物理化学下册公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx

上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第十三章第十三章 表面物理化学表面物理化学表面吉布斯自由能和表面张力表面吉布斯自由能和表面张力表面吉布斯自由能和表面张力表面吉布斯自由能和表面张力弯曲表面下附加压力和蒸汽压弯曲表面下附加压力和蒸汽压弯曲表面下附加压力和蒸汽压弯曲表面下附加压力和蒸汽压液体界面性质液体界面性质液体界面性质液体界面性质不溶性表面膜不溶性表面膜不溶性表面膜不溶性表面膜液液液液-固界面现象固界面现象固界面现象固界面现象表面活性剂及其作用表面活性剂及其作用表面活性剂及其作用表面活性剂及其作用固体表面吸附固体表面吸附固体表面吸附固体表面吸附/10/10第1页第1页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录表面和界面表面和界面(surface and interface)界面是指两相接触约几种分子厚度过渡区，若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。常见界面有：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界面，但习惯上把液体或固体与空气界面称为液体或固体表面。/10/10第2页第2页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录表面和界面表面和界面(surface and interface)常见界面有：1.气-液界面/10/10第3页第3页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录表面和界面表面和界面(surface and interface)2.气-固界面/10/10第4页第4页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录表面和界面表面和界面(surface and interface)3.液-液界面/10/10第5页第5页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录表面和界面表面和界面(surface and interface)4.液-固界面/10/10第6页第6页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录表面和界面表面和界面(surface and interface)5.固-固界面/10/10第7页第7页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录界面现象本质界面现象本质表面层分子与内部分子相比，它们所处环境不同。体相内部分子所受四周邻近相同分子作用力是对称，各个方向力彼此抵销；但是处在界面层分子，一方面受到体相内相同物质分子作用，其次受到性质不同另一相中物质分子作用，其作用力未必能相互抵销，因此，界面层会显示出一些独特性质。/10/10第8页第8页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录界面现象本质界面现象本质 最简朴例子是液体及其蒸气构成表面。液体内部分子所受力能够彼此抵销，但表面分子受到体相分子拉力大，受到气相分子拉力小（由于气相密度低），因此表面分子受到被拉入体相作用力。这种作用力使表面有自动收缩到最小趋势，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。/10/10第9页第9页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录界面现象本质界面现象本质/10/10第10页第10页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录比表面（比表面（specific surface area）比表面通惯用来表示物质分散程度，有两种惯用表示办法：一个是单位质量固体所含有表面积；另一个是单位体积固体所含有表面积。即：式中，m和V分别为固体质量和体积，A为其表面积。当前惯用测定表面积办法有BET法和色谱法。/10/10第11页第11页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录分散度与比表面分散度与比表面 把物质分散成细小微粒程度称为分散度。把一定大小物质分割得越小，则分散度越高，比表面也越大。比如，把边长为1cm立方体1cm3逐步分割成小立方体时，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 6 109/10/10第12页第12页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录分散度与比表面分散度与比表面 从表上能够看出，当将边长为10-2m立方体分割成10-9m小立方体时，比表面增长了一千万倍。