第六章表面现象与胶体化学

§6.1.1表面张力§6.1.2润湿现象§6.1.3弯曲液面的附加压力及纯液体的表面现象§6.1.4固体表面的吸附现象§6.1.5溶液表面的吸附§6.1.6表面活性物质1、表面张力§6.1.1表面张力在液面相切的方向上，垂直作用于单位长度线段上的紧缩力，称表面张力σ。δWr′=Fdx=2lσdx=σdAσ=δWr′/dAW′—表面功又∵δWr′=dT、PG=σdA∴σ=△G—表面吉布斯函数变表面张力物理意义：表面张力σ=比表面功=比表面吉布斯函数单位皆为N·m-1（J·m-2）NPTAG、、)(2、表面功与表面吉布斯自由能dxFl2lσ环dσ=0dσ=0dσ≠0dA=0问题3、表面热力学表面吉布斯函数G（表面）=σA∴dT、PG(表面)=σdA+Adσ当△G(表面)＜0时，此表面过程自发4、影响表面张力的因素1.物质的种类：分子间作用力越大，σ越大;2.共存另一相的性质;3.温度：T升高，σ减小。σ→0时的温度为临界温度;4.物质的分散程度：固体表面上的气体被液体取代的过程——润湿。1、润湿的分类不润湿润湿铺展（完全润湿）2、润湿角及杨氏方程润湿角——固-液界面的水平线与过O点的气-液界面的切线之间的夹角θ。σs-lσs-lσs-gσg-lσg-lσs-gOOσs-g=σs-l+σg-lcosθ——杨氏方程或οs-g－οs-l=οg-lcosθ§6.1.2润湿现象三界面在水平面上分力的合力为0；•当90°＜θ＜180°时,-1＜cosθ＜0不润湿•当0°＜θ＜90°时,0＜cosθ＜1能润湿•当θ→0°时,cosθ=1，发生铺展，完全润湿接触角θ愈小，润湿性能愈好；润湿与铺展在实践中有广泛应用，如防水布和农药（乳液型）在叶茎上的铺展。荷叶上的水珠？是润湿还不润湿？讨论οs-lοs-lοs-gοg-lοg-lοs-gOO△p=pl－pg在一定大气压下，平面液体所受的压力就等于大气压pg，弯曲液面下的液体，不仅受大气压力pg，而且还受到弯曲液面所产生的附加△p的作用。三者垂直方向的合力为0，△p总是指向曲率半径的中心。一.弯曲液面的附加压力§6.1.3弯曲液面的附加压力及毛细管现象在一定大气压下，平面液体所受的压力就等于大气压pg，面弯曲液面下的液体，不仅受大气压力pg，而且还受到弯曲液面所产生的附加△p的作用。△p总是指向曲率半径的中心。pl＞pg△p=pl－pg＞0___________________gasliquidABσσpl=pg△p=pl－pg=0σσpl＜pg△p=pl－pg＜0pgpl△p△p_________________-————-——pgplliquidgasABCσσ弯曲液面的附加压力△p结论：1）此式适用于曲率半径r为定值的小液滴或液体中小气泡的附加压力的计算；2）r愈小，△p愈大；3）对于凸液面（小液滴），r＞0，△p=pl－pg＞0,△p指向液体；4）对于凹液面（液体中的气泡），r＜0，△p=pl－pg＜0,△p指向气体；5）对于水平液面，r=∞，△p=pl－pg=0，不受到附加压力；6）对于液泡（如肥皂泡），△p=4σ/r；指向气体；垂直作用于单位截面积上附加压力，即为：△p=2σ/r二.拉普拉斯（Laplace）方程3.毛细管现象将毛细管插入液体后,会发生液面沿毛细管上升(或下降)的现象，称为毛细管现象。当θ90º,润湿,凹面，液面上升；θ90º,不润湿,凸面，液面下降；原因：附加压力引起，ΔP=2σ/r。液柱静压力：ρgh=ΔP=2σ/rCOSθ=R/r式中：R为毛细管的半径，g重力加速度，ρ液体的密度，σ液体的表面张力。gRhcos2H2OHg解释现象毛细管现象解释现象•为什么自由液滴通常都呈球形？液滴•如图，打开活塞，两个肥皂泡的大小有何变化？△p=4σ/r•如图，当加热时，水柱将向何方移动？解释现象•如图，若a管中水能升高到h高度，则其它管中水能升到什么位置？△p=2σ/r如为不能润湿油性玻璃管，又如何？