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1、高分子专业选修课程(2400540) 胶体与表面化学 蔡红兰 化学与材料科学学院 胶体与表面化学(一) 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,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 “界面现象”或“胶体与界面现象”的专著在国内外已有多种 版本。 本课程主要介绍与界面现象有关的物理化学原理及应 用。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(纳米材料、介孔材料)的一些知识。 0 绪 论 0 绪 论 0 绪 论 0 绪 论 -界面化学发展简史 1805
2、 T . Young 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 面张力概念推广应用于有固体的体系，导出 了联系气液、固液、固气界面张力与 接触角关系的杨氏方程。 1806 P.S. Laplace 表面张力与曲率半径关系 Pierre-Simon Laplace 1749-1827 1869年普里（A.Dapre）研究 了润湿和黏附现象，将黏附功 与界面张力联系起来。 0 绪 论 -界面化学发展简史 1859年，开尔文（Kelvin）将界 面扩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
3、，他又导出蒸汽压随界面曲率的 变化的方程即著名的开尔文方程 。 0 绪 论 -界面化学发展简史 Kelvin, Lord William Thomson (1824-1907) 1878 Gibbs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。 Gibbs 1839-1903 0 绪 论 -界面化学发展简史 1932 Nobel Prize for Chemistry 1881-1957 1913-1942年期间，美国科学家 Langmuir在界面科学领域做出了 杰出的贡献，特别是对吸附、单 分子膜的研究尤为突出。
4、他于1932年获诺贝尔奖，被 誉为界面化学的开拓者。1916 年 提出固体吸附等温方程式 0 绪 论 -界面化学发展简史 0 绪 论 -界面化学发展简史 界面化学的统计力学研究是从范德华开 始的。1893年，范德华认识到在界面层中 密度实际上是连续变化的。他应用了局部 自由能密度的概念，结合范德华方程，并 引入半经验修正，从理论上研究了决定于 分子间力的状态方程参数与界面张力间的 关系。 50年代以后，界面现象的统计力学研究 经过勃夫（F.Buff）、寇克伍德（ Kirkwood）、哈拉西玛（Harasima）等 的研究工作，取得了实质性的进展. The Nobel Prize in Phys
5、ics 1910 J.D.van der Waals 0 绪 论 lApplied Surface Science Elsevier (NL) E lProgress in Surface Science Elsevier (NL) E lSurface and Coatings Technology Elsevier (NL) E lSurface and Interface Analysis Wiley D lSurface Science Elsevier (NL) E lSurface Science Reports Elsevier (NL) E lThin Solid Films
6、Elsevier (NL) E lVacuum Surface Engineering, Surface Instrumentation & Vacuum Technology. Elsevier (NL) E 0 绪 论 -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。 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。 1809年，俄国化学家Scheele发现了土粒的电泳现象； 1829年英国植物学家Brown观察到花粉的布朗运动。此后 ，许多人相继制备
7、了各种溶胶，并研究了它们的性质。 胶体化学作为一门学科来说，它的历史 比较一致的看法是从1861年开始的，创 始人是英国科学家Thomas Graham，他系 统研究过许多物质的扩散速度，并首先 提出晶体和胶体（colloid）的概念，制 定了许多名词用来形容他所发现的事实 。 0 绪 论 -胶体化学发展简史 1805-1869 British chemist often referred to as “the father of colloid chemistry.” 0 绪 论 -胶体化学发展简史 现今所用的一些名词，如溶胶（sol）、凝胶（gel）、胶溶 （peptization）、渗析
8、（dialysis）、离浆（syneresis）都是 Graham提出的。尽管在这一时期积累了大量的经验和知识 ，但胶体化学真正为人们所重视并获得较大的发展是从1903 年开始的。这时席格蒙迪Zsigmondy（德）发明了超显微镜 ，肯定了溶胶的一个根本问题体系的多相性，从而明确 了胶体化学是界面化学。1907年，德国化学家Ostwald创办 了第一个胶体化学的专门刊物胶体化学和工业杂志 ，因而许多人把这一年视为胶体化学正式成为一门独立学科 的一年。接着Freundlich和Zsigmondy先后出版了他们的名 著毛细管化学（1909）和胶体化学（1902）。 0 绪 论 -我国的发展简史 1
