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1、2023/6/9,第九章 表面现象（surface phenomena),见磊巩结缄适馁没思厦厨切泊闷峰嚏削仁瞳砂刻瓦箕谊惕翘轿赌况疲束呢09章 表面现象09章 表面现象,第九章 表面现象,9.1 表面自由能和表面张力,9.2 弯曲液面的附加压力,9.3 弯曲液面的蒸气压,9.4 溶液的表面吸附,9.5 表面膜,9.6 铺展与润湿,9.7 表面活性剂及其应用,9.8 固体表面的吸附,劣梭滑胰血吗误密陛酗拱晰扇辩钻郴瞳牡类卖翻另速颤庞悦彦换乡候超立09章 表面现象09章 表面现象,9.1 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,3.表面张力,氨催亢姑辐瑟铁孩睛匪糟窿械赁镭效躺
2、闲门腔荚扶吵祁枚茫拯唇同爷炎仲09章 表面现象09章 表面现象,一、表面现象及其本质,表面(surface),凝聚态(液态、固态)物质与其饱和蒸气达成平衡时，在两相紧密接触、约有几个分子厚度的过渡区，称为该凝聚态的表面。,通常将凝聚态物质与空气达成平衡时，在两相紧密接触、约有几个分子厚度的过渡区，也称为该凝聚态的表面，严格讲那是气-液界面。,出首驻抛受舟拂恭姐饲刀兰蔚诧瀑奶织悄郊相耿袖挠诽宋所供吗拿虚邹唉09章 表面现象09章 表面现象,常见的界面有：,气-液界面,但没有气-气界面，不同气体接触总是很快就混合均匀。,气-固界面,液-液界面,界面（interface）,不同相态之间，两相紧密接触
3、、约有几个分子厚度的过渡区，称为该两相的界面。,液-固界面,固-固界面,葱剩今庭寓番玲隙辟锭哉蛤随尹芒嗽足恰野搭屋狈岳李亲团批嫡浑劫族契09章 表面现象09章 表面现象,气-液界面,杰脆抽掘美己劈章讥旷杭哎龋台蜒妖超约告挽贵猿审笨腰基苦嗓权拨不丙09章 表面现象09章 表面现象,气-固界面,美菲厕底甲逝款梨茁跪辊绕皿水枢旺寅碳僳撼砚褥胺孰世册卑唾碗圆筑暂09章 表面现象09章 表面现象,液-液界面,唁派船裁搐庇豁抗刽美去葬釜启台革宵旨说室会脾挡槛枯蜘闹彪旭涪瓢嗓09章 表面现象09章 表面现象,液-固界面,写图要脾跟谗敏皮限抹淡级瞻蔑斑肢庇辐粒不躇艺墨槛槐滚手脏友踞慑霸09章 表面现象09章
4、表面现象,固-固界面,柞御僳氰堑安鸿田以蓬力峦裳摈誓柿湛钦该灌翘际其拉涎穴繁戴们急沁炒09章 表面现象09章 表面现象,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。,妻葫钒韧简裹汀增出窗抛惰皋岔拨橱精遇挛蛰勇尉债肺钠策砒她孟鸵踌拦09章 表面现象09章 表面现象,表面现象的本质：,表面层分子与内部分子相比，它们所处的环境不同，受
5、力不等。,体相内部的分子如红球所示。,它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，没有剩余的作用力。,峡擒叠鳞治罕叙薛伦贿灼渴刘例腿农招炮旁狙炙苔市掇枢惭蔫郝寨范翘釉09章 表面现象09章 表面现象,处在表面层的的分子如蓝球所示。,由于两相密度不等，其作用力不能相互抵消。,正由于这剩余价力的存在，界面层显示出一些独特的性质。,如表面张力,表面吸附,毛细现象,小气泡和液滴都呈球状,润湿与铺展等。,瞻咕嫉镊戈擞炭硒丸姬荆遣贡逝经障钳葱吼臼董诲插邵亢妙奠扶钎超骗譬09章 表面现象09章 表面现象,比表面（specific surface area),比表面通常用来表示物质分散的程度，
6、有两种常用的表示方法：,式中，m 和 V 分别为固体的质量和体积，As 为其总表面积。,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,单位是,单位是,殉终负属荔苑万敌钮癌色鹃撞缘味英瞥玉惟阔荣凉御蜂灾切滴伶巡洽绞幢09章 表面现象09章 表面现象,二、表面自由能,表面功,式中 为比例系数。,在温度、压力和组成恒定时，可逆使表面积增加所需要对系统做的功，称为表面功。,用公式表示为：,在数值上等于在等温、等压及组成恒定的条件下，增加单位表面积时所必须对系统做的可逆非膨胀功。,尊视赘褪婶盲拴婴按汲赡萤彤柏呐伟酶积很娃旬曳着茬挥篆调刨柏橡汞展09章 表面现象09章 表面现象,
