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1、胶体与界面化学Colloid&InterfaceChemistry卢惠娟卢惠娟DepartmentofChemicalEngineeringWuhanTextileUniversity1全面分析第一章第一章 绪论绪论什么是胶体？什么是胶体？实验：将一把泥土放入水中一杯泥土一杯泥土泥沙泥沙+浑浊的小土粒浑浊的小土粒（底部）（底部）土中的盐类土中的盐类形成真溶液形成真溶液既不下沉、也不溶解的既不下沉、也不溶解的极为微小的土壤颗粒极为微小的土壤颗粒称为胶体颗粒；含胶体称为胶体颗粒；含胶体颗粒的体系称为胶体颗粒的体系称为胶体体系体系可见：胶体是一个具可见：胶体是一个具有巨大相有巨大相界面的分散体系界面
2、的分散体系2全面分析胶体的定义胶体的定义1100nm100nm胶体体系胶体体系粗分散体系粗分散体系真溶液真溶液直径为直径为10nm的球形质点，当质点总体积为的球形质点，当质点总体积为1cm3时，其面积为时，其面积为 600m21861年，英国科学家年，英国科学家ThomasGraham提出胶体提出胶体（colloid）概念）概念扩散慢；不能透过半透膜扩散慢；不能透过半透膜3全面分析液溶胶液溶胶：分散介质为液体分散介质为液体灭火泡沫（灭火泡沫（GL）；）；墨水（墨水（SL）固溶胶固溶胶：分散介质为固体：分散介质为固体泡沫塑料（泡沫塑料（GS）；珍珠（）；珍珠（LS）；有色玻）；有色玻璃（璃（SS
3、）气溶胶气溶胶：分散介质为气体：分散介质为气体雾（雾（LG）；烟尘（烟尘（SG）胶体的分类胶体的分类4全面分析胶体化学研究的三个领域胶体化学研究的三个领域大分子溶液大分子溶液（亲液溶胶）（亲液溶胶）缔合胶体缔合胶体（表面活性剂胶束溶液）（表面活性剂胶束溶液）溶胶溶胶（憎液溶胶）（憎液溶胶）大分子溶液，大分子溶液，如橡胶分散如橡胶分散在甲苯溶液在甲苯溶液中中金溶胶、金溶胶、As2S3溶胶溶胶乳状液、泡沫、悬浮液等乳状液、泡沫、悬浮液等和粗分散体系和粗分散体系（热力学（热力学稳定体系）稳定体系）（热力学不（热力学不稳定体系）稳定体系）5全面分析胶体化学的发展简史胶体化学的发展简史祖先制造陶器、汉朝
4、利用纤维造纸、后汉发明墨水、祖先制造陶器、汉朝利用纤维造纸、后汉发明墨水、豆腐制作等等豆腐制作等等古埃及利用木材浸水膨胀来破裂山岩古埃及利用木材浸水膨胀来破裂山岩1777年瑞典化学家做木炭吸附气体的实验年瑞典化学家做木炭吸附气体的实验1809年俄国化学家发现土粒的电泳现象年俄国化学家发现土粒的电泳现象1829年英国植物学家年英国植物学家BROWN观察花粉的布朗运动观察花粉的布朗运动6全面分析胶体化学的发展简史胶体化学的发展简史1861年胶体化学作为一门学科，创始人年胶体化学作为一门学科，创始人英国科学家英国科学家ThomasGraham1907年年第一本胶体化学专门刊物第一本胶体化学专门刊物胶
5、胶体化学和工业杂志体化学和工业杂志创刊；（胶体化学真创刊；（胶体化学真正作为一门独立学科）正作为一门独立学科）7全面分析胶体化学的研究对象和意义胶体化学的研究对象和意义为什么自然界中液滴、气泡总是圆形的？为什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？么气泡比液滴更容易破裂？思考：与胶体界面现象相关的几个问题思考：与胶体界面现象相关的几个问题毛细现象为什么会产生？毛细现象为什么会产生？人工降雨依据什么原理？人工降雨依据什么原理？为什么会产生液体过热现象？加入沸石为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？什么能消除过热现象？8全面分析水在玻璃上能铺展，水银在玻
6、璃上却形成液滴水在玻璃上能铺展，水银在玻璃上却形成液滴,为什么？为什么？活性碳为什么可以做防毒面具？冰箱除臭剂？活性碳为什么可以做防毒面具？冰箱除臭剂？在参观面粉厂时在参观面粉厂时,不能穿带铁钉的鞋，为什么？不能穿带铁钉的鞋，为什么？土壤为什么能将水份保存起来土壤为什么能将水份保存起来?9全面分析如何抑制沙漠地带水的蒸发如何抑制沙漠地带水的蒸发?洗衣粉为什么有去污作用洗衣粉为什么有去污作用?明矾为什么能净水明矾为什么能净水?江河出口处为什么形成三角洲江河出口处为什么形成三角洲?怎样除烟去尘怎样除烟去尘?10全面分析 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分析化学中的吸附指示剂
7、、色谱等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、膜现象生物化学和分子生物学中的电泳、膜现象化学制造中的催化剂、洗涤剂、润滑剂、化学制造中的催化剂、洗涤剂、润滑剂、粘合剂、农药粘合剂、农药环境科学中的气溶胶、泡沫、污水处理、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、涂料等材料科学中陶瓷制品、水泥、涂料等日用品中的牛奶、豆浆等日用品中的牛奶、豆浆等石油工业中的油品回收、乳化石油工业中的油品回收、乳化11全面分析现代胶体科学的研究内容分散体系分散体系分散体系的形成与稳定分散体系的形成与稳定
8、光学性能、流变性能光学性能、流变性能智能流体、电磁流变体智能流体、电磁流变体界面现象界面现象润湿、吸附、界面润湿、吸附、界面电现象、界面双电层电现象、界面双电层结构结构有序组合体有序组合体纳米材料纳米材料生物膜、仿生膜、溶液中的有序分生物膜、仿生膜、溶液中的有序分子组合体子组合体12全面分析1.利用近代物理或化学理论解决胶体与表面化学中的利用近代物理或化学理论解决胶体与表面化学中的基本理论等问题基本理论等问题;量子化学研究吸附与催化量子化学研究吸附与催化;分形理论分形理论研究胶粒形貌等研究胶粒形貌等2.现代精密仪器和方法的应用现代精密仪器和方法的应用:力学显微镜研究胶粒间的力力学显微镜研究胶粒
9、间的力及表面上分子原子的形态及表面上分子原子的形态;能谱仪研究分子间的相互作用能谱仪研究分子间的相互作用.3.胶体与界面化学的方法用于医学、生理、环境、土壤、胶体与界面化学的方法用于医学、生理、环境、土壤、大气、海洋湖泊等学科大气、海洋湖泊等学科（1）新产品开发：组装分子器件、超细材料）新产品开发：组装分子器件、超细材料（2）老产品的升级换代：洗涤剂、化妆品、颜料、）老产品的升级换代：洗涤剂、化妆品、颜料、复印碳粉等复印碳粉等（3）旧工艺更新：单分散固态胶粒的制造与收集、）旧工艺更新：单分散固态胶粒的制造与收集、采油工艺等采油工艺等近代表面化学的发展近代表面化学的发展13全面分析中国胶体与界面
10、化学的发展中国胶体与界面化学的发展1954年年傅鹰院士（北京大学）傅鹰院士（北京大学）中国胶体化学的奠基人之一中国胶体化学的奠基人之一1955年年戴安邦院士（南京大学）戴安邦院士（南京大学）中国有了第一批胶体化学毕业生中国有了第一批胶体化学毕业生20世纪世纪90年代以前，只有北京大学、南京年代以前，只有北京大学、南京大学、山东大学、华东师范大学有胶体一大学、山东大学、华东师范大学有胶体一界面化学的研究机构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年在北京大学召开全国第一届胶体与界面化学会议，界面化学会议，2002年在山东大学召开第年在山东大学召开第九届全国会议。九届全国会议。1
11、4全面分析第二章第二章 胶体的制备和性质胶体的制备和性质1100nm离子、分子离子、分子凝聚凝聚（有新相生成）（有新相生成）粗粒子粗粒子分散分散（比表面增加）（比表面增加）一一.胶体制备的一般条件胶体制备的一般条件1.分散相在介质中的溶解度必须极小分散相在介质中的溶解度必须极小2.必须有稳定剂存在必须有稳定剂存在15全面分析二二.胶体的制备方法：胶体的制备方法：1.分散法分散法机械分散机械分散电分散电分散超声波分散超声波分散胶溶法胶溶法Fe(OH)3Fe(OH)3（溶胶）AgClAgCl（溶胶）加FeCl3加AgNO3或KCl16全面分析2.凝聚法凝聚法(1)化学凝聚法化学凝聚法2HAuCl4