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 可见达到nm级超细微粒含有巨大比表面积，因而含有许多独特表面效应，成为新材料和多相催化方面研究热点。/10/10第13页第13页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录表面张力（表面张力（surface tension）在两相(尤其是气-液)界面上，处处存在着一个张力，它垂直与表面边界，指向液体方向并与表面相切。将一含有一个活动边框金属线框架放在肥皂液中，然后取出悬挂，活动边在下面。由于金属框上肥皂膜表面张力作用，可滑动边会被向上拉，直至顶部。/10/10第14页第14页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录表面张力（表面张力（surface tension）假如在活动边框上挂一重物，使重物质量W2与边框质量W1所产生重力F（F=（W1+W2）g）与总表面张力大小相等方向相反，则金属丝不再滑动。这时 l是滑动边长度，因膜有两个面，因此边界总长度为2l，就是作用于单位边界上表面张力。/10/10第15页第15页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录表面张力（表面张力（surface tension）假如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。(a)(b)由于以线圈为边界两边表面张力大小相等方向相反，因此线圈成任意形状可在液膜上移动，见(a)图。假如刺破线圈中央液膜，线圈内侧张力消失，外侧表面张力马上将线圈绷成一个圆形，见(b)图，清楚显示出表面张力存在。/10/10第16页第16页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录表面张力（表面张力（surface tension）（a）（b）/10/10第17页第17页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录表面功（表面功（surface work）式中为百分比系数，它在数值上等于当T，P及构成恒定条件下，增长单位表面积时所必须对体系做可逆非膨胀功。因为表面层分子受力情况与本体中不同，因此假如要把分子从内部移到界面，或可逆增加表面积，就必须克服体系内部分子之间作用力，对体系做功。温度、压力和构成恒定期，可逆使表面积增长dA所需要对体系作功，称为表面功。用公式表示为：/10/10第18页第18页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录表面自由能表面自由能(surface free energy)由此可得：考虑了表面功，热力学基本公式中应相应增长 dA一项，即：/10/10第19页第19页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录表面自由能表面自由能(surface free energy)广义表面自由能定义：狭义表面自由能定义：保持温度、压力和构成不变，每增长单位表面积时，Gibbs自由能增长值称为表面Gibbs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。保持相应特性变量不变，每增长单位表面积时，相应热力学函数增值。/10/10第20页第20页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录表面张力测量办法：表面张力测量办法：毛细管上升法毛细管上升法吊环法吊环法最大压力气泡法最大压力气泡法吊片法等吊片法等表面张力（表面张力（surface tensionsurface tension）/10/10第21页第21页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录影响表面张力原因影响表面张力原因（1）分子间互相作用力影响（2）温度影响 温度升高，表面张力下降。（3）压力影响 表面张力普通随压力增长而下降。由于压力增长，气相密度增长，表面分子受力不均匀性略有好转。另外，若是气相中有别物质，则压力增长，促使表面吸附增长，气体溶解度增长，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化学键能大小，普通化学键越强，表面张力越大。(金属键)(离子键)(极性共价键)(非极性共价键)两种液体间界面张力，界于两种液体表面张力之间。/10/10第22页第22页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录非表面活性物质非表面活性物质 能使水表面张力明显升高溶质称为非表面活性物质。如无机盐和不挥发酸、碱等。这些物质离子有水合作用，趋向于把水分子拖入水中，非表面活性物质在表面浓度低于在本体浓度。假如要增长单位表面积，所作功中还必须包括克服静电引力所消耗功，因此表面张力升高。/10/10第23页第23页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录表面活性物质表面活性物质 能使水表面张力明显减少溶质称为表面活性物质。