胶体与表面化学 (3).ppt

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1、胶体与表面化学现在学习的是第1页，共30页胶体与表面化学胶体与表面化学(一一)现在学习的是第2页，共30页从历史角度看，界面化学是胶体化学的一个最重要的分支，从历史角度看，界面化学是胶体化学的一个最重要的分支，也是其中最兴旺的一个学科也是其中最兴旺的一个学科,两者间关系密切。而随着科学的发两者间关系密切。而随着科学的发展，现今界面化学已独立成一门科学，有关展，现今界面化学已独立成一门科学，有关“界面现象界面现象”或或“胶体与界面现象胶体与界面现象”的专著在国内外已有多种版本。的专著在国内外已有多种版本。本课程主要介绍本课程主要介绍与界面现象有关的物理化学原理及应用与界面现象有关的物理化学原理及

2、应用。它。它包括各种相界面和表面活性剂的相关特性，界面上的各种物理化包括各种相界面和表面活性剂的相关特性，界面上的各种物理化学作用，实验的和理论的研究方法及其重要应用以及有关胶体学作用，实验的和理论的研究方法及其重要应用以及有关胶体(纳纳米材料、介孔材料米材料、介孔材料)的一些知识。的一些知识。0 绪绪 论论现在学习的是第3页，共30页0 绪绪 论论现在学习的是第4页，共30页0 绪绪 论论现在学习的是第5页，共30页0 绪绪 论论-界面化学发展简史界面化学发展简史1805 T.Young 提出界面张力概念提出界面张力概念体系中两个相接触的均匀流体，从力学的观点体系中两个相接触的均匀流体，从力

3、学的观点看就象是被一张无限薄的弹性膜所分开，界面看就象是被一张无限薄的弹性膜所分开，界面张力则存在于这一弹性膜中。杨还将界面张力张力则存在于这一弹性膜中。杨还将界面张力概念推广应用于有固体的体系，导出了联系气概念推广应用于有固体的体系，导出了联系气液、固液、固液、固液、固气界面张力与接触角关系的气界面张力与接触角关系的杨氏方程杨氏方程。现在学习的是第6页，共30页1806 P.S.Laplace 表面张力与曲率半径关系表面张力与曲率半径关系Pierre-Simon Laplace 1749-18271869年普里（年普里（A.Dapre）研究了）研究了润湿和黏附现象，将黏附功与润湿和黏附现象，

4、将黏附功与界面张力联系起来。界面张力联系起来。0 绪绪 论论-界面化学发展简史界面化学发展简史现在学习的是第7页，共30页1859年，开尔文（年，开尔文（Kelvin）将界面扩）将界面扩展时伴随的热效应与界面张力随温度展时伴随的热效应与界面张力随温度的变化联系起来。后来，他又导出蒸的变化联系起来。后来，他又导出蒸汽压随界面曲率的变化的方程即著名汽压随界面曲率的变化的方程即著名的开尔文方程。的开尔文方程。0 绪绪 论论-界面化学发展简史界面化学发展简史Kelvin,Lord William Thomson(1824-1907)现在学习的是第8页，共30页1878 Gibbs提出了界面相厚度为零的

5、提出了界面相厚度为零的吉布斯界面模型，导出了联系吸附量吉布斯界面模型，导出了联系吸附量和界面张力随体相浓度变化的普遍关和界面张力随体相浓度变化的普遍关系式即著名的吉布斯吸附等温式。系式即著名的吉布斯吸附等温式。Gibbs 1839-19030 绪绪 论论-界面化学发展简史界面化学发展简史现在学习的是第9页，共30页1932 Nobel Prize for Chemistry 1881-19571913-1942年期间，美国科学家年期间，美国科学家Langmuir在界面科学领域做出了杰在界面科学领域做出了杰出的贡献，特别是对吸附、单分子出的贡献，特别是对吸附、单分子膜的研究尤为突出。膜的研究尤为

6、突出。他于他于1932年获诺贝尔奖，被誉年获诺贝尔奖，被誉为界面化学的开拓者。为界面化学的开拓者。1916年年提出固体吸附等温方程式提出固体吸附等温方程式0 绪绪 论论-界面化学发展简史界面化学发展简史现在学习的是第10页，共30页0 绪绪 论论-界面化学发展简史界面化学发展简史 界界面面化化学学的的统统计计力力学学研研究究是是从从范范德德华华开开始始的的。1893年年，范范德德华华认认识识到到在在界界面面层层中中密密度度实实际际上上是是连连续续变变化化的的。他他应应用用了了局局部部自自由由能能密密度度的的概概念念，结结合合范范德德华华方方程程，并并引引入入半半经经验验修修正正，从从理理论论上