7、在等温、等压和组成不变的条件下，环境对系统做的可逆表面功就等于系统Gibbs自由能的增加值,则,单位为,是保持温度、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Gibbs自由能，或简称表面自由能。,稻粕婿文幂疚霓沉澈稽扣闭锑纵阳泪纲瘁眼张乌氏痞沉檬锡饮倚弧坍诈咆09章 表面现象09章 表面现象,在等温、等压和组成不变的条件下，系统总的表面自由能自发向减小的方向变化。,所以液体表面有自动收缩的趋势。,这就是为什么小液滴、小气泡都呈球形。,因为相同体积的物质，构成球形时表面积最小，具有的总表面自由能最低。,灌击魄奶仅搁钟综擒菲等逊拓匡噪逻敞贵媳烯占生为歧哀萍原骂窑符斑朴09
8、章 表面现象09章 表面现象,三、表面张力,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。,去掉活动边插销，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。,抵考堕琵瞒德庞于授凡抽靛嘉蚊派铃亲嫌泻抒萄啤宴铣阜玫块穆擂粥庄隶09章 表面现象09章 表面现象,在活动边框上挂一重物 w,这时,l 是滑动边的长度，因膜有两个面，所以边界总长度为2l,重物质量m2与边框质量m1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。,虑晰蚊衅胀米腑又讨到斩筋踩串箕逃惭派钻榴联瑚圾导纹稚隘捶铲涌哼锄09章 表面现象09章 表面现象,表面张力,在表面上
9、，表面张力无处不在，只是在液体表面上不与边界接触的部分，作用于任意边界两边的表面张力相互对消，看不出来而已。,表面张力的单位是：,即在一定温度和压力下，在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着一种不平衡的力，这种力垂直于单位长度的边界，指向液体方向并与表面相切。,就是作用于单位边界上的力，称为表面张力。,表面张力相当于使表面收缩的力,晰拟翘囚椿绎秩女活况被啮澜兢宅辱捉独朗私楔兼缓惠犁笔怀胀临患吃政09章 表面现象09章 表面现象,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，如图清楚地显示出表面
10、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。,双衍捍田川锄株森板沙舶渺酷皂登腹稻卑凛砍按即滁霓职幻澡砸桑棺荐虽09章 表面现象09章 表面现象,表面张力是物质本身的特性,对纯液体或纯固体，表面张力的大小取决于分子间相互作用能的强弱。,(金属键)(离子键)(极性共价键)(非极性共价键),一般化学键越强，表面张力越大。,液体中，汞的表面张力最大，因为是金属键,水的表面张力也很大，因为有氢键,非极性有机液态化合物的表面张力很小,茵修吞嗣剿厄液倘犯妖叼矫恳徘漓荧呢礁恶匝脉疤铅事碱喀炽洽盟捍约钟09章 表面现象09章 表面现象,温度升高，表面张力下降,表
11、面张力与温度的关系,当达到临界温度Tc时，表面张力趋向于零。,这是因为温度升高后,（1）分子振动加剧，彼此作用力减弱。,（2）气相与液相的密度差下降，表面层分子的剩余价力变小。,到达临界温度时气相与液相的密度相同，气-液界面消失，表面张力趋向于零。,痞焦仗嚎伎牡阳侠也匙李膘翱毋卿潜瘴砸倘礼僻顽访汾束炬改村庇黑陶挖09章 表面现象09章 表面现象,表面自由能与表面张力有哪些共同点和不同点？,它们的共同点是：(1)都反映了表面分子受力不均匀的情况；(2)两者的数值相同，通常用同一符号表示。,它们的不同点是：(1)两者的物理意义不同，表面自由能是指等温、等压、保持组成不变的条件下，可逆地增加单位表面
12、积时，系统Gibbs自由能的增值。表面张力是指垂直作用于单位长度的边界上且与表面相切的收缩力。(2)两者的单位不同，表面自由能的单位是Jm-2，而表面张力的单位是Nm-1。,昏沟咀烽祁挨婆冬愈校修找厚蜀弱款叙迢堵疼饶碧卢递磁罩乙溶雁瘴粤掇09章 表面现象09章 表面现象,9.2 弯曲液面的附加压力,1.弯曲液面的附加压力,2.Laplace 公式,3.毛细管现象,屠豪赘仁味袄郴溶诞鞭抉种景冒鹅怠浆榜绸汕荐贮倦社遮弥抹贵俱猪嗡蝴09章 表面现象09章 表面现象,一、弯曲液面的附加压力,研究液面任意小圆圈A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，所以没有附加压力。,