这种物质通常含有亲水极性基团和憎水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。表面活性物质表面浓度不小于本体浓度，增长单位面积所需功较纯水小。非极性成份愈大，表面活性也愈大。/10/10第24页第24页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录 IIIIII浓度浓度O 曲线曲线 I 表示，溶液浓度增大，表示，溶液浓度增大，表面张力表面张力 略有升高；略有升高；无机盐无机盐（NaCl）、无机酸、无机酸(H2SO4)、无机碱无机碱(KOH)、多羟基化合物、多羟基化合物(蔗糖、甘蔗糖、甘 油油)。溶质浓度对表面张力影响溶质浓度对表面张力影响 曲线曲线表示，浓度增长，表示，浓度增长，缓缓慢减少慢减少。(醇、酸、醛、酯、酮、醇、酸、醛、酯、酮、醚醚 等极性有机物等极性有机物)。曲线曲线、在低浓度时，浓度增长，、在低浓度时，浓度增长，急剧下降急剧下降，在一定浓，在一定浓度以上，浓度增长，度以上，浓度增长，几乎不变。化合物为：几乎不变。化合物为：RX，R 为为10个或个或10个以上碳原子烷基，个以上碳原子烷基，X为极性基团。为极性基团。/10/10第25页第25页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录13.2 弯曲表面下附加压力与蒸气压弯曲表面下附加压力与蒸气压弯曲表面下附加压力1.在平面上2.在凸面上3.在凹面上 Young-Laplace公式Klvin公式/10/10第26页第26页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录 弯曲表面下附加压力弯曲表面下附加压力1.在平面上剖面图 研究以AB为直径一个环作为边界，由于环上每点两边都存在表面张力，大小相等，方向相反，因此没有附加压力。附加压力Ps等于零。液面正面图/10/10第27页第27页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录弯曲表面下附加压力弯曲表面下附加压力（2）在凸面上：剖面图附加压力示意图 研究以AB为弦长一个球面上环作为边界。由于环上每点两边表面张力都与液面相切，大小相等，但不在同一平面上，因此会产生一个向下合力。所有点产生总压力为Ps，称为附加压力。凸面上受总压力为：Po+Ps/10/10第28页第28页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录弯曲表面下附加压力弯曲表面下附加压力（3）在凹面上：剖面图附加压力示意图 研究以AB为弦长一个球形凹面上环作为边界。由于环上每点两边表面张力都与凹形液面相切，大小相等，但不在同一平面上，因此会产生一个向上合力。所有点产生总压力为Ps，称为附加压力。凹面上向下总压力为：Po-Ps，因此凹面上所受压力比平面上小。/10/10第29页第29页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录杨杨-拉普拉斯公式拉普拉斯公式 18Young-Laplace导出了附加压力与曲率半径之间关系式：特殊式（对球面）：依据数学上要求，凸面曲率半径取正值，凹面曲率半径取负值。因此，凸面附加压力指向液体，凹面附加压力指向气体，即附加压力总是指向球面球心。普通式：/10/10第30页第30页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Young-Laplace特殊式推导特殊式推导(1)在毛细管内充斥液体，管端有半径为R 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/10/10第31页第31页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Young-Laplace特殊式推导特殊式推导2.对活塞稍加压力，将毛细管内液体压出少许，使液滴体积增长dV，相应地其表面积增长dA。克服附加压力ps环境所作功与可逆增长表面积吉布斯自由能增长应当相等。代入得：/10/10第32页第32页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录毛细现象：毛细现象：将一支半径一定毛细管垂直插入将一支半径一定毛细管垂直插入某液体中。若某液体中。若 角角 90，cos 0,h 0，表，表明管内凸液面下降深度。比如玻璃毛细管插入汞内，则呈现明管内凸液面下降深度。比如玻璃毛细管插入汞内，则呈现毛细管内水银面下降现象。毛细管内水银面下降现象。当玻璃管插入汞中当玻璃管插入汞中当玻璃管插入水中当玻璃管插入水中附加压力与毛细管中液面高度关系附加压力与毛细管中液面高度关系/10/10第35页第35页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录由以上讨论可知，由于表面张力存在，因此弯曲液由以上讨论可知，由于表面张力存在，因此弯曲液面有附加压力，又由于弯曲液面有附加压力，因此有面有附加压力，又由于弯曲液面有附加压力，因此有毛细管现象。