物理化学电子教案：表面现象.胶体-(1)表面现象（4学时2012材料能源专业）

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1、物理化学电子教案物理化学电子教案 华南师范大学物理化学研究所华南师范大学物理化学研究所第八章 表面现象.胶体液-液界面思考：与胶体、界面现象相关的问题思考：与胶体、界面现象相关的问题1.为什么自然界中液滴、气泡总是圆形的？为什么气泡比液滴更容易破裂？肥皂泡为什么不易破裂?2.为什么水在毛细管中呈凹月面?水银在毛细管中呈凸面?3.天空为什么会下雨？向高空抛撒碘化银(干冰)为什么能产生人工降雨？4.为什么会产生液体过热现象？加入沸石为什么能消除过热现象？5.为什么水在玻璃上能铺展，水银在玻璃上却形成液滴？6.为什么打烂体温计时，水银会变成多粒水银球？7.为什么在幻灯片上书写要用油性笔?用水笔行吗?

2、 以下为一些你曾经碰到或想到,或可能视而不见或从没有想到过的问题,它们与胶体与界面化学原理息息相关,在学习胶体与界面化学原理前,你如何去解释这些现象? 8.为什么在参观面粉厂时,不能穿带铁钉的鞋?9.干面粉没有粘结性.若加入水,面粉会具有粘结性和可塑性,但加入油,则没有.为什么?这些对材料制备有什么启示?10.墙面涂料太稀或太稠对涂墙效果有影响吗?11.夏天牛奶为什么容易变质?煮牛奶时放入红糖会出现絮凝现象?为什么?12.肥皂、洗衣粉为什么有去污作用?13.在污水处理或自来水厂使水净化时，常要加入净化剂明矾(硫酸铝).为什么？14.鸭子为什么会浮在水中?而放入肥皂水中会下沉？15.如果把吹好的

3、肥皂泡保持在管端,必须把管子的另一端按住,否则,一松手肥皂泡变小而消失?思考：与胶体、界面现象相关的问题思考：与胶体、界面现象相关的问题16.农工锄地为什么能保持土壤水分? 如何抑制沙漠地带水的蒸发?17.护士给病人注射各种针剂时，注射前一定要检查针筒中是否有小气泡，若有小气泡，必须除去。为什么？18.“高压氧舱”是脑疾病治疗与康复的方法，治疗结束后，要从高压向低压慢慢过渡，为什么？海底潜水员返回海面途中必须缓慢上升，又为什么？19.豆浆中加入卤水（或石膏）为什么能形成豆腐？内脂豆腐与传统豆腐的区别?20.为什么活性碳可以做防毒面具和冰箱除臭剂？21.好的矿泉水可以在干燥的杯子形成一个弧面,其

4、弧面可以承载硬币的质量,为什么?思考：与胶体、界面现象相关的问题思考：与胶体、界面现象相关的问题 22.湿度大时，木制家具和油画为什么会自动裂损?博物馆是否需要注意恒温、保湿？ 23. 20世纪初,当第一批远洋巨轮制造成功,下水试航12h后,发现螺旋桨千疮百孔,不能使用.其原因是水中无数极细微小的小气泡造成.通常将小气泡对金属螺旋桨造成的损害称为“气蚀”。为什么“小气泡”有这么大的危害？现在用什么方法保护螺旋桨?24.晴朗的天空为什么是兰色的?朝霞、晚霞为什么绚丽多彩？25.用同一滴管,同样条件下滴相同体积的不同溶液,比如NaCl、正丁醇溶液，滴数会一样多吗？思考：与胶体、界面现象相关的问题思

5、考：与胶体、界面现象相关的问题26.什么是表面活性剂？为什么向油水不溶体系加入表面活性剂后，油水能互溶？通常选择性的向污染水体加入表面活性，起到净化水质的作用，为什么？27.为什么利用矿物浮选可得到高品位的矿?28.江河出口处为什么形成三角洲?29.两块光滑干净的玻璃板叠放在一起时，很容易将其分开，若在两板之间放一些水，则很难分开，为什么?雨后沙石地带为什么容易出现地面坍塌现象？30.天气预报中的阴霾是什么？阴霾天气能见度很低空气质量不好,为什么? 界面现象是客观存在的界面现象是客观存在的, ,学习胶体界面知识后，你又会如学习胶体界面知识后，你又会如何去解释这些随处可见的胶体与界面现象？对界面

