 胶体具有巨大的表面积，体系界面能高，胶粒间的 碰撞有使其自发聚集的趋势。减弱或消除胶粒的电 荷，可以促使胶粒聚集成较大的颗粒，这个过程称 为凝聚，当分散相粒子增大到布朗运动克服不了的 重力的作用时，最后从介质中沉淀析出的现象称聚 沉。
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Fe(OH)3胶粒包括胶核（设为m个Fe(OH)3分子组 成）和吸附层。胶粒和扩散层合称为胶团，胶团 分散在介质中乃是胶体体系。
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2. 溶胶的稳定与沉降
（1）影响溶胶稳定性的因素 • A:溶胶动力稳定因素 • Brown 运动：溶胶的胶粒的直径很小，Brown 运动 剧烈，能克服重力引起的沉降作用。 • B：溶胶的电学稳定作用 同一种溶胶的胶粒带有相同电荷，当彼此接近时， 由于静电作用相互排斥而分开。胶粒荷电量越多， 胶粒之间静电斥力就越大，溶胶就越稳定。胶粒带 电是大多数溶胶能稳定存在的主要原因。
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二、高分子化合物溶液的性质
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高分子化合物溶液中，溶质和溶剂有较强的亲和力 ，两者之间有没有界面存在，属均相分散系。由于 在高分子溶液中，分散质粒子已进入胶体范围（1100nm），因此，高分子化合物溶液也被列入胶体 体系。它具有胶体体系的某些性质，如扩散速度小 ，分散质粒子不能透过半透膜等，但同时也具有自 己的特征。
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C:溶剂化的稳定作用 溶胶的吸附层和扩散层的离子都是水化的（如为非 水溶剂，则是溶剂化的），在水化膜保护下，胶粒 较难因碰撞聚集变大而聚沉。水化膜越厚，胶粒就 越稳定。 (2)溶胶的聚沉 胶体具有巨大的表面积，体系界面能高，胶粒间的 碰撞有使其自发聚集的趋势。减弱或消除胶粒的电 荷，可以促使胶粒聚集成较大的颗粒，这个过程称 为凝聚，当分散相粒子增大到布朗运动克服不了的 重力的作用时，最后从介质中沉淀析出的现象称聚 沉。
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Fe(OH)3胶粒包括胶核（设为m个Fe(OH)3分子组 成）和吸附层。胶粒和扩散层合称为胶团，胶团 分散在介质中乃是胶体体系。
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2. 溶胶的稳定与沉降
（1）影响溶胶稳定性的因素 • A:溶胶动力稳定因素 • Brown 运动：溶胶的胶粒的直径很小，Brown 运动 剧烈，能克服重力引起的沉降作用。 • B：溶胶的电学稳定作用 同一种溶胶的胶粒带有相同电荷，当彼此接近时， 由于静电作用相互排斥而分开。胶粒荷电量越多， 胶粒之间静电斥力就越大，溶胶就越稳定。胶粒带 电是大多数溶胶能稳定存在的主要原因。
08 表面现象与分散系统
该理论假设如下： 固体表面是均匀的； 吸附靠分子间力，吸附可以是多分子层的 被吸附的气体分子间无相互作用力； 吸附与脱附建立起动态平衡。
Physical Chemistry
p 1 C 1 p * * V p p VmC VmC p
V—T、p下质量为m的吸附剂吸附达平衡时吸附气体的体积； Vm—T、p下质量为m的吸附剂盖满一层时吸附气体的体积；
Physical Chemistry
8.表面现象与分散系统
Physical Chemistry
目录
（一）表面现象
§8.1 表面自由能与表面张力
§8.2 纯液体的表面现象 §8.3 气体在固体表面上的吸附 §8.4 溶液的表面吸附 §8.5 表面活性剂及其作用 §8.8 溶胶的电性质 §8.9 溶胶的聚沉和絮凝
RT ln( p p )
0 ' 0
r RT ln( p p )
0 ' r 0
r RT ln( pr' p ' )
8 rdr 2 p 2 4 r dr r
G r Vm ( pr p) Vm p
pr' 2 M ln ' p RTr
Physical Chemistry
§8.2 纯液体的表面现象
（1）附加压力 由于表面能的作用，任何液面都 有尽量紧缩而减小表面积的趋势。 如果液面是弯曲的，则这种紧缩 的趋势会对液面产生附加的压力。
p ' p p
当活塞的位置向下作一无限小的移动时，则有
p ' dV pdV pdV