因此归根结底，毛细管现象原因是由于毛细管现象。因此归根结底，毛细管现象原因是由于有表面张力存在。农民锄地，不但铲除了杂草，也破有表面张力存在。农民锄地，不但铲除了杂草，也破坏了土壤中毛细管，能够预防水分沿毛细管升到地坏了土壤中毛细管，能够预防水分沿毛细管升到地面而蒸发。面而蒸发。/10/10第36页第36页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录弯曲表面上蒸汽压弯曲表面上蒸汽压开尔文公式开尔文公式在一定温度与外压下，纯液体有一定饱和蒸气压，但这“饱和蒸气压”指是平面液体。试验表明，微小液滴饱和蒸气压不同于平面液体饱和蒸气压，这说明，蒸气压不但与温度，压力与物质本性相关，还与液滴大小，即其曲率半径有关。/10/10第37页第37页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录弯曲表面上蒸汽压弯曲表面上蒸汽压开尔文公式开尔文公式取1molA物质T,PT,P平面液体平面液体可逆相变可逆相变G G1 10 0T,PT,P饱和蒸汽（饱和蒸汽（p.gp.g）T,PrT,Pr小液滴小液滴G G3 30 0可逆相变可逆相变饱和蒸汽（饱和蒸汽（p.gp.g）T,PrT,PrG G2 2G G4 4/10/10第38页第38页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录弯曲表面上蒸汽压弯曲表面上蒸汽压弯曲表面上蒸汽压弯曲表面上蒸汽压开尔文公式开尔文公式开尔文公式开尔文公式G1 G2 G3 G40G2 G4对于单组分体系dG=-SdT+VdPdG=-SdT+VdPT一定dG=VdPdG=VdP/10/10第39页第39页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录弯曲表面上蒸汽压弯曲表面上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。/10/10第40页第40页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录弯曲表面上蒸汽压弯曲表面上蒸汽压开尔文公式开尔文公式Kelvin公式也能够表示为两种不同曲率半径液滴或蒸汽泡蒸汽压之比，或两种不同大小颗粒饱和溶液浓度之比。对凸面，R取正值，R越小，液滴蒸汽压越高，或小颗粒溶解度越大。对凹面，R取负值，R越小，小蒸汽泡中蒸汽 压越低。/10/10第41页第41页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录弯曲表面上蒸汽压弯曲表面上蒸汽压开尔文公式开尔文公式凹液面（如气泡中）上方饱和蒸汽压比平液面小凹液面（如气泡中）上方饱和蒸汽压比平液面小产生毛细凝结原因产生毛细凝结原因毛细凝结：毛细凝结：液体在毛细管中形成凹液面时，一定温液体在毛细管中形成凹液面时，一定温 度下，平液面还没有达到饱和蒸汽，而度下，平液面还没有达到饱和蒸汽，而 对毛细管内液面已经达到饱和或者过对毛细管内液面已经达到饱和或者过 饱和状态，蒸汽将在毛细管中凝结，饱和状态，蒸汽将在毛细管中凝结，这种现象称为毛细凝结。这种现象称为毛细凝结。硅胶是一个多孔性物质，可自动吸附空气中水蒸气，硅胶是一个多孔性物质，可自动吸附空气中水蒸气，在毛细管中发生凝结现象，用来干燥空气在毛细管中发生凝结现象，用来干燥空气/10/10第42页第42页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录弯曲表面上蒸汽压弯曲表面上蒸汽压开尔文公式开尔文公式利用Kelvin公式解释一些常见现象。1、过热现象达到沸腾温度时液体应当沸腾而不沸腾现象。达到沸腾温度时液体应当沸腾而不沸腾现象。由于沸腾是液体除了表面气化，内部也要产气愤泡由于沸腾是液体除了表面气化，内部也要产气愤泡（新相）。而气泡从无到有，由于弯曲液面附加压（新相）。而气泡从无到有，由于弯曲液面附加压力，微小气泡难以生成。力，微小气泡难以生成。为了预防液体过热，常在液体中投入一些素烧瓷为了预防液体过热，常在液体中投入一些素烧瓷片或毛细管等物质。加热时这些多孔物质中气体冒片或毛细管等物质。加热时这些多孔物质中气体冒出，成为新相种子，绕过了产生微小气泡困难。大出，成为新相种子，绕过了产生微小气泡困难。大大减少了过热程度。大减少了过热程度。/10/10第43页第43页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录 人工降雨人工降雨即是用飞机向水蒸气已达饱和云层喷洒即是用飞机向水蒸气已达饱和云层喷洒微小微小AgIAgI颗粒，此时，颗粒，此时，AgIAgI颗粒成为水凝结中心，使颗粒成为水凝结中心，使 新相新相(水滴水滴)生成所需过饱和程度减少，使云层中水蒸生成所需过饱和程度减少，使云层中水蒸气容易凝结而下雨。气容易凝结而下雨。弯曲表面上蒸汽压弯曲表面上蒸汽压开尔文公式开尔文公式 应当凝固而未凝固液体，称为过冷液体。比如，应当凝固而未凝固液体，称为过冷液体。比如，纯净水，能够冷却到纯净水，能够冷却到 40C 40C而不结冰。但若在过而不结冰。