胶体与界面化学4详解
胶体与界面化学课件 lesson 4
－ Traube rule (特劳贝规则) ：
（1） o ac
（2）
n 1 3.2 n
1.4.3 Adsorption
superheated liquid:
pex pl pin
p
pin pex pl Δp
3. Supersaturated solution (过饱和溶液)
• Under some circumstances it is possible to prepare a solution which behaves anomalously and contains more solute than a saturated solution. Such a solution is said to be supersaturated.
✓ When the force of Adhesion is greater than the cohesion, the liquid is said to wet the capillary wall, spreading over it, and rising in the tube.
2、Maximum bubble pressure method
Ⅰ：无机酸、碱、盐—— 溶液的表面张力升高 Ⅱ：醇、酮、醛、酸、酯 ——表面张力降低 Ⅲ：肥皂、洗涤剂类物质 ——显著降低水的表面张 力，达一定浓度后不再改 变
o ac
溶液表面张力与 溶质浓度的关系
1.4.2 Surface tension & concentration
• 有机物质水溶液的表面张力呈现一定的规 律性。属于同系的有机物 R(CH2)nX〔例如 脂肪醇 R(CH2)nOH〕，每增加一个-CH2 基 使其在稀溶液中降低同样表面张力所需浓
胶体界面化学知识点总结
胶体界面化学知识点总结胶体界面化学是研究在胶体系统中发生的化学现象和过程的科学，它涉及到界面的性质、结构和变化等方面。
胶体界面化学的研究对理解胶体系统的基本特性和应用具有重要的意义。
下面将对胶体界面化学的相关知识点进行总结。
一、胶体概念胶体是由两种或两种以上的相组成的复合系统，其中一个相是固体，另一个或另一些是液相或气相。
这些相都是微观分散的，且不易被重力沉淀的稳定性。
胶体是一种介于溶液和悬浮液之间的分散系统，在胶体中，含有微粒的相称为分散相，微粒与溶剂形成的相称为连续相。
胶体颗粒的尺寸一般在1-1000nm之间。
根据分散相的性质不同，胶体又可以分为溶胶、凝胶和乳胶等。
二、胶体稳定性胶体的稳定性是指其分散相维持分散状态的能力。
胶体稳定性与表面活性剂的类型和浓度、电解质的存在和浓度、电荷作用、范德华力等因素有关。
当表面活性剂存在时，会在分散相的表面形成一层物理吸附膜来减少表面能，改变表面性质，从而稳定胶体。
电解质的存在可以中和分散相表面的电荷，减少静电斥力，使胶体不稳定。
电荷作用和范德华力也会影响胶体的稳定性。
了解这些因素对胶体稳定性的影响对于胶体的应用和制备具有重要的意义。
三、界面活性剂界面活性剂是一类具有分子结构中同时含有亲水性和疏水性基团的化合物，它们在液体界面上降低表面张力，促进液体的分散和乳化，并有较强的渗透性和复合物形成性。
界面活性剂的主要作用包括降低表面张力、增加分散性、稳定胶体、乳化和分散。
根据亲水性基团的不同，界面活性剂可以分为阴离子、阳离子、非离子和两性离子界面活性剂。
界面活性剂的选择和使用对于控制胶体的稳定性和调控乳液、泡沫等具有重要的作用。
四、胶体的表面性质胶体的表面性质是指胶体颗粒的表面具有的润湿性、黏附性、表面能等物理化学性质。
胶体颗粒的表面性质与界面活性剂的类型和浓度、电解质的存在和浓度、溶剂的性质等有关。
表面性质的研究对于控制胶体的稳定性、界面活性剂的选择和应用有着重要的意义。
胶体及界面
胶体及界面化学部分概念辨析界面张力与界面自由能（一）二者物理意义完全不同。
虽然界面张力和界面自由能都是由于界面力场的不平衡所至，且都是描述系统的同一性质（描述的角度不同），但不能将二者视为同一物理量的两种称谓。
界面张力是“力”，是向量，界面自由能是“能”，是标量。
它们各自的定义也是分别按力的概念和能量的概念叙述的。
（二）二者量纲实质上相同。