a kbp
2.当气体压力很大时，bp>>1，得
ak
Physical Chemistry
p 1 C 1 p * * V p p VmC VmC p
V—T、p下质量为m的吸附剂吸附达平衡时吸附气体的体积； Vm—T、p下质量为m的吸附剂盖满一层时吸附气体的体积；
Physical Chemistry
8.表面现象与分散系统
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目录
（一）表面现象
§8.1 表面自由能与表面张力
§8.2 纯液体的表面现象 §8.3 气体在固体表面上的吸附 §8.4 溶液的表面吸附 §8.5 表面活性剂及其作用 §8.8 溶胶的电性质 §8.9 溶胶的聚沉和絮凝
RT ln( p p )
0 ' 0
r RT ln( p p )
0 ' r 0
r RT ln( pr' p ' )
8 rdr 2 p 2 4 r dr r
G r Vm ( pr p) Vm p
pr' 2 M ln ' p RTr
Physical Chemistry
§8.2 纯液体的表面现象
（1）附加压力 由于表面能的作用，任何液面都 有尽量紧缩而减小表面积的趋势。 如果液面是弯曲的，则这种紧缩 的趋势会对液面产生附加的压力。
p ' p p
当活塞的位置向下作一无限小的移动时，则有
p ' dV pdV pdV
a kbp
2.当气体压力很大时，bp>>1，得
ak
胶体
四. 纳米粒子和纳米技术
纳米粒子：尺度为1～100 nm之间的粒子 1. 纳米粒子的结构和特性 (1) 小尺寸效应 (2) 表面效应 (3) 量子尺寸效应 (4) 宏观量子隧道效应 2．纳米粒子的制备方法 基本方法与制备憎液溶胶雷同 纳米组装材料的制备技术 (1)自组织技术 (2) 模板合成法 3．纳米技术在药学中的应用
（1）Browm运动与Einstein方程
Browm运动：溶胶粒子在介质中无规则的运动 原因：粒子受各个方向介质分子的撞击 撞击的动量不能完全抵消而移动 分子热运动的宏观表现。 Einstein公式：Brown运动平均位移的计算 若在时间 t 内观察布朗运动位移 x ，其关系：
x
RT t L 3r
第九章 胶体分散系统
胶
体
胶体是多相系统，一种或多种物质分散在另一 种分子中所形成的体系称为分散体系。被分散的物 质称作分散相，另一种物质称作分散介质。 胶体是一种高度分散的分散系统。胶体化学与 化学其他分支的不同之处是，后者研究对象均属小 分子，胶体化学除了分子之外 ，更注意胶体大小的 粒子 。 在分散系统中，分散相粒子（质点）半径为10-9 ～10-7m的称胶体，通常所说的胶体多指粒子分散在液 体介质中 ，又称溶胶 。
胶
体
由于胶体的高度分散，致使它有很大的相 界面（例如直径为10nm的金溶胶，当其粒子的 总体积为1立方厘米时，其表面积可达600平方 米），从而有很高的界面能。 胶体的许多性质都与界面能有密切关系， 因此对界面性质的研究构成胶体化学的重要内 容之一。 所以，研究表（界）面性质的表面化学是胶 体化学中极其重要和不可分割的一部分，二者常 被联系在一起而命名为胶体和表面化学。
不能透过滤纸，扩散慢，超显微镜下可见。热力学不稳定 体系），但动力学稳定体系----布朗运动。
第09章 胶体分散系.
活的组织和细胞液等是蛋白 质、核酸等的胶体溶液；体 液、血液、皮肤、肌肉、脏 器等也属于胶体系统。
第一节 分散系概述
一、分散系(dispersed system)
一种或几种物质分散在另一种物质中所形 成的系统称为分散系统，简称分散系。 其中： 被分散的物质称为分散相(dispersed phase)
一、溶胶的基本性质
(一) 溶胶的光学性质——Tyndall 现象
在暗室内用一束光线照射溶胶时，在侧面可以 看到一个发亮的光柱的现象。
Tyndall 现象
Tyndall现象产生的原因：光的散射
光的散射 d >>λ
反射
d <<λ d 略小于λ 或接近于λ
通过
散射
可见光波长：400 ~ 760nm
胶体粒径：1 ~ 100nm
2. 溶胶的相互聚沉 若将两种带相反电荷的溶胶相互混合，则会发生 聚沉，称为相互聚沉现象。 明矾净水作用
天然水中胶态的悬浮物大多带负电，明矾在水中 水解产生的Al(OH)3溶胶带正电，它们相互聚沉而 使水净化。
- + FeO+
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
（二）溶胶的聚沉
1. 电解质的聚沉作用
Fe(OH)3溶胶
Al2(SO4)3溶液
聚沉(coagulation)
1. 电解质的聚沉作用
NaCl