7、上研研究究了了决决定定于于分分子子间间力力的的状状态态方方程程参参数数与与界界面张力间的关系。面张力间的关系。50年年代代以以后后，界界面面现现象象的的统统计计力力学学研研究究经经过过勃勃夫夫（F.Buff）、寇寇克克伍伍德德（Kirkwood）、哈哈拉拉西西玛玛（Harasima）等等的的研研究究工工作作，取取得得了实质性的进展了实质性的进展.The Nobel Prize in Physics 1910 J.D.van der Waals现在学习的是第11页，共30页0 绪绪 论论lApplied Surface Science Elsevier(NL)ElProgress in Surf

8、ace Science Elsevier(NL)ElSurface and Coatings Technology Elsevier(NL)ElSurface and Interface Analysis Wiley DlSurface Science Elsevier(NL)ElSurface Science Reports Elsevier(NL)ElThin Solid Films Elsevier(NL)ElVacuum Surface Engineering,Surface Instrumentation&Vacuum Technology.Elsevier(NL)E现在学习的是第1

9、2页，共30页0 绪绪 论论-胶体化学发展简史胶体化学发展简史胶体化学也是一门古老而又年轻的科学。胶体化学也是一门古老而又年轻的科学。有史以前，我们的祖先就会制造陶器；汉朝已能利用纤有史以前，我们的祖先就会制造陶器；汉朝已能利用纤维造纸；后汉时又发明了墨；其他像做豆腐、面食以及药维造纸；后汉时又发明了墨；其他像做豆腐、面食以及药物的制剂等等在我国都有悠久的历史，这些成品及其制作物的制剂等等在我国都有悠久的历史，这些成品及其制作过程都与胶体化学密切相关。过程都与胶体化学密切相关。1809年，俄国化学家年，俄国化学家Scheele发现了土粒的电泳现象；发现了土粒的电泳现象；1829年英国植物学家年

10、英国植物学家Brown观察到花粉的布朗运动。此后，观察到花粉的布朗运动。此后，许多人相继制备了各种溶胶，并研究了它们的性质。许多人相继制备了各种溶胶，并研究了它们的性质。现在学习的是第13页，共30页胶胶体体化化学学作作为为一一门门学学科科来来说说，它它的的历历史史比比较较一一致致的的看看法法是是从从1861年年开开始始的的，创创始始人人是是英英国国科科学学家家ThomasGraham，他他系系统统研研究究过过许许多多物物质质的的扩扩散散速速度度，并并首首先先提提出出晶晶体体和和胶胶体体（colloid）的的概概念念，制制定定了了许许多多名名词词用用来来形形容他所发现的事实。容他所发现的事实。

11、0 绪绪 论论-胶体化学发展简史胶体化学发展简史1805-1869 British chemist often referred to as“the father of colloid chemistry.”现在学习的是第14页，共30页0 绪绪 论论-胶体化学发展简史胶体化学发展简史现现今今所所用用的的一一些些名名词词，如如溶溶胶胶（sol）、凝凝胶胶（gel）、胶胶溶溶（peptization）、渗渗析析（dialysis）、离离浆浆（syneresis）都都是是Graham提提出出的的。尽尽管管在在这这一一时时期期积积累累了了大大量量的的经经验验和和知知识识，但但胶胶体体化化学学真真正正

12、为为人人们们所所重重视视并并获获得得较较大大的的发发展展是是从从1903年年开开始始的的。这这时时席席格格蒙蒙迪迪Zsigmondy（德德）发发明明了了超超显显微微镜镜，肯肯定定了了溶溶胶胶的的一一个个根根本本问问题题体体系系的的多多相相性性，从从而而明明确确了了胶胶体体化化学学是是界界面面化化学学。1907年年，德德国国化化学学家家Ostwald创创办办了了第第一一个个胶胶体体化化学学的的专专门门刊刊物物胶胶体体化化学学和和工工业业杂杂志志，因因而而许许多多人人把把这这一一年年视视为为胶胶体体化化学学正正式式成成为为一一门门独独立立学学科科的的一一年年。接接着着Freundlich和和Zsi

