推荐表面物理化学.

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1、上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容西华师范大学化学化工学院西华师范大学化学化工学院上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 主要内容主要内容13.1 表面张力及表面Gibbs自由能13.2 弯曲表面下的附加压力和蒸气压13.3 溶液的表面吸附13.4 液-液界面的性质13.5 膜13.6 液-固界面润湿作用13.7 表面活性剂及其作用13.8 固体表面的吸附13.9 气-固相表面催化反应上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容基本要求基本要求1.明确表面张力和表面Gibbs自由能的概念，了解表面张力与温度的关系。2.明确弯曲表面的附加压力产

2、生的原因及与曲率半径的关系，学会使用YoungLaplace公式 。 3.了解弯曲表面上的蒸气压与平面相比有何不同，学会使用Kelvin公式，会用这个基本原理来解释人工降雨、毛细凝聚等常见的表面现象 。4.掌握Gibbs 吸附等温式的表示形式及各项的物理意义，并能应用该式作简单计算。5.理解什么叫表面活性剂，了解它在表面上作定向排列及降低表面Gibbs自由能的情况，了解表面活性剂的大致分类及它的几种重要作用。6.了解液液、液固界面的铺展与润湿情况，理解气固表面的吸附本质及吸附等温线的主要类型，能解释简单的表面反应动力学，为何在不同的压力下有不同的反应级数等等。7.了解化学吸附与物理吸附的区别，

3、了解影响固体吸附的主要因素。8.了解化学吸附与多相催化反应的关系，了解气固相表面催化反应速率的特点及反应机理。 上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容一、表面和界面 界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区，若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。 严格讲表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间的界面，但习惯上把液体或固体与空气的界面称为液体或固体的表面。概概 述述1.表面和界面上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容常见的界面有：(1)气-液界面空气空气气气- -液液界面界面上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容(2)气-固界面气气- -固界面固

4、界面上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容(3)液-液界面液-液界面上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容玻璃板玻璃板液液- -固界面固界面(4)液-固界面上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容(5)固-固界面铁管铁管CrCr镀层镀层固固- -固界面固界面上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容2.界面现象的本质 表面层分子与内部分子相比，它们所处的环境不同。 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，一方面受到体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

5、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。 1g H2O 1g H2O 表面积表面积 (m(m2 2) ) 表面能表面能(J)(J)呈一球形水滴呈一球形水滴 4.84104.8410-4-4 3.510 3.510-5-51010-7-7 m m微小质点微小质点 6000 4346000 434上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 液体内部分子所受的力可以彼此抵销，但表面分子受到体相分子的拉力大，受到气相分子的拉力小（因为气相密度低），所以表面分子受到被拉入体相的作用力。 这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势，并使表面层显示出一些独特性质，如

6、表面张力、表面吸附、毛细现象、过饱和状态等。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 由于表面层分子与本体中分子的受力情况不同，由于表面层分子与本体中分子的受力情况不同，如果要扩大表面就要把内层分子移到表面上来，这如果要扩大表面就要把内层分子移到表面上来，这就要与分子的引力相对抗而消耗一定量的功。就要与分子的引力相对抗而消耗一定量的功。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容3.比表面（specific surface area） 比表面通常用来表示物质分散的程度，有两种常用的表示方法：一种是单位质量的固体所具有的表面积；另一种是单位体积固体所具有的表面积。即：

7、式中，m和V分别为固体的质量和体积，A为其表面积。目前常用的测定表面积的方法有BET法和色谱法。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。把一定大小的物质分割得越小，则分散度越高，比表面也越大。 例如，把边长为1 cm的立方体1 cm3逐渐分割成小立方体时，比表面增长情况列于下表：边长l/m 立方体数 比表面Av /（m2/m3）110-2 1 6 102 110-3 103 6 103 110-5 109 6 105 110-7 1015 6 107 110-9 1021 6 109 达到nm级的超细微粒具有巨大的比表面积，因而具有许多独

8、特的表面效应，成为新材料和多相催化方面的研究热点。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容二、表面功（二、表面功（surface worksurface work） 由于表面层分子的受力情况与本体中不同，因此如果要把分子从内部移到界面，或可逆的增加表面积，就必须克服体系内部分子之间的作用力，对体系做功。 温度、压力和组成恒定时，可逆使表面积增加dA所需要对体系作的功，称为表面功。用公式表示为： 为比例系数，它在数值上等于在相应条件下增加单为比例系数，它在数值上等于在相应条件下增加单位表面积时对体系做的可逆非膨胀功。位表面积时对体系做的可逆非膨胀功。上一内容上一内容回主目录回主目