Na+ + Cl-
临界聚沉浓度:使一定量 的溶胶在一定时间内完 全聚沉所需电解质的最 小浓度，又称聚沉值。
聚沉能力:是临界聚沉浓度的倒数。 电解质聚沉值 ，聚沉能力
Fe(OH)3 + HCl
FeOCl
Fe(OH)3
第一节 分散系概述
一、分散系(dispersed system)
一种或几种物质分散在另一种物质中所形 成的系统称为分散系统，简称分散系。 其中： 被分散的物质称为分散相(dispersed phase)
一、溶胶的基本性质
(一) 溶胶的光学性质——Tyndall 现象
在暗室内用一束光线照射溶胶时，在侧面可以 看到一个发亮的光柱的现象。
Tyndall 现象
Tyndall现象产生的原因：光的散射
光的散射 d >>λ
反射
d <<λ d 略小于λ 或接近于λ
通过
散射
可见光波长：400 ~ 760nm
胶体粒径：1 ~ 100nm
2. 溶胶的相互聚沉 若将两种带相反电荷的溶胶相互混合，则会发生 聚沉，称为相互聚沉现象。 明矾净水作用
天然水中胶态的悬浮物大多带负电，明矾在水中 水解产生的Al(OH)3溶胶带正电，它们相互聚沉而 使水净化。
- + FeO+
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
（二）溶胶的聚沉
1. 电解质的聚沉作用
Fe(OH)3溶胶
Al2(SO4)3溶液
聚沉(coagulation)
1. 电解质的聚沉作用
NaCl
Na+ + Cl-
临界聚沉浓度:使一定量 的溶胶在一定时间内完 全聚沉所需电解质的最 小浓度，又称聚沉值。
聚沉能力:是临界聚沉浓度的倒数。 电解质聚沉值 ，聚沉能力
Fe(OH)3 + HCl
FeOCl
Fe(OH)3
物理化学课件---第九章表面现象
根据这个公式,从实验测定毛细管中液面上升 或下降的高度,可以计算液体的表面张力 如果已知表面张力和毛细管半径,可以预测液 面上升的高度 植物就是利用这种毛细管现象,源源不断地从 土壤中吸取水分和营养. 人们也可利用这种毛细管现象,给植物输液。 必要时得切断地表的毛细管，达到保墒的目的。
8/25/2014
( l g ) 代表管内液 体和管外气体的密度差
忽略管外气体的密度,得
毛细管现象
p0
h
B
H2O
2 l gh ' R
若管外是另一种液体,则
8/25/2014
2 ( l,内 l,外 ) gh gh ' R
9.2.3
毛细管现象
2 ( 内 外 ) gh gh ' R
N m 1
在表面上，表面张力无处不在，只是在液体 表面中间，任意边界两边的表面张力对消,看不 出来罢了。
8/25/2014
9.1.3 表面张力
在金属线框中间系一线圈， 一起浸入肥皂液中，然后取出， 上面形成一液膜。 由于以线圈为边界的两边表 面张力大小相等方向相反，故线 圈成任意形状可在液膜上移动。
9.2.3
曲率半径与毛细管 半径的关系
毛细管现象
R cos ' R R ' R cos 是接触角,可用实
验测量
0° , 180°
8/25/2014
R' R
9.3 弯曲液面的蒸气压
1. 弯曲液面的蒸气压 2. Kelvin 公式的应用
8/25/2014
9.3.1 弯曲液面的蒸气压
气-液界面
空气
气-液 界面
CuSO 4 溶液
第九章表面现象
第九章表⾯现象第九章表⾯现象⼀、选择题1、⼩⼼的把⼀缝⾐针放在⽔⾯上，则缝⾐针有可能“浮”在⽔⾯上，下列情况最易成功的是（C）A、细长的针放在肥皂⽔⽔⾯上B、粗短的针放在清洁的⽔⾯上C、细长的针放在清洁的⽔⾯上D、粗短的针放在肥皂⽔⽔⾯上2、吉布斯吸附等温式中，对吸附量Г的叙述，正确的是（A ）A、Г是溶液表⾯的吸附量，其单位为mol·m-2B、Г只可能⼤于零C、对表⾯活性剂溶液，Г总⼩于零D、Г为单位表⾯上溶质体相的溶质的量3、在⼀定温度下，某液体有微⼩的液滴聚集成⼤滴的过程中，该体系（A）A、表⾯⾃由能降低B、表⾯积增⼤C、蒸汽压增加D、体积减⼩4、在密封容器中有⼤⼩不同的两⽔滴，那么（BE）A、⼤⽔滴与⼩⽔滴趋于⼤⼩相同B、⼤⽔滴变⼤，⼩⽔滴变⼩C、⼤⽔滴变⼩，⼩⽔滴变⼤D、⼤⽔滴蒸⽓压⾼，⼩⽔滴蒸⽓压低E、⼤⽔滴蒸⽓压低，⼩⽔滴蒸⽓压⾼5、依吉布斯吸附等温式，对仅有⼀种溶质的溶液来说，若Г﹥0时，则（B）A、该溶质为⾮表⾯活性物质B、该溶质为表⾯活性物质C、不能说明该溶质是否具有表⾯活性D、该溶质在表⾯层的浓度低于溶液本体的浓度6、对液体中的⽓泡⽽⾔，设p为⽓泡内液体的饱和蒸⽓压，r为⽓泡内的曲率半径，则（D）A、p减⼩，r降低B、p 