界面张力和界面自由能的单位不同，但二者的单位N.m-1和J.m-2的量纲一致：[J.m-2]=[N.m.m-2]=[N.m-1]。
（三）二者数值完全相等。
证明如下：在一定温度、压力下，对一定量的液体，外界为扩展其表面所消耗的表面功与增加的表面积成正比：，定义比例系数为界面自由能。
（，）从另一角度看，测定长（如图）液膜的外力的结果说明，平衡时，外力F与液膜边界总长2l（液膜有两面）成正比，即，定义比例系数为界面张力（系数）。
外界所做的功等于外力乘液膜移动的距离，。
（2l d x 等于液膜两面增大的总面积d A）对比前式，可见界面自由能和界面张力的数值完全相等。
介稳状态介稳状态亦称亚稳态。
右图是关于介稳状态的一个通俗的力学例子。
图中左球处于稳定状态，给一扰动，球能自动恢复到原来的位置；中球处于不稳定状态，给一扰动，球立刻失去原来的位置；右球处于介稳状态，给一微扰，球能自动恢复到原来的位置，扰动稍大，球迅速失去原来的位置。
由表面现象引起的（相变过程中的）介稳状态有很多种。
（一）过饱和蒸汽。
指已超过系统温度下的饱和蒸汽压，应当凝结而未凝结的蒸汽。
其原因是，蒸汽开始凝结之初形成的微小液滴（新相）曲率极小，而弯曲液面上的蒸汽压与其曲率半径成反比（由Kelvin公式定量描述），即与微小液滴达平衡的蒸汽压（即饱和蒸汽压）比通常液体要大，蒸汽的压力对通常液体已达饱和状态时，对微小液滴却未达饱和状态，因而微小液滴不能生成，系统以过饱和蒸汽的形式存在，处于介稳状态。
从化学势或自由能的角度看，过饱和蒸汽的化学势（或自由能）大于通常情况下该液体的化学势（或自由能），应该有自发凝结的趋势，但由于其化学势（或自由能）小于微小液滴，故不能凝结。
界面化学与胶体科学
界面化学与胶体科学界面化学与胶体科学是一门研究物质在界面上行为的学科，它广泛应用于化学、材料科学、生物技术等领域。
本文将介绍界面化学与胶体科学的基本概念、研究内容和应用前景。
一、界面化学的基本概念界面化学是研究物质在两相界面上相互作用和传递的学科。
在界面上，不同相的物质会发生各种各样的相互作用，如分子间的吸附、扩散、电荷转移等，这些过程决定了物质在界面上的性质。
界面化学研究的对象包括气液、液液、固液等各种界面。
二、胶体科学的基本概念胶体科学研究的是胶体系统，即由两种或多种物质组成的具有连续介质性质的复相系统。
胶体系统的一个重要特点是存在着分子大小在1纳米到1微米范围内的颗粒。
胶体科学主要研究胶体颗粒的形成、性质和应用。
三、界面化学与胶体科学的关系界面化学和胶体科学在很大程度上是相互关联的。
在胶体系统中，胶体颗粒会与界面相互作用，界面化学的理论和方法可以解释胶体系统中的界面现象；而界面化学的研究成果也为胶体科学提供了理论基础和实验手段。
可以说，界面化学为胶体科学提供了基本的原理和方法。
四、界面化学与胶体科学的研究内容界面化学与胶体科学的研究内容包括以下几个方面：1. 界面活性剂：界面活性剂是一类能够在两相界面上降低表面张力的物质，常见的有表面活性剂、胶体活性剂等。
界面活性剂的分子结构和特性对其在胶体系统中的应用起着重要的影响。
2. 胶体颗粒的合成和表征：胶体颗粒的形成方法多种多样，包括化学合成、物理法合成等。
同时，通过各种手段对胶体颗粒进行表征，如粒径分布、形态特征等，可以了解其性质和应用潜力。
3. 界面现象的研究：界面现象是界面化学与胶体科学的核心内容之一。
界面上的吸附、扩散、分离等过程都是界面现象，研究这些现象可以揭示胶体系统的宏观性质。
4. 胶体的应用：胶体科学的研究成果在材料科学、化学、生物技术等领域具有广泛的应用前景。
例如，通过调控胶体颗粒的形态和结构，可以制备新型的材料，如纳米颗粒、胶体晶体等。
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后来（1924年）Stern又提出了Stern模型。
在固体表面的带电离子称为定位离子 固体表面上产生定位离子的原因如下：
（1）吸附 胶粒在形成过程中，胶核优先吸附某 种离子，使胶粒带电。
例如：在AgI溶胶的制备过程中，如果AgNO3过量， 则胶核优先吸附Ag+离子，使胶粒带正电；如果KI过 量，则优先吸附I -离子，胶粒带负电。