9、录返回返回下一内容下一内容三、表面自由能三、表面自由能(surface free energy)(surface free energy)根据热力学的观点，根据热力学的观点，在等温等压组成不变的可逆条件下在等温等压组成不变的可逆条件下 为此条件下体系为此条件下体系增加单位表面积时，增加单位表面积时，GibbsGibbs自由能的自由能的增加值，称为增加值，称为比表面比表面GibbsGibbs自由能自由能，亦简称为，亦简称为表面自由表面自由能能，其单位是，其单位是J mJ m-2-2。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 将一含有一个活动边框的金属线框架放在肥皂液中，然后取出悬

10、挂，活动边在下面。 由于金属框上的肥皂膜的表面张力作用，可滑动的边会被向上拉，直至顶部。 一一、表面张力表面张力13.1 表面张力及表面表面张力及表面Gibbs自由能自由能上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 如果在活动边框上挂一重物，使重物质量W2与边框质量W1所产生的重力F与总的表面张力大小相等方向相反，则金属丝不再滑动。 l 是滑动边的长度，因膜有两个面，所以边界总长度为2l， 就是作用于单位边界上的表面张力。 这时 上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着一种张力，这种力垂直与表面的边界，指向液体方向并与表面

11、相切。 把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用 或 表示。表面张力的单位是：Nm-1。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 在金属线框中间系一线圈，一起浸入肥皂液中，然后取出，上面形成一液膜。 若刺破线圈中央的液膜，线圈内侧张力消失，外侧表面张力立即将线圈绷成一个圆形，如图，清楚的显示出表面张力的存在。 由于以线圈为边界的两边表面张力大小相等方向相反，故线圈成任意形状可在液膜上移动。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容因为因为J JNm, Nm, 所以所以 的单位也可以用的单位也可以用NmNm1 1表示。可表示。可见表面自由能见表面自由能( ( )

12、 )又代表了单位长度上的力，这种垂直又代表了单位长度上的力，这种垂直作用于单位长度相表面上的力称之为作用于单位长度相表面上的力称之为表面张力表面张力。在数值上在数值上，表面张力等于比表面自由能。，表面张力等于比表面自由能。在方向上在方向上，表面张力是沿着相的表面与相的界面相，表面张力是沿着相的表面与相的界面相切，并促使其表面积缩小的方向。切，并促使其表面积缩小的方向。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容根据多组分热力学的基本公式 对需要考虑表面层的系统，由于多了一个表面相，在体积功之外，还要增加表面功，则基本公式为 二、表面热力学的基本公式上一内容上一内容回主目录回主目录返

13、回返回下一内容下一内容所以考虑了表面功的热力学基本公式为从这些热力学基本公式可得上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容表面自由能表面自由能 广义的表面自由能定义： 狭义的表面自由能定义：又可称为表面Gibbs自由能 表面自由能的单位：上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 温度升高，界面张力下降，当达到临界温度Tc时，界面张力趋向于零。这可用热力学公式说明：因为运用全微分的性质，可得：等式左方为正值，因为表面积增加，熵总是增加的。所以 随T的增加而下降。三、界面张力与温度的关系上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容非表面活性物质 水的表面张

14、力因加入溶质形成溶液而改变。 能使水的表面张力明显升高的溶质称为非表面活性物质。如无机盐和不挥发的酸、碱等。 这些物质的离子有较强的水合作用，趋向于把水分子拖入水中，非表面活性物质在表面的浓度低于在本体的浓度。 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，所以表面张力升高。四、溶液的表面张力与溶液浓度的关系上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容表面活性物质 加入后能使水的表面张力明显降低的溶质称为表面活性物质。 这种物质通常含有亲水的极性基团和憎水的非极性碳链或碳环有机化合物。亲水基团进入水中，憎水基团企图离开水而指向空气，在界面定向排列。 表面活性物质

15、的表面浓度大于本体浓度，增加单位面积所需的功较纯水小。非极性成分愈大，表面活性也愈大。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容Traube 规则 Traube(特劳贝）研究发现，同一种溶质在低浓度时表面张力的降低与浓度成正比 不同的酸在相同的浓度时，每增加一个CH2，其表面张力降低效应平均可增加约3.2倍 上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容曲线 非离子型有机物 曲线 非表面活性物质 曲线 表面活性剂 上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容1.在平面上 对一小面积AB，沿AB的四周每点的两边都存在表面张力，大小相等，方向相反，所以没有附加压

16、力 设向下的大气压力为po，向上的反作用力也为po ，附加压力ps等于零。一、弯曲表面上的附加压力13.2 弯曲表面上的附加压力和蒸气压弯曲表面上的附加压力和蒸气压上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容2. 在凸面上 由于液面是弯曲的，则沿AB的周界上的表面张力不是水平的，作用于边界的力将有一指向液体内部的合力 所有的点产生的合力和为 ps ，称为附加压力凸面上受的总压力为：上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容3. 在凹面上 由于液面是凹面，沿AB的周界上的表面张力不能抵消，作用于边界的力有一指向凹面中心的合力 所有的点产生的合力和为 ps ，称为附加压力

