《物理化学 教学课件 ppt 作者 尚秀丽 主编 周萃文 温泉 副主编 PPT课件第7章 胶体》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物理化学 教学课件 ppt 作者 尚秀丽 主编 周萃文 温泉 副主编 PPT课件第7章 胶体（38页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第七章 表面化学和胶体,当物质以不同的相态共存时，任意两相之间的分隔面称作相的界面，简称界面。 常见的界面有气-液、气-固、液-液、液-固和固-固等五种界面。其中气-液、气-固两种界面也称作表面。 发生在界面处的现象称为界面现象。,第一章 界面张力,一. 界面现象的产生 体相内部分子所受四周邻近相同分子的作用力是对称的，各个方向的力彼此抵销；但是处在界面层的分子，一方面受到相内相同物质分子的作用，另一方面受到性质不同的另一相中物质分子的作用，其作用力未必能相互抵销，因此，界面层会显示出一些独特的性质。,二、界面张力 由于表面层中分子受到指向液体内部的拉力，在宏观上为液体表面受到收缩力，这种收缩
2、力趋向于减少液体的表面。定义垂直作用于液体表面单位长度上的收缩力为液体的表面张力，以表示，即 式中，F为垂直作用于液体表面的收缩力；为液体表面的长度;的单位为Nm-1,在等温、等压和组成不变的条件下，系统所获得的非体积功等于系统所增加的吉布斯函数：,故可以得到,表面张力是温度的函数,一般随温度升高而降低。因为随温度升高，分子间的距离加大，使分子间的相互作用力减弱，因此大多数液体的表面张力随温度的升高而下降,第二节 界面现象,一.弯曲液面的附加压力 弯曲液面分两种：一种是凸液面，例如气相中的液滴；一种是凹液面，例如液体中的气泡。由于表面张力的作用，在弯曲液面两侧形成的气、液相压强差称为弯曲液面的
3、附加压力，以p表示， 一定温度下，弯曲液面的附加压力与液体的表面张力成正比，与曲率半径成反比，其关系为：p = 2/r 此式称为拉普拉斯方程。式中，r为液面的曲率半径。,若AB为凸液面，则周围液体的表面张力方向与AB面相切，合力向下，表现为指向液体内部的附加压力。 若AB为凹液面，那么周围液体的表面张力方向仍与AB面相切，表现为指向液体外部的附加压力。,二.液体对固体的润湿作用 1.润湿与铺展 润湿：是指当液体接触固体时，原有的气-固表面或气-液表面自动地被液-固表面所代替的现象。 润湿是发生在液-固界面和液-液界面上的常见现象。常见的润湿现象如：矿物浮选，注水采油，农药喷洒等。,2.接触角
4、当液体滴在固体表面上达到平衡时，气-液、气-固和液-固三个界面张力呈平衡的现象。如图7.4所示。,接触角:在气、液和固三相交点处，液-固界面张力与气-液界面张力通过液体内部的夹角称为接触角或润湿角，以表示。 由于平衡时，三相交界处点所受的各种界面张力之和为零，故有如下关系：,或者表示成如下形式：,以上两公式称其为杨氏方程。,一定温度与压力下，接触角与润湿程度有如下关系： (1) 若液-固界面张力大于气-固表面张力，则cos0, 90,此时不润湿。当=180时，则为完全不润湿。 (2) 若液-固界面张力小于气-固表面张力， cos 0, 90, 此种情况称为润湿。当=0时，则为完全润湿，即发生铺
5、展。,3.毛细现象 毛细现象是指具有细微缝隙的固体与液体接触时，液体沿缝隙上升或下降的现象。例如：将一玻璃毛细管插入水中，管内液面升得比管外液面高，如下图7.5 (a)所示； 而将一玻璃毛细管插入汞中，管内液面降得比管外液面低，如下图7.5 (b)所示.,三、亚稳状态和新相的生成 只有当颗粒半径很小时,液体的饱和蒸气压、晶体的溶解度等性质才能达到可以觉察的程度,通常情况下可以忽略不计的.但在蒸气的冷凝、液体的凝固、溶液结晶等过程中,由于其初生相的曲率半径是很小的,难以生成新相,因而引起各种过饱和现象. 如过饱和蒸气、过冷或过热液体及过饱和溶液等.,微小液滴的饱和蒸气压-开尔文公式 在一定的温度