减⼩，r减⼩C、p增加，r增加D、p增加，r减⼩7、在相同温度下，同⼀液体，分散成半径不相同的⼩液珠，如果r1﹥r2﹥r3则各⾃饱和蒸⽓压p1，p2，p3必定满⾜（C）A、p1﹥p2﹥p3B、p1=p2=p3C、p1﹤p2﹤p3D、不存在规律性8、已知293K 时⽔—⾟醇的界⾯张⼒为0.009 N·m -1，⽔—汞的界⾯张⼒为0.375 N·m -1，汞—⾟醇的界⾯张⼒为0.348 N·m -1，由以上数据可以判断( B )A 、⽔可以在汞—⾟醇界⾯上铺展B 、⾟醇可以在汞—⽔界⾯上铺展C 、⽔不能在汞的表⾯上铺展D 、⾟醇不能在汞的表⾯上铺展9、⼀定体积的⽔，当聚成⼀个⼤⽔球或分散成许多⼩⽔滴时，同温度下，两种状态相⽐，性质不变的是（）A 、表⾯能B 、表⾯张⼒C 、⽐表⾯D 、液体下的附加压⼆、计算题1、298K 时液体B 的表⾯张⼒为0.5N·m -1，在定温定压条件下，可逆地使其表⾯积减⼩2×10-2m 2，环境的熵变为1×10-3J·K -1，这时体系焓变和过程热各是多少？解：可逆过程 W’=△G=σdA=0.5N·m -1×(-2×10-2m 2)=-1×10-2J根据△G=△H —T △S△ H=△G+T △S=-1×10-2J+298K×1×10-3J·K -1=0.288J△Q= T △S=298K×1×10-3J·K -1=-0.298J2、氧化铝瓷件上需要涂银，当加热⾄1373K 时，试⽤计算接触⾓的⽅法判断液态银能否润湿氧化铝瓷件表⾯？已知该温度下固体Al 2O 3的表⾯张⼒λs -g=1.0N . m -1, λl -g=0.88N . m -1, λs -l=1.77N . m -1 。
[高等教育]第八章 表面现象与分散系统
![[高等教育]第八章 表面现象与分散系统](https://img.taocdn.com/s3/m/4994621c0b4c2e3f572763b3.png)
界面张力。
10
（2）温度的影响 同一种物质，温度升高，体积膨胀，分子之间的相互 作用减弱，其表面张力减小。当达到临界温度Tc时，界面 张力趋向于零。 因为 运用全微分的 性质，可得：
S ( )T , P ,nB ( ) A, P ,nB As T
等式左方为正值，因为表面积增加，熵总是增加 的。所以 随T的增加而下降。
7
F=2γl
γ：表面张力，单位：N.m-1
表面张力γ: 为垂直作用于单位长度相界面上的力。为 物质特征，与T、p、组成及另一相有关。 纯液体γ: 液体与饱和了其本身蒸汽的空气接触时 而言。 非纯液体γ: 与组成物质的性质有关。
8
γ: 表面吉布斯函数、表面功。单位 J· m-2。 γ：界面张力, 垂直作用于单位长度表面上的力。 单位 N· m-1。 由于J＝N· m，所以表面吉布斯函数、表面功与 界面张力的量纲相同。它们描述系统的同一个强度 性质，是系统的同一个热力学变量，但却不是完全 相同的一个量：①描述的角度不同，一个是能量概 念，另一个是力的概念。②单位不同。③界面张力 是矢(向)量，而表面能是标(非向)量。 γ的两种意义是等价的。一般情况下两者可以相互通用。
2
比表面（specific surface area）
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 有的表面积；另一种是单位体积固体所具有的表 面积。即：
Am A / m
或
AV A / V
Байду номын сангаас
式中，m和V分别为固体的质量和体积，A为其表 面积。目前常用的测定表面积的方法有BET法和 色谱法。
附加压力示意图
所有的点产生的总压力 为ps ，称为附加压力。凸面 上受的总压力为：po+ ps po为大气压力。
第九章 胶体分散体系的流变性质
第九章 胶体分散体系 的流变性质
第一节 黏度与黏度测定方法
• 一、牛顿（Newton）方程 • 各流层间存在速度差异，或者说存在速度梯度dv/dy。
• 由于分子的热运动和分子间的相互作用，那么低流速层对于相邻高 流速层便存在黏滞阻力，也就是内摩擦力。黏滞阻力F正比于两液层 间的接触面积A和速度梯度
B C E A
0
D
图9－13 触变滞后环
触变性在自然界的浓分散体系中广泛存在
• 1.沼泽地 • 2.衡量油漆质量的重要标准之一 • 3.开采石油的钻井泥浆是塑性体，并表现出触变性
η ηr η sp η red η ink 〔η 〕
二、Einstein黏度公式的偏差与偏差来源
• 1.分散相的浓度 • 因为 Einstein 黏度公式仅适用于分散相为球形的稀分散体 系，也可以说常数2.5与体系浓度和分散相粒子形态有关。 对于浓体系和非球形分散相，最简单的修正方法是用某个 数值常数α 取代2.5，则有：