17、凹面上受的总压力为：上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 由于表面张力的作用，在弯曲表面下的液体与平面不同，它受到一种附加的压力，附加压力的方向都指向曲面的圆心。 凹面上受的总压力小于平面上的压力凸面上受的总压力大于平面上的压力4 4、附加压力的大小与曲率半径有关、附加压力的大小与曲率半径有关 例如，在毛细管内充满液体，管端有半径为R 的球状液滴与之平衡。 外压为 p0 ，附加压力为 ps ，液滴所受总压为：上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 克服附加压力ps所作的功等于可逆增加表面积的Gibbs自由能使液滴体积增加dV相应地其表面积增加dA上一内容上

18、一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 凸面上因外压与附加压力的方向一致，液体所受的总压等于外压和附加压力之和，总压比平面上大。相当于曲率半径取了正值。曲率半径越小，附加压力越大 凹面上因外压与附加压力的方向相反，液体所受的总压等于外压和附加压力之差，总压比平面上小。相当于曲率半径取了负值。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 由于附加压力而引起的液面与管外液面有高度差的现象称为毛细管现象 把毛细管插入水中，管中的水柱表面会呈凹形曲面，致使水柱上升到一定高度。当插入汞中时，管内汞面呈凸形，管内汞面下降。 5、毛细管现象上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容

19、下一内容 毛细管内液柱上升（或下降）的高度可近似用如下的方法计算 上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容（1）曲率半径 R 与毛细管半径R的关系：如果曲面为球面（2） R=R上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容y 在任意弯曲液面上取小矩形ABCD(红色面)，其面积为xy。 曲面边缘AB和BC弧的曲率半径分别为 和 作曲面的两个相互垂直的正截面，交线Oz为O点的法线。 令曲面沿法线方向移动dz，使曲面扩大到ABCD(蓝色面)，则x与y各增加dx和dy 。y+dy二、Young-Laplace 公式公式上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容y

20、y+dy 移动后曲面面积增量为： 增加这额外表面所需功为 克服附加压力所作的功为 这两种功应该相等上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容yy+dy由相似三角形的比较得 代入上式得 若 这两个都称为 Young-Laplace 公式 上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容这就是Kelvin公式三、弯曲表面上的蒸汽压弯曲表面上的蒸汽压Kelvin公式公式上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容当 很小时代入上式，得这是Kelvin公式的简化式表明液滴越小，蒸气压越大 上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 Kelvin公式也可以

21、表示为两种不同曲率半径的液滴或蒸汽泡的蒸汽压之比对凸面，R 取正值，R 越小，液滴的蒸汽压越高；对凹面， R 取负值， R 越小，小蒸汽泡中的蒸汽压越低。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 Kelvin公式也可以表示两种不同大小颗粒的饱和溶液浓度之比。 颗粒总是凸面， R 取正值， R 越小，小颗粒的饱和溶液的浓度越大，溶解度越大。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容物质在表面上富集的现象称为表面吸附 表面浓度与本体浓度的差别，称为表面过剩，或表面超量 溶液降低表面自由能的方法除了尽可能地缩小表面积外，还可调节不同组分在表面层中的数量 若加入的溶质能降

22、低表面张力，则溶质力图浓集在表面层上；当溶质使表面张力升高时，则它在表面层中的浓度比在内部的浓度来得低。 一、溶液的表面吸附溶液的表面吸附13.3 溶液的表面吸附溶液的表面吸附上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容二、Gibbs吸附公式 Gibbs用热力学方法求得定温下溶液的浓度、表面张力和吸附量之间的定量关系式 其中a2是溶液中溶质的活度， 是溶液表面张力。 2溶质的表面过剩（或称为表面超量）。 2的定义为：单位面积的表面层所含溶质的物质的量比同量溶剂在本体溶液中所含溶质的物质的量的超出值。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容（1）d/da20，增加溶质

23、的活度使表面张力升高，2为负值，是负吸附。表面层中溶质活度低于本体活度。非表面活性物质属于这种情况。（3）公式的适用范围。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 一种液体能否在另一种不互溶的液体上铺展，取决于两种液体本身的表面张力和两种液体之间的界面张力。 一般说，铺展后，表面自由能下降，则这种铺展是自发的。 大多数表面自由能较低的有机物可以在表面自由能较高的水面上铺展。一、液一、液液界面液界面的铺展的铺展13.4 液液-液界面的性质液界面的性质上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 设液体1，2和气体间的界面张力分别为1,g, 2,g和1,2 在三相接界点