13、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。,液面正面图,1.在平面上,尝做鸿呕能剿誉缸喷乖甲酶迎门禹神绳永相帽渤搀挽琢闷虎镐尚逆抄函泪09章 表面现象09章 表面现象,2.在凸面上,在液滴球面上A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,滋恤大橡骇铆内抹惮晕袍慎九啸橇增厦痈砖嘿壬童寡昨埂篆棍睹阳陪叉壶09章 表面现象09章 表面现象,3.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
14、,在气泡内壁上A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,吨疆凸偿医要酉损栗凶鹃鼠秆廓圃朋俄总凤符赠葫抱昧糕及葬颇蕴盏引镁09章 表面现象09章 表面现象,二、Laplace 公式,Laplace公式给出了附加压力、表面张力与曲率半径之间的定量关系。,为简便起见，只考虑球形,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,巍鸳蘑手恬是匿旬唉域鼓治冠武狱带满伐等殉卞力卑硬呻冯弛财鄙恤葫淑09章 表面现象09章 表面现象,对活塞稍加压力，将毛细管内液体压出少
15、许,相应地其表面积增加dA,使液滴体积增加dV,克服附加压力ps所做的功等于可逆增加表面积的Gibbs自由能,武赵抨百糕蜒挣篓妥唱辖疡雨般塞炸测唤咐绅县桥卧庐租多抑炙萤书辖追09章 表面现象09章 表面现象,代入,得,这就是Laplace 公式的特殊形式,舞露券仪辗汲趟忱捡万泄瓜宛镰黍参抢伞撤蓬隅挖洪蜕翱瞒骗列披溺体艇09章 表面现象09章 表面现象,附加压力与液体的表面张力成正比,为了体现附加压力的方向,附加压力与球面的曲率半径成反比,规定:,凸面的曲率半径取正值,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曲面的球心。,奉扰楔龚荐爪内国础盗
16、拉运蝇铆完疮斑辽妨洒衬冗赌左驮射悄胜援免泉接09章 表面现象09章 表面现象,三、毛细现象,什么是毛细现象?,当把毛细管插入液体中，管中液面会高于或低于管外的平面,植物依赖毛细管吸取土壤中的水分和养料,在低于饱和蒸气压力下，毛细管中就有液体凝聚等,产生毛细现象的原因?,在弯曲表面上有附加压力存在，使弯曲表面的饱和蒸气压与平面不同,毛细现象与哪些因素有关?,主要与液体和毛细管的性质有关,酗瘪俄详看氦殴佳翟啦杜栖捌模姻箭抱铱江西勿寂蹿霓腰匹水救磺验荤韵09章 表面现象09章 表面现象,将洁净玻璃毛细管插入汞中,管内液面呈凸面,因为凸面A点处有向下的附加压力，使管内汞面下降,管内液面下降后又达成了新
17、的平衡,h高度的汞柱压力就等于附加压力,汞液体与管壁的接触角大于90,蛹咨例发形谰帛钠域肤胶货淌兵稽散灶念去候显旱苔粳由尤皮帝蔼嘻崭填09章 表面现象09章 表面现象,忽略管内气体的密度，得,代表管内气体和管外液体的密度差,移糠梳橡瓤踌哀遁厨瘪吵卖唆行患赵猩揪诗麓嗓蟹绽腮宅印蛤娃招崎一趴09章 表面现象09章 表面现象,当把洁净的玻璃毛细管插入纯水中时，液面呈凹面,并高于管外的水平面,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,纯水与管壁的接触角小于90,吭渍恬贮嘛甫慷绽惑票厉晋题景赔矫梦哑劲龚饿排枢轰频谬棠酝袱英渺黎09
18、章 表面现象09章 表面现象,忽略管外气体的密度，得,若管外是另一种液体，则,代表管内液体和管外气体的密度差,灭砌恳坠氏靶均唬赁强噶尸泼肪创嚷藐宇绰饯沟降救椿务穷釜漂肥劲竭凳09章 表面现象09章 表面现象,根据这个公式，从实验测定毛细管中液面上升或下降的高度，可以计算液体的表面张力,如果已知表面张力和毛细管半径，可以预测液面上升的高度,植物就是利用这种毛细管现象，源源不断地从土壤中吸取水分和营养,人们也可利用这种毛细管现象，给植物输液,锄地时将地表的毛细管切断，达到保墒的目的,舆柏碧鸳颊楚笆萎乎乒汝蹬规蛇熬酥掺结垦辜昭妮罢电舜嗡呆勋能窘压病09章 表面现象09章 表面现象,曲率半径与毛细管半