但若在过冷液体中，若加入小晶体为晶种，能使液体快速凝固。冷液体中，若加入小晶体为晶种，能使液体快速凝固。（2）过冷现象/10/10第44页第44页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录13.3 13.3 溶液表面吸附溶液表面吸附 溶液表面吸附作用造成表面浓度与体相浓度溶液表面吸附作用造成表面浓度与体相浓度差别，这种差别称为差别，这种差别称为表面过剩。表面过剩。把物质在溶液表面上富集现象称为把物质在溶液表面上富集现象称为吸附。吸附。正吸附作用：在表面层百分比不小于在本体溶液中所占在表面层百分比不小于在本体溶液中所占百分比。（表面活性物质）百分比。（表面活性物质）负吸附作用：在表面层百分比小于在本体溶液中所占在表面层百分比小于在本体溶液中所占 百分比。（非表面活性物质）百分比。（非表面活性物质）/10/10第45页第45页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Gibbs吸附公式吸附公式它物理意义是：在单位面积表面层中，所含溶质物质量与含有相同数量溶剂本体溶液中所含溶质物质量之差值。式中G为溶质在表面超额。a2是溶质活度，dg/da2是在等温下，表面张力g 随溶质活度改变率。/10/10第46页第46页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录正吸附和负吸附正吸附和负吸附吉布斯吸附公式通常也表示为下列形式：1.dg/dc20，增长溶质2浓度使表面张力升高，G2为负值，是负吸附。表面层中溶质浓度低于本体浓度。非表面活性物质属于这种情况。/10/10第47页第47页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录两亲分子在气液界面上定向排列两亲分子在气液界面上定向排列 依据试验，脂肪酸在水中浓度达到一定数值后，它在表面层中超额为一定值，与本体浓度无关，并且和它碳氢链长度也无关。这时，表面吸附已达到饱和，脂肪酸分子合理排列是羧基向水，碳氢链向空气。/10/10第48页第48页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录两亲分子在气液界面上定向排列两亲分子在气液界面上定向排列 依据这种紧密排列形式，能够计算每个分子所占截面积Am。式中L为阿伏加德罗常数，G2本来是表面超额，当达到饱和吸附时,G2能够作为单位表面上溶质物质量。/10/10第49页第49页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录13.4液体界面性质液体界面性质液体铺展液体铺展液体铺展液体铺展 一个液体能否在另一个不互溶液体上铺展，取决于两种液体本身表面张力和两种液体之间界面张力。普通说，铺展后，表面自由能下降，则这种铺展是自发。大多数表面自由能较低有机物能够在表面自由能较高水面上铺展。/10/10第50页第50页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录液体铺展液体铺展设液体1和2表面张力和界面张力分别为g1,g,g2,g和g1,2。12g1,gg1,2g2,g在三相接界点处，g1,g和g1,2作用力企图维持液体1不铺展；而g2,g作用是使液体铺展，假如g2,g(g1,g+g1,2)，则液体1能在液体2上铺展。/10/10第51页第51页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录13.6 液液-固界面现象固界面现象粘附功浸湿功铺展系数接触角/10/10第52页第52页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录粘附功粘附功(work of adhesion)在等温等压条件下，单位面积液面与固体表面粘附时对外所作最大功称为粘附功，它是液体能否润湿固体一个量度。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改变值负值。/10/10第53页第53页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录粘附功粘附功(work of adhesion)/10/10第54页第54页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录浸湿功浸湿功(work of immersion)等温、等压条件下，将含有单位表面积固体可逆地浸入液体中所作最大功称为浸湿功，它是液体在固体表面取代气体能力一个量度。只有浸湿功不小于或等于零，液体才干浸湿固体。在浸湿过程中，消失了单位面积气、固表面，产生了单位面积液、固界面，因此浸湿功等于该改变过程表面自由能改变值负值。/10/10第55页第55页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录浸湿功浸湿功(work of immersion)/10/10第56页第56页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录铺展系数铺展系数(spreading coefficient)等温、等压条件下，单位面积液固界面取代了单位面积气固界面并产生了单位面积气液界面，这过程表面自由能改变值负值称为铺展系数，用S表示。