膠體與界面化學(xué)-2010

1、 膠體與界面化學(xué)Colloid & Interface Chemistry盧惠娟盧惠娟Department of Chemical EngineeringWuhan Textile University第一章第一章 緒論緒論什么是膠體？什么是膠體？ 實(shí)驗(yàn)：將一把泥土放入水中一杯泥土一杯泥土泥沙泥沙+渾濁的小土粒渾濁的小土粒（底部）（底部） 土中的鹽類土中的鹽類形成真溶液形成真溶液既不下沉、也不溶解的既不下沉、也不溶解的極為微小的土壤顆粒極為微小的土壤顆粒稱為膠體顆粒；含膠體稱為膠體顆粒；含膠體顆粒的體系稱為膠體顆粒的體系稱為膠體體系體系可見(jiàn)：膠體是一個(gè)具可見(jiàn)：膠體是一個(gè)具有巨大相有巨大相界面的

2、分散體系界面的分散體系膠體的定義膠體的定義1100nm100nm膠體體系膠體體系粗分散體系粗分散體系真溶液真溶液直徑為直徑為10nm的球形質(zhì)點(diǎn)，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)總體積為的球形質(zhì)點(diǎn)，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)總體積為1cm3時(shí)，其面積為時(shí)，其面積為 600m21861年，英國(guó)科學(xué)家年，英國(guó)科學(xué)家Thomas Graham提出膠提出膠體體（colloid）概念）概念擴(kuò)散慢；不能透過(guò)半透膜擴(kuò)散慢；不能透過(guò)半透膜 液溶膠液溶膠： 分散介質(zhì)為液體分散介質(zhì)為液體 滅火泡沫（滅火泡沫（GL）；）； 墨水（墨水（SL） 固溶膠固溶膠：分散介質(zhì)為固體：分散介質(zhì)為固體 泡沫塑料（泡沫塑料（GS）；珍珠（）；珍珠（LS）；有色玻）；有色玻璃（璃

3、（SS） 氣溶膠氣溶膠：分散介質(zhì)為氣體：分散介質(zhì)為氣體 霧（霧（LG） ； 煙塵（煙塵（SG）膠體的分類膠體的分類膠體化學(xué)研究的三個(gè)領(lǐng)域膠體化學(xué)研究的三個(gè)領(lǐng)域 大分子溶液大分子溶液（親液溶膠）（親液溶膠） 締合膠體締合膠體（表面活性劑膠束溶液）（表面活性劑膠束溶液） 溶膠溶膠（憎液溶膠）（憎液溶膠）大分子溶液，大分子溶液，如橡膠分散如橡膠分散在甲苯溶液在甲苯溶液中中金溶膠、金溶膠、As2S3溶膠溶膠乳狀液、泡沫、懸浮液等乳狀液、泡沫、懸浮液等和粗分散體系和粗分散體系（熱力學(xué)（熱力學(xué)穩(wěn)定體系）穩(wěn)定體系）（熱力學(xué)不（熱力學(xué)不穩(wěn)定體系）穩(wěn)定體系）膠體化學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史膠體化學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史 祖先制造陶器、漢

4、朝利用纖維造紙、后漢發(fā)明墨祖先制造陶器、漢朝利用纖維造紙、后漢發(fā)明墨水、豆腐制作等等水、豆腐制作等等 古埃及利用木材浸水膨脹來(lái)破裂山巖古埃及利用木材浸水膨脹來(lái)破裂山巖 1777年瑞典化學(xué)家做木炭吸附氣體的實(shí)驗(yàn)?zāi)耆鸬浠瘜W(xué)家做木炭吸附氣體的實(shí)驗(yàn) 1809年俄國(guó)化學(xué)家發(fā)現(xiàn)土粒的電泳現(xiàn)象年俄國(guó)化學(xué)家發(fā)現(xiàn)土粒的電泳現(xiàn)象 1829年英國(guó)植物學(xué)家年英國(guó)植物學(xué)家BROWN觀察花粉的布朗運(yùn)動(dòng)觀察花粉的布朗運(yùn)動(dòng)膠體化學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史膠體化學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史1861年膠體化學(xué)作為一門學(xué)科，創(chuàng)始年膠體化學(xué)作為一門學(xué)科，創(chuàng)始人英國(guó)科學(xué)家人英國(guó)科學(xué)家Thomas Graham1907年年 第一本膠體化學(xué)專門刊物第一本膠體化學(xué)專門刊

5、物膠膠體化學(xué)和工業(yè)雜志體化學(xué)和工業(yè)雜志創(chuàng)刊；（膠體化學(xué)創(chuàng)刊；（膠體化學(xué)真正作為一門獨(dú)立學(xué)科）真正作為一門獨(dú)立學(xué)科）膠體化學(xué)的研究對(duì)象和意義膠體化學(xué)的研究對(duì)象和意義為什么自然界中液滴、氣泡總是圓形的？為什為什么自然界中液滴、氣泡總是圓形的？為什么氣泡比液滴更容易破裂？么氣泡比液滴更容易破裂？思考：與膠體界面現(xiàn)象相關(guān)的幾個(gè)問(wèn)題思考：與膠體界面現(xiàn)象相關(guān)的幾個(gè)問(wèn)題毛細(xì)現(xiàn)象為什么會(huì)產(chǎn)生？毛細(xì)現(xiàn)象為什么會(huì)產(chǎn)生？人工降雨依據(jù)什么原理？人工降雨依據(jù)什么原理？為什么會(huì)產(chǎn)生液體過(guò)熱現(xiàn)象？加入沸石為為什么會(huì)產(chǎn)生液體過(guò)熱現(xiàn)象？加入沸石為什么能消除過(guò)熱現(xiàn)象？什么能消除過(guò)熱現(xiàn)象？ 水在玻璃上能鋪展，水銀在玻璃上卻形成液滴