13、gmondy先先后后出出版版了了他他们们的的名名著著毛毛细细管管化化学学（1909）和和胶胶体体化化学学（1902）。）。现在学习的是第15页，共30页0 绪绪 论论-我国的发展简史我国的发展简史1954年年 傅鹰院士（北京大学）傅鹰院士（北京大学）中国胶体化学的奠基人之一中国胶体化学的奠基人之一1955年年 戴安邦院士（南京大学）戴安邦院士（南京大学）中国有了第一批胶体化学毕业生中国有了第一批胶体化学毕业生20世纪世纪90年代以前，只有北京大学、南京大学、山东年代以前，只有北京大学、南京大学、山东大学、华东师范大学有胶体界面化学的研究机构。大学、华东师范大学有胶体界面化学的研究机构。1983

14、年在北京大学召开全国第一届胶体与界面化学会年在北京大学召开全国第一届胶体与界面化学会议，议，2002年在山东大学召开第九届全国会议。年在山东大学召开第九届全国会议。现在学习的是第16页，共30页傅傅鹰鹰1902-1979戴安邦戴安邦1901-1999江江龙龙1933江雷江雷 1965研究领域研究领域 功能界面材料功能界面材料特殊浸润性界面材料特殊浸润性界面材料 陈邦林、王果庭、陈宗其、沈钟、赵国玺等等陈邦林、王果庭、陈宗其、沈钟、赵国玺等等0 绪绪 论论-我国的发展简史我国的发展简史国内目前尚无一本正式出版的胶体与界面化学杂志国内目前尚无一本正式出版的胶体与界面化学杂志郝京诚郝京诚1964现在

15、学习的是第17页，共30页-胶体与界面化学研究涉及领域胶体与界面化学研究涉及领域胶体与界面化学研究涉及领域胶体与界面化学研究涉及领域0 绪绪 论论农业 生物学与医学日用品的生产与使用 轻工业环境科学 分析化学材料 海洋科学天文与气象学 油田开发现在学习的是第18页，共30页一些涉及胶体和表面化学的实例一些涉及胶体和表面化学的实例0 绪绪 论论分析化学中的吸附指示剂、色谱等分析化学中的吸附指示剂、色谱等物理化学中的成核作用、过饱和、液晶等物理化学中的成核作用、过饱和、液晶等生物化学和分子生物学中的电泳、膜现象，蛋白质和核酸等生物化学和分子生物学中的电泳、膜现象，蛋白质和核酸等化学制造中的催化剂、

16、洗涤剂、润滑剂、粘合剂、农药化学制造中的催化剂、洗涤剂、润滑剂、粘合剂、农药环境科学中的气溶胶、泡沫、污水处理环境科学中的气溶胶、泡沫、污水处理材料科学中陶瓷制品、水泥、涂料、纳米材料、超细材料、材料的表面材料科学中陶瓷制品、水泥、涂料、纳米材料、超细材料、材料的表面改性等改性等日用品中的牛奶、豆浆、豆腐、啤酒、雨衣、皮革、明矾净水、鱼日用品中的牛奶、豆浆、豆腐、啤酒、雨衣、皮革、明矾净水、鱼汤肉汤成冻等汤肉汤成冻等石油工业中的油品回收、乳化、破乳、三次采油等石油工业中的油品回收、乳化、破乳、三次采油等信息科学中的信息科学中的LB膜、微电子器件等膜、微电子器件等现在学习的是第19页，共30页气

17、溶胶、烟雾的形成与大气污染气溶胶、烟雾的形成与大气污染水净化与污水处理水净化与污水处理毒气与毒剂的吸附毒气与毒剂的吸附黏土矿物的表面改性与应用黏土矿物的表面改性与应用人工降雨人工降雨天然水体中的胶体悬浮物与环境污染物之间的界面化学行为天然水体中的胶体悬浮物与环境污染物之间的界面化学行为液膜分离技术与废水处理液膜分离技术与废水处理-环境科学中的应用范例环境科学中的应用范例环境科学中的应用范例环境科学中的应用范例0 绪绪 论论现在学习的是第20页，共30页研究对象研究对象研究内容研究内容体体 系系理理 论论分散体系分散体系分散体系的形成与分散体系的形成与稳定稳定光学性能光学性能流变性能流变性能纳米