6、规律的研究何去解释这些随处可见的胶体与界面现象？对界面规律的研究在当今科学研究与应用中有什么作用在当今科学研究与应用中有什么作用? ?思考：与胶体、界面现象相关的问题思考：与胶体、界面现象相关的问题研究表面现象的意义 在理论上，表面现象不仅是胶体化学、多相催化和纳米科学的重要理论基础之一，而且还渗透到生命科学、药物学、林学、农学等其他学科。 在实践上，它对催化剂的制备、洗涤剂的合成、纺织印染工业、农药的使用、锄地保墒和药物的制备使用等都有指导意义，而且与人们的日常生活、饮食起居、治病保健等都有密切的关系。 第第1 1节节 表面自由能和表面张力表面自由能和表面张力8.1.1表面现象及其本质8.1

7、.2表面自由能和表面张力第第2 2节弯曲表面现象节弯曲表面现象8.2.1弯曲液面下的附加压力8.2.2 毛细现象8.2.3弯曲液面上的饱和蒸气压第八章 表面现象.胶体8.2.4亚稳状态与新相的生成第第3 3节溶液的表面现象节溶液的表面现象8.3.1 溶液表面的吸附现象8.3.2 吉布斯（Gibbs）吸附等温式 8.3.3 表面活性物质的结构与分类8.3.4 表面活性物质的基本性质8.3.5表面活性物质的作用8.3.6 液面上的铺展和不溶性表面膜第八章 表面现象.胶体第第4 4节胶体慨述节胶体慨述8.4.1胶体分散系统的分类8.4.2胶体分散体系的基本特性第第5 5节节溶胶的制备和净化8.5.1

8、溶胶的制备8.5.2溶胶的净化第第6 6节胶体体系的光学性质节胶体体系的光学性质8.6.1 8.6.1 丁铎尔(Tyn-dall)现象8.6.2 瑞利散射公式第第7 7节节 胶体体系的动力学性质胶体体系的动力学性质8.7.1 布朗运动与扩散8.7.2沉降平衡8.7.3沉降速度第八章 表面现象.胶体第第8 8节胶体体系的电学性质和稳定性节胶体体系的电学性质和稳定性8.8.1电泳和电渗8.8.2胶粒带电的原因8.8.3胶团结构8.8.4扩散双电层与电动电势8.8.5溶胶的稳定性与聚沉第第9 9节高分子化合物溶液节高分子化合物溶液8.9.1 高分子化合物溶液的特点9.9.2 高分子化合物溶液的聚沉与

9、保护作用第第1010节乳状液节乳状液8.10.1 乳化剂与分类8.10.2 乳化剂作用原理与应用第八章 表面现象.胶体 8.1 表面自由能和表面张力1. 表面现象及其本质2. 表面自由能和表面张力表面现象及本质表面现象及本质GL密切接触的两相之间存在一过密切接触的两相之间存在一过渡区（几个分子厚度）渡区（几个分子厚度）-界面界面.什麽是界(表)面？常见的界面例子1.气-液界面表面和界面(surface and interface)2.气-固界面表面和界面(surface and interface)4.液-固界面表面和界面(surface and interface)5.固-固界面表面和界面(

10、surface and interface) 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。 常见的界面有：气-液界面，气-固界面，液-液界面，液-固界面，固-固界面。 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。表面层分子与内部分子相同吗表面层分子与内部分子相同吗? 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对称的称的，各个方向的力彼此抵销； 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分子的作用，其作用力

11、未必能相互抵销作用力未必能相互抵销，因此，界面界面层会显示出一些独特的性质。层会显示出一些独特的性质。气相气相液相液相 表面分子的受力状况和能量状态与内部分子不同表面分子的受力状况和能量状态与内部分子不同GL液体表面的分子受到指向液体内部的合力作用.此合力称为“净吸力”。净吸力垂直于液体表面，并指向液体内部。液体表面分子比内部分子具有更高的能量 对于单组分体系，对于单组分体系，”净吸力净吸力”主要来自于同一物质在不同相中的主要来自于同一物质在不同相中的密度不同密度不同；对于多组分体系，则特；对于多组分体系，则特性来自于性来自于界面层的组成与任一相的界面层的组成与任一相的组成的不相同。组成的不相

12、同。表面层分子与内部分子相同吗表面层分子与内部分子相同吗?净吸力界面现象的本质以液体及其蒸气组成的表面为例： 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。这个力为“静吸力” 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，如表面张力、表面吸附、毛细现象、过饱和状态等，都是缘于“静吸力”的存在。 静吸力的存在是界面现象产生的本质。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

13、种是单位体积固体所具有的表面积。即：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。分散度与比表面 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1cm的立方体1cm3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 表面自由能（surface work）式中 为比例系数，它在数值上

14、等于当T，P及组成恒定的条件下，增加单位表面积时所必须对体系做的可逆非膨胀功。 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：表面Gibbs自由能(surface free energy)由此可得：考虑表面功，热力学基本公式中应相应增加dA一项，即：表面Gibbs自由能(surface free energy)表面吉布斯自由能： 保持温度、压力和组成不变，每增加单位表面积时，Gibbs自由能的增加值称为表面Gib