若S0，阐明液体能够在固体表面自动铺展。/10/10第57页第57页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录铺展系数铺展系数(spreading coefficient)/10/10第58页第58页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录接触角接触角(contact angle)在气、液、固三相交界点，气-液与固-液界面张力之间夹角称为接触角，通惯用q表示。若接触角不小于90，阐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，如水在洁净玻璃表面。接触角大小能够用试验测量，也能够用公式计算：/10/10第59页第59页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录接触角接触角(contact angle)接触角示意图：/10/10第60页第60页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录13.7 表面活性剂及其应用表面活性剂及其应用表面活性剂分类惯用表面活性剂类型表面活性剂效率和有效值胶束临界胶束浓度亲水亲油平衡表面活性剂主要作用浮游选矿乳状液类型起泡作用增溶作用乳化作用洗涤作用润湿作用/10/10第61页第61页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录表面活性剂分类表面活性剂分类 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，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。显然阳离子型和阴离子型表面活性剂不能混用，不然也许会发生沉淀而失去活性作用。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/10/10第62页第62页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录惯用表面活性剂类型惯用表面活性剂类型阳离子表面活性剂R-NH2HCl伯胺盐CH3|R-N-HCl仲胺盐|HCH3|R-N-HCl叔胺盐|CH3CH3|R-N+-CH3Cl-季胺盐|CH3/10/10第63页第63页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录惯用表面活性剂类型惯用表面活性剂类型阴离子表面活性剂RCOONa羧酸盐R-OSO3Na 硫酸酯盐R-SO3Na磺酸盐R-OPO3Na2磷酸酯盐/10/10第64页第64页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录惯用表面活性剂类型惯用表面活性剂类型两性表面活性剂R-NHCH2-CH2COOH氨基酸型CH3|R-N+-CH2COO-甜菜碱型|CH3/10/10第65页第65页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录惯用表面活性剂类型惯用表面活性剂类型R-(C6H4)-O(C2H4O)nH烷基酚聚氧乙烯醚非离子表面活性剂R2N-(C2H4O)nH聚氧乙烯烷基胺R-CONH(C2H4O)nH聚氧乙烯烷基酰胺R-COOCH2(CHOH)3H多元醇型R-O-(CH2CH2O)nH脂肪醇聚氧乙烯醚/10/10第66页第66页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录表面活性剂效率和有效值表面活性剂效率和有效值表面活性剂效率 使水表面张力明显减少所需要表面活性剂浓度。显然，所需浓度愈低，表面活性剂性能愈好。表面活性剂有效值 能够把水表面张力减少到最小值。显然，能把水表面张力降得愈低，该表面活性剂愈有效。表面活性剂效率与有效值在数值上经常是相反。比如，当憎水基团链长增长时，效率提升而有效值减少。/10/10第67页第67页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录胶束胶束(micelle)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，形成汇集体，使憎水基向里、亲水基向外，这种多分子汇集体称为胶束。伴随亲水基不同和浓度不同，形成胶束可展现棒状、层状或球状等各种形状。