6、水在玻璃上能鋪展，水銀在玻璃上卻形成液滴,為什么？為什么？活性碳為什么可以做防毒面具？冰箱除臭劑？活性碳為什么可以做防毒面具？冰箱除臭劑？在參觀面粉廠時(shí)在參觀面粉廠時(shí),不能穿帶鐵釘?shù)男?，為什么？不能穿帶鐵釘?shù)男瑸槭裁矗客寥罏槭裁茨軐⑺荼４嫫饋?lái)土壤為什么能將水份保存起來(lái)?如何抑制沙漠地帶水的蒸發(fā)如何抑制沙漠地帶水的蒸發(fā)?洗衣粉為什么有去污作用洗衣粉為什么有去污作用?明礬為什么能凈水明礬為什么能凈水?江河出口處為什么形成三角洲江河出口處為什么形成三角洲?怎樣除煙去塵怎樣除煙去塵? 一些涉及膠體和表面化學(xué)的實(shí)例一些涉及膠體和表面化學(xué)的實(shí)例 分析化學(xué)中的吸附指示劑、色譜等分析化學(xué)中的吸附指示劑、色

7、譜等 物理化學(xué)中的成核作用、過(guò)飽和、液晶等物理化學(xué)中的成核作用、過(guò)飽和、液晶等 生物化學(xué)和分子生物學(xué)中的電泳、膜現(xiàn)象生物化學(xué)和分子生物學(xué)中的電泳、膜現(xiàn)象 化學(xué)制造中的催化劑、洗滌劑、潤(rùn)滑劑、化學(xué)制造中的催化劑、洗滌劑、潤(rùn)滑劑、粘合劑、農(nóng)藥粘合劑、農(nóng)藥 環(huán)境科學(xué)中的氣溶膠、泡沫、污水處理、環(huán)境科學(xué)中的氣溶膠、泡沫、污水處理、 材料科學(xué)中陶瓷制品、水泥、涂料等材料科學(xué)中陶瓷制品、水泥、涂料等 日用品中的牛奶、豆?jié){等日用品中的牛奶、豆?jié){等 石油工業(yè)中的油品回收、乳化石油工業(yè)中的油品回收、乳化現(xiàn)代膠體科學(xué)的研究?jī)?nèi)容分散體系分散體系分散體系的形成與穩(wěn)定分散體系的形成與穩(wěn)定光學(xué)性能、流變性能光學(xué)性能、流變

8、性能智能流體、電磁流變體智能流體、電磁流變體界面現(xiàn)象界面現(xiàn)象潤(rùn)濕、吸附、界面潤(rùn)濕、吸附、界面電現(xiàn)象、界面雙電層電現(xiàn)象、界面雙電層結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)有序組合體有序組合體納米材料納米材料生物膜、仿生膜、溶液中的有序分生物膜、仿生膜、溶液中的有序分子組合體子組合體1.利用近代物理或化學(xué)理論解決膠體與表面化學(xué)中的利用近代物理或化學(xué)理論解決膠體與表面化學(xué)中的基本理論等問(wèn)題基本理論等問(wèn)題;量子化學(xué)研究吸附與催化量子化學(xué)研究吸附與催化;分形理論分形理論研究膠粒形貌等研究膠粒形貌等 2.現(xiàn)代精密儀器和方法的應(yīng)用現(xiàn)代精密儀器和方法的應(yīng)用:力學(xué)顯微鏡研究膠粒間的力力學(xué)顯微鏡研究膠粒間的力及表面上分子原子的形態(tài)及表面上分子原

9、子的形態(tài);能譜儀研究分子間的相互作用能譜儀研究分子間的相互作用. 3.膠體與界面化學(xué)的方法用于醫(yī)學(xué)、生理、環(huán)境、土壤、膠體與界面化學(xué)的方法用于醫(yī)學(xué)、生理、環(huán)境、土壤、大氣、海洋湖泊等學(xué)科大氣、海洋湖泊等學(xué)科 （1）新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)：組裝分子器件、超細(xì)材料）新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)：組裝分子器件、超細(xì)材料 （2）老產(chǎn)品的升級(jí)換代：洗滌劑、化妝品、顏料、）老產(chǎn)品的升級(jí)換代：洗滌劑、化妝品、顏料、 復(fù)印碳粉等復(fù)印碳粉等 （3）舊工藝更新：?jiǎn)畏稚⒐虘B(tài)膠粒的制造與收集、）舊工藝更新：?jiǎn)畏稚⒐虘B(tài)膠粒的制造與收集、 采油工藝等采油工藝等近代表面化學(xué)的發(fā)展近代表面化學(xué)的發(fā)展中國(guó)膠體與界面化學(xué)的發(fā)展中國(guó)膠體與界面化學(xué)的發(fā)展 195

10、4年年 傅鷹院士（北京大學(xué)）傅鷹院士（北京大學(xué)） 中國(guó)膠體化學(xué)的奠基人之一中國(guó)膠體化學(xué)的奠基人之一 1955年年 戴安邦院士（南京大學(xué)）戴安邦院士（南京大學(xué)） 中國(guó)有了第一批膠體化學(xué)畢業(yè)生中國(guó)有了第一批膠體化學(xué)畢業(yè)生 20世紀(jì)世紀(jì)90年代以前，只有北京大學(xué)、南京年代以前，只有北京大學(xué)、南京大學(xué)、山東大學(xué)、華東師范大學(xué)有膠體一大學(xué)、山東大學(xué)、華東師范大學(xué)有膠體一界面化學(xué)的研究機(jī)構(gòu)界面化學(xué)的研究機(jī)構(gòu) 1983年在北京大學(xué)召開(kāi)全國(guó)第一屆膠體與年在北京大學(xué)召開(kāi)全國(guó)第一屆膠體與界面化學(xué)會(huì)議，界面化學(xué)會(huì)議，2002年在山東大學(xué)召開(kāi)第年在山東大學(xué)召開(kāi)第九屆全國(guó)會(huì)議。九屆全國(guó)會(huì)議。第二章第二章 膠體的制備和性