1、微小液滴的饱和蒸气压在一定温度与外压下，各种纯液体的水平液面都有一定的饱和蒸汽压，而高度分散的微小液滴饱和蒸汽压不仅与液态物质本性有关，并与温度和外压及半径大小有关。开尔文方程:式中：MB为液体的摩尔质量，ρB为液体的密度。凸液面r0ln(Pr/p)0PrP凹液面r0ln(Pr/p)0PrP平液面r=∞ln(Pr/p)=0Pr=P由Kelvin方程知:饱和蒸气压P(凸液面)P(平液面)P(凹液面)§6.1.4亚稳状态与新相生成RTMrPPBBr2ln水滴的半径与其饱和蒸气压(293.2K,水平液面P*=2333P)r/cm10－410－510－610－7P/P*1.0011.0111.1142.95水中小气泡内饱和蒸气压(293.2K,水平液面P*=2333P)r/cm10－410－510－610－7P/P*0.99690.98910.89770.3390例:1、水的表面张力与温度的关系为:σ/10－3N.m－1=75.64－0.14t(/℃)今将10kg纯水在303K及101325Pa条件下定温、定压可逆分散成半径r=10－8m的球形雾滴，计算：①环境所消耗的非体积功；②小雾滴的饱和蒸气压；③该小雾滴所受的附加压力；（已知：303K,101325Pa时,水的体积质量为ρB=995Kg.m－3，不考虑分散度对水σ的影响）解：①非体积功Ｗ‘＝σＡsσ=75.64－0.14(303－272)10－3=71.44N.m－2一个小液滴的表面积Sd=4πr2，10㎏水的液滴数N，Ｗ‘＝σＡs=215kJ②Kelvin方程Pr/p=1.1081,Pr=1.1081×101325Pa=112273Pa③ΔP=2σ╱r=1.43×107PaBrN33410)(30.2mrSNABdS1026.02lnRTMrPPBBr2、亚稳状态与新相生成亚稳状态：①过饱和现象：（过饱和蒸气未凝结，过饱和溶液未结晶）②过热现象：(温度超过沸点，仍不沸腾)③过冷现象：(温度低于凝固点，仍不凝固)亚稳状态不是热力学平衡态，不能长期稳定存在，但在适当的条件下存在一段时间。应用:人式降雨：用的干冰，碘化银蒸馏：加入小瓷片,防止爆沸。§6.1.5固体表面上的吸附作用1、固体表面的吸附现象固体表面有剩余力场，采用吸附气体或溶液中溶质的方式，以降低其表面吉布斯函数。dG=σdA+Adσ（A一定，σ减小，系统的G降低）吸附剂：固体物质；吸附质：被吸附物质；（气体、溶质）2、吸附类型：固体表面吸附按吸附作用力分：物理吸附和化学吸附类型特征物理吸附化学吸附吸附力范德华力化学键力吸附分子层单分子层或多分子层单分子层吸附选择性无选择性易液化者易被吸附有选择性吸附热较小，与气体凝聚热相近20-40kJmol-1较大，与化学反应热相近40-400kJmol-1吸附速度较快，温度对速度影响小易达平衡，较易脱附较慢，升温速度加快不易达平衡，较难脱附物理吸附与化学吸附特征之比较一、溶液表面的吸附现象dG(表面)=σdA(l)+A(l)dσdGT、P、A=A(l)dσ0自发溶液表面的吸附现象：溶质在表面层中与本体溶液中浓度不同的现象。dσ＞0，C表C体dσ＜0，C表C体负吸附正吸附§6.1.6溶液表面吸附浓度C表面张力σⅠⅡⅢ表面活性物质dσ＞0dσ0盐，负吸附醇，正吸附当dσ/dc＜0时，Г＞0，正吸附当dσ/dc＞0时，Г＜0，负吸附求dσ/dc的方法：作σ~c曲线二、吉布斯吸附公式dcdRTcГ：溶质的表面吸附量或表面过剩在一定温度下溶质在单位面积表面层中吸附量Г与溶液的表面张力σ及溶质在溶液本体中平衡浓度c之间的关系：浓度C表面张力σⅠⅡⅢ表面活性物质dσ＞0dσ0盐，负吸附醇，正吸附1、表面活性物质的分类2、表面活性物质的基本性质胶束及临界胶束浓度C.M.C3、表面活性剂的作用离子型非离子型阴离子型阳离子型两性HOCH2(CH2OCH2)nCH2OH、壬基酚聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯醚等RCOONa、十二烷基硫酸盐、十二烷基苯磺酸钠C18H37NH3+Cl-、季胺盐，具有除静力电、杀菌作用R-NH2+CH2COO-§6.1.8表面活性物质表面活性剂的吸附层结构如浮选、稳定气泡乳液、切削液、脱模剂表面活性剂——工业味精2020/7/14解释现象1.