表面活性剂原理课件.ppt
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1、第二章第二章 表面活性剂的作用原理表面活性剂的作用原理2.1表面张力与表面活性2.2表面活性剂胶束2.3表面活性剂结构与性能的关系精品课件有趣的现象 2007年11月23日,英国伦敦博物馆,Sam Heath(右),又被称为泡泡人Sam,用一个巨大的肥皂泡将50名学生罩起来:为什么肥皂膜能被拉的很大而不破裂?精品课件 凌波微步:为什么蜥蜴能行走在水面上?精品课件荷叶上的露珠为什么是球形的?精品课件 水水黾黾的的高高明明之之处处:既既不不会会划划破破水水面面,也也不不会会浸浸湿湿自自己己的的腿腿精品课件 为什么蜘 蛛网上的 水珠是圆形的?精品课件一枚硬币上可承受几滴水?精品课件结论:水面是一张有
2、弹性的结论:水面是一张有弹性的膜膜n 提问:为什么液体表面会形成一张有弹性的膜?精品课件为什么液体表面会形成一张有弹性的膜?圆形金属框上沾有肥皂泡沫,若将膜面上的棉线圈内部的膜戳破,那么棉线圈将被拉成圆形;精品课件为什么液体表面会形成一张有弹性的膜?把系有棉线的铁环放入肥皂水中,拿出时,铁环上布满一层肥皂膜。刺破一侧肥皂膜,另一侧肥皂膜收缩,棉线向该侧完成弧形。发现液体表面存在张力,且方向在液面内。精品课件为什么液体表面会形成一张有弹性的膜?n作用在液体表面,使液体表面收缩到最小面积的力,叫做液体表面张力。生活中,许多生活中,许多地方都有它!地方都有它!精品课件2.1 2.1 表面张力和表面活
3、性表面张力和表面活性界面与表面的概念表面:液体或固体与气体的接触面称为液体或固体的表面。界面:液-液、固-固和液-固的接触面称为界面。精品课件液体表面张力产生的原因表面层是一个厚度大概为10-9m的薄层,液体分子间距比较大。1.1.汽汽1.表面层表面层1.1.液体液体液体表面微观图液体表面微观图精品课件分子间既有引力作用 又有斥力作用平衡位置斥力起主要作用引力起主要作用v12rdv12=0R分子有效作用半径分子力是短程力!r分子有效直径 精品课件液体的表面张力液体的表面张力现象现象:液体表面有收缩到最小的趋势 液面像紧绷的弹性薄膜。说说明明:液面上存在沿表面的收缩力作用,这种力只存在于液体表面
4、。表表面面层层:在液体与气体交界面,厚度等于分子有效作用距离(=10-8 m)的一层液体。表表面面张张力力:液体的表面层中有一种使液面尽可能收缩成最小的宏观张力。精品课件表面张力产生的微观本质表面张力产生的微观本质分子力观点:分子力观点:表表面面张张力力是是由由于于液液体体表表面面层层内内分分子子间间相相互互作作用用与与液液体体内内部部分分子子间间相相互互作作用用不不同。同。分子力:在分子力:在液体液体內部的分子之內部的分子之间间,彼此互相吸引力,彼此互相吸引力,忽略了斥力;,忽略了斥力;分分子子作作用用球球(约约1010-8-8 m)m):在在液液体体内内部部P P点点任任取取一一分分子子A
5、 A,以以A A为为球球心心,以以分分子子有有效效作作用用距距离离为为半半径径作作一一球球,称称为为分分子子作作用用球球 。球球外外分分子子对对A A 无无作作用用力力,球内分子对球内分子对A A 的作用力对称分布,合力为零。的作用力对称分布,合力为零。从从表表面面层层中中Q Q、R R、S S点点任任取取一一分分子子,其其分分子子作作用用球球一一部部分分在在液液体体外外,空空气气密密度比水小,破坏了表面层的分子受力的球对称性;度比水小,破坏了表面层的分子受力的球对称性;其其受受合合力力与与液液面面垂垂直直,指指向向液液体体内内部部,这这使使得得表表面面层层内内的的分分子子与与液液体体内内部部
6、的的分子不同分子不同,都受一个指向液体内部的合力都受一个指向液体内部的合力 f f 越越靠靠近近表表面面,受受到到的的f f 越越大大;在在f f 作作用用下下,液液体体表表面面的的分分子子有有被被拉拉进进液液体体内内部的趋势。部的趋势。在宏观上就表现为液体表面有收缩的趋势在宏观上就表现为液体表面有收缩的趋势精品课件表面张力产生的微观本质表面张力产生的微观本质从能量观点来分析从能量观点来分析u把分子从液体内部移到表面层,需克服把分子从液体内部移到表面层,需克服 f f 作功作功;外力作功外力作功,分子势能增加分子势能增加,即即表面层内分子的势能比表面层内分子的势能比液体内部分子的势能大,表面层