24、处，1,g和1,2企图维持液体1不铺展而2,g的作用是使液体铺展 如果2,g(1,g+1,2)，则液体1能在液体2上铺展 反之，则液体1不能在液体2上铺展上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容润湿过程可以分为三类，即：粘湿、浸湿和铺展 滴在固体表面上的少许液体，取代了部分固气界面，产生了新的液固界面，这一过程称之为润湿过程 液体与固体从不接触到接触，使部分液-气界面和固-气界面转变成新的固-液界面的过程 二、粘湿过程二、粘湿过程上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 一种液体能否在另一种不互溶的液体上铺展，取决于两种液体本身的表面张力和两种液体之间的界面张力

25、。 一般说，铺展后，表面自由能下降，则这种铺展是自发的。 大多数表面自由能较低的有机物可以在表面自由能较高的水面上铺展。13.6 液液-固界面固界面润湿作用润湿作用上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 设液体1，2和气体间的界面张力分别为1,g, 2,g和1,2。 在三相接界点处，1,g和1,2企图维持液体1不铺展；而2,g的作用是使液体铺展。 如果2,g(1,g+1,2)，则液体1能在液体2上铺展。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容1. 粘附功粘附功 在等温等压条件下，单位面积的液面与固体表面粘附时对外所作的最大功称为粘附功，它是液体能否润湿固体的一

26、种量度。粘附功越大，液体越能润湿固体，液-固结合得越牢。 在粘附过程中，消失了单位液体表面和固体表面，产生了单位液-固界面。粘附功就等于这个过程表面吉布斯自由能变化值的负值。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容液固液体在固体表面湿润过程的示意图上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容2.浸湿功浸湿功(work of immersion) 等温、等压条件下，将具有单位表面积的固体可逆地浸入液体中所作的最大功称为浸湿功，它是液体在固体表面取代气体能力的一种量度。 只有浸湿功大于或等于零，液体才能浸湿固体。在浸湿过程中，消失了单位面积的气、固表面，产生了单位面积的

27、液、固界面，所以浸湿功等于该变化过程表面自由能变化值的负值。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容固体浸湿过程示意图气液固固体浸湿过程示意图气液固体浸湿过程示意图气液固体浸湿过程示意图气液固体浸湿过程示意图气液固体浸湿过程示意图气液固体浸湿过程示意图气液固上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容3.内聚功内聚功 等温、等压条件下，两个单位液面可逆聚合为液柱所作的最大功称为内聚功，是液体本身结合牢固程度的一种量度。 内聚时两个单位液面消失，所以，内聚功在数值上等于该变化过程表面自由能变化值的负值。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容液液液液上

28、一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容4.铺展系数铺展系数 等温、等压条件下，单位面积的液固界面取代了单位面积的气固界面并产生了单位面积的气液界面，这过程表面自由能变化值的负值称为铺展系数，用S表示。 若S0，说明液体可以在固体表面自动铺展。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容固液气固液气固液气固液气固液气固液气固液气固液气固液气固液气固液气固液气液体在固体表面上的铺展上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容5.接触角接触角 在气、液、固三相交界点，气-液与气-固界面张力之间的夹角称为接触角，通常用q表示。 若接触角大于90，说明液体不能润湿

29、固体，如汞在玻璃表面； 若接触角小于90，液体能润湿固体，如水在洁净的玻璃表面。 接触角的大小可以用实验测量，也可以用公式计算：上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容接触角的示意图：上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容1.离子型2.非离子型表面活性剂 显然阳离子型和阴离子型的表面活性剂不能混用，否则可能会发生沉淀而失去活性作用。阳离子型阴离子型两性型小极性头大极性头一、表面活性剂的分类表面活性剂的分类13.7 表面活性剂及其作用表面活性剂及其作用上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容1、表面活性剂效率 使水的表面张力降低到一定值时所需要的

30、表面活性剂的浓度。显然，所需浓度愈低，表面活性剂的性能愈好。2、表面活性剂的能力 能够把水的表面张力降低到的最小值。显然，能把水的表面张力降得愈低，该表面活性剂愈有效。表面活性剂的能力也称为有效值。二、表面活性剂的结构对其效率及能力的影响表面活性剂的结构对其效率及能力的影响上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容对（正烷基）苯磺酸钠的水溶液在348K时的表面张力与浓度的关系 上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 表面活性剂是两亲分子。溶解在水中达一定浓度时，其非极性部分会自相结合，形成聚集体，使憎水基向里、亲水基向外。这种多分子聚集体称为胶束。 随着亲水基不