• 式中ρ 和ρ 1分别是待测液体和已知黏度液 体的密度，由此式即可计算出待测液体的黏度。
图9—2 奥氏(a)和乌氏(b) 黏度计
3. 旋转黏度计
• 转桶黏度计的原理。
• 在半径分别为R和fR长度为L的外 与内桶之间放入被测液体。令外 桶以角速度ω旋转，在液体黏度 和切应力的作用下，内桶向相反 的方向扭动，直至两个大小相等 方向相反时扭矩达到平衡。 • 与内桶相连的扭力丝的旋转角为 θ， • 故有：
R m1b ρ2 φ1 = (1 + )φ m2 ρ1
1
4.带电分散相粒子间相互作用
• 带电的分散相粒子会产生几种效 应： • ①带电粒子附近存在双电层使粒 子的有效体积增大； • ②带相同电荷的粒子在布朗运动 作用下靠近到双电层相互搭接时 的静电排斥作用； • ③在电场的作用下，带电粒子连 同紧密层和部分扩散层与离子氛 向相反方向运动而产生的松弛作 用； • ④大分子链段互相排斥使大分子 更加伸展，而且带电越多，伸展 的程度越大。
第一节 黏度与黏度测定方法
• 一、牛顿（Newton）方程 • 各流层间存在速度差异，或者说存在速度梯度dv/dy。
• 由于分子的热运动和分子间的相互作用，那么低流速层对于相邻高 流速层便存在黏滞阻力，也就是内摩擦力。黏滞阻力F正比于两液层 间的接触面积A和速度梯度
B C E A
0
D
图9－13 触变滞后环
触变性在自然界的浓分散体系中广泛存在
• 1.沼泽地 • 2.衡量油漆质量的重要标准之一 • 3.开采石油的钻井泥浆是塑性体，并表现出触变性
η ηr η sp η red η ink 〔η 〕
二、Einstein黏度公式的偏差与偏差来源
• 1.分散相的浓度 • 因为 Einstein 黏度公式仅适用于分散相为球形的稀分散体 系，也可以说常数2.5与体系浓度和分散相粒子形态有关。 对于浓体系和非球形分散相，最简单的修正方法是用某个 数值常数α 取代2.5，则有：
• 式中ρ 和ρ 1分别是待测液体和已知黏度液 体的密度，由此式即可计算出待测液体的黏度。
图9—2 奥氏(a)和乌氏(b) 黏度计
3. 旋转黏度计
• 转桶黏度计的原理。
• 在半径分别为R和fR长度为L的外 与内桶之间放入被测液体。令外 桶以角速度ω旋转，在液体黏度 和切应力的作用下，内桶向相反 的方向扭动，直至两个大小相等 方向相反时扭矩达到平衡。 • 与内桶相连的扭力丝的旋转角为 θ， • 故有：
R m1b ρ2 φ1 = (1 + )φ m2 ρ1
1
4.带电分散相粒子间相互作用
• 带电的分散相粒子会产生几种效 应： • ①带电粒子附近存在双电层使粒 子的有效体积增大； • ②带相同电荷的粒子在布朗运动 作用下靠近到双电层相互搭接时 的静电排斥作用； • ③在电场的作用下，带电粒子连 同紧密层和部分扩散层与离子氛 向相反方向运动而产生的松弛作 用； • ④大分子链段互相排斥使大分子 更加伸展，而且带电越多，伸展 的程度越大。
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《高分子材料化学基础》
2. 用表面张力计算
肥皂膜FΒιβλιοθήκη σW Fdx 2 表面张力 l dx
显然： 自由能 表面张力
《高分子材料化学基础》
六、溶质对表面张力的影响
1. d / dc 0
1
非表面活性物质
无机盐、不挥发酸碱
2. d / dc 0
2
表面活性物质
3
短链脂肪酸、醇、醛
0
c2
3. 表面活性剂：明显降低水的表面张力的两亲性质 的有机化合物
式中，A表示某物质的表面积；V表示该物质的体积； 比表面积As的单位是m-1。
《高分子材料化学基础》
1).对于边长为l的立方体颗粒，其比表面积：
As
A V
6l 2 l3
6 l
2).对于半径为r的球形颗粒，其比表面积：
As A 4 r2 3 V 4r3 r
3
《高分子材料化学基础》
对于松散的聚集体或多孔性物质，其分散 程度常用单位质量所具有的表面积Aw来表示， 即：
《高分子材料化学基础》
表面张力σ(Surface
Tension)
在两相界面上，处处存在着一种张力，它垂直于表面的单位 线段上，指向使表面紧缩的方向并与表面相切。
作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用 σ表示，单 位是N·m-1。
肥皂膜
F
注意：
1. 表面张力是作用在单位长度线段 上的力，量纲为Ｎ m-1
润湿的变成不润湿——去润湿作用.原理是用表面活性物质的
极性部分选择性吸附,非极性部分向外呈憎水性.典型的就是 矿石的浮选,富集矿物.
一次性抽血器中盛血的玻璃管(定量的),内壁要疏 水化,使用的是硅偶联剂,使血液在管内不残留.