12、(稀溶液稀溶液)+3HCHO（少量）（少量）+11KOH2Au（溶胶）（溶胶）+3HCOOK+8KCl+8H2O(2)物理凝聚法物理凝聚法（蒸汽骤冷法，更换溶剂法等）（蒸汽骤冷法，更换溶剂法等）煮沸FeCl3+H2OFe(OH)3（溶胶）（溶胶）+3HCl17全面分析凝聚法原理凝聚法原理由溶液中析出胶粒由溶液中析出胶粒形成晶核形成晶核（nucleation）晶体成长晶体成长t为时间，为时间，n为产生晶核的数目，为产生晶核的数目，c为析出物质的为析出物质的浓度，浓度，S为溶解度为溶解度晶核形成速度：晶核形成速度：18全面分析晶体生长速度：晶体生长速度：D为溶质分子的扩散系数，为溶质分子的扩散系数
13、，K2为另一比例常数为另一比例常数粒子的分散度与粒子的分散度与V1成正比，成正比，V2成反比，亦即成反比，亦即与与V1/V2之比值成正比。之比值成正比。19全面分析BaSO4颗粒大小与反应物浓度的关系颗粒大小与反应物浓度的关系Ba(CNS)2+MgSO4BaSO410-510-4mol/L10-210-1mol/L23mol/L20全面分析过饱和度对晶粒大小的影响过饱和度对晶粒大小的影响21全面分析溶胶的净化溶胶的净化1.渗析法（渗析法（dialysis）22全面分析电渗析电渗析electrodialysis23全面分析2.超过滤法（超过滤法（ultrafiltration）3.渗透与反渗透（
14、渗透与反渗透（osmosisandreverseosmosis）24全面分析单分散溶胶单分散溶胶（monodispersedsol）稳定性研究稳定性研究流变学研究流变学研究标准颗粒标准颗粒生物膜研究生物膜研究单单分分散散溶溶胶胶光散射研究光散射研究单分散胶体用作涂布剂、催化剂、气化剂、感光单分散胶体用作涂布剂、催化剂、气化剂、感光材料、电子材料、颜料等方面，在性能上皆优于材料、电子材料、颜料等方面，在性能上皆优于多分散胶体。多分散胶体。25全面分析单分散溶胶的形成机理单分散溶胶的形成机理成核扩散控制模型成核扩散控制模型26全面分析单分散溶胶的制备方法单分散溶胶的制备方法（1）金属盐水溶液高温水
15、解法）金属盐水溶液高温水解法KCr(SO4)2Cr(OH)3（2）金属络合物高温水解法）金属络合物高温水解法Rh大粒子大粒子PVARhCl3（粒径（粒径0.8nm）甲醇甲醇Rh小粒子小粒子形成络合物形成络合物Rh3+-PVA还原作用还原作用（Rh原子）原子）晶体生长晶体生长（粒径（粒径4nm）27全面分析（3）微乳液法）微乳液法=H2O/表面活性表面活性剂水池半径水池半径R0ACd(ClO4)2210-4mol/LBNa2S或或(NH4)2S110-4mol/L28全面分析（4）溶胶）溶胶-凝胶转变法凝胶转变法其他方法：氧化其他方法：氧化-还原反应法、不良溶剂沉淀法、离子直接反应还原反应法、不
16、良溶剂沉淀法、离子直接反应法法FeSO4+KOHFe(OH)2KNO3Fe3O429全面分析超细颗粒超细颗粒（ultrafineparticle）超细颗粒的特性：超细颗粒的特性：（1）比表面积大）比表面积大（2）易形成团聚体）易形成团聚体（3）熔点低）熔点低（4）磁性强）磁性强（5）光吸收强）光吸收强（6）热导性能好）热导性能好什么叫超细颗粒？什么叫超细颗粒？30全面分析超细颗粒的应用超细颗粒的应用（1）化学工业）化学工业（2）电子工业）电子工业（3）医药工业）医药工业（4）机械工业）机械工业31全面分析超细颗粒的制备超细颗粒的制备物理方法物理方法:（1）气相沉积法）气相沉积法（PVD）（2）
17、机械粉碎法）机械粉碎法化学方法：化学方法：（1）化学气相沉积法（）化学气相沉积法（CVD）（2）沉淀）沉淀法法（3）限制化学环境法）限制化学环境法（4）溶胶）溶胶-凝胶法凝胶法（5）溶剂蒸发）溶剂蒸发法法32全面分析纳米材料纳米材料在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围内的在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围内的材料，即纳米材料（材料，即纳米材料（1100nm）纳米材料的分类纳米材料的分类（1）纳米颗粒（或纳米粉体），零维纳米材）纳米颗粒（或纳米粉体），零维纳米材料料（2）纳米纤维，如纳米线、纳米管，一维纳米材料）纳米纤维，如纳米线、纳米管，一维纳米材料（3）纳米薄膜，二维纳米材料）纳米薄膜
18、，二维纳米材料（4）纳米块体）纳米块体33全面分析阅读并思考：阅读并思考：1.纳米粒子的结构特征纳米粒子的结构特征3.纳米陶瓷的特点和性纳米陶瓷的特点和性能能2.纳米复合材料的类纳米复合材料的类型型4.纳米二氧化钛的性能和用纳米二氧化钛的性能和用途途5.纳米材料的污染性和危纳米材料的污染性和危害害34全面分析溶胶的运动性质溶胶的运动性质一一.扩扩散散Fick第一扩散定第一扩散定律律D为扩散系数为扩散系数（diffusioncoefficient）35全面分析f为质点在介质中运动时阻力系为质点在介质中运动时阻力系数（数（fritionalcoefficient）若颗粒为球形，根据若颗粒为球形，根
19、据Stokes定律：定律：Einstein第一扩散公式第一扩散公式为介质粘度，为介质粘度，r为质点半径为质点半径36全面分析研究扩散过程有何应用？研究扩散过程有何应用？（1）计算球形胶粒的半径。有了）计算球形胶粒的半径。有了D，可根据下式，可根据下式计算胶粒的流体力学半径计算胶粒的流体力学半径r（2）计算非球形胶粒的轴比值，判断其形状）计算非球形胶粒的轴比值，判断其形状（3）估算最大溶剂化量）估算最大溶剂化量37全面分析布朗运动布朗运动布朗运动的起布朗运动的起因？因？Einstein布朗运动公式布朗运动公式Einstein布朗运动公式的意布朗运动公式的意义？义？Einstein第二扩散公式第二
20、扩散公式38全面分析沉降沉降（sedimentation）沉降平衡沉降平衡39全面分析大气压随高度的分布：大气压随高度的分布：胶粒浓度随高度的变化：胶粒浓度随高度的变化：40全面分析重力作用下的沉降重力作用下的沉降沉降速度（沉降速度（sedimentationvelocity）介质中粒子介质中粒子所受的重力所受的重力阻力阻力沉降公式沉降公式41全面分析设微粒半径为设微粒半径为10-3cm，粒子密度，粒子密度为为10g/cm3，介，介质水的密度为质水的密度为1g/cm3，水的黏度为，水的黏度为1.15mPas，试，试计算沉降速度计算沉降速度v42全面分析沉降分析沉降分析称重法称重法对多分散体系，
21、求出其中某一定大小粒子所占质量对多分散体系，求出其中某一定大小粒子所占质量分数，即粒度分布，称为沉降分析分数，即粒度分布，称为沉降分析43全面分析粒子大小分布曲线粒子大小分布曲线44全面分析离心场中的沉降离心场中的沉降离心力场中沉降公式仍可应用，但需用离心加速度离心力场中沉降公式仍可应用，但需用离心加速度2x代替重力加速度代替重力加速度g，同，同时速度速度v也需改成也需改成dx/dt45全面分析x1和和x2为离心时间为离心时间t1、t2时界面和旋时界面和旋转轴间的距离转轴间的距离46全面分析沉降平衡法沉降平衡法沉降速度法沉降速度法47全面分析溶胶的光学性质溶胶的光学性质丁达尔效应（丁达尔效应（