31、同和浓度不同，形成的胶束可呈现棒状、层状或球状等多种形状。 形成胶束的最低浓度称为临界胶束浓度 继续增加表面活性剂的量，只能增加溶液中胶束的数量和大小3、胶束上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容稳定化稳定化稳定化稳定化憎水基亲水基和水相斥和水吸引形成胶束的稳定化过程上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容胶束的形状上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容胶束的形状上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+球形胶束H2O(a)(b)棒状胶束(c)水棒状胶束的六角束(d)层状胶束 （e

32、)13.5nm13.5nm类脂黑膜(g)H2OoilH2O醇油或O/W微乳液 W/O微乳液(h)H2OH2O单室泡囊或(i)胶束的结构形成示意图上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 表面活性剂在水中随着浓度增大，表面上聚集的活性剂分子形成定向排列的紧密单分子层，多余的分子在体相内部也三三两两的以憎水基互相靠拢，聚集在一起形成胶束。 这时溶液性质与理想性质发生偏离，在表面张力对浓度绘制的曲线上会出现转折。继续增加活性剂浓度，表面张力不再降低，而体相中的胶束不断增多、增大。 这种开始形成胶束的最低浓度称为临界胶束浓度，简称CMC4、临界胶束浓度上一内容上一内容回主目录回主目录返

33、回返回下一内容下一内容界面张力表面张力临界胶束浓度去污作用密度改变电导率摩尔电导率渗透压浓度表面活性剂溶液的性质临界胶束浓度时各种性质的突变上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 表面活性剂都是两亲分子，由于亲水和亲油基团的不同，很难用相同的单位来衡量 亲水基团的亲水性和亲油基团的亲油性可以有两种类型的简单的比较方法 1. 表面活性剂的亲水性 亲水基的亲水性憎水基的憎水性 三、表面活性剂的表面活性剂的HLB值值上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容HLB值=亲水基质量亲水基质量+憎水基质量100/5例如：石蜡无亲水基，所以 HLB=0 Griffin（格里芬

34、）提出了用HLB(hydrophile-lipophile balance，亲水亲油平衡)值来表示表面活性剂的亲水性 聚乙二醇，全部是亲水基，HLB=20。其余非离子型表面活性剂的HLB值介于020之间。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 根据需要，可根据HLB值选择合适的表面活性剂HLB值 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 | | | | | | 石蜡 W/O乳化剂 润湿剂 洗涤剂 增溶剂 | | 聚乙二醇 O/W乳化剂例如：HLB值在26之间，作油包水型的乳化剂810之间作润湿剂；1218之间作为水包油型乳化剂。上一内容上一内容回主目录回主目录返

35、回返回下一内容下一内容 表面活性剂的亲水性越强，其在水中的溶解度越大，而亲油性越强则越易溶于“油” 故表面活性剂的亲水亲油性也可以用溶解度或与溶解度有关的性质来衡量 离子型表面活性剂的溶解度随着温度的升高而增加，当达到一定温度后，其溶解度会突然迅速增加，这个转变温度称为Kraff 点 同系物的碳氢链越长，其Kraff点越高，因此，Kraff点可以衡量离子型表面活性剂的亲水、亲油性 四、表面活性剂在水中的溶解度表面活性剂在水中的溶解度上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 非离子型表面活性剂的亲水基主要是聚氧乙烯基。升高温度会破坏聚氧乙烯基同水的结合，而使溶解度下降，甚至析出。

36、所以加热时可以观察到溶液发生混浊现象。 发生混浊的最低温度称为浊点 环氧乙烯的分子数越多，亲水性越强，浊点就越高。反之，亲油性越强，浊点越低。 可利用浊点来衡量非离子型表面活性剂的亲水、亲油性。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 表面活性剂的用途极广，主要有五个方面：润湿作用、起泡作用、增溶作用、乳化作用和洗涤作用1.润湿作用 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。 例如，要农药润湿带蜡的植物表面，要在农药中加表面活性剂； 如果要制造防水材料，就要在表面涂憎水的表面活性剂，使接触角大于90。五、表面活性剂的一些重要作用及其应用表面活性剂的一

37、些重要作用及其应用上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容2.起泡作用 “泡”就是由液体薄膜包围着气体。有的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，用于浮游选矿、泡沫灭火和洗涤去污等，这种活性剂称为起泡剂。 有时要使用消泡剂，在制糖、制中药过程中泡沫太多，要加入适当的表面活性剂降低薄膜强度，消除气泡，防止事故。起泡剂所起的主要作用有：（1）降低表面张力（2）使泡沫膜牢固，有一定的机械强度和弹性（3）使泡沫有适当的表面黏度 上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容3.增溶作用 非极性有机物