15、bs自由能，或简称表面自由能或表面能，用符号 或 表示，单位为Jm-2。 等温、等压条件下，可逆的增加单位表面积时，环境对等温、等压条件下，可逆的增加单位表面积时，环境对体系所做的功转化为表面层分子的吉布斯自由能的增加值。体系所做的功转化为表面层分子的吉布斯自由能的增加值。 由于表面层的分子受到液相分子的向内拉力，有缩小表面积的趋势，故可以想象液体表面上处处存在着一种张力，称之为表面表面张力张力。 表面自由能和表面张力（表面自由能和表面张力（surface surface tensiontension）以下实验可以说明这种现象。 实验1： 如果在金属线框中间系一线圈，一起浸入肥皂液中，然后取出

16、，上面形成一液膜。(a)(b) 由于以线圈为边界的两边表面张力大小相等方向相反，所以线圈成任意形状可在液膜上移动，见(a)图。 如果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，见(b)图，清楚的显示出表面张力的存在。 表面自由能和表面张力（表面自由能和表面张力（surface surface tensiontension）（a）（b）结论： 在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着一种张力，它永远与表面相切，而与静吸力相互垂直。 表面自由能和表面张力（表面自由能和表面张力（surface surface tensiontension） 表面自由能和表面张力（表面自

17、由能和表面张力（surface surface tensiontension）结论： 在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着一种张力，它永远与表面相切，而与静吸力相互垂直。实验2：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。 把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用g 表示，单位是Nm-1。表面张力起源于由分子间力而引起的“净吸力”。 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（F=（W1+W2）g）与总的表面张力大小相等方向相反，则金属丝不再滑动。 这时 l是滑动

18、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。 表面自由能和表面张力（表面自由能和表面张力（surface surface tensiontension）关于表面张力与关于表面张力与Gibbs自由能自由能（1 1）表面张力是由于处于表面层的分子受到“净吸力”的作用而产生的与表面相切，与“净吸力”相互垂直，引起液体表面自动收缩的力。（2）表面张力与表面吉布斯自由能是同一数值的二个不同概念，前者从力学角度，而后者从能量角度讨论界面所存在现象（3）表面张力是物质的自然属性，与物质的性质、温度、压力、组成以及共存的另一相有关表面自由能与表面张力表面自由能与表面张力 对

19、于表面相，我们从对于表面相，我们从“能能”和和“力力”的角度引出的角度引出了两个不同的概念：了两个不同的概念：表面自由能与表面张力表面自由能与表面张力。事实上。事实上这两个概念有着密切的联系这两个概念有着密切的联系两者量纲相同两者量纲相同表面自由能的量纲表面自由能的量纲表面张力量纲表面张力量纲界面张力与温度的关系界面张力与温度的关系温度升高，界面张力下降。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。从分子热运动与温度的关系，又如何作出解释？从分子热运动与温度的关系，又如何作出解释？表面自由能与表面张力表面自由能与表面张

20、力 表面张力是物质的一种特性，并与温度、压力、组成以及共存的另一相的性质等因素有关。表面张力与物质的本性有关。界面张力与压力关系界面张力与压力关系 压力影响表面张力的原因： 改变气相分子的密度 气体分子在液体表面的吸附 气体分子溶解在液体内部等结果：压力增加，界面张力下降。通常每增加 10atm，界面张力下降1mN/m 表面张力一般随压力的增加而下降。因为压力增加，气相密度增加，表面分子受力不均匀性略有好转。另外，若是气相中有别的物质，则压力增加，促使表面吸附增加，气体溶解度增加，也使表面张力下降。 界面张力与物质属性的关系界面张力与物质属性的关系1.表面张力与分子间相互作用力的关系表面张力与

21、分子间相互作用力的关系 对纯液体或纯固体，表面张力决定于分子间形成的化学键能的大小，一般化学键越强，表面张力越大。(金属键) (离子键) (极性共价键) (非极性共价键) 2. 表面张力与分子极性关系表面张力与分子极性关系 表面张力是由于分子间力而引起的静吸力所产生，表面张力是由于分子间力而引起的静吸力所产生，因此因此极性分子极性分子物质的表面张力比物质的表面张力比非极性分子非极性分子物质的表面物质的表面张力大。张力大。 弯曲表面现象弯曲表面现象弯曲表面下的附加压力1.在平面上2.在凸面上3.在凹面上Young-Laplace公式 Klvin公式 弯曲液面上的附加压力弯曲液面上的附加压力 研究

22、平面上某一小面积AB周围的受力情况，由于边界上每点的两边都存在表面张力，大小相等，方向相反，当平衡时，沿AB周界的表面张力相互抵消。 液体受到向下的大气压力为p o，向上的反作用力也为p o ，可见平面液体表内外的压力相等液面正面图1.1.在平面上在平面上AB 弯曲液面上的附加压力弯曲液面上的附加压力2.2.在凸面上在凸面上 在液滴球面上AB小圈周围的受力情况,由于每点两边的表面张力都与液面相切,大小相等，但不在同一平面上,不能相消,会产生一个向下的合力。这合力称为附加压力,指向圆心所有点产生的合力之和为球面上受的总压力为：球面上受的总压力为：AB 弯曲液面上的附加压力弯曲液面上的附加压力3.