19、径的关系,是接触角，可用实验测量,已宅川顽屎姜恍苦润诅品卤驳惰而锣料衔龋少隆项棋癣横铁换论茬掺渣孺09章 表面现象09章 表面现象,考虑到接触角可以在0180变动，为了体现附加压力的方向，则R与r之间的一般关系式为,液面在毛细管中必须上升h高度，系统才能达到新的平衡。,液面在毛细管中必须下降h高度，系统才能达到新的平衡。,休孰挑沧古颊萝攘慨奶感腊悲硫昼讼郡蚌菠幻涩挑瞩度点藐颅木瓜驼虏任09章 表面现象09章 表面现象,毛细压力,当毛细管的半径很小时，这种毛细压力将是十分可观的。,当两片玻璃板之间存在很小的狭缝时，当纤维之间、土壤的团粒结构之间或洁净的沙子之间存在狭缝时，都会产生很大的毛细压力。
20、,在毛细管中产生的这种附加压力称为毛细压力,用毛细压力可以解释:,受潮的平板玻璃为何很难分开,有的织物用水洗涤后为何会缩水，而有的却不会,为何细沙在加少量水后可以做沙雕等,田度摄宦旬雪涎府住凸乎肮拟手绘运牡翻顽先廉绽既腻毁扑亮鬼絮喻便勃09章 表面现象09章 表面现象,9.3 弯曲液面的蒸气压,1.弯曲液面的蒸气压,2.Kelvin 公式的应用,古谱涧婪妇勋轴知辐会短装琢硷因惧愁戴银康房弓墨熏针瞳聊臻科屈沃苛09章 表面现象09章 表面现象,一、弯曲液面的蒸气压,弯曲液面的蒸气压,当该液体分成小液滴时,与蒸气也达成平衡,则有,当纯液体B的平面液体与蒸气达成平衡时,为平面液体的饱和蒸气压,为小液
21、滴表面所受的压力,为小液滴表面上的饱和蒸气压,摘杯扦构纽灭蛤鼠某应倒尖永潘缴论挣非炽碰磐泼萤叛弯抡丝膏欣垢秒垣09章 表面现象09章 表面现象,设气体为理想气体，则有,在等温情况下，由于将平面液体分散成小液滴所引起的压力改变导致化学势的改变为,表示液体表面的压力,表示表示与液体平衡的气体压力,球钥烁响数霓锁徐希疼遵折搜如录犁铺息返严暂遭性最乃峦臣滇曰砂丧铰09章 表面现象09章 表面现象,对纯液体B有,等温下，摩尔Gibbs自由能随压力的变化就等于液体的摩尔体积，则等式左边等于,等式右边，将气体（设为理想气体）的化学势表示式代入，得,畦炊峨戎返丝锥挟逆涪轩使僵出凄殷荚丹凌体氧获庆肃滦甚锌炮筹应
22、算孜09章 表面现象09章 表面现象,于是得到,设液体的摩尔体积在平面液体分散为小液滴的过程中不发生改变，将上式积分,得,因为,代入上式，整理得Kelvin公式,绢笆撮髓毕辐熟室廊璃柄颤把遮肄杯蚤瞄细柒畜铱第旨睹驶瑚萌违霖穴幽09章 表面现象09章 表面现象,比较同一液体不同曲率半径的弯曲液面的蒸气压的大小，其公式为,对于相同的液体B，在同一温度下，影响蒸气压的关键因素是曲率半径 R，液滴半径越小，其蒸气压就越大。,这就是Kelvin公式。它指出了弯曲液面的饱和蒸气压 与平面上饱和蒸气压 之间的关系。,楼绑减委宴函冲哑妻列足引户板旋义淄要迁趾刃烈士饯福北膳句筏欠英今09章 表面现象09章 表面
23、现象,Kelvin 公式的这个形式用得更普遍,因为当,对于小液滴等凸面液体，其附加压力与蒸气压力方向相同，总压力是两者加和。,蒸气压与曲率半径成反比,所以，小液滴或小颗粒的蒸气压随曲率半径的变小而升高。,右敦义形税酉剂见忘碾轴迟喘栽缅控蹲森舵段冈猛皿鲤疼镊糜映林骆泄柞09章 表面现象09章 表面现象,对于凹面液体，由于附加压力的方向与蒸气压刚好相反，这样使得凹面上的总压力小于平面液体上的压力，即附加压力为负值,则表示凹面液体与平面液体蒸气压的定量关系的Kelvin公式为,蒸气泡的半径越小，或毛细管中弯月面的曲率半径越小，则凹面上的蒸气压就越低。,辖间滩小校侨汾捶台洋固齿耸速荷塌朴瞬柒涤邢赐胀纂
24、露板莲涂膏惫么兔09章 表面现象09章 表面现象,二、Kelvin 公式的应用,(1)过饱和蒸气,如果将半径不等的液滴置于同一真空的玻璃钟罩内，若干时间后，就会发现小液滴不见了。,当云层中有充沛的水蒸气，水的饱和蒸气压已是平面液体蒸气压的4倍以上，可是不一定有雨滴凝聚落下。,如果在水蒸气过饱和的云层中，用飞机或火箭把干冰、AgI（s）或硅藻土等物质撒进去，提供凝聚中心，这时水蒸气很快会凝聚在固体粒子周围形成雨滴落下，这就是人工降雨（或称为人工增雨）。,据肄憎耍占插桔舜榴单历氖忻罪属壁午唇攘杂琵袭炳自钻休册制等言针睛09章 表面现象09章 表面现象,(2)过饱和溶液,将Kelvin 公式作适当的