11、質(zhì)膠體的制備和性質(zhì)1100nm離子、分子離子、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. 膠體制備的一般條件膠體制備的一般條件1. 分散相在介質(zhì)中的溶解度必須極小分散相在介質(zhì)中的溶解度必須極小2. 必須有穩(wěn)定劑存在必須有穩(wěn)定劑存在 二二. 膠體的制備方法：膠體的制備方法：1. 分散法分散法 機(jī)械分散機(jī)械分散電分散電分散超聲波分散超聲波分散膠溶法膠溶法Fe(OH)3 Fe(OH)3 （溶膠）AgCl AgCl （溶膠）加FeCl3加AgNO3或KCl2. 凝聚法凝聚法(1) 化學(xué)凝聚法化學(xué)凝聚法2HAuCl4(稀溶液稀溶液) + 3HCHO（少

12、量）（少量）+ 11KOH 2Au（溶膠）（溶膠）+ 3HCOOK +8KCl + 8H2O (2) 物理凝聚法物理凝聚法 （蒸汽驟冷法，更換溶劑法等）（蒸汽驟冷法，更換溶劑法等）煮沸FeCl3 + H2O Fe(OH)3（溶膠）（溶膠）+ 3HCl凝聚法原理凝聚法原理由溶液中析出膠粒由溶液中析出膠粒 形成晶核形成晶核 （nucleation）晶體成長(zhǎng)晶體成長(zhǎng)SScKdtdnV11t為時(shí)間，為時(shí)間，n為產(chǎn)生晶核的數(shù)目，為產(chǎn)生晶核的數(shù)目，c為析出物質(zhì)的為析出物質(zhì)的濃度，濃度，S為溶解度為溶解度晶核形成速度：晶核形成速度：ScDKV22晶體生長(zhǎng)速度：晶體生長(zhǎng)速度：D為溶質(zhì)分子的擴(kuò)散系數(shù)，為溶質(zhì)分子

13、的擴(kuò)散系數(shù)，K2為另一比例常數(shù)為另一比例常數(shù)粒子的分散度與粒子的分散度與V1成正比，成正比，V2成反比，亦即成反比，亦即與與V1/V2之比值成正比。之比值成正比。BaSO4顆粒大小與反應(yīng)物濃度的關(guān)系顆粒大小與反應(yīng)物濃度的關(guān)系Ba(CNS)2+MgSO4BaSO410-510-4mol/L10-210-1mol/L23mol/L 過(guò)飽和度對(duì)晶粒大小的影響過(guò)飽和度對(duì)晶粒大小的影響溶膠的凈化溶膠的凈化1. 滲析法（滲析法（dialysis）電滲析電滲析 electrodialysis 2. 超過(guò)濾法（超過(guò)濾法（ultrafiltration）3. 滲透與反滲透（滲透與反滲透（osmosis and

14、reverse osmosis）單分散溶膠單分散溶膠（monodispersed sol）穩(wěn)定性研究穩(wěn)定性研究流變學(xué)研究流變學(xué)研究標(biāo)準(zhǔn)顆粒標(biāo)準(zhǔn)顆粒生物膜研究生物膜研究單分散溶膠單分散溶膠光散射研究光散射研究單分散膠體用作涂布劑、催化劑、氣化劑、感光單分散膠體用作涂布劑、催化劑、氣化劑、感光材料、電子材料、顏料等方面，在性能上皆優(yōu)于材料、電子材料、顏料等方面，在性能上皆優(yōu)于多分散膠體。多分散膠體。單分散溶膠的形成機(jī)理單分散溶膠的形成機(jī)理成核擴(kuò)散控制模型成核擴(kuò)散控制模型單分散溶膠的制備方法單分散溶膠的制備方法（1）金屬鹽水溶液高溫水解法）金屬鹽水溶液高溫水解法KCr(SO4)2Cr(OH)3（2）

15、金屬絡(luò)合物高溫水解法）金屬絡(luò)合物高溫水解法Rh大粒子大粒子PVARhCl3（粒徑（粒徑0.8nm）甲醇甲醇Rh小粒子小粒子形成絡(luò)合物形成絡(luò)合物Rh3+-PVA還原作用還原作用（Rh原子）原子）晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng) （粒徑（粒徑4nm）（3）微乳液法）微乳液法=H2O/表面活性劑表面活性劑水池半徑水池半徑 R0A Cd(ClO4)2210-4mol/LB Na2S或或(NH4)2S110-4mol/L（4）溶膠）溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變法凝膠轉(zhuǎn)變法其他方法：氧化其他方法：氧化-還原反應(yīng)法、不良溶劑沉淀法、離子直接反應(yīng)還原反應(yīng)法、不良溶劑沉淀法、離子直接反應(yīng)法法FeSO4+KOHFe(OH)2KNO3Fe3O4

16、超細(xì)顆粒超細(xì)顆粒（ultrafine particle）超細(xì)顆粒的特性：超細(xì)顆粒的特性：（1）比表面積大）比表面積大（2）易形成團(tuán)聚體）易形成團(tuán)聚體（3）熔點(diǎn)低）熔點(diǎn)低（4）磁性強(qiáng)）磁性強(qiáng)（5）光吸收強(qiáng)）光吸收強(qiáng)（6）熱導(dǎo)性能好）熱導(dǎo)性能好什么叫超細(xì)顆粒？什么叫超細(xì)顆粒？超細(xì)顆粒的應(yīng)用超細(xì)顆粒的應(yīng)用（1）化學(xué)工業(yè)）化學(xué)工業(yè)（2）電子工業(yè)）電子工業(yè)（3）醫(yī)藥工業(yè)）醫(yī)藥工業(yè)（4）機(jī)械工業(yè)）機(jī)械工業(yè)超細(xì)顆粒的制備超細(xì)顆粒的制備物理方法物理方法:（1）氣相沉積法）氣相沉積法 （PVD）（2）機(jī)械粉碎法）機(jī)械粉碎法化學(xué)方法：化學(xué)方法：（1）化學(xué)氣相沉積法（）化學(xué)氣相沉積法（CVD）（2）沉淀）沉淀 法法