23、在凹面上这合力称为附加压力,指向圆心所有点产生的合力之和为气泡内壁受的总压力为： 在气泡内壁上AB小圈周围的受力情况,由于每点两边的表面张力都与内壁相切,大小相等，但不在同一平面上,不能相消,会产生一个向圆心的合力。溶液AB弯曲液面下的附加压力p0GLPi = p0p0psPi = p0 + pspsp0Pi= p0 - psPi :液体内部的压力Ps :附加压力(additional pressure)Ps的大小与哪些因素有关？扬扬- -拉普拉斯公式拉普拉斯公式 1805年Young-Laplace导出了附加压力与曲率半径之间的关系式：特殊式（对球面）： 根据数学上规定，凸面的曲率半径取正值

24、，凹面的曲率半径取负值。所以，凸面的附加压力指向液体，凹面的附加压力指向气体，即附加压力总是指向球面的球心。一般式：Young-Laplace 特殊式的推导(1)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：p0 + ps 附加压力方向指向球心附加压力方向指向球心P0Young-Laplace特殊式的推导特殊式的推导2.对活塞稍加压力，将毛细管内液体压出少许，使液滴体积增加dV，相应地其表面积增加dA。克服附加压力ps，环境所作的功与可逆增加表面积的吉布斯自由能增加应该相等。代入得：扬扬- -拉普拉斯公式拉普拉斯公式讨论讨论：1.

25、 凸形液面 (r0） ps 0 , pi po ; 凹形液面 (r 0) ps 0 , pi po ； 平面 r = ps = 0 , pi = po Ps 总是指向曲面的球心2. 越大，R越小，则 ps 越大3. 由于液体或固体小颗粒的内部存在较大的附加压力，引起体系物理、化学性质的改变。 气泡的附加压力是否与液滴的附加压力相等？气泡的附加压力是否与液滴的附加压力相等？与扬扬- -拉普拉斯方程相关的有趣现象与拉普拉斯方程相关的有趣现象与应用应用1.1.毛细现象毛细现象2.2.“气蚀气蚀”现象现象3.3.“气塞气塞”现象现象 毛细现象毛细现象什么是毛细现象什么是毛细现象? ? 当把毛细管插入液

26、体中当把毛细管插入液体中, ,管中液面会管中液面会高于或高于或低于管外的平面，这种现象称为毛细现象。低于管外的平面，这种现象称为毛细现象。产生毛细现象的原因产生毛细现象的原因?毛细现象与哪些因素有关毛细现象与哪些因素有关? ?毛细现象有那些应用？毛细现象有那些应用？ 毛细上升现象毛细上升现象当把洁净的玻璃毛细管插入纯水中时,管内液面呈凹面并高于管外的水平面因为凹面B点处有向上的附加压力,使B点处压力比平面上小管内液面上升后又达成了新的平衡h高度的水柱压力就等于附加压力毛细管上升与下降现象毛细管上升与下降现象- 柱高度与附加压力关系柱高度与附加压力关系 将一支干净的毛细管将一支干净的毛细管插入液

27、体时，若液体能润插入液体时，若液体能润湿毛细管，则在表面张力湿毛细管，则在表面张力的作用下液体沿毛细管壁的作用下液体沿毛细管壁上升。上升高度与液体表上升。上升高度与液体表面张力有关。面张力有关。附加压力与毛细管中液面高度的关系1.曲率半径R与毛细管半径R的关系： R=R/cosq2.ps=2g/R=(rl-rg)gh如果曲面为球面，则R=R。因rlrg所以：ps=2g/R=rlgh一般式：2g cosq/R=Drgh（毛细管上升公式）有什么应用？2.“气蚀”现象 20世纪初世纪初,当第一批远洋巨轮制造成功当第一批远洋巨轮制造成功,下水试下水试航航12h后后,发现螺旋桨千疮百孔发现螺旋桨千疮百孔

