工科化学12章1-2.ppt
第十二章界面现象和胶体分散系统第十二章界面现象和胶体分散系统本章要求本章要求1.掌握表面张力及比表面吉布斯函数的概念。2.理解杨氏方程、拉普拉斯方程和开尔文方程及其应用。3.掌握固体表面吸附的类型；理解掌握兰格谬尔吸附等温式的推导及应用。4.掌握溶液表面的吸附现象和吉布斯吸附公式；了解表面活性剂的概念及其简单应用。5.了解分散系统的分类及制备方法、胶体化学的研究对象及其特点。6.了解胶体的光学、动力及电性质；理解溶胶的扩散双电层理论。7.了解憎液胶团的结构和DLVO理论。8.了解乳状液的类型、稳定性及简单应用。3/5/20231第一节前言第一节前言一、界面现象和胶体分散系统的研究对象一、界面现象和胶体分散系统的研究对象界面化学界面化学(interfacechemistry)或表面化学表面化学(surfacechemistry)研究任意两相界面上发生的物理化学过程的科学界面包括液-气、固-气、液-液、固-液以及固-固等多种界面。由于历史的习惯，常将各种不同的界面统称为表面表面指物体与真空或自身饱和蒸气或含饱和蒸气的空气之间的界面胶体化学胶体化学(colloidchemistry)胶体化学是一门研究胶体分散系统和粗分散系统的科学3/5/20232界面化学与胶体化学的应用界面化学与胶体化学的应用1油、煤田开发钻井液，微乳液与三次采油原油脱水与破乳2农业土壤离子交换、农药的乳化与分散3生物学与医学生物流变学、血液学、电泳、各种凝胶4日用品的生产与使用洗涤剂、化妆品、乳制品、食品5轻工业造纸、纺织、印染、油漆、涂料、颜料、粘合剂6环境科学气溶胶、烟雾、人工降雨、污水处理7分析化学离子交换、胶束增溶、浊度8材料超细粉材料纳米材料、合金、液晶9海洋科学元素吸附提取、污染油膜的处理、海水淡化膜10.地质选矿浮选，矿石富集11.其他吸附剂制备、测试和使用；催化；含能材料：乳化炸药3/5/20233二、比表面二、比表面(specificsurface)定义定义单位体积(质量)的物质具有的表面积。是度量分散程度（即分散度）大小的物理量As=A/V或Aw=A/W说明说明式中，A代表体积为V、或质量为W的物质具有的表面积As的单位为m-1；Aw的单位为m2kg-1表12.1示例的意义分散度愈大，总的表面积就愈大。高度分散的系统，往往产生明显的表面效应3/5/20234立方体边长L/m粒子数总表面积A/m2比表面As/m-110-210-310-410-510-610-710-810-911031061091012101510181021610-4610-3610-2610-16100610161026103610261036104610561066107610861093/5/20235三、分散系统及其分类三、分散系统及其分类定义定义一种或几种物质以一定程度分散在另一种物质中形成的系统称分散系统(dispersionsystem)。以粒状分散的不连续相称分散相（dispersionphase），连续相称分散介质（dispersionmedium）分类分类按分散相粒子在某一最大线度方向的大小分为三类分子分散系统包括高分子溶液，是热力学稳定的均相系统胶体分散系统及粗分散系统。特点：多相、高度分散、热力学不稳定系统按分散相和分散介质的聚集状态分类分为八类3/5/20236分散系统分散系统粒子的线度粒子的线度/m实实 例例分子分散胶体分散粗分散10-910-910-710-7乙醇的水溶液，空气AgI或Al(OH)3水溶胶泥浆，牛奶分散介质分散介质分散相分散相系统名称或实例系统名称或实例气体气体液体液体液体固体固体固体液体固体气体液体固体气体液体固体气溶胶，如雾气溶胶，如烟、尘泡沫，如灭火泡沫乳状液、微乳液，如原油、牛奶溶胶、悬浮液，如金溶胶、油漆、泥浆固溶胶，如泡沫塑料固溶胶，如珍珠固溶胶，如合金、有色玻璃3/5/20237第二节表面张力第二节表面张力一、一、表面张力表面张力 表面功表面功W及表面吉布斯函数及表面吉布斯函数Gs 产产生生的的原原因因界面层分子受到指向体相内部不对称的合力作用，是产生表面张力的根本原因。是产生一切表面现象的根本原因 的的定定义义沿着液体表面垂直作用于单位长度线段上的紧缩力称为表面张力(surfacetension)(亦称界面张力)，用表示 的的方向方向平液面沿着液面与液面平行弯曲液面在力的着用点与液面相切3/5/20238 的物理意义的物理意义是表面张力是垂直作用于液体表面单位长度上的紧缩力W=Fdx=2Ldx=dA或LF=F/2Ldx 单位：mN/m或N/m是比表面吉布斯函数WrdT,PGdA(G/A)T,p,N是单位面积表面上的分子比处于体相时额外多出的能量，简称比表面能。