17、（3）限制化學(xué)環(huán)境法）限制化學(xué)環(huán)境法 （4）溶膠）溶膠-凝膠法凝膠法 （5）溶劑蒸發(fā)）溶劑蒸發(fā) 法法納米材料納米材料在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍內(nèi)的在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍內(nèi)的材料，即納米材料（材料，即納米材料（1100nm）納米材料的分類納米材料的分類 （1）納米顆粒（或納米粉體），零維納米材）納米顆粒（或納米粉體），零維納米材 料料（2）納米纖維，如納米線、納米管，一維納米材料）納米纖維，如納米線、納米管，一維納米材料 （3）納米薄膜，二維納米材料）納米薄膜，二維納米材料 （4）納米塊體）納米塊體 閱讀并思考：閱讀并思考：1. 納米粒子的結(jié)構(gòu)特征納米粒子的結(jié)構(gòu)特征

18、3. 納米陶瓷的特點(diǎn)和性納米陶瓷的特點(diǎn)和性 能能2. 納米復(fù)合材料的類納米復(fù)合材料的類 型型4. 納米二氧化鈦的性能和用納米二氧化鈦的性能和用 途途5. 納米材料的污染性和危納米材料的污染性和危 害害溶膠的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)溶膠的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)一一. 擴(kuò)擴(kuò) 散散AdxdcDdtdmFick 第一擴(kuò)散定第一擴(kuò)散定 律律D為擴(kuò)散系數(shù)為擴(kuò)散系數(shù)（diffusion coefficient）fNRTDArf6f為質(zhì)點(diǎn)在介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)阻力系為質(zhì)點(diǎn)在介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)阻力系數(shù)（數(shù)（fritional coefficient）若顆粒為球形，根據(jù)若顆粒為球形，根據(jù)Stokes定律：定律：rNRTDA61Einstein第一擴(kuò)散公式第

19、一擴(kuò)散公式為介質(zhì)粘度，為介質(zhì)粘度，r為質(zhì)點(diǎn)半徑為質(zhì)點(diǎn)半徑研究擴(kuò)散過(guò)程有何應(yīng)用？研究擴(kuò)散過(guò)程有何應(yīng)用？（1）計(jì)算球形膠粒的半徑。有了）計(jì)算球形膠粒的半徑。有了D，可根據(jù)下式，可根據(jù)下式計(jì)算膠粒的流體力學(xué)半徑計(jì)算膠粒的流體力學(xué)半徑rrNRTDA61（2）計(jì)算非球形膠粒的軸比值，判斷其形狀）計(jì)算非球形膠粒的軸比值，判斷其形狀（3）估算最大溶劑化量）估算最大溶劑化量布朗運(yùn)動(dòng)布朗運(yùn)動(dòng)rtNRTxA3布朗運(yùn)動(dòng)的起布朗運(yùn)動(dòng)的起 因？因？Einstein布朗運(yùn)動(dòng)公式布朗運(yùn)動(dòng)公式Einstein布朗運(yùn)動(dòng)公式的意布朗運(yùn)動(dòng)公式的意 義？義？Dtx2Einstein第二擴(kuò)散公式第二擴(kuò)散公式沉降沉降（sedimenta

20、tion）沉降平衡沉降平衡大氣壓隨高度的分布：大氣壓隨高度的分布：RTMghhepp/0 gxxrRTNAenn12033412膠粒濃度隨高度的變化：膠粒濃度隨高度的變化：重力作用下的沉降重力作用下的沉降rvgr63403gvr029沉降速度（沉降速度（sedimentation velocity）9202grv介質(zhì)中粒子介質(zhì)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9202grv設(shè)微粒半徑為設(shè)微粒半徑為10-3cm，粒子密度，粒子密度為為10g/cm3，介，介質(zhì)水的密度為質(zhì)水的密度為1g/cm3，水的黏度為，水的黏度為1.15mPas，試，試計(jì)算沉降速度計(jì)算沉降速度v)/(17. 0

21、101015. 19980) 110()10(2323scmv沉降分析沉降分析稱重法稱重法對(duì)多分散體系，求出其中某一定大小粒子所占質(zhì)量對(duì)多分散體系，求出其中某一定大小粒子所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即粒度分布，稱為沉降分析分?jǐn)?shù)，即粒度分布，稱為沉降分析粒子大小分布曲線粒子大小分布曲線離心場(chǎng)中的沉降離心場(chǎng)中的沉降dtdxrxr634203rvgr63403離心力場(chǎng)中沉降公式仍可應(yīng)用，但需用離心加速度離心力場(chǎng)中沉降公式仍可應(yīng)用，但需用離心加速度2x代替重力加速度代替重力加速度g，同時(shí)速度，同時(shí)速度v也需改成也需改成dx/dt2121203346ttxxdtrxdxr92ln1220212ttrxx122012l

22、n29ttxxrx1和和x2為離心時(shí)間為離心時(shí)間t1、t2時(shí)界面和旋時(shí)界面和旋轉(zhuǎn)軸間的距離轉(zhuǎn)軸間的距離2120121lnttVDxxRTM221220121ln2xxVccRTM沉降平衡法沉降平衡法沉降速度法沉降速度法溶膠的光學(xué)性質(zhì)溶膠的光學(xué)性質(zhì)丁達(dá)爾效應(yīng)（丁達(dá)爾效應(yīng)（Tyndall effect）021222122423224InnnncvIRayleigh 散射定律散射定律（1）散射光強(qiáng)度與入射光波長(zhǎng)的）散射光強(qiáng)度與入射光波長(zhǎng)的4次方成反比，次方成反比，波長(zhǎng)越短的光越易被散射。波長(zhǎng)越短的光越易被散射。（2）散射光強(qiáng)度與單位體積中的質(zhì)點(diǎn)數(shù)）散射光強(qiáng)度與單位體積中的質(zhì)點(diǎn)數(shù)c成正比。成正比。（3