18、材料纳米材料气溶胶气溶胶憎液溶胶憎液溶胶亲液溶胶亲液溶胶粗分散体系（乳状液、粗分散体系（乳状液、悬浊液）悬浊液）智能流体，电、磁流智能流体，电、磁流体体单分散、单一形状颗单分散、单一形状颗粒的形成粒的形成纳米颗粒的有序排列纳米颗粒的有序排列气溶胶理论气溶胶理论成核理论，成核理论，DLVO稳定理论稳定理论高聚物溶液理论，高聚物溶液理论，胶束理论胶束理论光吸收与光散射光吸收与光散射理论理论颗粒相互作用力颗粒相互作用力理论理论现代胶体与界面科学的研究内容现代胶体与界面科学的研究内容 0 绪绪 论论现在学习的是第21页，共30页现代胶体与界面科学的研究内容现代胶体与界面科学的研究内容 0 绪绪 论论润

19、湿、摩擦、润湿、摩擦、黏附黏附吸附现象吸附现象界面电现象界面电现象界面层结构界面层结构界面现象界面现象气固界面气固界面液固界面液固界面气液界面气液界面液液界面液液界面液固界面液固界面表面力理论、表面力理论、表面层结构、表面层结构、分子定性理论分子定性理论各种吸附理论各种吸附理论双电层理论双电层理论界面光谱学与界面光谱学与显微术能谱、显微术能谱、扫描探针显微扫描探针显微镜、激光拉曼镜、激光拉曼等方法研究、等方法研究、界面分子定向、界面分子定向、界面化学反应、界面化学反应、界面力的研究界面力的研究现在学习的是第22页，共30页现代胶体与界面科学的研究内容现代胶体与界面科学的研究内容 0 绪绪 论论

20、有有序序组组合合体体溶液中有序分子组溶液中有序分子组合体合体生物膜与仿生膜生物膜与仿生膜有机无机混合膜有机无机混合膜有序组合体中的物有序组合体中的物理化学反应理化学反应胶束、微乳液、泡囊胶束、微乳液、泡囊LB膜膜、脂质体、液脂质体、液晶、分形体等晶、分形体等夹心结构、溶胶凝夹心结构、溶胶凝胶膜胶膜分子间相互作用分子间相互作用力（氢键、范德力（氢键、范德华力、分子形状、华力、分子形状、弯曲能、相图）弯曲能、相图）液晶理论、类脂液晶理论、类脂体与蛋白质的相体与蛋白质的相互作用、分形理互作用、分形理论论增溶现象、胶束增溶现象、胶束催化、定向合成催化、定向合成现在学习的是第23页，共30页现在学习的是

21、第24页，共30页胶体与界面科学的发展前景胶体与界面科学的发展前景 0 绪绪 论论胶体与表面化学是一门应用性极强的学科。近百年来，它的发胶体与表面化学是一门应用性极强的学科。近百年来，它的发展同步于工农业生产的发展，有些方面甚至是超前的，究其原展同步于工农业生产的发展，有些方面甚至是超前的，究其原因主要有两方面：因主要有两方面：自然科学整体水平的提高，带动胶体与表面化学素质增自然科学整体水平的提高，带动胶体与表面化学素质增幅幅 利用现代物理与化学理论解决胶体与表面中的基本理论问题利用现代物理与化学理论解决胶体与表面中的基本理论问题，如用量子化学，如用量子化学研究吸附与催化、用分形理论研究胶粒形

22、貌、用统计力学研究高分子等；研究吸附与催化、用分形理论研究胶粒形貌、用统计力学研究高分子等；现在学习的是第25页，共30页应用现代精密仪器和方法解决胶体与表面化学中悬而未决的实际应用现代精密仪器和方法解决胶体与表面化学中悬而未决的实际问题问题。如用不同力（学）显微镜研究胶粒间的力（大小）及表面。如用不同力（学）显微镜研究胶粒间的力（大小）及表面上分子（原子）的形态、用不同的能谱仪综合研究胶团表面分子上分子（原子）的形态、用不同的能谱仪综合研究胶团表面分子相互作用的细节等；相互作用的细节等；将胶体与表面化学的观点和方法应用于医学、生理、土壤、将胶体与表面化学的观点和方法应用于医学、生理、土壤、环

