第一章 绪论

化学与化学工程学院表面活性剂陈朝晖Email：[e-mail]－物理化学、合成化学、工艺及应用Chemistryandchemicalengineeringinstitute第一章绪论表面活性剂（Surfactant，SurfaceActiveAgent----SAA）课的主要内容表面活性剂Surfactant课程表面活性剂工业主要是SAA的工业生产和应用。SAA合成化学研究各种SAA的合成方法和生产技术。SAA物理化学研究SAA作用原理和规律，及其溶液结构和性能。体系完整、应用领域众多、理论联系实际强。32学时，考试课，考勤6次，缺勤2次以上取消考试资格。Chemistryandchemicalengineeringinstitute第一章绪论主要教材及参考书•金谷.表面活性剂化学（第2版）．中国科技大学出版社，2013;•李宗石，刘平芹，徐明新．表面活性剂合成与工艺．中国轻工业出版社，1995;•郭祥峰，贾丽华编著，阳离子表面活性剂.化学业出版社，2002；•JulianEastoe著，武汉大学化学与分子科学学院胶体与界面化学教研室译表面活性剂化学(SurfactantChemistry)．中英文对照，武汉大学出版社，2005；•赵国玺，朱步瑶．表面活性剂作用原理．北京：中国轻工业出版社，2003;•王世荣，李祥高，刘东志．表面活性剂化学．北京：化学工业出版社，2005.Chemistryandchemicalengineeringinstitute第一章绪论－了解表面活性剂相关的基本概念和主要内容第一章绪论Chapter1IntroductionofSurfactantsChemistryandchemicalengineeringinstitute第一章绪论Chemistryandchemicalengineeringinstitute第一章绪论液体内部的分子其所受合力为零。表面层分子受到指向液体内部的合力(分子间净吸引力）。表面内部表面张力(surfacetension)：垂直通过液体表面上任意单位长度，指向液体内部，并与液体表面相切的收缩其表面的力。单位：mN/m，（dyn/cm,达因/厘米）是液体的基本性质和重要参数，常用表示。相互性使液体表面收缩到最小的趋势MaterialsTemperature/℃γ/mN/m水/water2572.0碳氢类SAA水溶液/HydrocarbonSAA2535.0水/water2072.75全氟戊烷/perfluoropentane209.89乙醇/ethanol2022.32汞/mercury20485Chemistryandchemicalengineeringinstitute第一章绪论图1不同物质水溶液的表面张力与浓度的关系1非表面活性物质2不具SAA特性的表面活性物质3具有SAA特性的表面活性物质§1.1什么是表面活性剂WhatisSAA?表面张力随溶液浓度增加而略有上升。如无机盐、酸和碱等。表面张力随溶液浓度增加下降，但不是线性关系。如短链脂肪酸、醇、醛、胺等。加入少量的溶质就能显著降低水的表面张力，曲线很快趋于水平线。有时在水平线的转折处出现最小值。能使水的表面张力降低的物质。如第Ⅱ类和第Ⅲ类物质在低浓度下就能显著降低水的表面张力的物质。即上述第Ⅲ类物质使水的表面张力增加的物质，如上述第Ⅰ种物质。表面活性(surfaceactivity)表面活性物质表面活性剂非表面活性物质溶质使溶剂表面张力降低的性质。Chemistryandchemicalengineeringinstitute第一章绪论表面活性剂(SAA)定义：加入少量就能显著降低水溶液的表面张力；具有亲水基和亲油基的两亲结构；能在液面上富集并定向排列；在溶液内部能聚集形成胶束。COO-Na+SO3-Na+Cl-N+OOOOOOOOHN+COO-疏水基(hydrophobicgroup)：8~18个碳的烃等亲水基(hydrophilicgroup)：极性基团：磺酸基、羧酸基、季铵基、聚氧乙烯基等MaterialsTemperature/℃γ/mN/m水/water2572.04.94mmolL-1LAS3531.35Chemistryandchemicalengineeringinstitute第一章绪论§1.2SAA水溶液的表面张力SurfaceTensionofSAAinAquousSolutioncmcCMCpC20图2CTAB的表面张力与lgC的关系曲线的转折点是SAA性质的重要参数。pC20是SAA降低水表面张力20mN/m时SAA浓度的对数值。•cmc(mN/m)是SAA降低水表面张力的最大能力;•CMC(mol/L)是SAA的临界胶束浓度；•pC20是SAA降低水表面张力的效率。Chemistryandchemicalengineeringinstitute第一章绪论(a)(b)Chemistryandchemicalengineeringinstitute第一章绪论表面张力的推导2Fl平衡时，有lF2/表面张力γ引起表面收缩的单位长度上的力，就是作用于单位边界上的表面张力。其中l是滑动边的长度，因膜有两个面，所以边界总长度为2l。：单位：N·m-1。(F=(W1+W2)g)Chemistryandchemicalengineeringinstitute第一章绪论圆环法RingMethod白金板法WilhelmyPlateMethod悬滴（滴体积）法PendantDropMethod气泡压法BubblePressureMethod静态法StaticMethods动态法DynamicMethods表面张力的测定方法Chemistryandchemicalengineeringinstitute第一章绪论1.滴体积(滴重)法(thedropvolumemethod)式中：F=1/2πf为校正因子，V为液滴体积，ρ为液体密度，g为重力加速度常数。