另一部分离子按一定的 浓度梯度扩散到本体溶液中， 离子的分布可用Boltzmann 公式表示，称为扩散层。
双电层由紧密层和扩散层构 成。移动的切动面为AB面
§7.3 Stern模型
Stern对扩散双电层模 型作进一步修正。
他认为吸附在固体表 面的紧密层约有一、二个 分子层的厚度，后被称为 Stern层；
'
x
b
外加电解质对 电势的影响
c
'
§7.4 动电现象
又称电动现象，是将运动与电场联系在一起的 现象。包括在电场作用下带电胶粒的运动以及固面 附近异电离子携带介质分子的运动现象，前者称为 电泳，后者称为电渗；另一类是粒子的运动和介质 （携带异电离子）的运动而产生的电场，前者称为 沉降电位，后者称为流动电位。
第九章 乳状液 第十章 凝胶 第十一章 大分子概说
第七章 带电界面
当固体与液体接触时，可以是固体从溶液中选择 性吸附某种离子，也可以是固体分子本身发生电离作 用而使离子进入溶液，以致使固液两相分别带有不同 符号的电荷，在界面上形成了双电层的结构。
早在1879年，Helmholz提出了平板型模型；
（2）电离 对于可能发生电离的大分子的溶胶而 言，则胶粒带电主要是其本身发生电离引起的
天津大学胶体与表面化学课件第四章界面现象和吸附
（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。
17.12.2020
8
（2）温度：
T升高， 下降。
温度系数
经验公式： T0[1k(TT0)]
当 T T0时，T 0 （表面张力为零）
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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
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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
式中： ( G ) ( u)
....
ATP nB ()
ASV nB ()
表明界面张力在T、P和各相中各物质的量不变时， 增加单位界面积时所增加的Gibbs函数。
G V ~ p V ~ （ p r ' p ） V ~2rl gM 2 r
Pr’ 和 P分别为小液滴凹面的压力和外压。
此处因为： G
r
0
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小液滴
平面液体
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根据气液平衡： 液 气
r0 R lp n T r;0 R lp n T 0
小液滴化学势
大块水化学势
Pr 和 Po 分别为小液滴和平面液体的饱和蒸汽压
胶体与表面化学-第四章--界面现象与吸附2
p
r
第二节 弯曲界面的现象
几点说明
拉 普 拉 斯 方 程
第二节 弯曲界面的现象
拉 普 拉 斯 方 程
曲率半径越小小，附加压力越大 曲率半径r永为正值， ΔP也总为正值 ΔP的方向总是指向球面的球心（或曲面的 曲心） ΔP是表面张力在曲面上的合力（不是） ，表面张力是产生附加压力的根源，附加压 力是表面张力存在的必然结果。
相同点：
描述系统的同一个性质，是系统的同一个热力 学变量 量纲相同，数值相同
第一节 表面张力与表面能
关于表面张力和表面自由能的讨论
dx
肥皂膜
F
l
W= - G= σ自由能 A = -σ自由能·2l·dx W=- F·dx= -2σ表面张力·l·dx
第一节 表面张力与表面能
关于表面张力和表面自由能的讨论
毛 细 现 象
第二节 弯曲界面的现象
毛 细 现 象
第二节 弯曲界面的现象
开 尔 文 公 式
小液滴与平液面的挥发性能
•现象 小水滴不见了，它们“跑回”到杯中去了。 •说明 微小液滴比平面液体更容易挥发，或者说 微小液滴比平面液体上的饱和蒸气压高。
第二节 弯曲界面的现象
开 尔 文 公 式
第二节 弯曲界面的现象
第二节 弯曲界面的现象
毛 细 现 象 毛细 液面 现象
由于附加压力而引起的毛细管管内液面与 管外液面有高度差的现象称为毛细现象
第二节 弯曲界面的现象