《高分子材料化学基础》
八、表面活性剂（Surfactant）及其应用 表面活性剂的一般结构
许多文献中也常常将两个不同体相间的界 面称为表面，表面化学这一术语也被大家广泛接受 了
《高分子材料化学基础》
表面化学与其他学科的联系
生命科学（生物膜及膜模拟化学）
表
面 化
能源科学（三次采油、煤的液化、化学电源）
学
材料科学（超细材料、材料的表面改型）
信息科学（LB膜，微电子器件） 界面化学的发展和现状
界面相是一个准三维区 域，其广度无限，而厚 度约为几个分子的线度
体系性质在体相为常数， 表面相是体系性质连续变 化的一个过渡区域
按物质聚集状态，界面可分为五类： 固－气（S-g）、固－ 液（S-l）、固－固（S-S）、液－气（l-g）、液－液（l-l）
《高分子材料化学基础》
表面（Surface）
表面：凝聚态物质相对于其纯气相的界面。 S－g、L－g界面算作表面
《高分子材料化学基础》
能使水的表面张力明显升高的溶质称为非表 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，趋向于把水分子拖入 水中，非表面活性物质在表面的浓度低于在本体 的浓度。
表面活性物质(surface active substance) 溶液表面张力随浓度增加而逐渐减小。
表面活性剂是指能显著降低水的表面张力的一类物质
表面活性剂从结构上看均为两亲分子，即同时具有亲 水的极性基团和憎水的非极性基团。
极性头
8－18C 长链烷基等非极性基团
《高分子材料化学基础》
非极性基团：
1. 最常见的是8－18碳的直链烷烃，或环烃等
如 C17H35－，R－
等
2. 全氟表面活性剂：将上述碳氢链中的氢原子全部用 氟原子取代即可。其疏水作用强于碳氢链，其水溶液 表面张力可低至20mN/m以下
一、两者量纲相同
J Nm N
m2 m2 m
表面自由能的量纲
表面张力量纲
《高分子材料化学基础》
表面自由能与表面张力
二、两者数值相同
肥皂膜保持张力平衡：F 2 l （肥皂膜有两个表面）
肥皂膜
F
《高分子材料化学基础》
1. 用表面自由能计算：
dx
肥皂膜
lF σ
W= σ自由能 A = σ自由能·2l·dx
低分子量的极性有机物，如：醇、醛、酸、酯、胺 等.
《高分子材料化学基础》
表面活性剂surface active agent (surfactant): 当浓度很小时，溶液的表面张力便急剧减小，
但减小到一定值后就不再随浓度增加而变化。 一般为具有长碳链（碳原子数大于8）的极性有机化合物.
从结构上看，表面活性物质是两亲分子，一端亲水（－OH,－ COOH,－SO3Na等),另一端亲油（憎水）（－R等）。
对一定量的某物质来说，当其表面积较小时， 则表面性质对物质的一般性质的影响可以忽略；而 当物质的分散程度（即粉碎程度或分散度）很大时， 表面层分子所占的比例较大，表面现象也就表现得 突出了。
《高分子材料化学基础》
一、比表面积与分散度
比表面积：单位体积的物质所具有的表面积。 以As表示。
As A V
《高分子材料化学基础》
1 农药喷洒.由于大多农药水溶性差,对植物的茎叶润湿不好, 一是滚落浪费,二是不能展开而杀虫效果差,此时就要用到表 面活性剂surface active agent--SAA,加入表面活性剂SAA, 提高润湿程度,即可大大提高药效.
2另一类也是利用表面活性剂,但作用正相反,使某些物质本是
表面吸附量之间关系的吉布斯公式
c d
RT dc
式中，Γ：溶质在表面层的吸附量，是指单位面积的表面层所含溶 质的摩尔浓度数比同量溶剂在本体中所含溶质摩超出值；c：溶液的 本体浓度；σ：溶液的表面张力；T：绝对温度，K；R：气体常数
在一定温度下，当溶液的表面张力随浓度的变化率d σ/dc<0 时， Γ >0，表明凡是增加浓度，能使溶液表面张力降低的溶 质，在表面层必然发生正吸附。
由吉布斯自由能性质可知，在恒温恒压下，此表面 功即等于体系吉布斯自由能的变化量的相反数：
dG T , p,n Wreversible dA
此式表明，考虑表面相贡献的多相体系，除了温度、压力、组 成等因素，表面积也是影响体系热力学函数的一个重要变量。
《高分子材料化学基础》
表面自由能(Surface Free Energy)
第九章 表面现象与分散体系
《高分子材料化学基础》
§9.1 表面现象
水滴为什么是圆 形而不是方形
《高分子材料化学基础》
表面现象 它们为什么可以 漂在水面上
《高分子材料化学基础》
ps
水
水在毛细管中为 什么会上升
《高分子材料化学基础》
界面（Interface）
界面是相与相之间的交界 所形成的物理区域
1805 1806 1878 1916
T . Young P.S. Laplase Gibbs
Langmuir
提出界面张力概念 表面张力与曲率半径关系
表面吸附方程 固体吸附等温方程式
《高分子材料化学基础》
物质的表面特性
表面现象在某个确定的体系中表现出来的明显 程度，主要取决于表面层分子（或原子、离子）所 占的比例。
2. 注意区分表面张力产生原因与表 面张力的表现
《高分子材料化学基础》
表面张力(Surface Tension)
请同学们用表面张力的知识思考图中的现象
《高分子材料化学基础》
五、表面自由能与表面张力
对于表面相，我们从“能”和“力”的角度引出 了两个不同的概念：表面自由能与表面张力。事实上这两个 概念有着密切的联系
性剂浓度,
该值愈小表明表面活性剂在20界mN/m
面的吸附能力愈强。
C20 有效值
2. 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，
杂质的原因