6、和外压下,纯液态物质有一定的饱和蒸气压.这只是对平液面而言.它没有考虑到液体的分散度对饱和蒸气压的影响.对于弯曲液面,液体的饱和蒸汽压与液面的曲率半径有关.若一定温度下水平液面的饱和蒸汽压为,半径为r的小液滴的饱和蒸汽压为,经过热力学推导可得出如下公式: (7.9) 这就是著名的开尔文(Kelvin)公式.,第三节：吸附,一.固体表面上的吸附 一种物质自动附着在另一种物质表面上，从而导致在界面层中物质的浓度，或分压与它在体相中不同的现象称为吸附。常见的吸附有气-固表面吸附、气-液表面吸附、液-固界面吸附、液-液界面吸附。 在气-固界面上发生吸附时，固体是起吸附作用的物质，称为吸附剂；气体是被吸
7、附的物质，称为吸附质。 根据吸附剂和吸附质相互作用的不同，将气-固吸附分为物理吸附和化学吸附。,二. 固体吸附理论 平衡吸附量: 当吸附达平衡时,单位质量的吸附剂吸附的气体的物质的量或体积(换算成标准状况下的体积).简称吸附量,常用符号Q、q或表示.,或,1.弗仑德利希(Freundlich)公式： 弗仑德利希根据实验,总结出吸附的经验公式:,式中k,n在定温下,对指定体系均为常数.通过测定一系列不同平衡气压下的吸附量,即可得到常数k,n,经实验发现该公式也适用于固体在溶液中对溶质的吸附.只需将压力换成浓度即可:,2. 单分子层吸附理论-兰格缪尔(Langmuir)吸附等温式 兰格缪尔根据大量
8、实验事实,从动力学观点出发,提出了固体对气体的吸附理论,即: 单分子层吸附理论.其基本假设如下: (1).表面是均匀的,吸附剂表面原子力场有剩余价力,能吸附气体分子并放出吸附热. (2).只有空白表面才能发生吸附,吸附是单分子层的. (3).被吸附分子间无相互作用,被吸附分子可因热运动重新回到气相. (4).在一定条件下,吸附与解吸可达成动态平衡.,设为任一瞬间固体表面被覆盖的分数,称覆盖率或遮盖率,即,该式就是著名的兰格缪尔吸附等温式.式中, ,称为吸 附平衡常数,即吸附系数,它与吸附剂、吸附质的本性及所 处温度有关,其值越大,吸附能力越强.,三.溶液表面的吸附 溶质在溶液表面层中的浓度与在
9、溶液本体中浓度不同的现象称为溶液表面的吸附.当溶质在表面层中的浓度大于本体中的浓度时,称为正吸附,当溶质在表面层中的浓度小于本体中的浓度时,称为负吸附.造成表面吸附的原因是溶液表面张力与同样温度下纯溶剂表面张力不同.,如图所示,在一定温度下,溶质的浓度对张力的影响大致分为三种类型:,四.溶液表面吸附理论吉布斯吸附等温式 定义: 在单位面积表面层中所含溶质的物质的量与同量溶剂在溶液本体中所含溶质物质的量的差值,称为表面吸附量或表面过剩量.以符号表示，其单位为molm-2(摩尔每平米).即:,吉布斯用热力学方法推导出: 在一定温度下,溶液的浓度、表面张力和吸附量之间的定量关系,即著名的吉布斯吸附等
10、温式.,第四节 表面活性剂,一、表面活性剂的结构 无论何种表面活性剂，其分子结构均由两部分构成。分子的一端为非极的疏水基，有时也称为亲油基；分子的另一端为极性的亲水基。两类结构与性能截然相反的分子碎片或基团分处于同一分子的两端并以化学键相连接，形成了一种不对称的、极性的结构，因而赋予了该类特殊分子既亲水、又亲油，但又不是整体亲水或亲油的特性。表面活性剂的这种特有结构通常称之为“双亲结构”,表面活性剂分子因而也常被称作“双亲分子”。,二、临界胶束浓度,表面活性剂在界面富集，当表面吸附达到饱和时，也就是当溶液的浓度达到某一定值时，这时表面上定向排满了一层表面活性剂分子，表面活性剂分子不能在表面继续
11、富集，而憎水基的疏水作用仍竭力促使其分子逃离水环境，于是表面活性剂分子则在浓液内部自聚，即疏水基在一起形成内核，亲水基朝外与水接触，形成胶束。 开始形成一定形状胶束所需表面活性剂的浓度称为临界胶束浓度，简称CMC 当一表面活性剂的浓度超过它的CMC值后,只不过胶束的数量增加,而不能再改变溶液的表面性质.,胶束可具有不同形状，不同形状的胶束示意图如图7.8所示。,二、表面活性剂的用途 表面活性剂除了在日常生活中作为洗涤剂，其他应用几乎可以覆盖所有的精细化工领域。 1.增溶 2.乳化作用 3.润湿作用 4.助悬作用 5.消毒、杀菌 6.抗硬水性 7.增粘性及增泡性,第五节 胶体的制备与性质,一、分
