溶液表面张力原理精选课件.ppt

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1、关于溶液表面张力原理第一页，本课件共有29页溶质对表面张力的影响1.非表面活性物质 无机盐、不挥发酸碱 2.表面活性物质 短链脂肪酸、醇、醛 3.表面活性剂：明显降低水的表面张力的两亲性质 的有机化合物c20 123第二页，本课件共有29页 能使水的表面张力明显升高的溶质称为能使水的表面张力明显升高的溶质称为非表面非表面活性物质活性物质。如无机盐和不挥发的酸、碱等。如无机盐和不挥发的酸、碱等。这些物质的离子有水合作用，趋向于把水分子拖这些物质的离子有水合作用，趋向于把水分子拖入水中，非表面活性物质在入水中，非表面活性物质在表面的浓度低于在本体的表面的浓度低于在本体的浓度浓度。如果要增加单位表面

2、积，所作的功中还必须如果要增加单位表面积，所作的功中还必须包括克服静电引力所消耗的功，所以表面张力升包括克服静电引力所消耗的功，所以表面张力升高。高。上一页上一页下一页下一页第三页，本课件共有29页表面活性物质表面活性物质(surface active substance)溶液表面张力随浓度增加而逐渐减小。溶液表面张力随浓度增加而逐渐减小。低分子量的极性有机物，如：醇、醛、低分子量的极性有机物，如：醇、醛、酸、酯、胺等酸、酯、胺等.Traube规则：脂肪酸同系物的稀水溶液每增加规则：脂肪酸同系物的稀水溶液每增加一个一个CH2表面活性约增加表面活性约增加3.2倍。倍。希士科夫斯基给出脂肪酸同系物

3、溶液表面希士科夫斯基给出脂肪酸同系物溶液表面张力与体积浓度间的关系。张力与体积浓度间的关系。第四页，本课件共有29页 0：溶剂的表面张力：溶剂的表面张力;：溶液的表面张力溶液的表面张力;cB:溶液本体浓度溶液本体浓度;a ,b:经验常数经验常数;同系物的同系物的 b 相同而相同而 a 不同。不同。希士科夫斯基方程希士科夫斯基方程 Szyszkowski equation第五页，本课件共有29页表面活性剂表面活性剂surface active agent(surfactant):当浓度很小时，溶液的表面张力便急剧当浓度很小时，溶液的表面张力便急剧减小，但减小到一定值后就不再随浓度减小，但减小到一

4、定值后就不再随浓度增加而变化。增加而变化。具有长碳链（碳原子数大于具有长碳链（碳原子数大于8）的极性有机化合）的极性有机化合物物.从结构上看，表面活性物质是从结构上看，表面活性物质是两亲分子两亲分子，一端亲水（，一端亲水（OH,COOH,SO3Na等等),另一端亲油（憎水）（另一端亲油（憎水）（R等）。等）。第六页，本课件共有29页2 溶液的表面吸附现象溶液的表面吸附现象溶质溶质溶剂溶剂Surface inactive substanceC CB负吸附负吸附Surface active substanceC CB正吸附正吸附C：表面相浓度表面相浓度CB：本体相浓度：本体相浓度第七页，本课件共有

5、29页 极性端称为头基，非极性端称为尾基。极性端称为头基，非极性端称为尾基。正因为表面活性物具有两亲性结构，极性端极力进入水相，而非极性端受到水的排斥，有逃出水相的趋势，于是它被排向水面，在水面上浓集，将憎水部分伸向空气。微观上看，表面层表面活性物分子所受的向内的拉力比水分子的要小些，即表现出表面活性物质溶液的表面张力低于水的表面张力。第八页，本课件共有29页溶液表面吸附溶液表面吸附：溶液表面吸附：溶液表面层的组成与本体溶液组成不同的现象溶液表面层的组成与本体溶液组成不同的现象表面活性物质表面活性物质的的表面浓度大于本体浓度，表面浓度大于本体浓度，非表面活性物质在非表面活性物质在表面的浓度表面