/10/10第68页第68页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录胶束胶束(micelle)/10/10第69页第69页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录胶束胶束(micelle)/10/10第70页第70页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录胶束胶束(micelle)/10/10第71页第71页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录胶束胶束(micelle)/10/10第72页第72页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录临界胶束浓度临界胶束浓度(critical micelle concentration)critical micelle concentration)临界胶束浓度简称CMC表面活性剂在水中伴随浓度增大，表面上汇集活性剂分子形成定向排列紧密单分子层，多出分子在体相内部也三三两两以憎水基互相靠拢，汇集在一起形成胶束，这开始形成胶束最低浓度称为临界胶束浓度。这时溶液性质与抱负性质发生偏离，在表面张力对浓度绘制曲线上会出现转折。继续增长活性剂浓度，表面张力不再减少，而体相中胶束不断增多、增大。/10/10第73页第73页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录临界胶束浓度临界胶束浓度(critical micelle concentration)critical micelle concentration)/10/10第74页第74页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录临界胶束浓度临界胶束浓度/10/10第75页第75页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录亲水亲油平衡亲水亲油平衡(hydrophile-lipophile balance)表面活性剂都是两亲分子，因为亲水和亲油基团不同，极难用相同单位来衡量，因此Griffin提出了用一个相正确值即HLB值来表示表面活性物质亲水性。对非离子型表面活性剂，HLB计算公式为：HLB值=亲水基质量亲水基质量+憎水基质量100/5比如：石蜡无亲水基，因此HLB=0 聚乙二醇，所有是亲水基，HLB=20。其余非离子型表面活性剂HLB值介于020之间。/10/10第76页第76页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录亲水亲油平衡亲水亲油平衡(hydrophile-lipophile balance)依据需要，可依据HLB值选择适当表面活性剂。比如：HLB值在26之间，可作油包水型乳化剂；810之间作润湿剂；1218之间作为水包油型乳化剂。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/10/10第77页第77页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录表面活性剂主要作用表面活性剂主要作用表面活性剂用途极广，主要有五个方面：1.润湿作用 表面活性剂能够减少液体表面张力，改变接触角大小，从而达到所需目的。比如，要农药润湿带蜡植物表面，要在农药中加表面活性剂；假如要制造防水材料，就要在表面涂憎水表面活性剂，使接触角不小于90。/10/10第78页第78页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录表面活性剂主要作用表面活性剂主要作用2.起泡作用 “泡”就是由液体薄膜包围着气体。有表面活性剂和水能够形成一定强度薄膜，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。也有时要使用消泡剂，在制糖、制中药过程中泡沫太多，要加入适当表面活性剂减少薄膜强度，消除气泡，预防事故。/10/10第79页第79页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录表面活性剂主要作用表面活性剂主要作用/10/10第80页第80页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录表面活性剂主要作用表面活性剂主要作用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，苯在水中溶解度大大增长，这称为增溶作用。增溶作用与普通溶解概念是不同，增溶苯不是均匀分散在水中，而是分散在油酸根分子形成胶束中。经X射线衍射证实，增溶后各种胶束都有不同程度增大，而整个溶液依数性改变不大。/10/10第81页第81页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录表面活性剂主要作用表面活性剂主要作用4.乳化作用 一个或几种液体以不小于10-7m直径液珠分散在另一不相混溶液体之中形成粗分散体系称为乳状液。要使它稳定存在必须加乳化剂。依据乳化剂结构不同能够形成以水为连续相水包油乳状液(O/W)，或以油为连续相油包水乳状液(W/O)。有时为了破坏乳状液需加入另一个表面活性剂，称为破乳剂，将乳状液中分散相和分散介质分开。比如原油中需要加入破乳剂将油与水分开。