能把水的表面张力降得愈低，该表面活性剂愈有效。
《高分子材料化学基础》
Aw A m
对于边长为l的立方体，则有：
Aw
A m
6l 2
l3
6
l
式中，ρ为密度，单位是kg/m3; l为立方体的边长，单位是m; Aw的单位是m2/kg。
《高分子材料化学基础》
二、表面现象的微观成因
《高分子材料化学基础》
表面现象的微观成因
气相 液相
表面相分子受力不均匀， 其分子有被拉入液相的趋 势。 这种受力不均匀性是表面 现象产生的微观成因。
《高分子材料化学基础》
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， 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，脂肪酸分子合理的 排列是羧基向水，碳氢链向 空气。
《高分子材料化学基础》
极性端称为头基，非极性端称为尾基。 正因为表面活性物具有两亲性结构，极性端极力进入 水相，而非极性端受到水的排斥，有逃出水相的趋势，于是它 被排向水面，在水面上浓集，将憎水部分伸向空气。微观上看， 表面层表面活性物分子所受的向内的拉力比水分子的要小些， 即表现出表面活性物质溶液的表面张力低于水的表面张力。
1. 狭义定义：保持体系温度、压力、组成不变时，增加
单
位表面积，体系吉布斯自由能的变化
G ( A ) p,T ,nB
2. 广义定义：保持体系相应变量不变时，增加单位表面
积，体系热力学函数的变化
U ( A )S ,V ,nB
(
H A
)
S
,P,nB
(
F A
)T
,V
,nB
(
G A
)T
,P,nB
《高分子材料化学基础》
表面化学基本热力学关系式：
dU TdS PdV dA BdnB B
dH TdS VdP dA BdnB B
2. 用表面张力计算
肥皂膜FΒιβλιοθήκη σW Fdx 2 表面张力 l dx
显然： 自由能 表面张力
《高分子材料化学基础》
六、溶质对表面张力的影响
1. d / dc 0
1
非表面活性物质
无机盐、不挥发酸碱
2. d / dc 0
2
表面活性物质
3
短链脂肪酸、醇、醛
0
c2
3. 表面活性剂：明显降低水的表面张力的两亲性质 的有机化合物
式中，A表示某物质的表面积；V表示该物质的体积； 比表面积As的单位是m-1。
《高分子材料化学基础》
1).对于边长为l的立方体颗粒，其比表面积：
As
A V
6l 2 l3
6 l
2).对于半径为r的球形颗粒，其比表面积：
As A 4 r2 3 V 4r3 r
3
《高分子材料化学基础》
对于松散的聚集体或多孔性物质，其分散 程度常用单位质量所具有的表面积Aw来表示， 即：
《高分子材料化学基础》
表面张力σ(Surface
Tension)
在两相界面上，处处存在着一种张力，它垂直于表面的单位 线段上，指向使表面紧缩的方向并与表面相切。
作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用 σ表示，单 位是N·m-1。
肥皂膜
F
注意：
1. 表面张力是作用在单位长度线段 上的力，量纲为Ｎ m-1
润湿的变成不润湿——去润湿作用.原理是用表面活性物质的
极性部分选择性吸附,非极性部分向外呈憎水性.典型的就是 矿石的浮选,富集矿物.
一次性抽血器中盛血的玻璃管(定量的),内壁要疏 水化,使用的是硅偶联剂,使血液在管内不残留.
《高分子材料化学基础》
八、表面活性剂（Surfactant）及其应用 表面活性剂的一般结构
许多文献中也常常将两个不同体相间的界 面称为表面，表面化学这一术语也被大家广泛接受 了
《高分子材料化学基础》
表面化学与其他学科的联系
生命科学（生物膜及膜模拟化学）
表
面 化
能源科学（三次采油、煤的液化、化学电源）
学
材料科学（超细材料、材料的表面改型）
信息科学（LB膜，微电子器件） 界面化学的发展和现状
界面相是一个准三维区 域，其广度无限，而厚 度约为几个分子的线度
体系性质在体相为常数， 表面相是体系性质连续变 化的一个过渡区域
按物质聚集状态，界面可分为五类： 固－气（S-g）、固－ 液（S-l）、固－固（S-S）、液－气（l-g）、液－液（l-l）
《高分子材料化学基础》
表面（Surface）
表面：凝聚态物质相对于其纯气相的界面。 S－g、L－g界面算作表面
《高分子材料化学基础》
能使水的表面张力明显升高的溶质称为非表 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，趋向于把水分子拖入 水中，非表面活性物质在表面的浓度低于在本体 的浓度。
表面活性物质(surface active substance) 溶液表面张力随浓度增加而逐渐减小。
表面活性剂是指能显著降低水的表面张力的一类物质
表面活性剂从结构上看均为两亲分子，即同时具有亲 水的极性基团和憎水的非极性基团。
极性头
8－18C 长链烷基等非极性基团
《高分子材料化学基础》
非极性基团：
1. 最常见的是8－18碳的直链烷烃，或环烃等
如 C17H35－，R－
等
2. 全氟表面活性剂：将上述碳氢链中的氢原子全部用 氟原子取代即可。其疏水作用强于碳氢链，其水溶液 表面张力可低至20mN/m以下
一、两者量纲相同
J Nm N
m2 m2 m
表面自由能的量纲
表面张力量纲
《高分子材料化学基础》
表面自由能与表面张力
二、两者数值相同
肥皂膜保持张力平衡：F 2 l （肥皂膜有两个表面）
肥皂膜
F
《高分子材料化学基础》
1. 用表面自由能计算：
dx
肥皂膜
lF σ
W= σ自由能 A = σ自由能·2l·dx
低分子量的极性有机物，如：醇、醛、酸、酯、胺 等.