6、的浓度低于低于在本体的浓度在本体的浓度。第九页，本课件共有29页表面热力学基本关系式表面热力学基本关系式:表面集合公式表面集合公式:3 吉布斯等温吸附式吉布斯等温吸附式上标上标s表示表面表示表面(surface)，令，令A为溶剂，为溶剂，B为溶质。为溶质。第十页，本课件共有29页上两式对比，可得：上两式对比，可得：溶液相溶液相,由吉布斯由吉布斯-杜亥姆方程杜亥姆方程 Gibbs-Duhem equation平衡时，有平衡时，有 表面吉布斯表面吉布斯-杜亥姆方程杜亥姆方程 Gibbs-Duhem equation第十一页，本课件共有29页在溶液中，在溶液中，1mol溶剂溶剂A中所含溶质中所含溶质

7、B的摩尔数的摩尔数单位面积表面层中的溶剂单位面积表面层中的溶剂A在溶液中所应在溶液中所应含溶质含溶质B的摩尔数的摩尔数单位面积表面层实际所含溶质的摩尔数单位面积表面层实际所含溶质的摩尔数第十二页，本课件共有29页定义：定义：Is called(relative)surface excess or amount of surface adsorption(表面超额或表面吸附量表面超额或表面吸附量)物理意义物理意义:单位面积表面层中溶剂所含溶质的物单位面积表面层中溶剂所含溶质的物质的量与同样数量的溶剂在溶液中所含溶质的质的量与同样数量的溶剂在溶液中所含溶质的物质的量的差值物质的量的差值.第十三页，

8、本课件共有29页稀溶液中稀溶液中吉布斯吸附等温式吉布斯吸附等温式第十四页，本课件共有29页讨论：讨论：表面活性物质表面活性物质,正吸附正吸附 非表面活性物质非表面活性物质,负吸附负吸附应用吉布斯公式应用吉布斯公式,先要由实验或经验公式得到先要由实验或经验公式得到 c之间的关系之间的关系,然后求出然后求出(/c)T,p,再求值再求值.第十五页，本课件共有29页溶液表面吸附溶液表面吸附希什科夫斯基经验公式希什科夫斯基经验公式：（对表面活性物质）（对表面活性物质）代入吉布斯等温吸附式代入吉布斯等温吸附式第十六页，本课件共有29页两亲分子在气液界面上的定向排列两亲分子在气液界面上的定向排列 根据实验，

9、脂肪酸在水中的浓度达到一定数值后，根据实验，脂肪酸在水中的浓度达到一定数值后，它在表面层中的超额为一定值，与本体浓度无关，并它在表面层中的超额为一定值，与本体浓度无关，并且和它的碳氢链的长度也无关。且和它的碳氢链的长度也无关。这时，表面吸附已达到饱这时，表面吸附已达到饱和，脂肪酸分子合理的和，脂肪酸分子合理的排列是羧基向水，碳氢链向排列是羧基向水，碳氢链向空气。空气。第十七页，本课件共有29页两亲分子在气液界面上的定向排列两亲分子在气液界面上的定向排列 根据这种紧密排列的形式，可以计算每个分子所占的截面积Am。式中L为阿伏加德罗常数，G原来是表面超额，当达到饱和吸附时,G 可以作为单位表面上溶

10、质的物质的量。第十八页，本课件共有29页由这种方法求得醇分子的的由这种方法求得醇分子的的S=0.2780.289nm2,脂肪酸脂肪酸S=0.3020.310nm2，结果一般偏大。这是，结果一般偏大。这是因为表面层中达饱和吸附时仍夹杂着水分子因为表面层中达饱和吸附时仍夹杂着水分子.从从还可以求算饱和吸附层的厚度还可以求算饱和吸附层的厚度:=M/M：溶质的摩尔质量；溶质的摩尔质量；：溶质的密度；溶质的密度；M 为单为单位面积上的溶质质量位面积上的溶质质量,量纲为量纲为m。实验结果表明，同系物碳链增加一个实验结果表明，同系物碳链增加一个-CH2-时，时，增加增加0.130.15nm.与与X光分析结果

11、一致。光分析结果一致。第十九页，本课件共有29页 当两亲分子的疏水基达到一定的程度，其在水当两亲分子的疏水基达到一定的程度，其在水中的溶解可被忽略，而通过铺展在水面上形成的单中的溶解可被忽略，而通过铺展在水面上形成的单分子层，称为不溶性表面膜。能形成单分子膜的物分子层，称为不溶性表面膜。能形成单分子膜的物质有碳原子在质有碳原子在1422之间的长链含极性基如之间的长链含极性基如OH、COOH、COO-、NH3+、CN等的脂肪族化等的脂肪族化合物以及含有合物以及含有SO3-、N(CH3)3+等强极性基团的等强极性基团的22个以上碳原子的长链分子等。个以上碳原子的长链分子等。1、表面膜的形成表面膜的