将毛细管插入液体后, 若液体能 润湿毛细管壁, 两者的接触角θ< 90°, 形成凹液面, 导致管内液 面上升; 反之液面下降
毛 细 现 象
第二节 弯曲界面的现象
p pg pl
胶体与表面面化学
一、溶胶的胶团结构：1胶粒的结构比较复杂，首先有一定量的难溶物分子聚结形成胶粒的中心称为胶核2胶核选择性的吸附稳定剂中的一种离子，形成紧密的吸附层，由于正负电荷相吸，在紧密层外形成反号离子包围层，从而形成了带有紧密层相同电荷的胶粒3胶粒与扩散层中反号离子形成一个胶团。
二、双电层理论：当固体与液体接触时，可以是固体从溶液中选择性吸附某种离子，也可以是固体分子本身发生电离作用而使离子进入溶液，以致使固液两相分别带有不同符号的电荷，在界面上形成了双电层的结构。
1平板型模型2扩散双电层模型3stem模型。
三、溶胶的聚沉：溶胶的稳定具有条件的，一旦稳定条件被破坏，溶胶中的粒子就合并，长大，最后从介质中沉出。
影响因素：电解质、加热、辐射、溶胶本身。
聚沉值：能引起某一溶胶发生明显聚沉所需加电解质的最小浓度。
四、胶凝：一定浓度的溶胶或大分子化合物的真溶液在放置过程中自动形成胶凝的过程。
性质：1所有新形成的凝胶都含有大量液体，95%以上2凝胶有一定几何外形。
显示出固定的力学性质3由固液两相组成，具有液体的某些性质，不仅分散相是连续的，分散介质也连续。
分类：1弹性凝胶（明胶、琼脂）2非弹性（SiO2、TiO2、V2O5、Fe2O3）。
形成条件：1降低溶解度，使被分散的物质从溶液中以胶体分散状态析出2析出的质点既不沉降也不自由行动，而是构成骨架，通过整个溶液形成连续的网状结构。
形成方法：1改变温度2转化溶剂3加入电解质4化学反应。
不溶物形成凝胶的条件：1在产生不溶物的同时生成大量小晶粒2晶粒的形状以不对称为好，有利于搭成骨架。
五、膨胀：凝胶在液体或蒸汽中吸收液体和蒸汽使自身体积或重量增加的现象。
机理：一阶段：溶剂化层：溶剂分子很快出入凝胶中，与凝胶分子相互作用形成溶剂化层。
特征：1液体蒸汽压很低2体积收缩3热效应4熵值降低。
二阶段：溶剂分子的渗透和吸收。
六、硅酸铝凝胶制备（共沉淀法）：酸性硫酸铝溶液+水玻璃溶液——硅铝溶胶—硅铝凝胶小球—老化—铝盐活化a—水洗—表面活性剂浸渍b—干燥—烘焙。
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2、在固体表面上发生吸附作用 表面活性剂也可通过物理吸附或化学吸附形 成定向排列的吸附层，以改变固体表面的组成 和结构，使高能表面变为低能表面，从而降低 固体表面的润湿性。实践中常以此达到防水、 降黏的作用。 能发生吸附的表面活性剂有：重金属皂类、 长链脂肪酸、有机胺盐、有机硅化合物、合氟 表面活性剂等。 黄药（黄原酸）在矿物浮选中的应用就是最 典型的例子。
其γc可能小于液体的γl值，造成这些液体不 能在自身的吸附膜上铺展，这种现象叫做自憎 现象。可利用自憎现象改变固体表面的润湿性， 如常用一些有自憎现象的油作为一些精密机械 中轴承的润滑油，因为这样做可以防止油在金 属零件上的铺展而形成油污。
七、表面活性剂对润湿性的影响
1、降低液相表面张力的作用（润湿剂）
八、润湿作用的其他应用
1、金属焊接 金属焊接时，应选择黏附功 Wa 大的焊剂， 除此之外，还应选择一些配合溶剂以除去金属 表面的氧化膜，这种溶剂应既能溶解氧化膜又 能润湿金属，同时，又要能被焊剂从金属表面 顶替出来，从而使焊剂在金属表面铺展，如松 香就具备上述性能而作为常用的焊接溶剂。
2、滴状冷凝
棉布纤维具有醇羟基团，表面亲水。当表面 活性剂吸附于棉布表面时，表面活性剂的亲 水基团与棉布纤维的醇羟基团结合，而憎水 基朝向空气，从而使棉布表面从润湿变为不 润湿，这就是雨衣或防水布的制作原理。 若为非极性固体表面，可通过表面活性剂 的吸附形成亲水基向外的吸附层而使憎水表 面变为亲水表面，即使其由不润湿变为润湿。 如将聚乙烯，聚四氟乙烯，石蜡等典型的低 能固体浸在氢氧化铁或氢氧化锡溶胶中，经 过一段时间，水合金属氧化物在低能表面产 生较强的吸附，干燥后可使表面润湿性发生 永久性的变化，即从憎水变为亲水。
若将一般暖气管内壁改为憎水表面，则水 蒸气在管内凝成液滴并沿管壁流下，而不会 铺展成水膜，这样，在提高热交换效率的同 时又延长管道寿命。对热电厂的冷凝管同样 存在以上问题。