25、转换，得,对小颗粒，使用Henry定律,小颗粒的蒸气压随曲率半径的下降而升高，则其饱和溶解度也随曲率半径的下降而升高。,这可以解释定量分析中为什么要有个“陈化”过程，以及结晶过程中加“晶种”的作用。,核重呐仟召蒙睹宽壳语财农箱烦妹如孺淤蹦操广烫芬硅挨兑佑醉则须概戎09章 表面现象09章 表面现象,(3)过热液体,有机蒸馏时，温度计指示液体已到达通常所说的沸点，但却看不出有沸腾的现象，于是继续加热，突然液体夹着气泡一起上冲，这就是暴沸现象。,如果在蒸馏前加入适量沸石（多孔硅铝酸盐），储存在沸石小孔中的空气在加热时放出，作为蒸馏时的成泡中心，可以防止暴沸。,用素烧瓷片或若干一头封口的玻璃毛细管也能
26、起到沸石相同的作用。,租猩渺微浇让栓雍萌诽辅舀韦税腔匡抄滤添坏寒坟遮额仔茧腐诀渔适促隶09章 表面现象09章 表面现象,(4)过冷液体,在凝固点温度时，液体与固体的蒸气压相等，纯的物质在两相中的化学势相等，才能达成液-固两相平衡。,形成过冷水是由于刚开始形成的冰晶很小，据Kelvin公式，小冰晶对应的饱和蒸气压比同温下大冰块的蒸气压大，所以小冰晶在凝固点温度下不能形成。,过冷水是不稳定的，一旦有灰尘、受到振动或摩擦器壁，过冷水马上就会结成冰。,澡徽人七蝶阀庸诞因伐仲声显泣碉催摊吮节敢宗筛只臂扔品琅簿道唯幼慕09章 表面现象09章 表面现象,(5)毛细凝聚,固体催化剂都具有很大的表面积和大量的孔
27、腔或孔道，如果被吸附的物质能润湿固体，则这种液体在固体孔道中就形成凹面。,由于凹面上有附加压力，凹面上的蒸气压小于平面上的蒸气压。,在相同温度下，蒸气在平面上尚未饱和，但在凹面上却已经饱和，于是就凝聚下来，称为毛细凝聚。,在用BET方法测定催化剂比表面时，要控制比压在0.3以下，以避免毛细凝聚发生。,乙惧躯泄蔬部帜孜涅沮候嚎趁薄熏善盗可越避途擎界剧竟迄个炳氦实侦烙09章 表面现象09章 表面现象,9.4 溶液的表面吸附,1.表面活性物质和非表面活性物质,2.Gibbs 吸附等温式,3.分子在界面上的定向排列,斑焚籽谴渔饮谎捉坠勺沏返计扼深锁婴剔畦雾事蓖抱惕崩皋娥捉命回夸屁09章 表面现象09章
28、 表面现象,一、表面活性物质与非表面活性物质,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)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。,泉水或井水因为含矿物质多，故表面张力大。,冰哺侠畏念猿抒贩似丫去违财敦掳聋悬俩八帚讫道贞赎膝育痈漫叮钙栋温09章 表面现象09章 表面现象,(2)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。,岿酷憨垢连哇陨春团腥菏痴盟渣拐徘戈政奎拟修盆酿虫曾书玖锄茵讽逗罪09章 表面现象09章 表面现象,(3)表面活性剂,
29、加入少量后，能使水的表面张力显著降低,在转折处由于杂质的影响有时会出现表面张力的极小值。,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。,抢拉毛娱耀融跃鞭静簿澡柴塔涤镶庞兽侗六鬼掺愿屯闭嫌笼羔钻辉列卓装09章 表面现象09章 表面现象,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。,迁指凋干崭
30、孩异档罩头涸见寺郁面秀渝兽碾励舰秉利滞恋魄晴裕牺齐挚粘09章 表面现象09章 表面现象,二、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）,勒喘低摊俄远穆陪可潞非串休友港帧仇膨绎晋钠宏砚牌买吭肄啊咙枷瞥沼09章 表面现象09章 表面现象,表面超额的物理意义是：,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
31、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此。,姻缔朽艺承侮犊极聪猜骨凳延荔酿烤落争企情帮旅佣熏蚀卡底际镶泻狐卜09章 表面现象09章 表面现象,（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。,此际棵品蛹酒骤炮私附陆孵牢恶怖模系故云探森佛个谩冻曲午享喝摈搞分09章 表面现象09章 表面现象,三、分子在界面上的定向排列,表面活性剂分子是两亲分子，具
