胶体和界面化学 表面活性剂作用原理
【胶体和界面化学】研究生课件3
H2COOCR
CH2OH 3RCOONa + CHOH
CH2OH
2. R-OSO3M硫酸酯盐 (烷基硫酸盐）R为8～22，M为Na、K ， （如十二烷基硫酸钠）
是润湿、乳化分散及去污最好的表面活性剂之一，是在肥 皂之后最老的阴离子表面活性剂，是以用高级醇经硫酸化、 碱中和后制成。由于高表面活性而得到广泛应用，但有两 方面缺点，一是在酸性条件下易水解还原为醇，二是碳原 子数为14-16时室温溶度很小。
第三章：表面活性剂作用原理
§第一节 表面活性剂的分类和化学结构 §第二节 表面活性剂在界面上的吸附 §第三节 表面活性剂在溶液中的状态 §第四节 表面活性剂有序结构 §第五节 表面活性剂的化学结构和性能
的关系
§第一节 表面活性剂的分类和化学结构
1.1 表面活性和表面活性剂 1.2 表面活性剂的分子结构特点 1.3 表面活性剂的分类和化学结构
纺织、印染、农药等工业中常用的调湿剂“拉开粉”即为 一
种烷基(二丁基或二异丙基)萘磺酸盐。萘和丁醇在浓硫酸 石油的磺作酸用盐下即生成二丁基萘磺酸，以碱中和即得萘磺酸盐。
石油磺酸过去常为提炼、纯化白矿油的副产品，与废酸一起 被抛弃。近年来应用越来越广泛。石油磺酸不再作为废品被 弃去，而是在市场上供不应求。实际应用的石油磺酸大部分 是油溶性的，其平均分子量大约在400与580之间(石油磺酸钠)
烷基苯磺酸盐，十二烷基苯磺酸钠，是大多数洗衣粉中的主要 成分，在硬水中一般不生成皂垢，耐酸碱。制造的主要原料是 石油,合成路线：
C10H24CH4 = CH2 +
[HF] C12H25
or[H2SO4]
C12H25
[H2SO4] [SO3]
胶体丁达尔效应
胶体丁达尔效应胶体丁达尔效应是指在两种不同相的物质接触面上，由于表面活性剂的存在，会形成胶体颗粒而引起的一系列现象。
该效应是由法国物理学家丁达尔于1885年发现并命名的。
一、胶体丁达尔效应的原理1.1 表面活性剂表面活性剂是指具有亲水和疏水两种互相矛盾的性质，能够降低液体表面张力并在两种不同相之间形成稳定界面的化学物质。
它们通常由亲水基团和疏水基团组成，其中亲水基团可以与水分子相互作用而疏水基团则可以与非极性溶剂相互作用。
1.2 胶体颗粒当表面活性剂被加入到两种不同相之间时，它们会在界面上形成一层分子膜。
这些分子膜会聚集在一起形成微小胶体颗粒，并在溶液中悬浮着。
这些胶体颗粒可以通过光学显微镜或电子显微镜观察到。
二、胶体丁达尔效应的实验现象2.1 泡沫的形成当表面活性剂被加入到水中时，它们会在水表面形成一层分子膜。
这层分子膜可以降低水的表面张力，并使得气泡在水中不易破裂。
因此，当我们用吸管吹气到水中时，会形成许多小气泡，并最终聚集在一起形成泡沫。
2.2 疏水颗粒的悬浮当我们将一些油滴加入到水中时，它们会很快地沉淀到底部。
但是，如果我们加入一些表面活性剂，则它们会在油滴和水之间形成一个界面，并使得油滴悬浮在水中而不是沉淀到底部。
2.3 颜色变化当我们将一些金属离子加入到溶液中时，它们会与表面活性剂分子相互作用并形成胶体颗粒。
这些胶体颗粒可以散射光线并产生彩色效应。
三、胶体丁达尔效应的应用3.1 生物学胶体丁达尔效应已经广泛应用于生物学中。
例如，在细胞培养中，表面活性剂可以被用作细胞培养基的一部分，以保持细胞在培养皿中的悬浮状态。
此外，表面活性剂还可以用于制备纳米颗粒和微球，这些颗粒可以用于药物传递和生物成像等应用领域。
3.2 化学工业在化学工业中，胶体丁达尔效应被广泛应用于制备各种胶体材料。
例如，在涂料和油漆制造过程中，表面活性剂可以被用作乳化剂来稳定颜料和其他添加剂的悬浮状态。
此外，表面活性剂还可以被用作洗涤剂、乳化剂、分散剂等。
表面活性剂作用原理及应用
表面活性剂作用原理及应用表面活性剂一词来自英语surfactant。
它实际上是短语surface active agent的缩合词。