《高分子材料化学基础》
表面活性剂surface active agent (surfactant): 当浓度很小时，溶液的表面张力便急剧减小，
但减小到一定值后就不再随浓度增加而变化。 一般为具有长碳链（碳原子数大于8）的极性有机化合物.
从结构上看，表面活性物质是两亲分子，一端亲水（－OH,－ COOH,－SO3Na等),另一端亲油（憎水）（－R等）。
对一定量的某物质来说，当其表面积较小时， 则表面性质对物质的一般性质的影响可以忽略；而 当物质的分散程度（即粉碎程度或分散度）很大时， 表面层分子所占的比例较大，表面现象也就表现得 突出了。
《高分子材料化学基础》
一、比表面积与分散度
比表面积：单位体积的物质所具有的表面积。 以As表示。
As A V
《高分子材料化学基础》
1 农药喷洒.由于大多农药水溶性差,对植物的茎叶润湿不好, 一是滚落浪费,二是不能展开而杀虫效果差,此时就要用到表 面活性剂surface active agent--SAA,加入表面活性剂SAA, 提高润湿程度,即可大大提高药效.
2另一类也是利用表面活性剂,但作用正相反,使某些物质本是
表面吸附量之间关系的吉布斯公式
c d
RT dc
式中，Γ：溶质在表面层的吸附量，是指单位面积的表面层所含溶 质的摩尔浓度数比同量溶剂在本体中所含溶质摩超出值；c：溶液的 本体浓度；σ：溶液的表面张力；T：绝对温度，K；R：气体常数
在一定温度下，当溶液的表面张力随浓度的变化率d σ/dc<0 时， Γ >0，表明凡是增加浓度，能使溶液表面张力降低的溶 质，在表面层必然发生正吸附。
由吉布斯自由能性质可知，在恒温恒压下，此表面 功即等于体系吉布斯自由能的变化量的相反数：
dG T , p,n Wreversible dA
此式表明，考虑表面相贡献的多相体系，除了温度、压力、组 成等因素，表面积也是影响体系热力学函数的一个重要变量。
《高分子材料化学基础》
表面自由能(Surface Free Energy)
第九章 表面现象与分散体系
《高分子材料化学基础》
§9.1 表面现象
水滴为什么是圆 形而不是方形
《高分子材料化学基础》
表面现象 它们为什么可以 漂在水面上
《高分子材料化学基础》
ps
水
水在毛细管中为 什么会上升
《高分子材料化学基础》
界面（Interface）
界面是相与相之间的交界 所形成的物理区域
1805 1806 1878 1916
T . Young P.S. Laplase Gibbs
Langmuir
提出界面张力概念 表面张力与曲率半径关系
表面吸附方程 固体吸附等温方程式
《高分子材料化学基础》
物质的表面特性
表面现象在某个确定的体系中表现出来的明显 程度，主要取决于表面层分子（或原子、离子）所 占的比例。
2. 注意区分表面张力产生原因与表 面张力的表现
《高分子材料化学基础》
表面张力(Surface Tension)
请同学们用表面张力的知识思考图中的现象
《高分子材料化学基础》
五、表面自由能与表面张力
对于表面相，我们从“能”和“力”的角度引出 了两个不同的概念：表面自由能与表面张力。事实上这两个 概念有着密切的联系
性剂浓度,
该值愈小表明表面活性剂在20界mN/m
面的吸附能力愈强。
C20 有效值
2. 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，
杂质的原因
能把水的表面张力降得愈低，该表面活性剂愈有效。
《高分子材料化学基础》
Aw A m
对于边长为l的立方体，则有：
Aw
A m
6l 2
l3
6
l
式中，ρ为密度，单位是kg/m3; l为立方体的边长，单位是m; Aw的单位是m2/kg。
《高分子材料化学基础》
二、表面现象的微观成因
《高分子材料化学基础》
表面现象的微观成因
气相 液相
表面相分子受力不均匀， 其分子有被拉入液相的趋 势。 这种受力不均匀性是表面 现象产生的微观成因。
《高分子材料化学基础》
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， 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，脂肪酸分子合理的 排列是羧基向水，碳氢链向 空气。
《高分子材料化学基础》
极性端称为头基，非极性端称为尾基。 正因为表面活性物具有两亲性结构，极性端极力进入 水相，而非极性端受到水的排斥，有逃出水相的趋势，于是它 被排向水面，在水面上浓集，将憎水部分伸向空气。微观上看， 表面层表面活性物分子所受的向内的拉力比水分子的要小些， 即表现出表面活性物质溶液的表面张力低于水的表面张力。
1. 狭义定义：保持体系温度、压力、组成不变时，增加
单
位表面积，体系吉布斯自由能的变化
G ( A ) p,T ,nB
2. 广义定义：保持体系相应变量不变时，增加单位表面
积，体系热力学函数的变化
U ( A )S ,V ,nB
(
H A
)
S
,P,nB
(
F A
)T
,V
,nB
(
G A
)T
,P,nB
《高分子材料化学基础》
表面化学基本热力学关系式：
dU TdS PdV dA BdnB B
dH TdS VdP dA BdnB B