38、如苯在水中溶解度很小，加入油酸钠等表面活性剂后，苯在水中的溶解度大大增加，这称为增溶作用。 增溶作用与普通的溶解概念是不同的，增溶的苯不是均匀分散在水中，而是分散在油酸根分子形成的胶束中。 经X射线衍射证实，增溶后各种胶束都有不同程度的增大，而整个溶液的的依数性变化不大。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容增溶作用的特点 （1）增溶作用可以使被溶物的化学势大大降低，是自发过程，使整个系统更加稳定。 （2）增溶作用是一个可逆的平衡过程 （3）增溶后不存在两相，溶液是透明的 增溶作用的应用极为广泛，例如，增溶作用是去污作用中很重要的一部分，工业上合成丁苯橡胶时，利用增溶作用将原

39、料溶于肥皂溶液中再进行聚合反应（即乳化聚合），还可以应用于染色、农药以增加农药杀虫灭菌的功能以及在医药和生理现象等方面。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容4.乳化作用 一种或几种液体以大于10-7 m直径的液珠分散在另一不相混溶的液体之中形成的粗分散系统称为乳状液。 要使它稳定存在必须加乳化剂。根据乳化剂结构的不同可以形成以水为连续相的水包油乳状液(O/W)，或以油为连续相的油包水乳状液(W/O)。 有时为了破坏乳状液需加入另一种表面活性剂，称为破乳剂，将乳状液中的分散相和分散介质分开。例如原油中需要加入破乳剂将油与水分开。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容

40、下一内容 简单的乳状液通常分为两大类。习惯上将不溶于水的有机物称油，将不连续以液珠形式存在的相称为内相，将连续存在的液相称为外相。（1）水包油乳状液（2）油包水乳状液 用O/W表示。内相为油，外相为水，这种乳状液能用水稀释，如牛奶等。 用W/O表示。内相为水，外相为油，如油井中喷出的原油。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容检验水包油乳状液加入水溶性染料如亚甲基蓝，说明水是连续相。加入油溶性的染料红色苏丹，说明油是不连续相。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容5.洗涤作用 肥皂是用动、植物油脂和NaOH或KOH皂化而制得 肥皂在酸性溶液中会形成不溶性脂肪

41、酸，在硬水中会与钙、镁等离子生成不溶性的脂肪酸盐，不但降低了去污性能，而且污染了织物表面。 用烷基硫酸盐、烷基芳基磺酸盐及聚氧乙烯型非离子表面活性剂等作原料制成的合成洗涤剂去污能力比肥皂强，且克服了肥皂的如上所述的缺点。 去污过程是带有污垢(用D表示)的固体(s)，浸入水(w)中，在洗涤剂的作用下，降低污垢与固体表面的粘湿功，使污垢脱落而达到去污目的. 上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 好的洗涤剂必须具有：（1）良好的润湿性能 （2）能有效的降低被清洗固体与水及污垢与水的界面张力，降低沾湿功 （3）有一定的起泡或增溶作用 （4）能在洁净固体表面形成保护膜而防止污物重新沉

42、积 上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 洗涤剂中通常要加入多种辅助成分，增加对被清洗物体的润湿作用，又要有起泡、增白、占领清洁表面不被再次污染等功能。 其中占主要成分的表面活性剂的去污过程可用示意图说明： A. 水的表面张力大，对油污润湿性能差，不容易把油污洗掉。 B.加入表面活性剂后，憎水基团朝向织物表面和吸附在污垢上，使污垢逐步脱离表面。 C. 污垢悬在水中或随泡沫浮到水面后被去除，洁净表面被活性剂分子占领。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容表面活性剂的去污过程示意图上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 1固体表面分子（原子）

43、移动困难，只能靠吸附来降低表面能 2固体表面是不均匀的 ，不同类型的原子的化学行为、吸附热、催化活性和表面态能级的分布都是不均匀的。 3固体表面层的组成与体相内部组成不同 一、固体固体表面的特点表面的特点13.8 固体表面的吸附固体表面的吸附上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容(2)单位质量的吸附剂所吸附气体物质的量(1)单位质量的吸附剂所吸附气体的体积2、吸附量的表示吸附量的表示二、吸附等温线吸附等温线1、吸附剂、吸附质吸附剂、吸附质 当气体或蒸汽在固体表面被吸附时，固体称为吸附剂，被吸附的气体称为吸附质。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 对于一定

44、的吸附剂与吸附质的系统，达到吸附平衡时，吸附量是温度和吸附质压力的函数，即： 通常固定一个变量，求出另外两个变量之间的关系，例如：(1)T =常数，q = f (p)，称为吸附等温式(2)p =常数，q = f (T)，称为吸附等压式(3)q =常数，p = f (T)，称为吸附等量式3、吸附量与温度、压力的关系吸附量与温度、压力的关系上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容吸附等温线吸附等温线吸附等温线吸附等温线 样品脱附后，设定一个温度，如253 K，控制吸附质不同压力，根据石英弹簧的伸长可以计算出相应的吸附量，就可以画出一根253 K的吸附等温线，如图所示 用相同的方法，