它还有一个名字叫做tenside。
凡加入少量而能显著降低液体表面张力的物质，统称为表面活性剂。
它们的表面活性是对某特定的液体而言的，在通常情况下则指水。
表面活性剂一端是非极性的碳氢链（烃基），与水的亲和力极小，常称疏水基；另一端则是极性基团（如—OH、—COOH、—NH₂、—SO₃H等），与水有很大的亲和力，故称亲水基，总称“双亲分子”（亲油亲水分子）。
为了达到稳定,表面活性剂溶于水时，可以采取两种方式：1、在液面形成单分子膜将亲水基留在水中而将疏水基伸向空气，以减小排斥。
而疏水基与水分子间的斥力相当于使表面的水分子受到一个向外的推力，抵消表面水分子原来受到的向内的拉力，亦即使水的表面张力降低。
这就是表面活性剂的发泡、乳化和湿润作用的基本原理。
在油-水系统中，表面活性剂分子会被吸附在油-水两相的界面上，而将极性基团插入水中，非极性部分则进入油中，在界面定向排列。
这在油-水相之间产生拉力，使油-水的界面张力降低。
这一性质对表面活性剂的广泛应用有重要的影响。
2、形成“胶束”胶束可为球形，也可是层状结构，都尽可能地将疏水基藏于胶束内部而将亲水基外露。
如以球形表示极性基，以柱形表示疏水的非极性基，则单分子膜和胶束。
如溶液中有不溶于水的油类（不溶于水的有机液体的泛称），则可进入球形胶束中心和层状胶束的夹层内而溶解。
这称为表面活性剂的增溶作用。
表面活性剂在污垢和基底表面的吸附是去污洗涤的核心，吸附作用也是表面活性剂最基本的性质之一。
在洗涤过程中，表面活性剂的疏水基会尽可能地减少与水的接触，在表/界面上发生定向吸附，达到一定浓度后在体相形成聚集体，因此表面活性剂表现出一系列优良的性能，如润湿、乳化、增溶等。
表面活性剂可起洗涤、乳化、发泡、湿润、浸透和分散等多种作用，且表面活性剂用量少（一般为百分之几到千分之几），操作方便、无毒无腐蚀，是较理想的化学用品。
表面活性剂及其作用原理
吸附是物质在界面上富集的现象
表面活性剂在溶液表面吸附规律
♦ 表面活性剂分子横截面积小者极限吸附量大； ♦ 一般非离子表面活性剂的极限吸附量大于离子型的； ♦ 同系物的极限吸附量差别不大； ♦ 温度升高一般极限吸附量减少； ♦ 无机电解质的加入可明显增加离子型表面活性剂的吸
附强度，对非离子表面活性剂的影响不大。
非离子型表面活性剂
表面活性剂及其作用原理 朱海洋
表面活性剂中亲水亲油基
烷烷
烷基基
基苯酚
脂
基基
肪
酸 酰
疏水基
胺
基
脂脂脂
肪肪肪
酸醇氨
基基基
表面活性剂及其作用原理 朱海洋
亲水基
磺酸基-SO3H 硫酸基--OSO3H 羧酸基-COOH 磷酸基-PO(OH)2
-N+-(CH3)3 -N+-（CH3)2CH2COO-
一个立方体分割后表面积的增加
表面活性剂及其作用原理 朱海洋
液体的压力与曲率
Laplace公式：
P
P
P外
1 R1
1 R2
R1、R2为曲面的主要半径
当液面为球形时：
P P P外 2 / R
表面活性剂及其作用原理 朱海洋
表面活性剂的克拉夫特点
克拉夫特点（Krafft point）
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离子型表面活性剂在水中的 6
胶束浓度（cmc）。
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表面活性剂及其作用原理 朱海洋
表面活性剂在溶液中的状态
表面活性剂及其作用原理 朱海洋
离子型表面活性剂水溶液的一些物理化学性质
影响cmc的因素
♦ 表面活性剂化学结构的影响
表面活性剂类型 疏水基碳链长度 碳氢链分支及极性位置 碳氢链上其它取代基的影响 疏水基化学组成的影响 亲水基团的影响
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。
第2章_表面活性剂的作用原理[表面活性剂化学-天大]