3. 配制农药 喷洒农药杀灭害虫时，如果农药水溶液对植物 的茎叶表面润湿性不好，药液易滚落下来不仅造 成浪费，而且洒在植物上的药液也不能很好展开， 待水分蒸发后，叶面上只形成断续的药物斑点， 杀虫效果不好。若在药液中加入少量表面活性剂， 使药液容易在茎叶表面展开，待水分蒸发后，形 成均匀的药物薄层，大大提高了农药的利用率和 杀虫效果。因此农药一般都需要制成乳液制剂。
2、低能表面的润湿性质
近年来，随着高聚物的广泛应用，低能表面的 润湿问题越来越引起人们的重视，如某些高聚物 做成的生产用品和生活用品，就要求其能很好地 为水所润湿（加入某些无机氧化物可能是有效的 办法），塑料电镀，降解等也需要解决润湿问题。 Zisman等人首先发现，同系列液体在同一固体表 面的润湿程度随液体表面张力的降低而提高。 （γl↓ ， COSθ ↑， θ ↓ ) 若以COSθ对γl作图，可得一很好的直线，
从润湿方程看，若液体的表面张力越低，则润湿 能力越强，当某液体（如水）的表面张力大于某 固体表面的γc值时，此液体是无法润湿该固体此时液体便能润湿 固体，这种表面活性剂一般称为润湿剂。显然， 降低水表面张力的能力越强，其润湿性越好，是 最有效的润湿剂。
将直线外推至COSθ=1处（θ=0），相应的表面张 力将为此固体的润湿临界表面张力，称为γc、γc 表示表面张力小于此值的同系列液体方可在该 固体上自行铺展，即S=0，若为非同系列液体， 以 COSθ 对 γl 作图通常也显示线性关系，将直线 外推至COSθ=1处，亦可得γc。 γc是表征固体表面润湿性的经验参数，对某一固 体而言，γc越小，说明能在此固体表面上铺展的 液 体 便越 少 ，其 可 润湿 性 越差 （ 即表 面能较 低）。从实验测得各种低能表面的γc值，并总结 出一些经验律：
六、固体的润湿性质
1、低能表面与高能表面 从润湿方程可以看出，当θ＜90°，可润湿， 这时 s s-l l ， 即要求 s l 可见，低表面张力的液体容易润湿高表面能的 固体，考虑到 l 的数值均在100mN/m以下， 常以此为界，将固体分为两类：
（ 1 ）表面张力大于 100mN/m 者称为高能固体，这 些固体易被液体所润湿，如无机固体、金属及其 氧化物等。 （ 2 ）表面张力低于 100mN/m 者称为低能固体，这 类固体不易被液体所润湿，如有机固体、高聚 物固体等。 一般的无机物固体（陶瓷、金属等）的表面能约 在500~5000mN/m，其数值远远大于一般液体的 表面张力，因此，液体与这类固体接触后，使固 体表面能显著降低。
①固体的润湿性与分子的极性有关，极性化合物 的可润湿性明显优于相应的完全非极性的化合物 （如纤维素的γc=40~45，而聚乙烯为31）。 ②高分子固体的可润湿性与其元素组成有关，在 碳氢链中氢被其他原子取代后，其润湿性能将明 显改变，用氟原子取代使 γc变小（如聚－氟乙烯 为 28 ），且氟原子取代越多， γc 越小（聚四氟乙 烯为18）,润湿性变差。而用氯原子取代氢原子则 使γc变大可润湿性提高，如聚氯乙烯的γc为39，大 于聚乙烯的31。
黄药与矿石表面发生吸附作用，这时，矿物表 面的外层为碳氢基，其润湿性大大下降，并附 着于鼓入的气泡中被浮选到液体表面。
矿物浮选
浮游选矿的原理图 当矿砂表面有5%被捕 集剂覆盖时，就使表面产 生憎水性，它会附在气泡 上一起升到液面，便于收 集。 选择合适的捕集剂， 使它的亲水基团只吸在矿 砂的表面，憎水基朝向水。
③附有两亲分子单层的高能表面显示出低能表 面的性质，这说明决定固体表面润湿性能的 是其表面层的基团或原子，而与基体性质关 系不大。因此，当表面层的基团相同时不管 基体是否相同，其γ c 大致相同。
3、高能表面的自憎现象 虽然许多液体可在高能表面上铺展，如煤油 等碳氢化合物可在干净的玻璃，钢上铺展，但 也有一些低表面张力的液体不能在高能表面上 铺展，例如辛醇、2-乙基己醇等。 出现这种现象的原因在于这些有机液体的分 子在高能表面上吸附并形成定向排列的吸附膜， 被吸附的两亲分子以极性基朝向固体表面，而 非极性基朝外排列使高能表面的组成和结构发 生变化。即从高能表面变成低能表面，