7、为高势能区液体内部分子的势能大,表面层为高势能区;u表面层内表面层内,各个分子势能增量的总和称为各个分子势能增量的总和称为液体的表液体的表面能面能,用,用E E 表示表示。u任何系统的势能越小越稳定,所以表面层内的分任何系统的势能越小越稳定,所以表面层内的分子有尽量挤入液体内部的趋势,即液面有收缩的趋子有尽量挤入液体内部的趋势,即液面有收缩的趋势,使液面呈紧张状态,宏观上就表现为液体的表势,使液面呈紧张状态,宏观上就表现为液体的表面张力。面张力。u体积一定体积一定,球体的表面积最小球体的表面积最小;精品课件2.1.12.1.1表面张力与表面自由能表面张力与表面自由能mm空气液体液体内部和表面分
8、子的受力情况 在两相(特别是气-液)界面上,处处存在着一种张力,它垂直于表面的边界,指向液体方向并与液面相切。把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力,用表示,单位是N/m,通常为mN/m。精品课件abcdlf d液体表面张力 保持温度、压力和组成不变,每增加单位表面积时,Gibbs自由能的增加值称为表面Gibbs自由能,或简称表面自由能或表面能,用符号表示,单位为Jm-2。2.1.12.1.1表面张力与表面自由能表面张力与表面自由能JNm,J/m2 N/m精品课件 从力的角度是作用于单位长度上的力,叫表面张力.从能量的角度是单位表面的表面自由能,是增加单位表面积液体时自由能的增值,也就是单位
9、表面上的液体分子比处于液体内部的同量分子的自由能过剩值.精品课件表表2.1 2.1 常见液体的表面张力常见液体的表面张力精品课件表表2.2 2.2 一些液液体系的界面张力一些液液体系的界面张力液液界面的界面张力小精品课件影响表面张力系数的因素影响表面张力系数的因素与与液液体体的的性性质质有有关关:不同液体,值不同;密度小、易挥发的液体值较小。如:酒精、乙醚的值很小,金属熔化后的值很大。与与相相邻邻物物质质化化学学性性质质有有关关:同同一一液液体体与与不不同同物物质质交交界界,值不同。值不同。与与温温度度有有关关:温度升高,值减小。当液体沸腾时表面张力系数为零。与与液液体体内内所所含含杂杂质质有
10、有关关:在在液液体体内内加加入入杂杂质质,液液体体的的表表面面张张力力系系数数将将显显著著改改变变,有有的的使使其其 值值增增加加;有有的的使其使其 值减小。使值减小。使 值减小的物质称为值减小的物质称为表面活性物质表面活性物质。精品课件影响表面张力系数的因素影响表面张力系数的因素精品课件表面张力的测定方法表面张力的测定方法u滴重法(滴体积法)精品课件v 毛细管上升法 将一洁净的半径为 r 的均匀毛细管插入能润湿该毛细管的液体中,则由于表面张力所引起的附加压力,将使液柱上升,达平衡时,附加压力与液柱所形成的压力大小相等,方向相反:精品课件式中 h 为达平衡时液柱高度,g 为重力加速度,液气(为
11、密度)。由图中可以看出,曲率半径 r 与毛细管半径 R 以及接触角 之间存在着如下关系,若考虑到对弯液面的修正,常用公式为:毛细管上升法理论完整,方法简单,有足够的测量精度。精品课件w环法:基本原理是将一金属圆环(通常为铂丝圆环)平放在液体表面(或界面)上,用外力将圆环拉起,测量出此环拉离液面所需的最大力,在理想情况下此最大力应等于表面张力乘以圆环与液体接触面的周长。实际的表面张力应由测得的表面张力值P乘以一个校正因子F。x吊片法y最大气泡压力法z滴外形法精品课件全自动表面张力仪Kruss表面张力仪精品课件在恒温恒压下,纯液体因只有一种分子,其表面张力是一恒定值。对于溶液,由于至少存在两种或两