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温度升高，表面张力(界面张力)下降。当达到临界 温度Tc时，界面张力趋向于零。
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2.1.1 表面张力和表面自由能 —表面张力及其影响因素
（3）压力的影响
表面张力一般随压力的增加而下降。因为压力增加，气相 密度增加，表面分子受力不均匀性略有好转。另外，若是气相 中有别的物质，则压力增加，促使表面吸附增加，气体溶解度 增加，也使表面张力下降。
在没有外力的影响或影响不大时，液 体总是趋向于成为球状。即使施加外 力后能将水银珠压瘪，一但外力消失， 它便会自动恢复原状。
如水面漂浮物、空气中的气泡、叶子 上的露珠。
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现象3：
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，见a图。 如果刺破线圈中央的液膜，线圈内 侧张力消失，外侧表面张力立即将 线圈绷成一个圆形，见b图，
这时
f ＝ 2 γl
l是滑动边的长度，因膜有两个面，所以边 界总长度为2l，比例系数γ表示垂直通过液面上
任一单位长度，与液面相切的收缩表面的力， 简称为表面张力，其单位通常为mN/m。
液体的表面张力
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2.1.1 表面张力—表面张力的能量表达
由于表面层分子的受力情况与本体中不同，因此如果要把 分子从内部移到界面，或可逆的增加表面积，就必须克服系统 内部分子之间的作用力，对系统做功。 温度、压力和组成恒定时，可逆地使表面积增加dA所需要 对系统作的功，称为表面功。用公式表示为：
a. 溶液表面表面活性剂分子的定向排列
b. 溶液内部表面活性剂胶束的形成
表面活性剂分子在表面的吸附和胶束形成示意图
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2.2 表面活性剂胶束
2.2.1 胶束的形成 2.2.2 临界胶束浓度 2.2.3 胶束的形状和大小 2.2.4 胶束作用简介
表面活性剂工作原理
表面活性剂工作原理
表面活性剂是一种能够降低液体表面张力的化学物质。
它的工作原理可以分为两个主要方面，即界面活性和乳化作用。
首先，表面活性剂具有界面活性，也就是它们能够在液体界面上形成一个稳定的薄膜。
这是由于表面活性剂分子结构中同时具有亲水（亲胶体）和疏水（亲脂肪）区域。
当表面活性剂加入到液体中时，它们会在液体界面上排列成一个单分子层或多分子层，将其亲水基团朝向水相，疏水基团朝向空气或油相。
这种排列方式能够降低液体表面的张力，使液体更容易湿润固体表面或与其他液体混合。
其次，表面活性剂还能够通过乳化作用来稳定两种不相容的液体混合物。
当两种不相容的液体混合时，由于它们的特性不同，容易分层或形成不稳定的乳液。
而表面活性剂分子具有两个不同的亲性区域，它们能够在液体界面上形成一个起稳定作用的界面层。
表面活性剂分子的亲水区域吸附在水相中，疏水区域吸附在油相中，形成一个类似于胶体的微乳液结构。
这种结构能够阻止两种液体相互分离，稳定乳液的形成。
总的来说，表面活性剂通过界面活性和乳化作用来降低液体表面张力，增加液体与固体间的接触面积，并稳定两种不相容液体的混合物。
这些特性使得表面活性剂在许多领域中得到广泛应用，例如洗涤剂、乳化剂、泡沫剂以及药物输送系统等。
表面活性剂分散的应用原理
表面活性剂分散的应用原理1. 什么是表面活性剂表面活性剂（Surface Active Agent）是一种能够降低液体表面张力并在液体中形成胶体的化学物质。