23、境、大气、海洋湖泊等诸多学科之中环境、大气、海洋湖泊等诸多学科之中，既丰富了这些学科的，既丰富了这些学科的内容，也促进了对胶体与表面化学更深层次知识的探索。内容，也促进了对胶体与表面化学更深层次知识的探索。胶体与界面科学的发展前景胶体与界面科学的发展前景 0 绪绪 论论现在学习的是第26页，共30页工农业的飞跃发展对胶体与表面化学提出了高而新的工农业的飞跃发展对胶体与表面化学提出了高而新的要求要求 胶体与界面科学的发展前景胶体与界面科学的发展前景 0 绪绪 论论（1）新产品开发：组装分子器件、超精细材料）新产品开发：组装分子器件、超精细材料（2）老产品的升级换代：洗涤剂、化妆品、颜料、）老产品

24、的升级换代：洗涤剂、化妆品、颜料、复印碳粉等复印碳粉等（3）旧工艺更新：单分散固态胶粒的制造与收集、）旧工艺更新：单分散固态胶粒的制造与收集、采油工艺等采油工艺等现在学习的是第27页，共30页20世纪世纪90年代以来，不少国家对年代以来，不少国家对纳米材料纳米材料制定了跨世制定了跨世纪的长期研究计划，致使众多的物理学家加盟表纪的长期研究计划，致使众多的物理学家加盟表(界界)面面科学研究，其目标在于科学研究，其目标在于开发纳米级或分子（原子）级开发纳米级或分子（原子）级具有多种功能的电子器件具有多种功能的电子器件。中国虽起步较晚，但发展。中国虽起步较晚，但发展迅速迅速。胶体与界面科学的发展前景胶

25、体与界面科学的发展前景 0 绪绪 论论现在学习的是第28页，共30页德国科学家德国科学家Gerhard Ertl(格哈德格哈德-埃特尔埃特尔)在表面化学研究领域作出开拓性贡献在表面化学研究领域作出开拓性贡献一一是是对对表表面面化化学学反反应应，特特别别是是合合成成氨氨的的机机理理研研究究，实实际际上上人人们们对对合合成成氨氨的的机机理理还还没没有有完完全全弄弄清清楚楚，而而埃埃特特尔尔的的研研究究是是最最接接近近于于真真实实情情况况的的；二二是是对对非非线线性性动动力力学学过过程程的的研研究究，这这是是化化学学和和物物理理研研究究中中一一个个非非常常基基本本的的过过程程，埃埃特特尔尔不不仅仅用

26、用现现代代表表面面科科学学的的手手段段来来研研究究它它，还还发发展展了了一一些些理理论论。此此外外，他他还还用用表表面面科科学学的的方方法法和和手手段段来来研研究究很很多多相相关关领领域域的的科学问题，包括燃料电池、臭氧层的改变等科学问题，包括燃料电池、臭氧层的改变等 在2000年，中科院和德国马普学会组建了“纳米催化技术”伙伴关系研究小组，利用表面科学的表征、制备手段，研究催化反应的纳米作用基础 2007年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖 现在学习的是第29页，共30页l胶体化学基础胶体化学基础 周祖康、顾惕人编著周祖康、顾惕人编著 北京大学出版社北京大学出版社l胶体与表面化学胶体与表面化学 沈钟

27、沈钟 赵振国赵振国 王果庭编著王果庭编著 化学工业出版社化学工业出版社l胶体与界面化学胶体与界面化学 陈宗淇陈宗淇 等编著等编著 高等教育出版社高等教育出版社l应用胶体化学应用胶体化学 候万国等编著候万国等编著 科学出版社科学出版社l界面与胶体的物理化学界面与胶体的物理化学 李葵英等编著李葵英等编著 哈尔滨工业大学出版社哈尔滨工业大学出版社l应用胶体化学应用胶体化学 郑树亮郑树亮 等编著等编著 华东理工大学出版社华东理工大学出版社l应用表面化学与技术应用表面化学与技术 哈尔滨工业大学出版社哈尔滨工业大学出版社 l新世纪的物理化学新世纪的物理化学学科的前沿与展望学科的前沿与展望 国家自然科学基金委员会化学科学部国家自然科学基金委员会化学科学部 组编组编课程参考书课程参考书 0 绪绪 论论现在学习的是第30页，共30页