22、Tyndalleffect）Rayleigh散射定律散射定律48全面分析（1）散射光强度与入射光波长的）散射光强度与入射光波长的4次方成反比，次方成反比，波长越短的光越易被散射。波长越短的光越易被散射。（2）散射光强度与单位体积中的质点数）散射光强度与单位体积中的质点数c成正比。成正比。（3）散射光强度与粒子体积的平方成正比。）散射光强度与粒子体积的平方成正比。（4）粒子的折射率与周围介质的折射率相差越大，）粒子的折射率与周围介质的折射率相差越大，粒子的散射光越强。粒子的散射光越强。49全面分析为为方向的散射光强度；方向的散射光强度；为观察者与入射光方向的夹角；为观察者与入射光方向的夹角；R为
23、观察者距样品的距离为观察者距样品的距离散射光强度在与入射方向垂直的方向上最小，与入射散射光强度在与入射方向垂直的方向上最小，与入射方向越接近，散射光强度越大。方向越接近，散射光强度越大。50全面分析溶胶的颜色溶胶的颜色物质的颜色与光的关系物质的颜色与光的关系物质的颜色与光的关系物质的颜色与光的关系完全吸收完全吸收完全吸收完全吸收完全透过完全透过完全透过完全透过吸收黄色光吸收黄色光吸收黄色光吸收黄色光光谱示意光谱示意光谱示意光谱示意表观现象示意表观现象示意表观现象示意表观现象示意复合光复合光复合光复合光51全面分析溶胶的颜色溶胶的颜色对于溶胶体系，对于溶胶体系，Beer定律改写为定律改写为:E为
24、吸收系数，为吸收系数，A为散射系数（是粒子半径的函数）为散射系数（是粒子半径的函数）以金溶胶为例：以金溶胶为例：52全面分析三种大小不同粒子的金溶胶的消光系数与波长的关系三种大小不同粒子的金溶胶的消光系数与波长的关系绿光绿光黄光黄光红光红光53全面分析为入射光波长，为入射光波长，n为介质的折射率，为介质的折射率，为孔径角为孔径角（一般估算中按（一般估算中按90计算）计算）超显微镜及其对粒子大小和形状的测超显微镜及其对粒子大小和形状的测定定普通显微镜的分辨率普通显微镜的分辨率A在空气中（在空气中（n=1）在水中（在水中（n=1.333）54全面分析在油中（在油中（n=1.575）使用波长为使用波
25、长为350nm的紫外光：的紫外光：55全面分析超显微镜超显微镜（ultramicroscope）超显微镜工作的原理超显微镜工作的原理超显微镜的作用超显微镜的作用:可计算粒子的平均大小并推断出胶粒的形状可计算粒子的平均大小并推断出胶粒的形状每毫升溶胶中胶粒的总质量每毫升溶胶中胶粒的总质量m与每毫升溶胶中胶粒与每毫升溶胶中胶粒的个数的个数n，胶粒密度，胶粒密度，及胶粒体积，及胶粒体积V V之间的关系：之间的关系：若胶粒是球形，其半径为若胶粒是球形，其半径为r，则：，则：56全面分析胶粒的总质量胶粒的总质量m通过定量分析求得，故可求出通过定量分析求得，故可求出粒子的半径粒子的半径根据上式，进一步求出
26、胶体粒子的根据上式，进一步求出胶体粒子的“粒子质量粒子质量”M57全面分析溶胶的电学性质溶胶的电学性质什么是电泳？（什么是电泳？（electrophoresis）什么是电渗析？（什么是电渗析？（electroosmosis）什么是沉降电位？（什么是沉降电位？（sedimentationpotential）什么是流动电位？（什么是流动电位？（streamingpotential）电动现象（电动现象（electrokineticphenomena）：）：58全面分析电动现象电动现象（1）电泳（）电泳（electrophoresis）在外加电场作用下，胶体粒子在外加电场作用下，胶体粒子在分散介质中定
27、向移动的现象在分散介质中定向移动的现象称为称为电泳电泳（2）电渗析（）电渗析（electroosmosis）在外加电场作用下，分散介质在外加电场作用下，分散介质的定向移动现象称为电的定向移动现象称为电渗析渗析在外加电场作用下，分散相和分散介质的相对移动在外加电场作用下，分散相和分散介质的相对移动现象统称为现象统称为电动现象电动现象59全面分析沉降电位沉降电位图图60全面分析流动电位流动电位电泳及电渗的应用，电泳及电渗的应用，“静电除尘静电除尘”61全面分析胶粒荷电的原因胶粒荷电的原因（1）电离）电离SiO2溶胶表面水解溶胶表面水解SiO2H2OH2SiO3若溶液显酸性若溶液显酸性H2SiO3H
28、SiO2+OH-OH进入溶液，而使胶粒带正电进入溶液，而使胶粒带正电若溶液显碱性若溶液显碱性H2SiO3HSiO3+HH进入溶液，而使胶粒带负电进入溶液，而使胶粒带负电62全面分析（2）离子吸附）离子吸附由于胶粒颗粒度小由于胶粒颗粒度小,具有巨大的表面能具有巨大的表面能,因此有吸因此有吸附分散介质中的离子附分散介质中的离子,以降低其表面能的趋势。以降低其表面能的趋势。FajansRule具有与胶粒化学组成相同的离子优先被吸附。具有与胶粒化学组成相同的离子优先被吸附。例：例：AgNO3+KIAgI+KNO3若若AgNO3过量，则过量，则AgI胶粒吸附胶粒吸附Ag而带正电而带正电若若KI过量，则过
29、量，则AgI胶粒吸附胶粒吸附I而带负电。而带负电。63全面分析（3）晶格取代）晶格取代（4）非水介质中质点荷电的原因）非水介质中质点荷电的原因如黏土晶格中的如黏土晶格中的Al3+往往有一部分被往往有一部分被Mg2+或或Ca2+取取代，从而使黏土晶格带负电。代，从而使黏土晶格带负电。64全面分析胶团结构胶团结构K+K+(AgI)mI-I-I-I-I-I-I-I-K+K+K+K+K+K+K+KI过量(AgI)mnI-,(n-x)K+x-xK+胶核胶核胶粒胶粒胶团胶团AgNO3+KIAgI+KNO3吸附层吸附层扩散层扩散层65全面分析双电层结构模型双电层结构模型1.Helmholtz模型模型 （平板
30、电容器理论）（平板电容器理论）+_表面电表面电荷密度荷密度表面表面电位电位两层两层间距间距介电常数介电常数不能解释电动现象不能解释电动现象不代表实验事实不代表实验事实66全面分析GouyChapman 扩散双电层模型扩散双电层模型+_电势电位也称位也称电动电位位能解释电动现象，区分热力学能解释电动现象，区分热力学电位和电位和电位；不能解释为什么电位；不能解释为什么电位可以变号，甚至高于表面电位可以变号，甚至高于表面电位电位67全面分析Stern扩散双电层模型扩散双电层模型68全面分析69全面分析电位电位： 胶粒表面滑移界面处与溶液内部电位之差。胶粒表面滑移界面处与溶液内部电位之差。胶粒表面热力
31、学电位胶粒表面热力学电位和电动电位（和电动电位（电位）电位）的区别：的区别：发生在不同的部位；发生在不同的部位；大小不同，一般情况下大小不同，一般情况下电位只是热力学电位只是热力学电位的一部分，其绝对值小于电位的一部分，其绝对值小于。70全面分析只取决于被吸附的离子和溶胶中的反号只取决于被吸附的离子和溶胶中的反号离子的活度离子的活度,而而电势的值还与溶胶中外加电势的值还与溶胶中外加电解质有关。电解质有关。当溶胶中有外加电解质存在时，可使紧密当溶胶中有外加电解质存在时，可使紧密层中反粒子浓度增加，扩散层变薄，层中反粒子浓度增加，扩散层变薄，电电势的绝对值减小，甚至变为零或相反的值。势的绝对值减小
32、，甚至变为零或相反的值。71全面分析电位的计算电位的计算为介介质粘度粘度为胶粒泳胶粒泳动速度速度D为介质的介电常数为介质的介电常数E为电场强度为电场强度1.由电泳速度数据计算由电泳速度数据计算电位电位非球形颗粒：非球形颗粒：72全面分析在Sb2O3溶胶（设为棒形粒子）的电泳试验中，两电极间的距离为0.385m，电压为182V，通电40min后溶胶界面向正极移动0.032m。已知该溶胶的黏度为1.0310-3Pas，介质的介电常数D为9.0310-9Fm-1(1F=1CV-1),试计算电位。73全面分析2.由电渗速度数据计算由电渗速度数据计算电位位V为一定一定时间流流过毛毛细管液体的体管液体的体
33、积，I为电流，流，K为液体的液体的电导率率74全面分析胶体的稳定性胶体的稳定性溶胶稳定性理论溶胶稳定性理论-DLVO理论理论a.胶粒间存在相互吸引的作用力，其本质为范德华胶粒间存在相互吸引的作用力，其本质为范德华力力Hamaker常数常数球半径球半径对于大小对于大小相同的两相同的两个球形粒个球形粒子：子：对于两个彼此对于两个彼此平行的平板粒平行的平板粒子子两极间的距离两极间的距离75全面分析Hamaker常数常数A是物质的特性参数，具有能量单位是物质的特性参数，具有能量单位10-20J对于分散在介质中对于分散在介质中的粒子，的粒子，A必须用有必须用有效的常数代替效的常数代替粒子粒子介质介质10