45、改变吸附恒温浴的温度，可以测出一组不同温度下的吸附等温线。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容从吸附等温线画出等压线和等量线p / k Pa上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容(1) 在2.5 nm 以下微孔吸附剂上的吸附等温线属于这种类型。 例如78 K时 N2 在活性炭上的吸附及水和苯蒸汽在分子筛上的吸附。4、吸附等温线的类型吸附等温线的类型上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容(2) 常称为S型等温线。吸附剂孔径大小不一，发生多分子层吸附。 在比压接近1时，发生毛细管凝聚现象。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内

46、容(3) 这种类型较少见。当吸附剂和吸附质相互作用很弱时会出现这种等温线。 如 352 K 时，Br2在硅胶上的吸附属于这种类型。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容吸附等温线的类型吸附等温线的类型(4) 多孔吸附剂发生多分子层吸附时会有这种等温线。在比压较高时，有毛细凝聚现象。 例如在323 K时，苯在氧化铁凝胶上的吸附属于这种类型。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容吸附等温线的类型吸附等温线的类型(5)发生多分子层吸附，有毛细凝聚现象。 例如373 K时，水汽在活性炭上的吸附属于这种类型。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 L

47、angmuir吸附等温式描述了吸附量与被吸附蒸汽压力之间的定量关系。他在推导该公式的过程引入了两个重要假设：(1) 吸附是单分子层的(2) 固体表面是均匀的，被吸附分子之间无相互作用设：表面覆盖度q = V/Vm Vm为吸满单分子层的体积则空白表面为(1 - q )V为吸附体积二、Langmuir吸附等温式吸附等温式上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容达到平衡时，吸附与脱附速率相等。吸附速率为脱附速率为令： 这公式称为 Langmuir吸附等温式，式中a 称为吸附平衡常数（或吸附系数），它的大小代表了固体表面吸附气体能力的强弱程度。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下

48、一内容下一内容以q 对p 作图，得：Langmuir等温式的示意图1.当p很小，或吸附很弱，ap1，q =1，q 与 p无关，吸附已铺满单分子层。3.当压力适中，q pm，m介于0与1之间。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容m为吸附剂质量重排后可得： 这是Langmuir吸附公式的又一表示形式。用实验数据，以p/Vp作图得一直线，从斜率和截距求出吸附系数a和铺满单分子层的气体体积Vm。将q =V/Vm代入Langmuir吸附公式 Vm是一个重要参数。从吸附质分子截面积Am，可计算吸附剂的总表面积S和比表面A。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容吸附系数

49、随温度和吸附热的变化关系为 Q为吸附热，取号惯例为放热吸附热为正值，吸热吸附热为负值。当吸附热为负值时，温度升高，吸附量下降对于一个吸附质分子吸附时解离成两个粒子的吸附达吸附平衡时上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容或在压力很小时如果表示吸附时发生了解离 上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容当A和B两种粒子都被吸附时，A和B分子的吸附与解吸速率分别为：达吸附平衡时，ra = rd三、混合气体的混合气体的Langmuir吸附等温式吸附等温式上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容两式联立解得qA，qB分别为：对多种气体混合吸附的Lngmui

50、r吸附等温式为：气体B的存在可使气体A的吸附受到阻抑，反之亦然 Lngmuir吸附等温式在吸附理论中起了一定的作用，但它的单分子层吸附、表面均匀等假设并不完全与事实相符，是吸附的理想情况。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容Freundlich吸附等温式有两种表示形式：q：吸附量，cm3/gk，n是与温度、系统有关的常数。x：吸附气体的质量m：吸附剂质量k，n是与温度、系统有关的常数。 Freundlich吸附公式对q 的适用范围比Langmuir公式要宽，适用于物理吸附、化学吸附和溶液吸附四、Freundlich等温式等温式上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容

51、下一内容 CO在炭上的吸附等温线 上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 CO在炭上的吸附lg q上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 由Brunauer-Emmett-Teller（布龙瑙尔埃梅特特勒）三人提出的多分子层吸附公式简称BET公式。 他们接受了Langmuir理论中关于固体表面是均匀的观点，但他们认为吸附是多分子层的。当然第一层吸附与第二层吸附不同，因为相互作用的对象不同，因而吸附热也不同，第二层及以后各层的吸附热接近与凝聚热。 在这个基础上他们导出了BET吸附二常数公式。五、BET多层吸附公式多层吸附公式上一内容上一内容回主目录回主目录返回