单位：mJ/m2或J/m23/5/20239表面张力和比表面吉布斯函数分别是用力学和热力学的方法研究表面现象时采用的物理量，有相同的量纲，采用相应的单位时(例如，分别用Nm-1和Jm-2)数值相同。在应用上各有特色表面张力以力的平衡方法解决流体界面的问题，直观、方便比表面吉布斯函数便于用热力学原理和方法处理界面问题，所得结果不仅适用于液体表面，对各种界面有普遍意义具有巨大比表面体系的表面能具有巨大比表面体系的表面能G(表面)A故dT,pG(表面)dA+Ad0自发意义系统发生各种表面现象的热力学原因，一定T、p下恒定，表面积A趋于自动缩小A恒定，系统表面自发吸附能使下降的物质，导致G(表面)降低3/5/202310二、影响表面张力二、影响表面张力 的因素的因素(1)物质的本性分子间的作用力愈大，愈大极性液体(如水)较大，非极性液体的较小固体比液体有更大的(2)接触相的性质(3)温度绝大多数物质的随温度升高而降低温度趋近于临界温度TC时，物质的皆趋近于零3/5/202311物物 质质t103(Nm-1)n-C6H14n-C8H17OHC2H5OH(C2H5)2OH2ONaClLiClNa2SiO3(水玻璃)FeOA12O3AgCuPt2020202520803614100014272080110010831773.518.421.822.326.4372.75113.8137.8250582700878.513001800表表12.4某些液态物质的表面张力某些液态物质的表面张力3/5/202312物质气氛t/103/(Nm-1)铜银锡苯冰氧化镁氧化铝云母石英(1010晶面)Cu蒸气-真空-真空-真空-10507502155.5025185020-1961670114068552712010100090545001030表表12.5 一些固态物质的表面张力一些固态物质的表面张力3/5/202313第三节第三节润湿现象润湿现象接触角和杨氏方程接触角和杨氏方程定定义义润湿(wetting)固体(或液体)表面的气体被液体取代的过程接触角(contactangle)固-液界面的水平线与气-液界面在O点的切线之间夹角，又称润湿角杨氏方程杨氏方程形式 s-g=s-L+L-gcos或s-gs-Lg-LOBg-LOs-Ls-g3/5/202314讨论(1)=90，G=0，系统处于润湿与否的分界线(2)90，G0，不润湿。例，荷叶上的小液滴呈球形(3)90，G0，润湿。例，洁净玻璃上的水滴(4)cos=(s-g-s-L)/L-g1。数学上不可能，实际可能，是最高层次的润湿情况铺展。杨氏方程不再适用结论杨氏方程适用的条件：(s-g-s-L)/L-g1。在此范围内，可用衡量润湿性能的优劣：90，不润湿，90，润湿；愈大，润湿性能愈差，愈小，润湿性能愈好；=180，完全不润湿，=0或不存在，则为完全润湿。液体在不互溶的另一种液体表面的润湿情况可类似处理3/5/202315三种不同的三种不同的润润湿湿类类型型沾湿(adhesivewetting)Ga=s-L-(s-g+L-g)浸湿(immersionwetting)Gi=s-L-s-g铺展(spreading)Gs=s-L+L-g-s-g结论对指定的系统，沾湿最易进行，属最低层次的润湿；铺展属最高层次的润湿。对于某个指定系统，在一定T、p下，若能发生铺展，必能进行浸湿，更易进行沾湿3/5/202316第四节弯曲液面的一些现象第四节弯曲液面的一些现象一、弯曲液面的附加压力一、弯曲液面的附加压力拉普拉斯方程拉普拉斯方程pgpgPgpppLpLpLa水平液面b凸液面c凹液面图图12.5弯曲液面附加压力示意图弯曲液面附加压力示意图由图可见，不论凸液面(如气体中小液滴)还是凹液面(如液体中小气泡)，p的方向皆指向球心ppLppL3/5/202317pL小液滴(r)液体pg定定义义p=pL-pg拉普拉斯拉普拉斯(Laplace)方程方程系统Wr=pLdV-pgdV=pdV=dA,，或p=dA/(dV)p=2/r(12.12)讨论讨论对于空气中的气泡，p=4/r对凸液面：p(pLpg)0，p为正值，r0对于凹液面：p(pLpg)0，p为负值，r03/5/202318二、毛细现象二、毛细现象公式公式cos=R/rr hR思考题P35717作业P35711,12,133/5/202319