23、）散射光強(qiáng)度與粒子體積的平方成正比。）散射光強(qiáng)度與粒子體積的平方成正比。（4）粒子的折射率與周圍介質(zhì)的折射率相差越大，）粒子的折射率與周圍介質(zhì)的折射率相差越大，粒子的散射光越強(qiáng)。粒子的散射光越強(qiáng)。021222122423224InnnncvI222122212202422cos1229nnnnIRcvII為為方向的散射光強(qiáng)度；方向的散射光強(qiáng)度；為觀察者與入射光方向的夾角；為觀察者與入射光方向的夾角；R為觀察者距樣品的距離為觀察者距樣品的距離散射光強(qiáng)度在與入射方向垂直的方向上最小，與入射散射光強(qiáng)度在與入射方向垂直的方向上最小，與入射方向越接近，散射光強(qiáng)度越大。方向越接近，散射光強(qiáng)度越大。溶膠的顏

24、色溶膠的顏色溶膠的顏色溶膠的顏色AEcdeII0對(duì)于溶膠體系，對(duì)于溶膠體系，Beer定律改寫為定律改寫為:E為吸收系數(shù)，為吸收系數(shù)，A為散射系數(shù)（是粒子半徑的函數(shù)）為散射系數(shù)（是粒子半徑的函數(shù)）以金溶膠為例：以金溶膠為例：三種大小不同粒子的金溶膠的消光系數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系三種大小不同粒子的金溶膠的消光系數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系綠光綠光黃光黃光紅光紅光為入射光波長(zhǎng)，為入射光波長(zhǎng)，n為介質(zhì)的折射率，為介質(zhì)的折射率， 為孔徑角為孔徑角（一般估算中按（一般估算中按90計(jì)算）計(jì)算）超顯微鏡及其對(duì)粒子大小和形狀的測(cè)超顯微鏡及其對(duì)粒子大小和形狀的測(cè)定定sin2nA)(1881333. 12500nmA普通顯微鏡的分辨率普

25、通顯微鏡的分辨率A在空氣中（在空氣中（n=1）在水中（在水中（n=1.333）)(250112500nmA)(1101575. 12350nmA在油中（在油中（n=1.575）)(1591575. 12500nmA使用波長(zhǎng)為使用波長(zhǎng)為350nm的紫外光：的紫外光：超顯微鏡（超顯微鏡（ultramicroscope）334rnmV超顯微鏡工作的原理超顯微鏡工作的原理超顯微鏡的作用超顯微鏡的作用:可計(jì)算粒子的平均大小并推斷出膠粒的形狀可計(jì)算粒子的平均大小并推斷出膠粒的形狀nVm 每毫升溶膠中膠粒的總質(zhì)量每毫升溶膠中膠粒的總質(zhì)量m與每毫升溶膠中膠粒與每毫升溶膠中膠粒的個(gè)數(shù)的個(gè)數(shù)n，膠粒密度，膠粒密度

26、，及膠粒體積，及膠粒體積V V之間的關(guān)系：之間的關(guān)系：若膠粒是球形，其半徑為若膠粒是球形，其半徑為r，則：則：ANrM334343nmr 膠粒的總質(zhì)量膠粒的總質(zhì)量m通過(guò)定量分析求得，故可求出通過(guò)定量分析求得，故可求出粒子的半徑粒子的半徑根據(jù)上式，進(jìn)一步求出膠體粒子的根據(jù)上式，進(jìn)一步求出膠體粒子的“粒子質(zhì)量粒子質(zhì)量”M溶膠的電學(xué)性質(zhì)溶膠的電學(xué)性質(zhì)什么是電泳？（什么是電泳？（electrophoresis）什么是電滲析？（什么是電滲析？（electroosmosis）什么是沉降電位？（什么是沉降電位？（sedimentation potential）什么是流動(dòng)電位？（什么是流動(dòng)電位？（stream

27、ing potential）電動(dòng)現(xiàn)象（電動(dòng)現(xiàn)象（electrokinetic phenomena）：）：電動(dòng)現(xiàn)象電動(dòng)現(xiàn)象（1）電泳（）電泳（electrophoresis）在外加電場(chǎng)作用下，膠體粒子在外加電場(chǎng)作用下，膠體粒子在分散介質(zhì)中定向移動(dòng)的現(xiàn)象在分散介質(zhì)中定向移動(dòng)的現(xiàn)象稱為稱為電泳電泳（2）電滲析（）電滲析（electroosmosis）在外加電場(chǎng)作用下，分散介質(zhì)在外加電場(chǎng)作用下，分散介質(zhì)的定向移動(dòng)現(xiàn)象稱為電的定向移動(dòng)現(xiàn)象稱為電滲析滲析在外加電場(chǎng)作用下，分散相和分散介質(zhì)的相對(duì)移動(dòng)在外加電場(chǎng)作用下，分散相和分散介質(zhì)的相對(duì)移動(dòng)現(xiàn)象統(tǒng)稱為現(xiàn)象統(tǒng)稱為電動(dòng)現(xiàn)象電動(dòng)現(xiàn)象沉降電位沉降電位圖圖流動(dòng)電位流

28、動(dòng)電位電泳及電滲的應(yīng)用，電泳及電滲的應(yīng)用，“靜電除塵靜電除塵”膠粒荷電的原因膠粒荷電的原因（1）電離）電離SiO2 溶膠表面水解溶膠表面水解 SiO2 H2O H2SiO3 若溶液顯酸性若溶液顯酸性 H2SiO3 HSiO2+ + OH- OH進(jìn)入溶液，而使膠粒帶正電進(jìn)入溶液，而使膠粒帶正電 若溶液顯堿性若溶液顯堿性 H2SiO3 HSiO3+ + H H進(jìn)入溶液，而使膠粒帶負(fù)電進(jìn)入溶液，而使膠粒帶負(fù)電 （2）離子吸附）離子吸附 由于膠粒顆粒度小由于膠粒顆粒度小,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質(zhì)中的離子附分散介質(zhì)中的離子,以降低其表面能的趨勢(shì)。以降低其表面能的趨勢(shì)。