表面活性剂分子由亲水性（水溶性）头基和疏水性（水不溶性）尾基组成，使其能够同时与水分子和油分子相互作用。
这种特殊结构赋予了表面活性剂分散的能力，使其在许多领域中有广泛的应用。
2. 表面活性剂分散的原理表面活性剂分散是指将固体颗粒分散在液体中，使其能够均匀分布并保持稳定的过程。
其原理主要包括以下几个方面：2.1 界面活性表面活性剂具有两性电离特性，即亲水基团与疏水基团的共存。
亲水基团与水分子相互作用，疏水基团与颗粒表面油分子相互作用。
这种特性使得表面活性剂能够在液相和颗粒表面之间建立起界面，形成胶体分散体系。
2.2 分散能力表面活性剂分子在液相中聚集成胶束结构，胶束的亲水头基朝外与水分子相互作用，疏水尾基朝内与颗粒表面的油分子相互作用。
由于表面活性剂分子在胶束中的作用，使得固体颗粒沉积减少，分散效果显著。
2.3 稳定性表面活性剂分散后的胶束结构能够有效阻止颗粒间的聚集和沉淀，保持分散体系的稳定性。
胶束的疏水尾基屏蔽了颗粒之间的相互作用力，使其难以聚集。
此外，亲水头基与水分子形成了水和胶束之间的强相互作用力，也有助于分散体系的稳定。
3. 表面活性剂分散的应用表面活性剂分散在许多领域中都有重要的应用。
以下是一些常见的应用领域及其原理：3.1 化妆品表面活性剂在化妆品中的应用主要是为了使油和水混合均匀。
例如，在乳液中，表面活性剂能够使水和油相互分散，形成稳定的乳液体系。
这样可以使乳液更容易涂抹，并且在皮肤上形成保护膜，提供保湿效果。
3.2 洗涤剂洗涤剂是表面活性剂应用最广泛的领域之一。
表面活性剂能够降低水的表面张力，使其更容易与油污相互作用，并使其分散在水中。
此外，表面活性剂还能够在水中形成泡沫，增加洗涤剂的清洁能力。
3.3 农药表面活性剂在农药中的应用主要是为了提高农药的分散性和吸附性。
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1.2 表面活性剂的分子结构特点
❖所以具有表面活性的物质不一定都是表面活性剂 ❖表面活性剂分子一般由非极性的、亲油（疏水）的碳 氢链部分和极性的、亲水（疏油）的基团共同组成。
此种结构具有两重性 质，即从水中逃逸和 溶解于水中。因此在 水溶液中、表面和界 面采取特殊的定向排 列，具有一定的组织 结构，
疏水尾
亲水端基
冰山结构
溶剂化分子
由于疏水作用，水溶液中 的表面活性剂分子的碳氢 键有力图脱离水包围的趋 势，易于自身互相靠近、 聚集起来。表面活性剂分 子在水溶液表面上的吸附 和在溶液中缔合成为胶团 （见右图）。即为表面活 性剂分子自水介质逃离面 聚集的表现，亦即疏水作 用导致表面活性剂在表面 上的吸附和在溶液中的胶 团形成。
表面活性剂作用原理
§第一节 表面活性剂的分类和化学结构 §第二节 表面活性剂在界面上的吸附 §第三节 表面活性剂在溶液中的状态 §第四节 表面活性剂有序结构 §第五节 表面活性剂的化学结构和性能
的关系
§第一节 表面活性剂的分类和化学结构
1.1 表面活性和表面活性剂 1.2 表面活性剂的分子结构特点 1.3 表面活性剂的分类和化学结构
§第一节 表面活性剂的分类和化学结构
油酸钠是典型的肥皂，能很快的降低水的界 面张力，在浓度为0.0033M时可将水的界面 张力从72mN·m-1降到25mN·m-1
根据实验现象，将各类物质水溶液的表面张力和浓度的关系 归结为三种类型，
1.表面张力在稀浓度时随浓度急剧下降，降到一定浓度后不再 下降或下降很慢。
1.1 表面活性和表面活性剂
公元前2500年人们采用了山羊油与木炭和石灰共 沸的方法制取肥皂。 一世纪末期，我国周代常用草木灰水洗净油污衣 物，《礼记》中写着“冠带垢和灰清漱，衣裳垢 和灰清澣”。此过程中实际上是油脂经皂化生成 肥皂、从而发生洗涤作用的情况。魏晋时期利用 皂角（落叶乔木皂角树的果实，成分为烷基多苷 ）和猪胰（用猪的胰脏制取，主要成分是蛋白酶 ）作为洗涤剂。直到民国时期，西方的制皂术传 入我国（洋胰子）。1890年上海第一家生产肥皂 的工厂成立。