9、954年 傅鹰院士（北京大学） 中国胶体化学的奠基人之一 1955年 戴安邦院士（南京大学） 中国有了第一批胶体化学毕业生 20世纪90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。 1983年在北京大学召开全国第一届胶体与界面化 学会议，2002年在山东大学召开第九届全国会议 。 傅鹰鹰 1902-1979 戴安邦 1901-1999 江龙龙 1933 江雷 1965 研究领域 功能界面材料 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 0 绪 论 -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
10、胶体与界面化学杂志 郝京诚 1964 -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 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 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 论 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 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、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 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 日用品中的牛奶、豆浆、豆腐、啤酒、
11、雨衣、皮革、明矾净水、 鱼汤肉汤成冻等 石油工业中的油品回收、乳化、破乳、三次采油等 信息科学中的LB膜、微电子器件等 气溶胶、烟雾的形成与大气污染 水净化与污水处理 毒气与毒剂的吸附 黏土矿物的表面改性与应用 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 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 0 绪 论 研究对象研究内容体 系理 论 分散体 系 分散体系的形成 与稳定 光学性能 流变性能 纳米材料 气溶胶 憎液溶胶 亲液溶胶 粗分散体系（乳状液 、悬浊液） 智能流体，电、磁流 体 单分散、单一形状颗 粒的形成 纳米颗粒的有序排列 气溶胶理论
12、成核理论， DLVO稳定理论 高聚物溶液理论 ，胶束理论 光吸收与光散射 理论 颗粒相互作用力 理论 现代胶体与界面科学的研究内容 0 绪 论 现代胶体与界面科学的研究内容 0 绪 论 润湿、摩擦、 黏附 吸附现象 界面电现象 界面层结构 界面现象 气固界面 液固界面 气液界面 液液界面 液固界面 表面力理论、 表面层结构、 分子定性理论 各种吸附理论 双电层理论 界面光谱学与 显微术能谱、 扫描探针显微 镜、激光拉曼 等方法研究、 界面分子定向 、界面化学反 应、界面力的 研究 现代胶体与界面科学的研究内容 0 绪 论 有序组合体 溶液中有序分子 组合体 生物膜与仿生膜 有机无机混合膜 有序
13、组合体中的 物理化学反应 胶束、微乳液、泡囊 LB膜、 脂质体、液 晶、分形体等 夹心结构、溶胶凝 胶膜 分子间相互作用 力（氢键、范德 华力、分子形状 、弯曲能、相图 ） 液晶理论、类脂 体与蛋白质的相 互作用、分形理 论 增溶现象、胶束 催化、定向合成 胶体与界面科学的发展前景 0 绪 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： 自然科学整体水平的提高，带动胶体与表面化学 素质增幅 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，如 用量子化学研究吸附与催化、用分形理论研究胶粒形貌、用统计力 学
14、研究高分子等； 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。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、环境、大气、海洋湖泊等诸多学科之中，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。 胶体与界面科学的发展前景 0 绪 论 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 胶体与界面科学的发展前景 0 绪 论 （1）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、 复印
15、碳粉等 （3）旧工艺更新：单分散固态胶粒的制造与收集、 采油工艺等 20世纪90年代以来，不少国家对纳米材料制定了 跨世纪的长期研究计划，致使众多的物理学家加 盟表(界)面科学研究，其目标在于开发纳米级或 分子（原子）级具有多种功能的电子器件。中国 虽起步较晚，但发展迅速 。 胶体与界面科学的发展前景 0 绪 论 德国科学家Gerhard Ertl (格哈德-埃特尔 ) 在表面化学研究领域作出开拓性贡献 一是对表面化学反应，特别是合成氨的机理研究 ，实际上人们对合成氨的机理还没有完全弄清楚 ，而埃特尔的研究是最接近于真实情况的；二是 对非线性动力学过程的研究，这是化学和物理研 究中一个非常基本的过程，埃特尔不仅用现代表 面科学的手段来研究它，还发展了一些理论。此 外，他还用表面科学的方法和手段来研究很多相 关领域的科学问题，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