34、-21J介质的存在使粒子间吸引力减弱介质的存在使粒子间吸引力减弱介质的性质与质点越接近，粒子间的吸引力越弱介质的性质与质点越接近，粒子间的吸引力越弱76全面分析b.胶粒间存在相互排斥力胶粒间存在相互排斥力离子氛重叠离子氛重叠77全面分析对于大小相同的球形粒子，其斥力位能对于大小相同的球形粒子，其斥力位能ER为：为：a为球半径，为球半径，K为电导率，为电导率，其倒数为双电层的厚度，其倒数为双电层的厚度，H为两球间的最短距离为两球间的最短距离对于两个平行的等同板状粒子对于两个平行的等同板状粒子78全面分析c.胶粒间的总相互作用能胶粒间的总相互作用能79全面分析溶胶的溶胶的聚沉聚沉（coagulat
35、ion）1.电解质的聚沉作用电解质的聚沉作用原理原理?电解质压缩双电层，降低电解质压缩双电层，降低电位，从而降低胶体电位，从而降低胶体的稳定性的稳定性80全面分析 聚沉值和聚沉率聚沉值和聚沉率聚沉值聚沉值：使溶胶以明显速率聚沉所需的电解质的最使溶胶以明显速率聚沉所需的电解质的最小浓度小浓度。聚沉率聚沉率：聚沉值的倒数。聚沉值的倒数。电解质的聚沉值越小，聚沉率越大，则聚沉能力越强电解质的聚沉值越小，聚沉率越大，则聚沉能力越强电解质的聚沉作用电解质的聚沉作用电解质聚沉值电解质聚沉值rc与反离子价与反离子价Z之间的关系之间的关系:81全面分析(a)反离子所带的电荷数越高，聚沉能力越强反离子所带的电荷
36、数越高，聚沉能力越强。(b)价数相同的反离子的水合半径越小，聚沉价数相同的反离子的水合半径越小，聚沉能力越强。能力越强。例如，对一价阳离子例如，对一价阳离子,按聚沉能力排列：按聚沉能力排列：H+Cs+Rb+NH4+K+Na+Li+82全面分析对一价阴离子：对一价阴离子：F-Cl-Br-NO3-I-(c)与胶粒电性相同的离子，一般说来，价数与胶粒电性相同的离子，一般说来，价数越高，水合半径越小，聚沉能力越弱。越高，水合半径越小，聚沉能力越弱。思考：江河出海处为什么会形成三角洲？思考：江河出海处为什么会形成三角洲？高分子絮凝剂对溶胶的聚沉原理？高分子絮凝剂对溶胶的聚沉原理？83全面分析溶胶的相互聚
37、沉溶胶的相互聚沉溶胶的相互聚沉作用溶胶的相互聚沉作用 当两种带相反电荷的溶胶所带电量相等时，当两种带相反电荷的溶胶所带电量相等时，相互混合也会发生聚沉相互混合也会发生聚沉。 明矾净水的原理？明矾净水的原理？微波对溶胶稳定性的影响微波对溶胶稳定性的影响除热效应外，存在除热效应外，存在“非热效应非热效应”现象，其机理现象，其机理有待深入研究。有待深入研究。84全面分析高聚物稳定胶体体系理论高聚物稳定胶体体系理论聚合物稳定的溶胶中，稳定的主要因素是聚合物聚合物稳定的溶胶中，稳定的主要因素是聚合物吸附层，其影响有三：吸附层，其影响有三：（1）带电聚合物被吸附后，增加了胶粒之间的静电斥）带电聚合物被吸附
38、后，增加了胶粒之间的静电斥力位能。力位能。（2）高聚物的存在通常会减少胶粒间的引力位能。）高聚物的存在通常会减少胶粒间的引力位能。（3）胶粒吸附高聚物后，产生了一种新的斥力位能）胶粒吸附高聚物后，产生了一种新的斥力位能空间斥力位能空间斥力位能85全面分析空间稳定理论空间稳定理论空间稳定理论（空间稳定理论（stericstabilization）86全面分析（1）良溶剂有利于增大空间斥力位能，良溶剂有利于增大空间斥力位能，使胶体稳定，吸附力越强、吸附使胶体稳定，吸附力越强、吸附层越厚，胶体越稳定。层越厚，胶体越稳定。（2）EA，具有高聚物吸附层的粒子之间的引，具有高聚物吸附层的粒子之间的引力位能
39、取决于高聚物力位能取决于高聚物-溶剂溶剂-胶粒三者之间相互胶粒三者之间相互作用的强弱。作用的强弱。（3）影响空间稳定性的因素有高聚物的分子）影响空间稳定性的因素有高聚物的分子结构、高聚物的分子量、吸附层的厚度、分结构、高聚物的分子量、吸附层的厚度、分散介质。散介质。87全面分析空位稳定理论空位稳定理论若胶粒表面层内的高聚物浓度低于体相中的浓度，若胶粒表面层内的高聚物浓度低于体相中的浓度，则胶粒表面生成空位层。则胶粒表面生成空位层。以平行板胶粒浸入高聚物溶液中为例，当两胶粒以平行板胶粒浸入高聚物溶液中为例，当两胶粒互相靠近时，存在引力与斥力。互相靠近时，存在引力与斥力。高聚物的浓度决定了这两种力
40、的大小。若高聚物高聚物的浓度决定了这两种力的大小。若高聚物浓度较大，胶体呈稳定状态，称之为空位稳定作浓度较大，胶体呈稳定状态，称之为空位稳定作用；若高聚物浓度较小，胶体出现絮凝，称之为用；若高聚物浓度较小，胶体出现絮凝，称之为空位絮凝作用。空位絮凝作用。88全面分析第二章第二章 界面现象界面现象界面一般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。89全面分析几点说明：几点说明：1 1、严格
41、讲，界面是、严格讲，界面是“界界”而不是而不是“面面”。因客观存。因客观存在的界面是物理面而非几何面，是一个准三维的在的界面是物理面而非几何面，是一个准三维的区域。区域。2 2、目前，常用于处理界面的模型有两种：、目前，常用于处理界面的模型有两种： 古根海姆（古根海姆（GuggenheimGuggenheim）模型。其处理界面的出）模型。其处理界面的出发点是：界面是一个有一定厚度的过渡区，它在发点是：界面是一个有一定厚度的过渡区，它在体系中自成一相体系中自成一相界面相界面相。界面相是一个既占有。界面相是一个既占有体积又有物质的不均匀区域。该模型能较客观地体积又有物质的不均匀区域。该模型能较客观
42、地反映实际情况但数学处理较复杂。反映实际情况但数学处理较复杂。90全面分析另一个模型是吉布斯（另一个模型是吉布斯（Gibbs）的相界面模）的相界面模型。该模型认为界面是几何面而非物理面，型。该模型认为界面是几何面而非物理面，它没有厚度，不占有体积，该模型可使界它没有厚度，不占有体积，该模型可使界面热力学的处理简单化。面热力学的处理简单化。91全面分析表面和界面表面和界面(surface and interface)(surface and interface)常见的界面有：1.气-液界面92全面分析表面和界面表面和界面(surface and (surface and interface)in
43、terface)2.气-固界面93全面分析表面和界面表面和界面(surface and (surface and interface)interface)3.液-液界面94全面分析表面和界面表面和界面( (surface and interface) )4.液-固界面95全面分析表面和界面表面和界面(surface and (surface and interface)interface)4.固-固界面96全面分析1.21.2比表面（比表面（specific surface specific surface areaarea）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
44、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：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。97全面分析分散度与比表面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）110-216102110-31036103110-51096105110-710156107110-910216109从表上可以看出，当将边长为10-2m的立方体分割成10-9