12、散系统的分类 一种或几中物质分散在另一种物质中构成的系统称作分散系统。其中被分散的物质称为分散质或分散相，起分散作用的物质称为分散介质或连续相。,根据分散相颗粒的大小分类,二、胶体的性质 1.胶体的光学性质 丁达尔光锥是检验系统是否为胶体的简便有效的方法。 2.胶体的动力学性质 胶体颗粒的无规则的运动称作布朗运动, 3.胶体的电学性质。 胶体颗粒（简称胶粒）是带电的，在外电场的作用下，固相的胶粒与液相的分散介质发生相对移动；或者在外力作用下，固、液两相发生相对移动从而产生电势差。,三. 胶体的结构 1.扩散双电层理论 在胶体的胶粒（固相）与分散介质（液相）的界面上通常存在电势差，称为双电层。形
13、成双电层的原因是：胶粒表面吸附溶液（分散介质）中某种离子带电；部分胶粒表面在溶液中电离；胶粒与溶液发生摩擦而带电等。当胶粒表面带有一定量某种符号的电荷时，在其附近溶液中必然分布电量相同与胶粒表面电性相反的离子，以保持系统的电中性，从而在液-固界面上形成了双电层。,关于双电层的内部结构，1924年，斯特恩在扩散双电层模型基础上提出的GCS双电层模型如图7.10所示。在GCS双电层模型中，斯特恩用一个假想的平面将固体表面附近的溶液划分为两部分：紧密层和扩散层。此平面位于被固体表面吸附的、溶剂化的反离子中心的联线上，称为斯特恩面。从固体表面到斯特恩面之间称为紧密层或斯特恩层，斯特恩面以外称为扩散层热
14、力学电势或表面电势，是指固体表面到溶液本体之间的电势差，以0表示。斯特恩电势，是指斯特恩面到溶液本体之间的电势差，用s表示。动电电势或电势，指滑动面到溶液本体之间的电势差。,滑动面位于距斯特恩面不远处的面，与胶粒表面的距离是溶剂化反离子直径的数量级。由于滑动面与斯特恩面相距很近，故常用可测的代替s。 由双电层结构得知，溶胶的胶团结构包括：胶核、胶粒及胶团三个层次。胶核是由若干个分散相当分子或原子构成的具有晶体结构的集合体及其选择吸附的离子构成。胶粒指从胶核到扩散层中滑动面的部分，胶团是直到扩散层与溶液本体分界面处为止的整个分散相颗粒。以AgI溶胶为例，其胶团结构示意图如图7.11所示。图中所示
15、的AgI溶胶的带正电，故称为AgI正溶胶。,AgI正溶胶的胶团结构式如下所示：,四、溶胶的稳定性和聚沉 溶胶是高度分散的多相系统，其分散相（胶粒）有着巨大的表面积，表面吉布斯函数很高，因此是热力学不稳定系统。当胶粒由于热运动而相互接近时，会相互吸引并合成较大的颗粒，此过程称为聚结或聚并。胶粒聚结到一定大小后，会因重力作用而下沉，即沉降。聚结与沉降合称聚沉。聚沉使溶胶被破坏。 促使溶胶聚沉的措施有：外加电解质，温度变化，溶胶的浓度增大，加聚沉剂及混入不同电性的溶胶等。 通常效果最好的是外加电解质。,使一定量溶胶在一定时间内明显聚沉所需的外加电解质的最小浓度称为此电解质的聚沉值或凝结值。常用的单位
16、是: molm-3或 mmoldm-3 电解质的聚沉值越小，其聚沉能力越大。故定义聚沉值的倒数为电解质的聚沉能力。电解质对溶胶聚沉的影响有如下经验规律： 1.电解质中主要起聚沉作用的是与胶粒所带电荷电性相反的离子（即反离子），且反离子的价数越高，聚沉能力越大。一、二、三价离子的聚沉能力之比为： 1 : 26 : 36 。此规律称叔采-哈迪价数规则。 2.价数相同的离子其聚沉能力相近但有差别，部分一价离子的聚沉能力大小顺序为：H+ Cs+ Rb+ NH4+ K+ Na+ Li+ F- IO3- H2PO4- BrO3 -Cl- ClO3- Br-I-CNS- 3.有机离子的聚沉能力很强，如高分子凝结剂。,五.胶体的制备 根据前面的讨论可知,胶体并不是一种特殊物质,而是物质存在的一种特殊状态,常见的制备胶体的方法有两种,一种是分散法,一种是絮凝法. 1分散法 (1)研磨法. (2)胶溶法又称解胶法， (3)超声分散法