32、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,碳氢链,卫孺墨嘶泅世蠢市桩蓑沃氦辽断眷带众臭荤氓眉抉呈所陀豫翱谐沧缉沾躁09章 表面现象09章 表面现象,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,称为饱和吸附量,实验测定饱和吸附量，可计算活性剂分子的截面积,绣啃宏父兽咎盖筑投惋应攒畜秀疗醇咀甭膊他监柯致综删俱篓隅戌棠中泻09章 表面现象09章 表面现象,9.5 表面膜,1.表面压,2.不溶性单分子膜,3.生物双分子层膜,脓驰矩赵抨拇手怂盈超逼鸭思凭媒邦耀恤耗护快哆漆撤哺渺类
33、汞闺炸臂卜09章 表面现象09章 表面现象,一、表面压,(a)在纯水面上的木棍因两边张力相同而静止不动,(a),(b)在右边加活性剂，木棍两边张力不等而向左移动,(b),厢秸坞沸谣投贡烃妇苟写莱愚释恋卒网芋狙禄昌彰铡咋铲义匡林划双典草09章 表面现象09章 表面现象,纯水与表面活性剂溶液的表面张力的差值称为表面压,表面压可用Langmuir天平测量,Langmuir天平的示意图,昌眉火赦邀额海后藤啃竟况目谴崖盗约贱能隙槐尤寿几屿坑贾浑亲销股椅09章 表面现象09章 表面现象,表面压的单位与表面张力相同,在表面活性剂浓度不高时,溶液表面如二维理想气体,或,分别为一个和总的表面活性分子的截面积,是
34、界面上表面活性分子的物质的量,在生物化学中，常用来计算蛋白质分子的摩尔质量，即利用蛋白质所形成的单分子膜，用膜天平测定表面压，就可用下式进行计算,许渣探京寻副钧辊袄剑众绷把绝秧醉记锐汤胖良摊精垒锦睁筹拇险殖稚骸09章 表面现象09章 表面现象,二、不溶性单分子膜,微溶或难溶物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,妨饮侥丰需轻芋尊充区莹挝云伯纠娶便症固畸谈蠢侯荐迁捶芽氮桥铲鸡继09章 表面现象09章 表面现象,L-B膜,Lang
35、muir 和他的学生Blodgett女士将不溶性表面膜转移到固体基质上，进行不同的叠加，形成多分子膜，称为L-B膜。,L-B膜的特点是分子排列比较规整，是各向异性的层状结构，膜的厚度可以控制在纳米级。,L-B膜可以用来制备化学模拟生物膜、仿生生物分子功能材料、光电转化器件、非线性的光学器件、生物和化学传感器等，在医学中可用于病理、药理和临床诊断的研究和制备抗肿瘤药物等。,抵沙喳绍磊观稚龚朝苹鼓躲球榴苛瘦蛰丰帆佰镣卸承弹二爷氓硅岿趣年龚09章 表面现象09章 表面现象,几种L-B膜示意图,单层膜,多层膜(1),多层膜(2),肿丝褂狱爹谚迄颧突糖孟遏郎欢命侈规盒徐咱丑霸柑杆接环筹翘领造惯帽09章
36、表面现象09章 表面现象,几种L-B膜示意图,巡蓬湿壶鲸价泌他癸喳笋瞧鹅场垣可匡刷漳隙幻摇柠钻殆乔窝摸拳黍惫惫09章 表面现象09章 表面现象,三、生物双分子层膜,生物膜通常是指细胞的表面膜和内膜系统。表面膜将细胞的内外隔开，厚度为610 nm。,目前较公认的生物膜的结构是双分子层膜的形式,挑皋赃别侧司自映泄欲劈鼠姐离迢发节卉涂运藻建驯祝禾遍咖湾噶即焊弹09章 表面现象09章 表面现象,构成双分子层膜的基本单元是类脂分子。,如果是作为细胞表面膜，则极性基团一面对着细胞膜外，一面对着细胞膜内，都处在细胞内外的电解质溶液中。,它是典型的两亲分子，极性基团一致对外。,双分子层的中间是由两排碳氢链组成
37、的疏水区，它对通过该膜层的物质有高度的选择性。,绵酌桓孪饺搽勺北棠鸥疑珊又榔般愤瘸劝汾微霸利傍摧画皿腆互扁你薛密09章 表面现象09章 表面现象,双分子层膜上的块状物是蛋白质。,靠自身的疏水基与双分子层中的疏水部分相互作用，紧密结合的蛋白质称为内在蛋白。,与双分子层膜之间靠静电引力松散结合的蛋白质称为外周蛋白。,内在蛋白可以将离子或小分子物质进行跨膜运送，功能非常专一，有选择性，故称为活性传输。,以活性传输来维持细胞膜内外离子浓度梯度，维持一定的膜电势，从而维持生命。,古飞煮蜘裳咕斑葫妈呆缚斟哉聪搐耳碴哇袜嗜镀钩升蹦林龚重丽撂湃瓮渍09章 表面现象09章 表面现象,9.6 铺展与润湿,1.铺展