29、Fajans Rule 具有與膠?；瘜W(xué)組成相同的離子優(yōu)先被吸附。具有與膠粒化學(xué)組成相同的離子優(yōu)先被吸附。例：例： AgNO3 + KI AgI + KNO3 若若 AgNO3過(guò)量，則過(guò)量，則AgI膠粒吸附膠粒吸附Ag 而帶正電而帶正電 若若 KI過(guò)量，則過(guò)量，則AgI膠粒吸附膠粒吸附I 而帶負(fù)電。而帶負(fù)電。（3）晶格取代）晶格取代（4）非水介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)荷電的原因）非水介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)荷電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，從而使黏土晶格帶負(fù)電。代，從而使黏土晶格帶負(fù)電。膠團(tuán)結(jié)構(gòu)膠團(tuán)結(jié)構(gòu)K+K+(AgI)mI-I-I-I-I-I-I-I-K+

30、K+K+K+K+K+K+KI過(guò)量(AgI)m nI-,(n-x)K+x- xK+膠核膠核膠粒膠粒膠團(tuán)膠團(tuán)AgNO3 + KI AgI + KNO3吸附層吸附層擴(kuò)散層擴(kuò)散層雙電層結(jié)構(gòu)模型雙電層結(jié)構(gòu)模型1. Helmholtz模型模型（平板電容器理論）（平板電容器理論）+_04D表面電表面電荷密度荷密度表面表面電位電位兩層兩層間距間距介電常數(shù)介電常數(shù)不能解釋電動(dòng)現(xiàn)象不能解釋電動(dòng)現(xiàn)象不代表實(shí)驗(yàn)事實(shí)不代表實(shí)驗(yàn)事實(shí)GouyChapman 擴(kuò)散雙電層模型擴(kuò)散雙電層模型 + +_ _ _ _ _ _ 電勢(shì)電位也稱電動(dòng)電位電位也稱電動(dòng)電位能解釋電動(dòng)現(xiàn)象，區(qū)分熱力學(xué)能解釋電動(dòng)現(xiàn)象，區(qū)分熱力學(xué)電位和電位和電位；不

31、能解釋為什么電位；不能解釋為什么電位可以變號(hào)，甚至高于表面電位可以變號(hào)，甚至高于表面電位電位Stern擴(kuò)散雙電層模型擴(kuò)散雙電層模型電位電位： 膠粒表面滑移界面處與溶液內(nèi)部電位之差。膠粒表面滑移界面處與溶液內(nèi)部電位之差。膠粒表面熱力學(xué)電位膠粒表面熱力學(xué)電位和電動(dòng)電位（和電動(dòng)電位（電位）電位）的區(qū)別：的區(qū)別： 發(fā)生在不同的部位；發(fā)生在不同的部位； 大小不同，一般情況下大小不同，一般情況下電位只是熱力學(xué)電位只是熱力學(xué)電位的一部分，其絕對(duì)值小于電位的一部分，其絕對(duì)值小于。 只取決于被吸附的離子和溶膠中的反號(hào)只取決于被吸附的離子和溶膠中的反號(hào) 離子的活度離子的活度,而而電勢(shì)的值還與溶膠中外加電勢(shì)的值還與

32、溶膠中外加 電解質(zhì)有關(guān)。電解質(zhì)有關(guān)。 當(dāng)溶膠中有外加電解質(zhì)存在時(shí)，可使緊密當(dāng)溶膠中有外加電解質(zhì)存在時(shí)，可使緊密 層中反粒子濃度增加，擴(kuò)散層變薄，層中反粒子濃度增加，擴(kuò)散層變薄， 電電 勢(shì)的絕對(duì)值減小，甚至變?yōu)榱慊蛳喾吹闹?。?shì)的絕對(duì)值減小，甚至變?yōu)榱慊蛳喾吹闹?。電位的?jì)算電位的計(jì)算DE6為介質(zhì)粘度為介質(zhì)粘度為膠粒泳動(dòng)速度為膠粒泳動(dòng)速度D為介質(zhì)的介電常數(shù)為介質(zhì)的介電常數(shù)E為電場(chǎng)強(qiáng)度為電場(chǎng)強(qiáng)度1. 由電泳速度數(shù)據(jù)計(jì)算由電泳速度數(shù)據(jù)計(jì)算電位電位非球形顆粒：非球形顆粒：DE4 在Sb2O3溶膠（設(shè)為棒形粒子）的電泳試驗(yàn)中，兩電極間的距離為0.385m，電壓為182V，通電40min后溶膠界面向正極移動(dòng)0

33、.032m。已知該溶膠的黏度為1.0310-3Pa s ，介質(zhì)的介電常數(shù)D為9.0310-9Fm-1(1F=1C V-1),試計(jì)算電位。1510333. 16040032. 0smv17 .472385. 0182mVEVDE0404. 07 .4721002. 910333. 11003. 114. 3449532. 由電滲速度數(shù)據(jù)計(jì)算由電滲速度數(shù)據(jù)計(jì)算電位電位DIVKKAIDAVDE4/44V為一定時(shí)間流過(guò)毛細(xì)管液體的體積，為一定時(shí)間流過(guò)毛細(xì)管液體的體積，I為電流，為電流，K為液體的電導(dǎo)率為液體的電導(dǎo)率膠體的穩(wěn)定性膠體的穩(wěn)定性HAaEA12212 DAEA溶膠穩(wěn)定性理論溶膠穩(wěn)定性理論-DL