1.1 表面活性和表面活性剂
长期实践中发现：某些物质的水溶液，甚至在浓度 很小时，即能使溶剂的表面化学性质大为改变，使 之适合于生产上的某些要求，如降低溶剂的表面张 力和与其它液体之间的界面张力，增加润湿性能、 洗涤性能、乳化性能以及起泡性能等等。其中起主 要作用的物质就是表面活性物质。在日常生活中表 面活性剂是人们生活离不开的物质。 英国的科学家Clint形容表面活性剂的重要性，“有 了冰淇淋和洗涤剂，我们的生活才更加美好，若没 有表面活性剂，这两样东西都不会有。这真是太可 悲了。但是如果真的没有了表面活性剂，人们也不 会为没有冰淇淋和洗涤剂而哭泣。因为没有了活性 剂人也没有了” 。
5.特殊类型，活性组分复杂
2.表面张力随浓度增加逐渐下降 3.表面张力随浓度增加而稍有上升
仅就降低表面张力而言：能使 溶剂的表面张力降低的性质称 为表面活性
上述1.2.类物质具有表面活性，第三类物质无表面活性
❖ 1.油酸、肥皂和洗衣粉-表面活性物质 ❖ 2.有机化合物 ❖ 3.无机盐
❖ 因此表面活性物质的定义：能使水的表面张力降低的溶质称 为表面活性物质。（12类是表面活性物质，3类是非～。
在作为溶剂的水中，水分子通过氢键形成一定的结构（但
不像冰结晶那样完整）。当水中溶解了表面活性剂之后， 水中的一些氢键结构将重新排列，亲油基碳氢链周围将有 新的结构（不同于水）形成，即所谓的“冰山结构” （iceberg structure）。在此体系中，若有碳氢链相互靠拢、 缔合的现象发生，则“冰山结构”将破坏。此过程为一熵 增加的过程，水结构减少，体系自比较有序变为比较无序。 而过程的焓变化不大。因此，Gibbs自由能变化为负值， 过程易于发生（为一自然过程）。由此看来此过程发生的 本质主要在于熵增加，故常称之为 “熵驱动”过程。在 水溶液中非极性基团（碳氢链）相互缔合的作用即所谓 “疏水作用”（Hydrophbic Interaction）或“疏水效应”
❖ 表面活性剂定义：是这样一种物质，加入很少量时即能大大 降低溶剂(一般为水)的表面张力(气/液)或界面张力(液／ 液)，改变界面状态，使界面呈活化状态，从而产生润湿、 乳化、增溶、发泡、净洗等一系列作用，以达到实际应用。 这种物质除了具有较高的表面活性外（即在水中加入少量， 溶液的表面张力即可达到很低值），同时还具有其它一些生 产中所要求的特性如润湿、乳化、起泡以及洗涤作用，此也 为第2类物质所不易具备的性质。
§第一节 表面活性剂的分类和学结构
关于疏水作用的本质，存在着不少争论，因为水的 结构至今仍未完全了解。因此与水结构有关的疏水 作用更不容易认识。但只要溶质分子有非极性基团， 就会在溶液中通过“疏水作用”而有逃离水的趋势， 分子之间相互靠拢、缔合，尽可能与水隔离。因此 对于具有两亲分子的表面活性剂就采取两种方节 表面活性剂的分类和化学结构
在1个分子中同时存在阳离于基团和阴离子基团者称为 两性表面活性剂。非离子型表面活性剂在水中不电离， 呈电中性。此外，还有一些特殊类型的表面活性剂。
1.阴离子型，活性组分为阴离子
2.阳离子型，活性组分为阳离子
表面活性剂
3.非离子型，活性组分溶于水不电离 4.两性型，活性组分由阴阳离子组成
1.3 表面活性剂的分类和化学结构
从结构看，所有的表面活性剂分子都是由极性的亲水基和 非极性的憎水基两部分组成的。亲水基使分子引入水，而 憎水基使分子离开水，即引入油，因此它们是两亲分子。 表面活性剂分子的亲油基一般是由碳氢原子团，即烃基构 成的；而亲水基种类繁多。所以表面活性剂在性质上的差 异，除与碳氢基的大小和形状有关外，还与亲水基团的不 同有关。亲水基团在种类上和结构上的改变，远比亲油基 团的改变对表面活性剂的影响大。因此，表面活性剂一般 以亲水基团的结构为依据来分类。过去通常分为离子型和 非离子型两大类。现在分类较多。