/10/10第82页第82页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录乳状液类型乳状液类型 简朴乳状液通常分为两大类。习惯上将不溶于水有机物称油，将不连续以液珠形式存在相称为内相，将连续存在液相称为外相。1.水包油乳状液，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。2.油包水乳状液，用W/O表示。内相为水，外相为油，如油井中喷出原油。/10/10第83页第83页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录乳状液类型乳状液类型检查水包油乳状液加入水溶性染料如亚甲基蓝，阐明水是连续相。加入油溶性染料红色苏丹，阐明油是不连续相。/10/10第84页第84页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录表面活性剂主要作用表面活性剂主要作用5.洗涤作用 洗涤剂中通常要加入各种辅助成份，增长对被清洗物体润湿作用，又要有起泡、增白、占领清洁表面不被再次污染等功效。其中占主要成份表面活性剂去污过程可用示意图阐明：A.水表面张力大，对油污润湿性能差，不容易把油污洗掉。/10/10第85页第85页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录表面活性剂主要作用表面活性剂主要作用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清除，洁净表面被活性剂分子占领。/10/10第86页第86页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录浮游选矿浮游选矿 首先将粗矿磨碎，倾入浮选池中。在池水中加入捕集剂和起泡剂等表面活性剂。搅拌并从池底鼓气，带有有效矿粉气泡汇集表面，搜集并灭泡浓缩，从而达到了富集目的。不含矿石泥砂、岩石留在池底，定期清除。/10/10第87页第87页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录浮游选矿浮游选矿浮游选矿原理图 选择适当捕集剂，使它亲水基团只吸在矿砂表面，憎水基朝向水。当矿砂表面有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，便于搜集。/10/10第88页第88页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录固体表面特性固体表面特性 固体表面上原子或分子与液体同样，受力也是不均匀，并且不像液体表面分子能够移动，通常它们是定位。固体表面是不均匀，即使从宏观上看似乎很光滑，但从原子水平上看是凹凸不平。同种晶体因为制备、加工不同，会含有不同表面性质，而且实际晶体晶面是不完整，会有晶格缺点、空位和位错等。正因为固体表面原子受力不对称和表面结构不均匀性，它能够吸附气体或液体分子，使表面自由能下降。而且不同部位吸附和催化活性不同。固体表面吸附固体表面吸附/10/10第89页第89页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录吸附剂和吸附质吸附剂和吸附质(adsorbent,adsorbate)当气体或蒸汽在固体表面被吸附时，固体称为吸附剂，被吸附气体称为吸附质。惯用吸附剂有：硅胶、分子筛、活性炭等。为了测定固体比表面，惯用吸附质有：氮气、水蒸气、苯或环己烷蒸汽等。/10/10第90页第90页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录吸附量表示吸附量表示 吸附量通常有两种表示办法：(2)单位质量吸附剂所吸附气体物质量。(1)单位质量吸附剂所吸附气体体积。体积要换算成原则情况(STP)/10/10第91页第91页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录吸附量与温度、压力关系吸附量与温度、压力关系 对于一定吸附剂与吸附质体系，达到吸附平衡时，吸附量是温度和吸附质压力函数，即：通常固定一个变量，求出另外两个变量之间关系，比如：(1)T=常数，q=f(p)，得吸附等温线。(2)p=常数，q=f(T)，得吸附等压线。(3)q=常数，p=f(T)，得吸附等量线。/10/10第92页第92页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录吸附等温线类型吸附等温线类型 从吸附等温线能够反应出吸附剂表面性质、孔分布以及吸附剂与吸附质之间互相作用等相关信息。常见吸附等温线有下列5种类型：/10/10第93页第93页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录吸附等温线类型吸附等温线类型()在2.5nm下列微孔吸附剂上吸附等温线属于这种类型。比如78K时N2在活性炭上吸附及水和苯蒸汽在分子筛上吸附。/10/10第94页第94页上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录吸附等温线类型吸附等温线类型()常称为