28、,不能使用不能使用.原因原因:水中无数极细微小的小气泡造成水中无数极细微小的小气泡造成.通常将通常将小气泡对金属螺旋桨造成的损害称为小气泡对金属螺旋桨造成的损害称为“气蚀气蚀”。为什么为什么“小气泡小气泡”有这么大的危害？有这么大的危害？解决方法：在螺旋桨叶片表面上涂上二硫代碳解决方法：在螺旋桨叶片表面上涂上二硫代碳酸二乙酯钠，防止气泡产生。酸二乙酯钠，防止气泡产生。3.“气塞气塞”现象现象护士给病人注射各种针剂时，注射前一定要检查针筒中是否有小气泡，若有小气泡，必须除去。为什么？“高压氧舱”是脑疾病治疗与康复的方法，治疗结束后，要从高压向低压慢慢过渡，为什么？海底潜水员返回海面途中必须缓慢上

29、升，为什么？ 问题1：在滴管内的液体为什么必须给橡胶乳头加压时在滴管内的液体为什么必须给橡胶乳头加压时液体才能滴出？用同一滴管在同一条件下分别滴下同体积液体才能滴出？用同一滴管在同一条件下分别滴下同体积的三种液体：水、硫酸水溶液、丁醇水溶液，则它们的滴的三种液体：水、硫酸水溶液、丁醇水溶液，则它们的滴数是否一样多？数是否一样多？问题问题2：在装有部分液体的毛细管中，当一端加热时，在装有部分液体的毛细管中，当一端加热时，（如图（如图 所示）所示）(a) 润湿性液体向润湿性液体向 毛细管哪一端移动？毛细管哪一端移动？(b) 不润湿液体向哪一端移动？不润湿液体向哪一端移动？ 为什么？为什么？问题问题

30、3：12弯曲液面上的饱和蒸汽压弯曲液面上的饱和蒸汽压开尔文公式开尔文公式小液滴(T,pl)小液滴蒸汽压(T,pg)平面液体(T,Pl，0)正常蒸汽压(T,pg，0) 对小液滴与蒸汽的平衡，应有相同形式。设气体为理想气体弯曲表面上的蒸汽压弯曲表面上的蒸汽压开尔文公式开尔文公式这就是Kelvin公式，式中r为密度，M 为摩尔质量。对凹面，R取负值，R越小，小蒸汽泡中的蒸汽 压越低。越不易挥发。对凸面，R取正值，R越小，液滴的蒸汽压越高，越容易挥发。 弯曲表面上的蒸汽压弯曲表面上的蒸汽压开尔文公式开尔文公式 Kelvin公式也可以表示为两种不同曲率半径的液滴或蒸汽泡的蒸汽压之比，或两种不同大小颗粒的

31、饱和溶液浓度之比。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。弯曲表面上的蒸汽压弯曲表面上的蒸汽压开尔文公式的迁移开尔文公式的迁移例：在例：在 293K 时，当水银被分散成半径为时，当水银被分散成半径为 110 -7cm 的微小汞粒时的微小汞粒时其蒸气压为多少？其蒸气压为多少？ 这时气体中饱和水银蒸气含量以这时气体中饱和水银蒸气含量以 mgm -3计算计算有多少？（有多少？（ 已知已知 298K 时一般状态下水银蒸气压时一般状态下水银蒸气压为为 1.7310 -4 kPa、气体中饱和水银蒸气含量气体中饱和水银蒸气含量为为 14.3mgm -3，

32、水银表面张力为水银表面张力为 471.610-3Nm -1)。已知汞的密度为已知汞的密度为13.610 3kg.m-3解：解：(1) KeLVin 公式：公式： RTln(pr/p0)2M/r(l) ln(pr/p0)2M/RTr(l) 2471.610-3200.6 10-3/（8.314293110-913.610 3）5.711 pr/p0302.2 pr302.21.7310-4100052.28 Pa (2) pVWRT/M W pVM/RT52.281200.6/（8.314293） 4.313 g/m3 4313 mgm -3 (世界卫生组织规定，汞蒸气在世界卫生组织规定，汞蒸气

33、在1m3空气中最高允许含量为空气中最高允许含量为110-5g。)开尔文公式的应用开尔文公式的应用- -介稳状态和新相的生成介稳状态和新相的生成pTTt过热液体、过冷液体、过热液体、过冷液体、过饱和蒸汽过饱和蒸汽-介稳状态介稳状态过热液体过热液体-暴沸现象暴沸现象 100oC时，小气泡内pgp0+ps,不能沸腾。直到 T超过100oC，在一个更高的温度下，pg= p0+ps ,形成暴沸液气固过冷凹面。？凹面。？湖泊大海中的水湖泊大海中的水太阳照射、太阳照射、蒸发蒸发高空、冷空气GL小水珠小水珠大大雨滴雨滴小小蒸发蒸发空气中的尘埃空气中的尘埃凝聚中心凝聚中心雨落下雨落下人工降雨人工降雨干冰或干冰或