45、m的小立方体时，比表面增长了一千万倍。98全面分析表面张力与表面自由能表面张力与表面自由能99全面分析表面张力（表面张力（surface tensionsurface tension）如果在金属线框中间系一线圈，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，上一起浸入肥皂液中，然后取出，上面形成一液膜。面形成一液膜。(a)(b)由于以线圈为边界的两边表面张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，见任意形状可在液膜上移动，见(a)图。图。如果刺破线圈中央的液膜，线如果刺破线圈中央的液膜，线圈内侧张力消失，外侧表面张
46、力立圈内侧张力消失，外侧表面张力立即将线圈绷成一个圆形，见即将线圈绷成一个圆形，见(b)图，图，清楚的显示出表面张力的存在。清楚的显示出表面张力的存在。100全面分析 将一含有一个活动边框的将一含有一个活动边框的金属线框架放在肥皂液中，使金属线框架放在肥皂液中，使液体在此框上形成液膜，然后液体在此框上形成液膜，然后取出悬挂，活动边在下面。若取出悬挂，活动边在下面。若欲保持液膜就必须施一适当大欲保持液膜就必须施一适当大小的外力于活动边上，否则活小的外力于活动边上，否则活动边就会自动向上移动，直至动边就会自动向上移动，直至顶部。顶部。说明液体表面存在与所施外力大小相说明液体表面存在与所施外力大小相
47、等方向相反的收缩力。等方向相反的收缩力。表面张力与表面自由能101全面分析表面张力表面张力式中式中代表液体的表面张力系数，表示垂直通过代表液体的表面张力系数，表示垂直通过液体表面上任一单位长度、与液面相切地收缩表液体表面上任一单位长度、与液面相切地收缩表面的力，简称为面的力，简称为表面张力表面张力，单位是，单位是Nm-1实验表明，当活动边和框间的摩擦力可以忽略实验表明，当活动边和框间的摩擦力可以忽略不计时，所施外力与活动边的长度不计时，所施外力与活动边的长度l成正比成正比102全面分析表面功及表面自由能（表面功及表面自由能（surface surface workwork）说明说明 为恒温恒压
48、下增加单位表面积时体系自由为恒温恒压下增加单位表面积时体系自由能的增加量，称作比表面自由能，简称为表面自能的增加量，称作比表面自由能，简称为表面自由能。单位为由能。单位为J Jm m-2-2由于表面层分子的受力情况与本体中不同，因此如果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。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，可逆使表面积增加温度、压力和组成恒定时，可逆使表面积增加d dA A所需要对体系作的功，称为表面功。用公式表
49、示为：所需要对体系作的功，称为表面功。用公式表示为：103全面分析表面自由能表面自由能(surface free energy)(surface free energy)由此可得：由此可得：考虑了表面考虑了表面功，热力学功，热力学基本公式中基本公式中应相应增加应相应增加 d dA A一项，即：一项，即：104全面分析表面自由能表面自由能(surface free energy)(surface free energy)广义的表面自由能定义：广义的表面自由能定义：狭义的表面自由能定义：狭义的表面自由能定义：保持温度、压力和组成不变，每增加单位表保持温度、压力和组成不变，每增加单位表面积时，面积时
50、，GibbsGibbs自由能的增加值称为表面自由能的增加值称为表面GibbsGibbs自由能，或简称表面自由能或表面能，自由能，或简称表面自由能或表面能，用符号用符号 表示，单位为表示，单位为J Jm m-2-2。 保持相应的特征变量不变，每增加单位保持相应的特征变量不变，每增加单位表面积时，相应热力学函数的增值。表面积时，相应热力学函数的增值。105全面分析例例例例1 1： 2020，p p下下下下，将，将，将，将1kg1kg水分散成水分散成水分散成水分散成1010-9-9mm半径的小水半径的小水半径的小水半径的小水滴需做功多少？已知滴需做功多少？已知滴需做功多少？已知滴需做功多少？已知 =
51、 = = =0.0728N0.0728N mm-1-1, , = = = =10001000kgkg mm-3-3 解：解：解：解： WWr r=A A= ( (A A2 2 A A1 1) ) A A2 2= n n 4 4 r r 2 2而而而而 1kg=1kg=n n(4/3(4/3 r r3 3 ) )n n =2.4=2.4 10102323个个个个 WWr r=3=3 1010-3-3 / /r r=218kJ=218kJ而而而而218kJ218kJ的能量相当于的能量相当于的能量相当于的能量相当于1kg1kg水升温水升温水升温水升温5050所需的能。对于所需的能。对于所需的能。对于
52、所需的能。对于1kg1kg水水水水(0.0485m(0.0485m2 2) )，表面能约为，表面能约为，表面能约为，表面能约为3.53.5 1010-3-3J J。对于整个系统的自由能。对于整个系统的自由能。对于整个系统的自由能。对于整个系统的自由能来说，可忽略不计。来说，可忽略不计。来说，可忽略不计。来说，可忽略不计。由此可见由此可见由此可见由此可见, ,表面能只用在巨大表面系统。表面能只用在巨大表面系统。表面能只用在巨大表面系统。表面能只用在巨大表面系统。106全面分析 可见达到可见达到nmnm级的超细微粒具有巨大的比表面积级的超细微粒具有巨大的比表面积，因而具有许多独特的表面效应，成为新
53、材料和多相催因而具有许多独特的表面效应，成为新材料和多相催化方面的研究热点。化方面的研究热点。如铂黑电极及多孔电极由于其表如铂黑电极及多孔电极由于其表面积较大，电流密度小，因而极化小；再如，由超细面积较大，电流密度小，因而极化小；再如，由超细微粒制备的催化剂由于具有很高的比表面因而催化活微粒制备的催化剂由于具有很高的比表面因而催化活性较普通催化剂高；此外，将药物磨成细粉以提高药性较普通催化剂高；此外，将药物磨成细粉以提高药效、将金属做成超细微粒以降低熔点都说明了超细微效、将金属做成超细微粒以降低熔点都说明了超细微粒具有独特的表面效应。粒具有独特的表面效应。 107全面分析界面现象的本质界面现象
54、的本质液体内部分子所受的力可以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，受到气相分子的分子的拉力大，受到气相分子的拉力小（因为气相密度低），拉力小（因为气相密度低），所所以表面分子受到被拉入体相的作以表面分子受到被拉入体相的作用力。用力。这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势，并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，使表面层显示出一些独特性质，如表面张力、表面吸如表面张力、表面吸附、毛细现象、过饱和状态等。附、毛细现象、过饱和状态等。108全面分析 对于单组分体系，这种特性主要来自于同一物质对于单组分体系，这种
55、特性主要来自于同一物质在不同相中的在不同相中的密度不同密度不同；对于多组分体系，则特性来；对于多组分体系，则特性来自于界面层的组成与任一相的组成均不相同。自于界面层的组成与任一相的组成均不相同。 界面层分子与内部分子相比，它们所处的环境不同。界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，各个方向的力彼此抵销( (各向同性各向同性) )； 但是处在界面层的分子，一方面受到体相内相同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分子