52、返回下一内容下一内容 式中两个常数为c和Vm，c是与吸附热有关的常数，Vm为铺满单分子层所需气体的体积。p和V分别为吸附时的压力和体积，ps是实验温度下吸附质的饱和蒸汽压。 BET公式主要应用于测定固体催化剂的比表面 上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容为了使用方便，将二常数公式改写为：用实验数据 对 作图，得一条直线。从直线的斜率和截距可计算两个常数值c和Vm，从Vm可以计算吸附剂的比表面：Am是吸附质分子的截面积，要换算到标准状态(STP)。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容二常数公式较常用，比压一般控制在0.050.35之间。比压太低，建立不起多

53、分子层物理吸附；比压过高，容易发生毛细凝聚，使结果偏高。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 如果吸附层不是无限的，而是有一定的限制，例如在吸附剂孔道内，至多只能吸附n层，则BET公式修正为三常数公式： 若n =1，为单分子层吸附，上式可以简化为 Langmuir公式。 若n =，(p/ps)0，上式可转化为二常数公式三常数公式一般适用于比压在0.350.60之间的吸附。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容具有如下特点的吸附称为物理吸附：(1) 吸附力是由固体和气体分子之间的van der Waals引力产生的，一般比较弱。(2) 吸附热较小，接近于气体

54、的液化热，一般在几个 kJ/mol以下。(3) 吸附无选择性，任何固体可以吸附任何气体，当 然吸附量会有所不同。七七、吸附现象的本质吸附现象的本质物理吸附和化学吸附物理吸附和化学吸附1、物理吸附物理吸附上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容(4) 吸附稳定性不高，吸附与解吸速率都很快(5) 吸附可以是单分子层的，但也可以是多分子层的(6) 吸附不需要活化能，吸附速率并不因温度的升高而变快。总之：物理吸附仅仅是一种物理作用，没有电子转移，没有化学键的生成与破坏，也没有原子重排等上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容具有如下特点的吸附称为化学吸附：(1) 吸附力

55、是由吸附剂与吸附质分子之间产生的化学键力，一般较强。(2) 吸附热较高，接近于化学反应热，一般在42kJ/mol以上。 (3) 吸附有选择性，固体表面的活性位只吸附与之可发生反应的气体分子，如酸位吸附碱性分子，反之亦然。2、化学吸附化学吸附上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容(4) 吸附很稳定，一旦吸附，就不易解吸。(5) 吸附是单分子层的。(6) 吸附需要活化能，温度升高，吸附和解吸速率加快。总之：化学吸附相当与吸附剂表面分子与吸附质分子发生了化学反应，在红外、紫外-可见光谱中会出现新的特征吸收带。上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容1、吸附热的定义

56、吸附热的取号： 在吸附过程中的热效应称为吸附热。物理吸附过程的热效应相当于气体凝聚热，很小；化学吸附过程的热效应相当于化学键能，比较大。 吸附是放热过程，但是习惯把吸附热都取成正值 固体在等温、等压下吸附气体是一个自发过程，G0，气体从三维运动变成吸附态的二维运动，熵减少， S0，H=G+TS， H0。八八、化学吸附热化学吸附热上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 积分吸附热 微分吸附热 等温条件下，一定量的固体吸附一定量的气体所放出的热，用Q表示。积分吸附热实际上是各种不同覆盖度下吸附热的平均值。显然覆盖度低时的吸附热大。 在吸附剂表面吸附一定量气体q后，再吸附少量气体d

57、q时放出的热dQ，用公式表示吸附量为q时的微分吸附热为：2、吸附热的分类上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容（1）直接用实验测定 在高真空体系中，先将吸附剂脱附干净，然后用精密的热量计测量吸附一定量气体后放出的热量。这样测得的是积分吸附热。（2）从吸附等量线求算 在一组吸附等量线上求出不同温度下的(p/T)q值，再根据Clausius-Clapeyron方程得Q就是某一吸附量时的等量吸附热，近似看作微分吸附热.（3）色谱法 用气相色谱技术测定吸附热。3、吸附热的测定上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 吸附热与覆盖度的关系是比较复杂的，这可能是由于表面的不均匀性所致 氢在不同金属膜上的 Q 曲线 上一内容上一内容回主目录回主目录返回返回下一内容下一内容 影响气-固界面吸附的主要因素有：温度、压力以及吸附剂和吸附质的性质。 无论物理吸附还是化学吸附，温度升高时吸附量减少，压力增加，吸附量和吸附速率皆增大。 极性吸附剂易于吸附极性吸附质，非极性吸附剂则易于吸附非极性物质。 吸附质分子的结构越复杂，沸点越高，被吸附的能力越强。 酸性吸附剂易吸附碱性吸附质，反之亦然。 九九、影响气固界面吸附的主要因素影响气固界面吸附的主要因素