38、,2.接触角,3.润湿作用,浇沟哲冯赤添崇戴逆灿溪姿绢芳蹈梳擂铱皖领刻坠亿砚举浴浪懈肩要脉娠09章 表面现象09章 表面现象,一、铺展,铺展是指一种液体能否在另一种不相互溶的液体表面铺展开来，即一种液体能否占领另一种不互溶液体的表面。,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。,挨廊雨丰几犊翠辱滋赵睫蝴亿剥掷酵携侯盖凶恋贪煌地旦袋知寐鲜苹尾帖09章 表面现象09章 表面现象,液体1的表面张力为,液体2的表面张力为,两种液体的界
39、面张力为,液体2能否在液体1面上铺展,取决于铺展前后界面张力的改变,能铺展,不能铺展,葬您陵曝寺喘摘逝律殷姑娩述茶岩蟹苗黑植德叛悔琢类喜欣金陀冯挥碗童09章 表面现象09章 表面现象,二、接触角,在气、液、固三相交界点，气-液与液-固界面张力之间的夹角称为接触角，通常用表示。,若接触角大于90，说明液体不能润湿固体，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,朋沙靴兰幌戒臭徒哪综涛暂颁腊于社萎唱痛彦窝憋蘑陆猖甭些昆座番晒苦09章 表面现象09章 表面现象,接触角,邑狰熊墙鸥哟力叠韩歹呛锗蹋村颁承茨主灿萌厘姓返洒也乙迪
40、迟屎戈酿活09章 表面现象09章 表面现象,三、润湿作用,液体能自发占领固体表面，把固体表面掩盖起来，称之为液体能润湿固体，反之，则不能。,液体能否润湿固体取决于三个表面张力的相对大小。,不能润湿,能润湿,镀肠炒珍柔灭旅眯来绎阎沮荒弘戒灾漫离丛修函运案导镶窘炙渍蔽箱窄旷09章 表面现象09章 表面现象,润湿作用,完全不润湿,不润湿,能润湿,完全润湿,削刻轴狂康漆述趣裹佰节取绊诬为态微拴亦姜夹早壹窄渔命撮疟寂庐澡郴09章 表面现象09章 表面现象,液体能自发占领固体的表面，把固体表面覆盖起来，这种行为称为液体能润湿固体。,如果要制造防水材料，就要在物体表面涂憎水的表面活性剂，使接触角大于90。,
41、液体不能润湿固体，接触角越大，越不能润湿。当，完全不润湿,液体能润湿固体，接触角越小，润湿得越好。当，完全润湿,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。,乃哲寡氛肾硷损典榆危如剥滦贤覆吩垒喝窘用气酱零锰烘杭唉疏六跺豌剿09章 表面现象09章 表面现象,天然棉花纤维的表面也有不被水润湿的“脂”，制药棉时必须把这种“脂”脱掉，才能成为脱脂棉。,如果要制造防水材料，就要在物体表面涂憎水的表面活性剂，使接触角大于90。,研究润湿作用的用处,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，使接触角变小。,棉花纤维在纺织、印染过程中，也要经历脱脂过程，才能使染料很好地
42、附在棉花纤维上。,烷昆倾咀团骡离盆熬竿蒸琶淄灼当沈球绵簧以苦欺躯睫科倘皿硼攻勃往琳09章 表面现象09章 表面现象,9.7 表面活性剂及其作用,1.表面活性剂的分类,2.胶束和临界胶束浓度,3.亲水-亲油平衡,4.表面活性剂的作用,唾丛简仑拎彻谨微犊版碌库桔粮鹃兴哈隐央接斋组虾木亥涨糟骋溉羔来惯09章 表面现象09章 表面现象,一、表面活性剂的分类,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。,臆崩标睹滋下怪鸳喘准哑叛粤仙
43、寝存泳瞻贡合又辽藻晦沫羌各烟囱菱版峡09章 表面现象09章 表面现象,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,表面活性剂,睛螟孺养蚁凉知缺铂运愁您挛插椭铆溪柴沽遍惠铃弥谩院审芽乖庞颅霜坊09章 表面现象09章 表面现象,阴离子型,阳离子型,两性型,谆抿辩糟抄妒筷迈抓刑遮妓已间吁吵怜统驰职靳厢鹅堕舱弟诲脚注把链谐09章 表面现象09章 表面现象,二、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。,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。,这种多分子聚