34、VO理論理論 膠粒間存在相互吸引的作用力，其本質(zhì)為范德華膠粒間存在相互吸引的作用力，其本質(zhì)為范德華 力力Hamaker常數(shù)常數(shù)球半徑球半徑對(duì)于大小對(duì)于大小相同的兩相同的兩個(gè)球形粒個(gè)球形粒子：子：對(duì)于兩個(gè)彼此對(duì)于兩個(gè)彼此平行的平板粒平行的平板粒子子兩極間的距離兩極間的距離22/1222/111121AAAHamaker常數(shù)常數(shù)A是物質(zhì)的特性參數(shù)，具有能量單位是物質(zhì)的特性參數(shù)，具有能量單位10-20J對(duì)于分散在介質(zhì)中對(duì)于分散在介質(zhì)中的粒子，的粒子，A必須用有必須用有效的常數(shù)代替效的常數(shù)代替粒子粒子介質(zhì)介質(zhì)10-21J介質(zhì)的存在使粒子間吸引力減弱介質(zhì)的存在使粒子間吸引力減弱介質(zhì)的性質(zhì)與質(zhì)點(diǎn)越接近，粒

35、子間的吸引力越弱介質(zhì)的性質(zhì)與質(zhì)點(diǎn)越接近，粒子間的吸引力越弱b. 膠粒間存在相互排斥力膠粒間存在相互排斥力離子氛重疊離子氛重疊)exp(642200KHKkTanER12exp12exp0kTZekTZess)exp(64200KDKkTnER對(duì)于大小相同的球形粒子，其斥力位能對(duì)于大小相同的球形粒子，其斥力位能ER為：為：a為球半徑，為球半徑，K為電導(dǎo)率，為電導(dǎo)率，其倒數(shù)為雙電層的厚度，其倒數(shù)為雙電層的厚度，H為兩球間的最短距離為兩球間的最短距離對(duì)于兩個(gè)平行的等同板狀粒子對(duì)于兩個(gè)平行的等同板狀粒子c. 膠粒間的總相互作用能膠粒間的總相互作用能溶膠的溶膠的聚沉聚沉（coagulation）1. 電

36、解質(zhì)的聚沉作用電解質(zhì)的聚沉作用原理原理?電解質(zhì)壓縮雙電層，降低電解質(zhì)壓縮雙電層，降低電位，從而降低膠體電位，從而降低膠體的穩(wěn)定性的穩(wěn)定性 聚沉值和聚沉率聚沉值和聚沉率聚沉值聚沉值：使溶膠以明顯速率聚沉所需的電解質(zhì)的最使溶膠以明顯速率聚沉所需的電解質(zhì)的最小濃度小濃度。聚沉率聚沉率：聚沉值的倒數(shù)。聚沉值的倒數(shù)。電解質(zhì)的聚沉值越小，聚沉率越大，則聚沉能力越強(qiáng)電解質(zhì)的聚沉值越小，聚沉率越大，則聚沉能力越強(qiáng)電解質(zhì)的聚沉作用電解質(zhì)的聚沉作用66253ZeAKTDCrc電解質(zhì)聚沉值電解質(zhì)聚沉值rc與反離子價(jià)與反離子價(jià)Z之間的關(guān)系之間的關(guān)系:61Zrc(a) 反離子所帶的電荷數(shù)越高，聚沉能力越強(qiáng)反離子所帶的電

37、荷數(shù)越高，聚沉能力越強(qiáng)。(b) 價(jià)數(shù)相同的反離子的水合半徑越小，聚沉價(jià)數(shù)相同的反離子的水合半徑越小，聚沉 能力越強(qiáng)。能力越強(qiáng)。例如，對(duì)一價(jià)陽(yáng)離子例如，對(duì)一價(jià)陽(yáng)離子,按聚沉能力排列：按聚沉能力排列： H+ Cs+ Rb+ NH4+ K+ Na+ Li+對(duì)一價(jià)陰離子：對(duì)一價(jià)陰離子： F- Cl- Br- NO3- I-(c) 與膠粒電性相同的離子，一般說(shuō)來(lái)，價(jià)數(shù)與膠粒電性相同的離子，一般說(shuō)來(lái)，價(jià)數(shù) 越高，水合半徑越小，聚沉能力越弱。越高，水合半徑越小，聚沉能力越弱。思考：江河出海處為什么會(huì)形成三角洲？思考：江河出海處為什么會(huì)形成三角洲？高分子絮凝劑對(duì)溶膠的聚沉原理？高分子絮凝劑對(duì)溶膠的聚沉原理？溶

38、膠的相互聚沉溶膠的相互聚沉溶膠的相互聚沉作用溶膠的相互聚沉作用 當(dāng)兩種帶相反電荷的溶膠所帶電量相等時(shí)，當(dāng)兩種帶相反電荷的溶膠所帶電量相等時(shí)，相互混合也會(huì)發(fā)生聚沉相互混合也會(huì)發(fā)生聚沉。 明礬凈水的原理？明礬凈水的原理？微波對(duì)溶膠穩(wěn)定性的影響微波對(duì)溶膠穩(wěn)定性的影響除熱效應(yīng)外，存在除熱效應(yīng)外，存在“非熱效應(yīng)非熱效應(yīng)”現(xiàn)象，其機(jī)理現(xiàn)象，其機(jī)理有待深入研究。有待深入研究。高聚物穩(wěn)定膠體體系理論高聚物穩(wěn)定膠體體系理論聚合物穩(wěn)定的溶膠中，穩(wěn)定的主要因素是聚合物聚合物穩(wěn)定的溶膠中，穩(wěn)定的主要因素是聚合物吸附層，其影響有三：吸附層，其影響有三：（1）帶電聚合物被吸附后，增加了膠粒之間的靜電斥）帶電聚合物被吸附后