12、形成1765年，年，Franklin的实验的实验6 6 不溶性表面膜不溶性表面膜(insoluble surface film)(insoluble surface film)第二十页，本课件共有29页2、表面压表面压 0dx 测量装置：测量装置：Langmuir 膜天平膜天平一般，一般，=3050 mN/m若膜厚约为若膜厚约为2.5 nm,p=1.5107 kPa 150 atm定义定义第二十一页，本课件共有29页3、不溶膜的类型、不溶膜的类型a气态膜气态膜气液平衡区气液平衡区液液态态扩扩张张膜膜凝凝聚聚膜膜a：成膜分子平均：成膜分子平均占有面积占有面积第二十二页，本课件共有29页气态气态气

13、液平衡气液平衡液态液态固态固态第二十三页，本课件共有29页气态膜类似于理想气体的气态膜类似于理想气体的pv关系，为关系，为二维空间运动的质点理想气体二维空间运动的质点理想气体 a=kT 或或 AnRT A：n mol分子所占的表面积。分子所占的表面积。：表面压。是二维空间运动的质点即表：表面压。是二维空间运动的质点即表面膜分子对浮片碰撞的结果。面膜分子对浮片碰撞的结果。AnRT 公式的一个有意义的应用是测定蛋白公式的一个有意义的应用是测定蛋白质的摩尔质量。质的摩尔质量。第二十四页，本课件共有29页4 生物膜生物膜 大家知道动植物细胞都有膜，使细胞对物质的大家知道动植物细胞都有膜，使细胞对物质的

14、透过有选择性，是细胞与环境之间物质交换的通透过有选择性，是细胞与环境之间物质交换的通道。道。生物膜是由磷脂和蛋白质组成，磷脂是两性的，生物膜是由磷脂和蛋白质组成，磷脂是两性的，有两个疏水的碳氢链及亲水的磷酸脂。有两个疏水的碳氢链及亲水的磷酸脂。第二十五页，本课件共有29页5 LB技术和技术和LB膜膜1935年，年，I.Langmuir的学生和助手的学生和助手K.Blodgett将单分子将单分子膜转移到固体衬底上，成功地制备出第一个单分子层积膜转移到固体衬底上，成功地制备出第一个单分子层积累的多层膜，这就是我们所称呼的累的多层膜，这就是我们所称呼的Langmuir-Blodgett 膜膜-LB膜

15、。膜。而这种将气液界面上的单分子层转移到固体基片上而这种将气液界面上的单分子层转移到固体基片上的技术就被命名为的技术就被命名为-LB技术。技术。第二十六页，本课件共有29页y型沉积型沉积(基片基片头头尾尾头头头头)基片在上升和下降时均可挂膜基片在上升和下降时均可挂膜.膜的膜的层与层之间是亲水与亲水面层与层之间是亲水与亲水面,疏水与疏水面疏水与疏水面相接触相接触.这种形式最为常见这种形式最为常见.z型沉积型沉积(基片基片头头尾尾头头尾尾)与与 x型型膜膜相相反反,基基片片上上升升时时挂挂膜膜,下下降降时时不挂不挂.要求基片表面为亲水性的要求基片表面为亲水性的x型沉积型沉积(基片基片尾尾头头尾尾头头)基基片片只只在在下下降降时时挂挂上上单单分分子子膜膜,上上升升时时不不挂挂膜膜.特特点点是是每每层层膜膜的的疏疏水水面面与与相相邻邻的的亲亲水面接触水面接触.基片表面疏水性的基片表面疏水性的.LB膜的类型膜的类型第二十七页，本课件共有29页LB膜的应用前景膜的应用前景1.LB膜的无源器件应用：膜的无源器件应用：a.电子束刻蚀电子束刻蚀b.润滑材料润滑材料c.分子导线和二维导电膜分子导线和二维导电膜d.超薄绝缘膜超薄绝缘膜e.液晶器件（铁电液晶的表面取向）液晶器件（铁电液晶的表面取向）第二十八页，本课件共有29页感感谢谢大大家家观观看看第二十九页，本课件共有29页