56、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，其物质分子的作用，其作用力不能相互抵销作用力不能相互抵销，因此，界，因此，界面层分子由于其处在一不均匀对称的力场会显示出一面层分子由于其处在一不均匀对称的力场会显示出一些独特的性质。些独特的性质。109全面分析影响表面张力的因素影响表面张力的因素（1）分子间相互作用力的影响）分子间相互作用力的影响（2）温度的影响）温度的影响温度升高，表面张力下降。温度升高，表面张力下降。（3）压力的影响）压力的影响表面张力一般随表面张力一般随压力的增加而下降压力的增加而下降。因为压力增。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。加，气相密度
57、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。面吸附增加，气体溶解度增加，也使表面张力下降。对纯液体或纯固体，表面张力决定于分子间形成对纯液体或纯固体，表面张力决定于分子间形成的化学键能的大小，的化学键能的大小，一般一般化学键越强，表面张力越大化学键越强，表面张力越大。(金属键金属键)(离子键离子键)(极性共价键极性共价键)(非极性共价键非极性共价键)两种液体间的界面张力，界于两种液体表面张力之间。两种液体间的界面张力，界于两种液体表面张力之间。110全面分析表面自由
58、能和表面张力的微观解释表面自由能和表面张力的微观解释 由于表面相分子处于一合力指向液体内部的不由于表面相分子处于一合力指向液体内部的不对称力场之中，因此，表面层分子有离开表面层对称力场之中，因此，表面层分子有离开表面层进入体相的趋势。这一点可从液体表面的自动收进入体相的趋势。这一点可从液体表面的自动收缩得以证明。这也说明了处于表面层的分子具有缩得以证明。这也说明了处于表面层的分子具有比体相内部的分子更高的能量。比体相内部的分子更高的能量。 换言之，增加液体的表面积就必须把一定数量换言之，增加液体的表面积就必须把一定数量的内部分子迁移到表面上，要完成这个过程必须的内部分子迁移到表面上，要完成这个
59、过程必须借助于外力做功。因此，体系获得的能量便是表借助于外力做功。因此，体系获得的能量便是表面过剩自由能。可见，面过剩自由能。可见，构成表面的两相性质不同构成表面的两相性质不同及分子内存在着相互作用力是产生表面自由能的及分子内存在着相互作用力是产生表面自由能的原因原因。111全面分析表面自由能和表面张力的微观解释表面自由能和表面张力的微观解释 液体表面液体表面为什么会存在张力为什么会存在张力是一个长期困扰表是一个长期困扰表面化学家的问题，实际上，表面张力同样是分子面化学家的问题，实际上，表面张力同样是分子间存在相互作用力的结果。间存在相互作用力的结果。 从液体表面的特性来看，表面上的分子比体相
60、从液体表面的特性来看，表面上的分子比体相内部的分子能量更高，而按照分子分布的规律，内部的分子能量更高，而按照分子分布的规律，表面上的分子的密度将小于内部分子。于是表面表面上的分子的密度将小于内部分子。于是表面分子间的距离较大，因此，表面上的分子沿表面分子间的距离较大，因此，表面上的分子沿表面方向存在着侧向引力，距离较大时，吸引力占优方向存在着侧向引力，距离较大时，吸引力占优势势。112全面分析 弯曲表面下的附加压力弯曲表面下的附加压力1.1.在平面上在平面上剖面图剖面图液面正面图液面正面图研究以研究以ABAB为直径的一个环作为边为直径的一个环作为边界，由于环上每点的两边都存在界，由于环上每点的
61、两边都存在表面张力，大小相等，方向相反，表面张力，大小相等，方向相反，所以没有附加压力。所以没有附加压力。设向下的大气压力为设向下的大气压力为P Po o，向上，向上的反作用力也为的反作用力也为P Po o ，附加压力，附加压力P Ps s等于零。等于零。Ps=Po-Po=0113全面分析弯曲表面下的附加压力弯曲表面下的附加压力2. 2. 在凸面上：在凸面上：剖剖面面图图附加压力示意图附加压力示意图研究以研究以ABAB为弦长的一个球面上的为弦长的一个球面上的环作为边界。由于环上每点两边环作为边界。由于环上每点两边的表面张力都与液面相切，大小的表面张力都与液面相切，大小相等，但相等，但不在同一平
62、面上不在同一平面上，所以，所以会产生一个会产生一个向下的合力向下的合力。所有的点产生的总压力为所有的点产生的总压力为Ps，称为称为附加压力附加压力。凸面上受的总。凸面上受的总压力为：压力为：Po+PsPo为大气压力，为大气压力，Ps为附加压力。为附加压力。114全面分析弯曲表面下的附加压力弯曲表面下的附加压力3. 3. 在凹面上：在凹面上：剖面图附加压力示意图研究以研究以ABAB为弦长的一个球形凹面为弦长的一个球形凹面上的环作为边界。由于环上每点上的环作为边界。由于环上每点两边的表面张力都与凹形的液面两边的表面张力都与凹形的液面相切，大小相等，但不在同一平相切，大小相等，但不在同一平面上，所以
63、会面上，所以会产生一个向上的合产生一个向上的合力。力。所有的点产生的总压力为所有的点产生的总压力为Ps，称，称为附加压力。为附加压力。凹面上向下的总压凹面上向下的总压力为：力为：Po-Ps ，所以凹面上所受的，所以凹面上所受的压力比平面上小。压力比平面上小。115全面分析杨杨- -拉普拉斯公式拉普拉斯公式1805年年Young-Laplace导出了附加压力与曲率导出了附加压力与曲率半径之间的关系式：半径之间的关系式：特殊式（对球面）：特殊式（对球面）：根据数学上规定根据数学上规定，凸面的曲率半径取正值凸面的曲率半径取正值，凹凹面的曲率半径取负值。面的曲率半径取负值。所以，凸面的附加压力指向所以
64、，凸面的附加压力指向液体，凹面的附加压力指向气体，液体，凹面的附加压力指向气体，即附加压力总是即附加压力总是指向球面的球心。指向球面的球心。一般式：一般式：116全面分析Young-Laplace Young-Laplace 一般式的推导一般式的推导1.在任意弯曲液面上取小矩形曲面在任意弯曲液面上取小矩形曲面ABCD(红色面红色面)，其面积为，其面积为xy。曲面边缘。曲面边缘AB和和BC弧的曲率半径分别弧的曲率半径分别为和为和。2.作曲面的两个相互垂直的正截面，作曲面的两个相互垂直的正截面，交线交线Oz为为O点的法线。点的法线。3.令曲面沿法线方向移动令曲面沿法线方向移动dz ，使，使曲面扩大
65、到曲面扩大到ABCD(蓝色面蓝色面)，则，则x与与y各增加各增加dx和和dy 。117全面分析Young-Laplace Young-Laplace 一般式的推导一般式的推导5.增加增加dA面积所作的功与克服附面积所作的功与克服附加压力加压力Ps增加增加dV所作的功应该相所作的功应该相等，即：等，即：4.移动后曲面面积增加移动后曲面面积增加dA和和dV为：为：118全面分析Young-Laplace Young-Laplace 一般式的推导一般式的推导6.根据相似三角形原理可得：根据相似三角形原理可得：7.将将dx,dy代入代入(A)式式,得：得：8.如果是球面，如果是球面，119全面分析Yo
66、ung-Laplace特殊式的推导特殊式的推导(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+ps120全面分析Young-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：121全面分析对气相中的气泡对气相中的气泡,由于泡有两个气液由于泡有两个气液界面界面,而且这两个球形界面的半径相等而且这两个球形界面的半径相等,所以所以,气泡内外的压力差为：气泡内外的压力差为：r液