34、碘化银碘化银-结晶结晶中心中心高空喷洒高空喷洒增加增加水珠水珠半径半径形成雨滴形成雨滴过饱和溶液过饱和溶液开尔文公式的迁移应用开尔文公式的迁移应用微小晶体颗粒的饱和浓度大于普通晶体的饱和浓度；晶体颗粒越小，溶解度越大。当溶液在恒温下浓缩时，溶质的浓度逐渐增大，达到普通晶体的饱和度时，对微小晶体仍未达到饱和，所以不析出微小晶体。此时溶液为过饱和溶液溶液过饱和程度太大，会生成过于细小的晶体颗粒，不利于过滤和洗涤向溶液中投入小晶体，防止过饱和程度过高，并获得较大的晶体，这是晶体的”陈化”原理lnS(r)/S(0) = 2M(s-l)/RTr小颗粒具小颗粒具有更高的有更高的溶解度溶解度 问题1：在进行

35、蒸馏实验时要在蒸馏烧瓶中加些碎磁片或沸石在进行蒸馏实验时要在蒸馏烧瓶中加些碎磁片或沸石以防止暴沸其道理何在？为什么烧开水不用加沸石？以防止暴沸其道理何在？为什么烧开水不用加沸石？ 问题问题3：如果在一杯含有极微小蔗糖晶粒的蔗糖饱和溶液中，投如果在一杯含有极微小蔗糖晶粒的蔗糖饱和溶液中，投入一块较大的蔗糖晶体，在恒温密闭的条件下，放置一段时间，入一块较大的蔗糖晶体，在恒温密闭的条件下，放置一段时间，这时这杯溶液有什么变化？这时这杯溶液有什么变化？问题问题2：密闭的玻璃罩；里面有个大小不一的水珠你能下列问题作出对回答？你能下列问题作出对回答？天空为什么会下雨？人工降雨依据什么原理？向高空抛撒粉剂为

36、什么能人工降雨？为什么会产生液体过热现象？加入沸石为什么能消除过热现象？利用晶体的“陈化”，为什么可以得到大小趋于一致的结晶颗粒？ 许多看似简单、习以为常的东西实际上隐含着许许多看似简单、习以为常的东西实际上隐含着许多物理化学的原理多物理化学的原理 8.3 溶液的表面性质溶液的表面性质溶液的表面吸附溶液的表面吸附现象现象 固体表面分子因受力的不均匀而使固体具有表面自由能，因此可自发地吸附气体或液体分子以降低自身的表面能。同样，溶液表面也会对溶液中的溶质产生吸附，并影响溶液的表面性质。 溶液的表面张力与溶液表面层的组成有关。若加入的溶质力求浓集在溶液表面，使表面张力降低并使体系的表面自由能下降，

37、则溶质在表面层中的浓度会高于它在本体溶液中的浓度， 反之，当加入的溶质使表面张力升高时，它在表面层中的浓度将低于它在本体中的浓度。 溶质在溶液表面层中的浓度与在溶液本体中浓度不同的现溶质在溶液表面层中的浓度与在溶液本体中浓度不同的现象，称为溶液的表面吸附。象，称为溶液的表面吸附。 溶液的表面张力与溶质浓度之间的关系与溶剂、溶质的种类有关。当纯水中加入溶质,溶液的表面张力会发生变化,几种类型如图所示(1)(3)(1) (1) 非表面活性物质非表面活性物质 加入后,能使水的表面张力明显升高,如曲线(1)所示. 无机盐和不挥发的酸、碱等属于这一类。(2)泉水或井水因为含矿物质多，故表面张力大 。溶液

38、的表面张力与溶质浓度的关系溶液的表面张力与溶质浓度的关系 (1)(3)(2)(2) (2) 表面活性物质表面活性物质 加入后,能使水的表面张力降低,如曲线(2)所示. 如碳链较短的脂肪酸、醇、酮、醛、胺等有机化合物。 溶液的表面张力与溶质浓度的关系溶液的表面张力与溶质浓度的关系 (3) (3) 表面活性剂表面活性剂 加入少量后,能使水的表面张力显著降低 碳氢链中含有8个碳以上的有机酸的各种盐都属于表面活性剂。 (1)(3)(2)溶液的表面张力与溶质浓度的关系溶液的表面张力与溶质浓度的关系 溶入后能使溶液的表面张力显著降低，并且在表面层发生正吸附的物质称为表面活性物质表面活性物质，或称表，或称表

39、面活性剂。面活性剂。 溶入后将使溶液的表面张力有所增加，并且在表面层发生负吸附的物质，称为非表面活性物质非表面活性物质。 上述体系中，溶质在溶液中的分布是不均匀的。若表面层的浓度和本体的浓度不同，即发生了吸附作用。 把溶质在表面层的浓度大于本体浓度的称为正吸附正吸附，反之，溶质在表面层浓度比本体浓度小的称为负吸附负吸附。表面活性剂表面活性剂 表面活性剂的分子中都含有一个亲水基团和一个疏水（亲油）基团，这种分子称为两亲分子。 当表面活性剂溶于水中后，亲水基团趋向于进入水中，而疏水的碳氢链企图逃离水面，所以在浓度不太大时一般都定向排列在水面上。 还有一类物质虽然不一定能降低水的表面张力，但是能明显