12、 种以上的分子,因此其表面张力会 随溶质的浓度变化而变化。物质的水溶液其表面张力随浓度的变化可分为三种类型。水溶液的表面张力与溶 质浓度的几种典型关系表面活性与表面活性剂表面活性与表面活性剂精品课件水溶液的表面张力与溶 质浓度的几种典型关系第一类是表面张力随其溶质浓度的增 加略有上升,且往往近于直线(曲线1 1)氯化钠、硫酸钠等无机盐和蔗糖等多羟基化合物表面活性与表面活性剂表面活性与表面活性剂精品课件水溶液的表面张力与溶 质浓度的几种典型关系第二类是表面张力随溶质浓度增加而逐渐降低,下降变慢(曲线2 2)。低分子的极性有机物,如醇、酮、醛、酸、酯和醚等。表面活性与表面活性剂表面活性与表面活性剂
13、精品课件水溶液的表面张力与溶 质浓度的几种典型关系表面活性与表面活性剂表面活性与表面活性剂精品课件 如果A物质能降低B物质的表面张 力,通常可以说A物质(溶质)对B物 质(溶剂)有表面活性。若A物质不 仅不能使B物质的表面张力降低,甚至使其升高,那么A物质对B物 质则无表面活性。由于水是最重要 的溶剂,因此表面活性往往是对水 而言。水溶液的表面张力与溶 质浓度的几种典型关系表面活性与表面活性剂表面活性与表面活性剂精品课件右图中曲线1中的溶质对于水无表 面活性,称之为非表面活性物质。曲线2和3的溶质对水有表面活性被称为表面活性物质。而对于曲线 3中的溶质在很低浓度时就能明显 地降低水的表面张力,
14、此类物质称 之为表面活性剂。而曲线2中的溶 质只能称为表面活性物质而不能称 为表面活性剂。水溶液的表面张力与溶 质浓度的几种典型关系表面活性与表面活性剂表面活性与表面活性剂精品课件表面活性剂是如何降低表面张力的呢?表面活性剂表面活性剂的结构特点的结构特点亲油基亲水基精品课件表面活性剂表面活性剂的结构特点的结构特点bca精品课件表表2.1 2.1 常见液体的表面张力常见液体的表面张力精品课件1无机盐和蔗糖等多羟基化合物。这些物质的离子有水合这些物质的离子有水合作用,趋向于把水分子拖作用,趋向于把水分子拖入水中,非表面活性物质入水中,非表面活性物质在在表面的浓度低于在本体表面的浓度低于在本体的浓度
15、。的浓度。表面活性与表面活性剂表面活性与表面活性剂非表面活性物质非表面活性物质溶质溶质溶剂溶剂精品课件2低分子的极性有机物,如醇、酮、醛、酸、酯和醚等。表面活性剂物质表面活性剂物质溶质溶质溶剂溶剂精品课件表面活性剂的表面张力浓度-曲线3精品课件表面活性剂分子在表面的吸附相似相容原理能量最低原则bca精品课件2.22.2表面活性剂胶束表面活性剂胶束2.2.12.2.1表面活性剂胶束的形成表面活性剂胶束的形成2.2.22.2.2临界胶束浓度临界胶束浓度2.2.32.2.3胶束的形状和大小胶束的形状和大小精品课件表面活性剂在表面的吸附和胶束的形成表面活性剂在表面的吸附和胶束的形成C CMCC CMC
16、C CMC溶液中的分子的憎水溶液中的分子的憎水基相互吸引,分子自基相互吸引,分子自发聚集,形成球状、发聚集,形成球状、层状胶束,将憎水基层状胶束,将憎水基埋在胶束内部埋在胶束内部2.2.12.2.1表面活性剂胶束的形成表面活性剂胶束的形成精品课件1912年James William McBain首先提出胶团假说:表面活性剂在溶液中(超过一定浓度时)会从单体(或单个分子)缔合成为胶态聚集物,即形成胶团,此一定浓度称为临界胶团浓度(cmc)。1925 Mcbain在伦敦的一个学术会议上,提出肥皂类物质的溶液含有导电的胶体电解质,而且是严格的热力学稳定体系,当时会议主席(权威)“Nonsense,M
17、cbain”无理言辞代替了问题的讨论。2.2.12.2.1表面活性剂胶束的形成表面活性剂胶束的形成精品课件自从Mcbain提出胶团概念以来,已经经历了近百年的研究,尽管其细节至今仍未完全了解,但胶团是由许多表面活性剂单个分子或离子缔合而成已是不争的事实。由于表面活性剂分子有相当大的亲油(疏水)基,所以有从水中逃逸的趋势,于是易在表面部分发生吸附。当吸附达到饱和后,即表面已被定向的表面活性剂分子占满(再也容纳不下更多的分子),此时将以另外一种方式使体系能量最低。即:在水中缔合而形成分子有序组合体。胶团是其中重要的一种2.2.12.2.1表面活性剂胶束的形成表面活性剂胶束的形成精品课件胶束(胶束(
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