当在图中所示的放在静止水面上的两张纸条中间滴加一滴肥皂水，会有何现象发生？2.当在图中所示的放在静止水面上的小纸船的右端涂上肥皂，会有何现象发生？答案答案2020/7/14解释现象12020/7/14解释现象26.2胶体化学6.2.1胶体分类与主要特征1.胶体分散系统及粗分散系统研究内容(1)分散系统的定义:分散系统:一种或几种物质分散在另一种物质中构成的系统;分散质:被分散的物质;分散介质:起分散作用的物质.(2)分散系统的分类:小分子溶液分散电解质溶液系统胶体分散系统粗分散系统(3)胶体分散系统及粗分散系统的分类:①按分散质的质点大小分类:真溶液:质点1nm（10-9m）胶体分散系统:质点大小在1nm--1μm（1000nm）粗分散系统:质点大小1μm(10-6m)均相分散系统非均相分散系统(质点0.1nm)稳定不稳定②按分散质及分散介质的聚集态分类分散相分散介质通称举例气液固液液液泡沫乳状液溶胶或悬浮液肥皂泡、灭火泡沫牛奶、含水原油、乳化油油墨、泥浆、水煤浆、乳胶漆气液固固固固固体泡沫沸石、泡沫玻璃、泡沫板珍珠加颜料的塑料液固气气气溶胶雾(云)烟、尘（4）胶体分散系及粗分散系统研究的对象①胶体分散系包括：溶胶、缔合胶体、胶体电解质、大分子溶液粒径大小在1nm--1000nm（1μm）。溶胶的主要特性:（1）特有的分散程度粒子的大小在10-9-10-7m(1nm-100nm)之间，因而扩散较慢，不能透过半透膜，渗透压低，但有较强的动力稳定性和乳光现象。（2）多相不均匀性具有纳米级的粒子是由许多离子或分子聚结而成，结构复杂，有的保持了该难溶盐的原有晶体结构，而且粒子大小不一，与介质之间有明显的相界面，比表面很大。（3）热力学不稳定性因为粒子小，比表面大，表面自由能高，是热力学不稳定体系，有自发降低表面自由能的趋势，即小粒子会自动聚结成大粒子。5.2.2溶胶的制备(了解)溶胶的制备方法:凝聚法和分散法：(1)凝聚法:由小分子凝聚成较大的溶胶分子。①物理凝聚法利用突然冷却或改换溶剂等物理过程使物质凝聚.汞蒸气通入冷水中,形成汞溶胶.将松香的乙醇溶液加入到水中，形成松香溶胶。将硫磺的乙醇溶液加入到水中，形成硫溶胶。②化学凝聚法用化学反应生成不溶性产物,使之停留在胶粒大小的阶段(必要时加入稳定剂)。制金溶胶KAuO2+3HCHO+K2CO3→2Au+3HCOOK+KHCO3制硫化砷溶胶2H3AsO3+3H2S→As2S3溶胶+6H2O制氢氧化铁溶胶FeCl3+3H2O(沸水)→Fe(OH)3溶胶+6H2O(2)分散法:由粗分散系统的较大分子分散成较小的溶胶分子。①机械研磨：球磨机，胶体磨。②超声波分散：高于16000Hz超声波通入体系。③电弧法：将欲分散的金属作电极，冷水中有少量NaOH，通直流电，调节电极距离产生电弧，金属原子蒸发、冷却，成金属胶体。④胶溶法：使暂时凝聚起来的的分散相重新分散。如：新生成的Fe(OH)3沉淀，加入少量的FeCl3溶液，可得棕红色的Fe(OH)3溶胶。●光散射现象当光束通过分散体系时，一部分自由地通过，一部分被吸收、反射或散射。可见光的波长约在400--700nm之间。（1）当光束通过粗分散体系，由于粒子大于入射光的波长，主要发生反射，使体系呈现混浊。（2）当光束通过胶体溶液，由于胶粒直径小于可见光波长，主要发生散射，可以看见乳白色的光柱。（3）当光束通过分子溶液，由于溶液十分均匀，散射光因相互干涉而完全抵消，看不见散射光。5.2.3溶胶系统的光学性质光散射的本质：光是一种电磁波，照射溶胶时，分子中的电子分布发生位移而产生偶极子，这种偶极子像小天线一样向各个方向发