40、改变两种物质的界面性质，如润湿剂、乳化剂、破乳剂、起泡剂和洗涤剂等也都称为表面活性剂。 Gibbs 吸附等温式 Gibbs用热力学方法，求得在定温下溶液浓度、表面张力与吸附量之间的定量关系的微分方程，称为Gibbs吸附等温式。即或分别是溶质B的活度和浓度是溶质B的表面超额（或表面超量、表面过剩） Gibbs 吸附等温式表面超额的物理意义： 在单位面积的表面层中，所含溶质的物质的量与具有相同数量溶剂的本体溶液中所含溶质的物质的量之差值。表面超额的单位： 表面超额的值可以是正值，即表面浓度大于本体浓度。加入表面活性剂时是如此。 表面超额的值可以是负值，即表面浓度小于本体浓度。加入非表面活性剂时是如

41、此。如何理解？Gibbs吸附等温式（1） 增加溶质B的浓度使表面张力下降，表面超额为正值，是正吸附。表面层中溶质浓度大于本体浓度。表面活性物质属于这种情况。（2） 增加溶质B的浓度使表面张力上升，表面超额为负值，是负吸附。表面层中溶质浓度小于本体浓度。非表面活性物质属于这种情况。 表面活性剂分子在界面上的定向排列表面活性剂分子是两亲分子,具有亲水和亲油基团亲水基团进入水中,亲油基团朝向空气表面活性剂分子在溶液表面定向排列溶液表面溶液表面碳氢链碳氢链 表面活性剂分子在界面上的定向排列表面超额是正值表面超额随浓度增加而递增如曲线前半段所示当表面吸附达饱和,表面超额为极大值如曲线后半段所示称为饱和吸

42、附量实验测定饱和吸附量,可计算活性剂分子的截面积表面超额的单位：如何通过实验求取表面超量 如何从实验中获得饱和吸附量？如何从实验中获得饱和吸附量？ Tangent(切线切线) method 求取求取 通过实验，测出不同浓度下溶液的值，作c 关系曲线，在指定浓度求切线的斜率cB B 表面活性剂的结构与分类表面活性剂的分类 表面活性剂通常采用按化学结构来分类，分为离子型和非离子型两大类 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。 离子型中又可分为阳离子型、阴离子型和两性型表面活性剂。 表面活性剂的分类表面活性剂的分类1.离子型2.非离子型阳离子型阴离子型两性型表

43、面活性剂 表面活性剂的分类阴离子型阳离子型两性型 CH3 |R-N+-CH2COONa | CH3 CH3 |R-N+-CH2COO- +Na + | CH3 （1） 胶束和临界胶束浓度 表面活性剂分子是两亲分子。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。 表面活性剂的基本性质 胶束和临界胶束浓度临界胶束浓度 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

44、束。这种开始形成胶束的最低浓度称为临界胶束浓度 这时溶液性质与理想性质发生偏离，继续增加活性剂浓度，表面张力不再降低，而胶束不断增多、增大。简称 CMC 胶束和临界胶束浓度活性剂浓度低于活性剂浓度低于CMC小型胶束活性剂浓度等于活性剂浓度等于CMC层状胶束 活性剂浓度大于活性剂浓度大于CMC 胶束和临界胶束浓度 在临界胶束浓度前后，不仅表面张力有显著变化，其他许多物理性质如电导率、渗透压、去污能力等也产生很大的变化(见图8-13)。由图可见，要充分发挥表面活性物质的作用，必须使其浓度稍大于临界胶束浓度。 在胶束缔合状态下的表面活性剂溶液处于高度有序的单晶和无序的液态之间的介晶相，即液晶态。 近

45、年来利用表面活性剂液晶作为微孔或介孔材料的合成模版或纳米材料阵列的合成介质； 或利用表面活性剂液晶模拟生物组织中的信息能量传递及物质输运，使表面活性剂液晶被应用于生物化学、仿生学及其材料合成领域。 （2）亲水亲油平衡 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HLB值 =亲水基质量亲水基质量 + 憎水基质量100/5对非离子型的表面活性剂，HLB的计算公式为： Griffin提出了用一个相对的值即HLB值来表示表面活性物质的亲水性 表面活性剂的基本性质例如：石蜡无亲水基，所以 HLB = 0 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