从毛细管滴下液体时，溶液表面张力越大，则滴下的液滴也越大W=2πRf，式中：W为液滴的重量，R为滴头的半径，为表面张力，f为校正系数。计算采用试差法，即用已知表面张力的液体(纯水)计算出滴管头半径。先假设一半径值，代入纯水体积，由计算值V/R3，查P210附录3得F，进而得，此值与测定温度下纯水的水对比，直到相等，即为半径值。再测待测液体，即可求出其表面张力。原理公式计算γ=W2πRf=WFR=ρVgFRγ=W2πRf=WFR=ρVgFR实验目的：1学习用滴体积方法测定表面活性剂水溶液表面张力的原理和实验方法；2掌握通过表面张力—浓度对数（γ-lgC）曲线求临界胶束浓度的原理和方法。Chemistryandchemicalengineeringinstitute第一章绪论Chemistryandchemicalengineeringinstitute第一章绪论1.440gSDS电子天平（万分之一）加热溶解移液50mL0.1000mol/L移液0.0100mol/L5mL0.0010mol/L0.0001mol/L5mL移液5mL移液50mL50mL50mL去离子水0.0001mol/L0.0010mol/L0.0100mol/L0.1000mol/L每个样品测定5滴，求平均值。计算出γ，绘制γ～lgC曲线，求出临界胶束浓度。Chemistryandchemicalengineeringinstitute第一章绪论•例题：•25℃下，测定纯水的滴体积为0.050mL，某SAAaq的测定体积为0.030、0.031、0.032、0.031、0.031、0.025mL。•已知：25℃水的表面张力水=71.90mN/m，密度为1.00g/cm3，试求该SAA水溶液的表面张力？•(由滴体积法校正系数表查得：V/R3=7.291，F=0.2464；V/R3=11.76，F=0.2377具体见表)。•答案：R=1.62mm，=46.21mN/mChemistryandchemicalengineeringinstitute第一章绪论解：首先用试差法计算滴头半径：设R＝1.65mm，则V/R3=0.050cm3/(1.65×10-1cm)3=11.13;查表：F＝0.2835γ＝ρgVF/R=1×103×9.8×0.050×10-6×0.2835/1.65×10-3=70.7171.90mN/m设R＝1.60mm，则V/R3=0.050cm3/(1.60×10-1cm)3=12.2;查表：F＝0.2371γ＝ρgVF/R=1×103×9.8×0.050×10-6×0.2371/1.65×10-3=72.6171.90mN/m设R＝1.61mm，则V/R3=0.050cm3/(1.61×10-1mm)3=11.98;查表：F＝0.2373γ＝ρgVF/R=72.2271.90mN/mChemistryandchemicalengineeringinstitute第一章绪论假设R＝1.62mm，V/R3=0.050cm3/(1.62mm)3=11.76;查表：F＝0.2377γ＝ρgVF/R=1×103×9.8×0.050×10-6×0.2377/1.62×10-3=0.0719N/m=71.9mN/m计算水溶液表面张力：经试差计算R=1.62mm，体积平均V=0.031cm3；则V/R3=0.031cm3/(0.162cm)3=7.291；查表：F＝0.2464γ＝ρgVF/R=1×103×9.8×0.031×10-6×0.2464/1.62×10-3=46.2mN/mChemistryandchemicalengineeringinstitute第一章绪论在水溶液中疏水基朝内，亲水基向外，称之为正胶束简称胶束micelle。SAA浓度很低时，分子在溶液表面定向排列，在内部随机分布。形成棒状、层状或球状等多种形状胶束。在有机溶剂中形成的疏水基朝向外，亲水基在内的胶束叫反胶束。Inverse/reversemicelleTextTextText§1.3胶束Micelle1.3.1胶束与临界胶束浓度当SAA的浓度增加到一定值后，溶液内部的SAA分子自发形成聚集体叫胶束(或胶团)。形成胶束所需SAA的最小浓度称为临界胶束浓度(criticalmicelleconcentration)，简称CMC。憎水基亲水基和水相斥和水吸引(a)(b)(c)水空气Chemistryandchemicalengineeringinstitute第一章绪论Chemistryandchemicalengineeringinstitute第一章绪论1.3.3表面活性剂的重要作用表面活性剂和水可以形成一定强度的薄膜，包围着空气而形成泡沫。表面活性剂可以降低液体表面张力，改变接触角的大小，从而达到所需的目的。非极性有机物在水中溶解度很小，加入表面活性剂其在水中的溶解度大大增加。润湿作用起泡作用增溶作用加入多种辅助成分，增加对被清洗物体的润湿，起泡、增白、防止再次污染等功能。一种或几种液体以大于10-7m直径的液珠分散在另一不相混溶的液体之中粗分散体系。乳化作用洗涤作用Chemistryandchemicalengineeringinstitute第一章绪论§1.4表面活性剂的分类分类方法有：1按用途：乳化剂、润湿剂、分散剂、絮凝剂、杀菌剂、抗静电剂…….；2按来源：天然、生物、合成；3按分子量分:小分子、高分子；4按溶解性：水溶性、油溶性。…..5按结构根据亲水基带电情况分：阴离子表面活性剂SAAAnionicSurfactants(a-SAA)阳离子表面活性剂SAACationicSurfactants(c-SAA)两性离子表面活性剂SAAAmphotericSurfactants(am-SAA)非离子型表面活性剂SAANonionicSurfactants(n-SAA)1234Chemistryandchemicalengineeringin