67、膜对外是凸液面，附加压力指向球心；液膜对外是凸液面，附加压力指向球心；液膜对内是凹液面，附加压力指向球心；液膜对内是凹液面，附加压力指向球心；故：故：p内内p外外。下下 页页分析及应用：分析及应用： 122全面分析实例：实例： 如图，两端为大小不同的肥皂水泡，如图，两端为大小不同的肥皂水泡，当刚打开中间阀门时，系统左右泡内的压力当刚打开中间阀门时，系统左右泡内的压力 P P（内左）；（内左）； P P（内右）；与外界的压力（内右）；与外界的压力 P P（外）之间的关系为：（外）之间的关系为： (A) (A) P（内左）（内左）P（内右）；（内右）；P（内）（内）P（外）；（外）； (B) (B
68、) P（内左）（内左）P（内右）；（内右）；P（内）（内）P（外）；（外）；(C) (C) P（内左）（内左）P（内右）；（内右）；P（内）（内）P（外）；（外）；(D) (D) P（内左）（内左）P（内右）；（内右）；P（内）（内）P（外）。（外）。根据：根据： 选择：选择： (C) (C) 下下 页页123全面分析返返 回回实例：如图，两端为大小不同的肥皂水泡，当刚打开中实例：如图，两端为大小不同的肥皂水泡，当刚打开中间阀门时，将：间阀门时，将： (A) (A) 大泡变小，小泡变大，至大小相同；大泡变小，小泡变大，至大小相同； (B) (B) 大泡变大，小泡变小，至消失；大泡变大，小泡变小
69、，至消失；(C) (C) 两泡同时变大；两泡同时变大；(D) (D) 两泡同时变小。两泡同时变小。 选择：选择： (B) (B) 124全面分析附加压力与毛细管中液面高度的关系附加压力与毛细管中液面高度的关系1.1.曲率半径曲率半径R与毛细管半径与毛细管半径R R的关系：的关系： R=R/cosq qps=2g g/ /R=(r rl-r rg)gh如果如果液面液面为为半半球面，则球面，则R= =R。因因r rlr rg所以：所以：ps=2g g/ /R=r rlgh一般式：一般式：2g g cosq q/ /R=DrDrgh2.平衡时管内外液面高度差产生的压力平衡时管内外液面高度差产生的压力
70、与弯曲液面的与弯曲液面的Laplace压相抵消压相抵消125全面分析几种毛细现象几种毛细现象3 3、1 1）液体在地层和纺织品中的流动原油和）液体在地层和纺织品中的流动原油和水在地层中的流动属液体在不均匀孔径的水在地层中的流动属液体在不均匀孔径的毛细管中的流动，当忽略重力作用时，由毛细管中的流动，当忽略重力作用时，由于不同管径的曲率半径不同，造成两部分于不同管径的曲率半径不同，造成两部分液面的附加压力不同（毛细压差）。因此，液面的附加压力不同（毛细压差）。因此，液体将往附加压力大的方向流动。液体将往附加压力大的方向流动。 若要改变其流动方向，必须施加一克服此若要改变其流动方向，必须施加一克服此
71、压力差的力，若采用表面化学方法改变体压力差的力，若采用表面化学方法改变体系表面张力和液面曲率，可以改变体系毛系表面张力和液面曲率，可以改变体系毛细压差以利于实现所要求的流动。这是三细压差以利于实现所要求的流动。这是三次采油的关键问题之一。次采油的关键问题之一。126全面分析几种毛细现象几种毛细现象2 2）关于泡沫和乳状液的稳定性泡沫和乳状液是）关于泡沫和乳状液的稳定性泡沫和乳状液是由两种不相混溶的流体相形成由两种不相混溶的流体相形成 的分散体系。泡沫是大量气体分散在少量液体的分散体系。泡沫是大量气体分散在少量液体中构成的，而乳状液是一种液体以微小液滴状中构成的，而乳状液是一种液体以微小液滴状态
72、分散在另一液相中。泡沫的片膜与片膜之间态分散在另一液相中。泡沫的片膜与片膜之间构成具有不同曲率的连续液体构成具有不同曲率的连续液体 ，由于附加压力，由于附加压力不同，液体从曲率小、压力大的片膜流向曲率不同，液体从曲率小、压力大的片膜流向曲率 大、压力小的片膜边界，最后导致泡沫排液、大、压力小的片膜边界，最后导致泡沫排液、泡膜变薄而破裂。这是影响泡膜稳定的重要原泡膜变薄而破裂。这是影响泡膜稳定的重要原因。因。127全面分析几种毛细现象几种毛细现象3 3）压汞法测孔径）压汞法测孔径 水银在一般固体的孔中形成凸液面，欲水银在一般固体的孔中形成凸液面，欲使水银进入固体孔中须克服毛细压差。即使水银进入固
73、体孔中须克服毛细压差。即当当、已知，通过测定毛细压差可计算固已知，通过测定毛细压差可计算固体的孔径。如催化剂的孔径测定。体的孔径。如催化剂的孔径测定。128全面分析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 对小液滴与蒸汽的平衡，应有相同形式，设对小液滴与蒸汽的平衡，应有相同形式，设气体为理想气体。气体为理想气体。液体液体(T,pl) 饱和蒸汽饱和蒸汽(T,pg)129全面分析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KelvinKelvin公式，式中r为密度，M 为摩尔质量。130全面分析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
74、Kelvin公式也可以表示为两种不同曲率半径的液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饱滴或蒸汽泡的蒸汽压之比，或两种不同大小颗粒的饱和溶液浓度之比。和溶液浓度之比。对对凸面凸面，R取取正值正值，R越小，液滴的蒸汽压越高，越小，液滴的蒸汽压越高， 或小颗粒的溶解度越大。或小颗粒的溶解度越大。对对凹面凹面，R取取负值负值，R越小，小蒸汽泡中的蒸汽越小，小蒸汽泡中的蒸汽 压越低。压越低。131全面分析开尔文公式的应用开尔文公式的应用1）过饱和蒸汽）过饱和蒸汽恒温下，将未饱和的蒸汽加压，若压力超过恒温下，将未饱和的蒸汽加压，若压力超过该温度下液体的饱和蒸汽压
75、仍无液滴出现，该温度下液体的饱和蒸汽压仍无液滴出现，则称该蒸汽为过饱和蒸汽。则称该蒸汽为过饱和蒸汽。原因：液滴小，饱和蒸汽压大，新相难成而原因：液滴小，饱和蒸汽压大，新相难成而导致过冷。导致过冷。解决办法：引入凝结核心如人工降雨用的解决办法：引入凝结核心如人工降雨用的AgI或干冰。或干冰。132全面分析开尔文公式的应用开尔文公式的应用2 2）过热液体）过热液体 沸腾是液体从内部形成气泡、在液体表面沸腾是液体从内部形成气泡、在液体表面上剧烈汽化的现象。但如果在液体中没有提上剧烈汽化的现象。但如果在液体中没有提供气泡的物质存在时，液体在沸点时将无法供气泡的物质存在时，液体在沸点时将无法沸腾。我们将
76、这种按相平衡条件，应当沸腾沸腾。我们将这种按相平衡条件，应当沸腾而不沸腾的液体，称为过热液体。而不沸腾的液体，称为过热液体。 液体过热现象的产生是由于液体在沸点时无液体过热现象的产生是由于液体在沸点时无法形成气泡所造成的。根据开尔文公式，小法形成气泡所造成的。根据开尔文公式，小气泡形成时期气泡内饱和蒸气压远小于外压，气泡形成时期气泡内饱和蒸气压远小于外压，但由于凹液面附加压力的存在，小气泡要稳但由于凹液面附加压力的存在，小气泡要稳定存在需克服的压力又定存在需克服的压力又133全面分析开尔文公式的应用开尔文公式的应用须大于外压。因此，相平衡条件无法满足，须大于外压。因此，相平衡条件无法满足，小气
77、泡不能存在，这样便造成了液体在沸点小气泡不能存在，这样便造成了液体在沸点时无法沸腾而液体的温度继续升高的过热现时无法沸腾而液体的温度继续升高的过热现象。过热较多时，极易暴沸。为防止暴沸，象。过热较多时，极易暴沸。为防止暴沸，可事先加入一些沸石、素烧瓷片等物质。因可事先加入一些沸石、素烧瓷片等物质。因为这些多孔性物质的孔中存在着曲率半径较为这些多孔性物质的孔中存在着曲率半径较大的气泡，加热时这些气体成为新相种子大的气泡，加热时这些气体成为新相种子（气化核心），因而绕过了产生极微小气泡（气化核心），因而绕过了产生极微小气泡的困难阶段，使液体的过热程度大大降低。的困难阶段，使液体的过热程度大大降低。