46、介于0-20之间。 亲水亲油平衡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2-6之间，作油包水型的乳化剂；8-10之间作润湿剂；12-18之间作为水包油型乳化剂。餐具洗涤剂配方（表面活性剂应用例子）餐具洗涤剂配方（表面活性剂应用例子）脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠（阴离子）（脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠（阴离子）（15%15%） 洗涤剂、发泡剂，硬水中稳定，溶液中呈中性或微碱性脂肪醇聚氧乙烯醚脂肪醇聚氧乙烯醚 （非离子）（非离子） （5%5%） 润湿、乳化效果好，耐硬水、

47、可低温洗涤烷基醇酰胺烷基醇酰胺 （非离子）（非离子） （5%5%） 发泡、稳泡、增稠、增溶苯甲酸钠苯甲酸钠 杀菌剂 （2%2%） 乙醇乙醇 溶剂 （3%3%）色料、水色料、水 表面活性剂的作用 表面活性剂的用途极广，主要有五个方面：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，要农药润湿带蜡质物的植物表面，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。 表面活性剂的作用 表面活性剂的用途极广，主要有五个方面：1.润湿作用 日常生活中许多现象与应用与润湿作用有关。塑料雨衣遇水不湿，而脱脂棉、毛巾很容易被

48、水浸湿，这是常见的液-固界面现象。 如果液体能自发附在固体表面上，或能在其上面铺展开，即称之为润湿过程。液体对固体的润湿程度，通常可用接触角的大小来表示T-Young公式公式,也称为润湿方程也称为润湿方程SL平衡时润湿方程润湿方程（Young equation）:接触角接触角s-g s-l , cos 90o, 不能润湿s-gs-l (s-g-s-l)l-g, ,00(g g1,g+g g1,2)，则液体，则液体1能在液体能在液体2上铺上铺展。展。可见可见: (1) (2.g)(1.g) + (1.2) 液体液体1可以在液体可以在液体2上铺展上铺展 (2)液体液体2是水是水,则则(2.g)很大

49、，在这种界面上有机液体很大，在这种界面上有机液体1都可以铺展都可以铺展 (3)S = (2.3)(1.3) + (1.2)；S0, 液体铺展液体铺展 S称为铺展系数称为铺展系数液体的铺展液体的铺展 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。12g1,gg1,2g2,g当两亲分子的疏水基达到一定的程度，其在水中的溶解可被忽略，而通过铺展在水面上形成的单分子层，称为不溶性单分子膜。表面膜的形成表面膜的形成1765年，Franklin的实验 液面上的铺展和不溶性单分子膜液面上的铺展和不溶性单分子膜 不溶性单分子膜 微溶或难溶物

50、质在液体表面自动扩展,形成一个分子厚度的膜,称为不溶性单分子膜不溶性单分子膜的应用覆盖在湖泊、水库表面，可减缓水分蒸发覆盖在沙漠表面，可起到抗旱保苗的作用将单分子膜进行各种叠加，制备不同的L-B膜例例: :直链高级脂肪酸、脂肪醇在水面上展开形成单分子膜，直链高级脂肪酸、脂肪醇在水面上展开形成单分子膜，能抑制水分蒸发，降低应蒸发而损失的热量，使水温升高。能抑制水分蒸发，降低应蒸发而损失的热量，使水温升高。例二十烷醇、例二十烷醇、-羟己基二十二烷基醚等。羟己基二十二烷基醚等。液体铺展单分子膜的应用分子结构的测定成膜物分子量的测定抑制液体的蒸发研究界面化学反应直链高级脂肪酸、脂肪醇（二直链高级脂肪酸

51、、脂肪醇（二十烷醇、十烷醇、-羟己基二十二烷基羟己基二十二烷基醚）等。在水面上展开形成单醚）等。在水面上展开形成单分子膜，分子膜，30g十六醇可覆盖十六醇可覆盖105m2，减，减少少40%水的蒸发量，减少因水的蒸发量，减少因蒸发而损失的热量；使水温蒸发而损失的热量；使水温升高升高/利于作物生长利于作物生长如何抑制水的蒸发？ 沙漠等缺水地带，水的蒸发散失使严重问题；修建水库解决问题方法之一。但在干旱和高气温的情况下，水的蒸发散失仍是急待解决的问题将成膜分子溶入一种能在水面展开的溶剂中，然后使其在水面将成膜分子溶入一种能在水面展开的溶剂中，然后使其在水面展开，待溶剂挥发后在水面流下一层膜；但展开，待溶剂挥发后在水面流下一层膜；但（1）水库中溶剂消耗量大，需研究新成膜方法（）水库中溶剂消耗量大，需研究新成膜方法（2）膜展开后，）膜展开后，影响氧气的输送则会危害鱼类等水产物的生命影响氧气的输送则会危害鱼类等水产物的生命寻找低毒、不影响氧气输送、又易于成膜的物质和方法作业：复习与预习课程