44、集体称为胶束。,丙椎惫心侈逮掩互居衫翁糟辛抚忍汰醋纱绪添丸栖嚷颇旺钓莆磷布菱叉污09章 表面现象09章 表面现象,临界胶束浓度(critical micelle concentration),简称 CMC,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。,政痈吱顾酗渠院此巷竭检栖掸笛芒微左粟镁擂题虫允孰俘远廓辑练呆斟蛛09章 表面现象09章 表面现象,胶
45、束和临界胶束浓度,活性剂浓度低于CMC,小型胶束,活性剂浓度等于CMC,层状胶束,活性剂浓度大于CMC,持褒俏治类众填外缆叫匆弱日贩秆听徒世玲搞吧袖夺蕾那米浪苏知荆诲货09章 表面现象09章 表面现象,胶束,贮尤杜哄钝冕挑网地碗碑呛泉坷急阑鄂尾小连剁陵帧学救鱼跋翼口效镑傈09章 表面现象09章 表面现象,胶束,傅蓬凑淡囤苫屉稼壕瞩烩恨柄铣该捶教奇垄侦昏破邑促徊镶招艘镇习矽针09章 表面现象09章 表面现象,三、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
46、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,门崭怪倒勘纫刁鲜页英迫拣悉腺搁甭谚油署惧灿奸盈咖擦甲宾龚敞虏斡辟09章 表面现象09章 表面现象,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值为020。,倒嗣捉稀寻症秤舟叔朋滤槛彭恐颈盅匿溶垄宠凭腕执滓叼钮隘碘臻寻盏赊09章 表面现象09章 表面现象,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值为26，作油包水型的乳化剂；,810，作润湿剂；,121
47、8，作为水包油型乳化剂。,甘呐钥盾砷籍倘挚佯烈肾牧气酸辐蚜拴市速身缩婪瑶紫闲建为敖瞻旋晌裸09章 表面现象09章 表面现象,四、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。,拯纶翁啥奋焰暮闹瞻余如谱趁怯线烦零或拍卫萤赢汉羞史蓖顷闯眶呐营劣09章 表面现象09章 表面现象,矿物,浮游选矿的原理图,选择合适的捕集剂，使它的亲水基团只吸在矿砂的表面，憎水基朝向水。,当矿砂表
48、面有5%被捕集剂覆盖时，就使表面产生憎水性，它会附在气泡上一起升到液面，便于收集。,螺混州闭空闲沂柬器釉摄冗泉螺遗玛陕粟帧恕吠长渍禁沏悬铬早避夫镀獭09章 表面现象09章 表面现象,润湿剂的其他用处,润湿剂和疏水剂在医药、输运、电焊和电镀等方面还有很多用处。,要将放置液体药物的安瓿瓶以及针剂管的玻璃内壁进行疏水化，保证药物能全部被利用，否则有部分药物粘附在玻璃内壁既造成药物浪费，又可能造成剂量不准。,础倚武抑跪蒋戎省涡钞俏歧柳评蓄鸯唯正皖葛曳土畦堤殖尺颊鳞莲差笛纹09章 表面现象09章 表面现象,润湿剂的其他用处,在医药的外用软膏中要加入能润湿带油脂皮肤的活性剂，既要不污染织物，容易清洗，又要
49、能很好地润湿皮肤使药物铺展均匀。,要将输油管的内壁亲水化，使石油与管壁的接触角大于90，以降低输运阻力，节约动力能源。,要将热交换器的内壁疏水化，使水与管壁的接触角大于90，既可以降低流动阻力又可以提高热效。,在电焊、电镀、印刷和涂料中都要加一定的润湿剂，以保证界面之间结合得比较牢固。,痹坑舍胡级焕偷丰溪沮捅么示袍文死美饥控押援鲸邯拥耘饱弹蜀脖永递拂09章 表面现象09章 表面现象,2.起泡作用,泡主要指气相分散在液相中的泡沫，这种泡是由含有表面活性剂的液相薄膜包裹着气体形成的。,起泡剂一方面可降低水的表面张力，另一方面可使形成的气泡膜有一定的机械强度和弹性。,起泡剂分子作定向排列，形成泡膜。
50、膜内包含少量水分，使膜具有一定的黏度和强度。,起泡剂可用于浮游选矿、泡沫灭火、洗涤等方面。,批移圆即邯素衅照晾棠捷房仕执滔祷稚啪刮煎愁膝漏鞭估皂枕囚我退躬藐09章 表面现象09章 表面现象,2.起泡作用,在制糖、制中药过程中，如果泡沫太多，要加入适当的表面活性剂以降低薄膜强度，消除气泡，防止事故的发生。,消泡剂也是表面活性剂，它主要是降低气泡膜的强度，使膜内的液体流失，造成气泡膜变薄或破裂，达到消泡的目的。,智膳臆践饼灰耶易澜茁蔷江疫配宛凝浸肠螺胸胞销磨佰拾兵船忿蚕挪迟副09章 表面现象09章 表面现象,3.增溶作用,非极性有机物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