78、134全面分析开尔文公式的应用开尔文公式的应用（3 3）毛细凝结与等温蒸馏）毛细凝结与等温蒸馏考虑液体及其饱考虑液体及其饱和蒸气与孔性固体构成的体系。孔中液面和蒸气与孔性固体构成的体系。孔中液面与孔外液面的曲率不同，导致蒸气压力不与孔外液面的曲率不同，导致蒸气压力不同。在形成凹形液面的情况下，孔中液体同。在形成凹形液面的情况下，孔中液体的平衡蒸气压低于液体的正常蒸气压。故的平衡蒸气压低于液体的正常蒸气压。故在体系蒸气压低于正常饱和蒸气压时即可在体系蒸气压低于正常饱和蒸气压时即可在毛细管中发生凝结。此即所谓毛细凝结在毛细管中发生凝结。此即所谓毛细凝结现象。硅胶能作为干燥剂就是因为硅胶能现象。硅胶
79、能作为干燥剂就是因为硅胶能自动地吸附空气中的水蒸气，使得水气在自动地吸附空气中的水蒸气，使得水气在毛细管内发生凝结。毛细管内发生凝结。 135全面分析开尔文公式的应用开尔文公式的应用毛细凝结的另一应用是等温蒸馏。其过程是，毛细凝结的另一应用是等温蒸馏。其过程是，如果在一封闭容器中有曲率大小不同的液面如果在一封闭容器中有曲率大小不同的液面与它们的蒸气相共存，由于在相同温度下不与它们的蒸气相共存，由于在相同温度下不同液面的平衡蒸气压力不同，体系中自发进同液面的平衡蒸气压力不同，体系中自发进行液体分子从大块液相通过气相转移到曲率行液体分子从大块液相通过气相转移到曲率大的凹液面处。大的凹液面处。136
80、全面分析表面张力的测定方法表面张力的测定方法1、毛细管上升法毛细管上升法如图，将一洁净的半径为如图，将一洁净的半径为R的均匀的均匀毛细管插入能润湿该毛细管的液体毛细管插入能润湿该毛细管的液体中，则由于表面张力所引起的附加中，则由于表面张力所引起的附加压力，压力，将使液柱上升，达平衡时，将使液柱上升，达平衡时，附加压力与液柱所形成的压力大小附加压力与液柱所形成的压力大小相等，方向相反：相等，方向相反：137全面分析表面张力的测定方法表面张力的测定方法式中式中h为达平衡时液柱高度，为达平衡时液柱高度，g为重力加速度，为重力加速度，液液气气（为密度）。由图中可以看出，曲率半径为密度）。由图中可以看出
81、，曲率半径r与毛细管半径与毛细管半径R以及接触角以及接触角之间存在着如下关系，之间存在着如下关系，138全面分析表面张力的测定方法表面张力的测定方法若接触角若接触角0，Cos1，液液则则 从上式可见，若从上式可见，若 R已知，由平衡液柱上升高已知，由平衡液柱上升高度可测出液体表面张力。若接触角不为零，则度可测出液体表面张力。若接触角不为零，则应用与接触角有关的公式。但由于目前接触角应用与接触角有关的公式。但由于目前接触角的测量准确度还难以满足准确测定表面张力的测量准确度还难以满足准确测定表面张力的要求，因此，该法一般不用于测定接触角不的要求，因此，该法一般不用于测定接触角不为零的液体表面张力。
82、为零的液体表面张力。 139全面分析表面张力的测定方法表面张力的测定方法若考虑到对弯液面的修正，常用公式为若考虑到对弯液面的修正，常用公式为： 毛细管上升法理论完整，方法简单，有足够毛细管上升法理论完整，方法简单，有足够的测量精度。应用此法时除了要有足够的恒的测量精度。应用此法时除了要有足够的恒温精度和有足够精度的测高仪外，还须注意温精度和有足够精度的测高仪外，还须注意选择选择内径均匀内径均匀的毛细管。的毛细管。140全面分析表面张力的测定方法表面张力的测定方法2、脱环法141全面分析表面张力的测定方法表面张力的测定方法在图中，水平接触面的圆环（通常用铂环）被在图中，水平接触面的圆环（通常用铂
83、环）被提拉时将带起一些液体，形成液柱提拉时将带起一些液体，形成液柱(b)。环对。环对天平所施之力由两个部分组成：环本身的重力天平所施之力由两个部分组成：环本身的重力mg和带起液体的重力和带起液体的重力p。p随提起高度增加随提起高度增加而增加，但有一极限，超过此值环与液面脱开，而增加，但有一极限，超过此值环与液面脱开，此极限值取决于液体的表面张力和环的尺寸。此极限值取决于液体的表面张力和环的尺寸。这是因为外力提起液柱是通过液体表面张力实这是因为外力提起液柱是通过液体表面张力实现的。因此，最大液柱重力现的。因此，最大液柱重力mg应与环受到应与环受到的液体表面张力垂直分量相等。设拉起的液柱的液体表面
84、张力垂直分量相等。设拉起的液柱为圆筒形，则为圆筒形，则142全面分析表面张力的测定方法表面张力的测定方法其中其中R为环的内半径，为环的内半径，r为环丝的半为环丝的半径。但实际上拉起的液柱并不是圆筒径。但实际上拉起的液柱并不是圆筒形，而常如图（形，而常如图（c）所示的那样偏离圆）所示的那样偏离圆筒形。为修正实际所测重力与实际值筒形。为修正实际所测重力与实际值的偏差，引入校正因子的偏差，引入校正因子F。即。即143全面分析表面张力的测定方法表面张力的测定方法脱环法操作简单，但由于应用经验的校正系数使脱环法操作简单，但由于应用经验的校正系数使方法带有经验性。对于溶液，由于液面形成的方法带有经验性。对
85、于溶液，由于液面形成的时间受到限制，所得结果不一定是平衡值。时间受到限制，所得结果不一定是平衡值。3、最大气泡压力法最大气泡压力法例题例题3.用最大气泡法测量液体表面张力的装用最大气泡法测量液体表面张力的装置如图所示：将毛细管垂直地插入液体中，置如图所示：将毛细管垂直地插入液体中，其深度为其深度为h。由上端通入气体，在毛细管下。由上端通入气体，在毛细管下端呈小气泡放出，小气泡内的最大压力可由端呈小气泡放出，小气泡内的最大压力可由U型管压力计测出。型管压力计测出。144全面分析表面张力的测定方法表面张力的测定方法已知已知300K时，某液体的密度时，某液体的密度1.6103kgm-3，毛细管的半径
86、毛细管的半径r0.001m，毛细管插入液体中的，毛细管插入液体中的深度深度h0.01m，U型管读数显示型管读数显示p最大最大=207Pa。问该液体在问该液体在300k时的表面张力为若干？时的表面张力为若干？145全面分析表面张力的测定方法表面张力的测定方法解：当毛细管中足够细时，管下端出现的弯月解：当毛细管中足够细时，管下端出现的弯月形液面，可视为球面的一部，随着小气泡的形液面，可视为球面的一部，随着小气泡的变大，气泡的曲率半径将变小，当气泡的半变大，气泡的曲率半径将变小，当气泡的半径等于毛细管的半径时，液面曲率半径最小。径等于毛细管的半径时，液面曲率半径最小。由拉普拉斯公式可知，小气泡所承受
87、的附加由拉普拉斯公式可知，小气泡所承受的附加压力，在数值上应为气泡内外的压力差。压力，在数值上应为气泡内外的压力差。146全面分析147全面分析表面张力的测定方法表面张力的测定方法一般测量时，若保证毛细管口刚好与液面相接触，一般测量时，若保证毛细管口刚好与液面相接触，则可忽略液柱压差则可忽略液柱压差gh。4、吊片法吊片法与脱环法相比，吊片法的原理基本相同。但此法与脱环法相比，吊片法的原理基本相同。但此法具有全平衡的特点，不需要密度数据且不需作任具有全平衡的特点，不需要密度数据且不需作任何校正，也不必将片拉离液面，而是只要将片与何校正，也不必将片拉离液面，而是只要将片与液面接触即可。液面接触即可
88、。吊片法的基本原理是：吊片不动，液面上升，待吊片法的基本原理是：吊片不动，液面上升，待液面刚好与吊片接触时，拉力液面刚好与吊片接触时，拉力f等于平衡时沿吊片等于平衡时沿吊片周边作用的液体表面张力周边作用的液体表面张力148全面分析表面张力的测定方法表面张力的测定方法其中，其中，l、d分别为吊片的宽和厚度，分别为吊片的宽和厚度，2（l+d）表示吊片底周长。表示吊片底周长。若要取得较好的测量结果，应使吊片润湿若要取得较好的测量结果，应使吊片润湿且接触角为零（可将吊片打毛）。且接触角为零（可将吊片打毛）。表面张力的其他测定方法如停滴法和悬滴表面张力的其他测定方法如停滴法和悬滴法请参考有关教材。法请参考有关教材。149全面分析