39、，增加了膠粒之間的靜電斥力位能。力位能。（2）高聚物的存在通常會(huì)減少膠粒間的引力位能。）高聚物的存在通常會(huì)減少膠粒間的引力位能。（3）膠粒吸附高聚物后，產(chǎn)生了一種新的斥力位）膠粒吸附高聚物后，產(chǎn)生了一種新的斥力位能能空間斥力位能空間斥力位能空間穩(wěn)定理論空間穩(wěn)定理論空間穩(wěn)定理論（空間穩(wěn)定理論（steric stabilization）（1）SRE良溶劑有利于增大空間斥力位能，良溶劑有利于增大空間斥力位能，使膠體穩(wěn)定，吸附力越強(qiáng)、吸附使膠體穩(wěn)定，吸附力越強(qiáng)、吸附層越厚，膠體越穩(wěn)定。層越厚，膠體越穩(wěn)定。（2）EA，具有高聚物吸附層的粒子之間的引，具有高聚物吸附層的粒子之間的引力位能取決于高聚物力位能

40、取決于高聚物-溶劑溶劑-膠粒三者之間相互膠粒三者之間相互作用的強(qiáng)弱。作用的強(qiáng)弱。（3）影響空間穩(wěn)定性的因素有高聚物的分子）影響空間穩(wěn)定性的因素有高聚物的分子結(jié)構(gòu)、高聚物的分子量、吸附層的厚度、分結(jié)構(gòu)、高聚物的分子量、吸附層的厚度、分散介質(zhì)。散介質(zhì)?？瘴环€(wěn)定理論空位穩(wěn)定理論若膠粒表面層內(nèi)的高聚物濃度低于體相中的濃度，若膠粒表面層內(nèi)的高聚物濃度低于體相中的濃度，則膠粒表面生成空位層。則膠粒表面生成空位層。以平行板膠粒浸入高聚物溶液中為例，當(dāng)兩膠粒以平行板膠粒浸入高聚物溶液中為例，當(dāng)兩膠?；ハ嗫拷鼤r(shí)，存在引力與斥力?；ハ嗫拷鼤r(shí)，存在引力與斥力。高聚物的濃度決定了這兩種力的大小。若高聚物高聚物的濃度決

41、定了這兩種力的大小。若高聚物濃度較大，膠體呈穩(wěn)定狀態(tài)，稱之為空位穩(wěn)定作濃度較大，膠體呈穩(wěn)定狀態(tài)，稱之為空位穩(wěn)定作用；若高聚物濃度較小，膠體出現(xiàn)絮凝，稱之為用；若高聚物濃度較小，膠體出現(xiàn)絮凝，稱之為空位絮凝作用。空位絮凝作用。第二章第二章 界面現(xiàn)象界面現(xiàn)象界面一般指兩相接觸的約幾個(gè)分子厚度的過(guò)渡區(qū)，若其中一相為氣體，這種界面通常稱為表面。 常見(jiàn)的界面有：氣-液界面，氣-固界面，液-液界面，液-固界面，固-固界面。 嚴(yán)格講表面應(yīng)是液體和固體與其飽和蒸氣之間的界面，但習(xí)慣上把液體或固體與空氣的界面稱為液體或固體的表面。幾點(diǎn)說(shuō)明：幾點(diǎn)說(shuō)明：1 1、嚴(yán)格講，界面是、嚴(yán)格講，界面是“界界”而不是而不是“面

42、面”。因客觀存。因客觀存在的界面是物理面而非幾何面，是一個(gè)準(zhǔn)三維的在的界面是物理面而非幾何面，是一個(gè)準(zhǔn)三維的區(qū)域。區(qū)域。2 2、目前，常用于處理界面的模型有兩種：、目前，常用于處理界面的模型有兩種： 古根海姆（古根海姆（GuggenheimGuggenheim）模型。其處理界面的出）模型。其處理界面的出發(fā)點(diǎn)是：界面是一個(gè)有一定厚度的過(guò)渡區(qū)，它在發(fā)點(diǎn)是：界面是一個(gè)有一定厚度的過(guò)渡區(qū)，它在體系中自成一相體系中自成一相界面相界面相。界面相是一個(gè)既占有。界面相是一個(gè)既占有體積又有物質(zhì)的不均勻區(qū)域。該模型能較客觀地體積又有物質(zhì)的不均勻區(qū)域。該模型能較客觀地反映實(shí)際情況但數(shù)學(xué)處理較復(fù)雜。反映實(shí)際情況但數(shù)學(xué)

43、處理較復(fù)雜。 另一個(gè)模型是吉布斯（另一個(gè)模型是吉布斯（Gibbs）的相界面模）的相界面模型。該模型認(rèn)為界面是幾何面而非物理面，型。該模型認(rèn)為界面是幾何面而非物理面，它沒(méi)有厚度，不占有體積，該模型可使界它沒(méi)有厚度，不占有體積，該模型可使界面熱力學(xué)的處理簡(jiǎn)單化。面熱力學(xué)的處理簡(jiǎn)單化。表面和界面表面和界面(surface and interface)(surface and interface)常見(jiàn)的界面有：1.氣-液界面表面和界面表面和界面(surface and interface)(surface and interface)2.氣-固界面表面和界面表面和界面(surface and inte

44、rface)(surface and interface)3.液-液界面表面和界面表面和界面( (surface and interface) )4.液-固界面表面和界面表面和界面(surface and interface)(surface and interface)4.固-固界面1.21.2比表面（比表面（specific surface areaspecific surface area） 比表面通常用來(lái)表示物質(zhì)分散的程度，有兩種常用的表示方法：一種是單位質(zhì)量的固體所具有的表面積；另一種是單位體積固體所具有的表面積。即：/ /mVAA mAA V或式中，m和V分別為固體的質(zhì)量和體積，A

45、為其表面積。目前常用的測(cè)定表面積的方法有BET法和色譜法。分散度與比表面分散度與比表面 把物質(zhì)分散成細(xì)小微粒的程度稱為分散度。把一定大小的物質(zhì)分割得越小，則分散度越高，比表面也越大。 例如，把邊長(zhǎng)為1cm的立方體1cm3逐漸分割成小立方體時(shí)，比表面增長(zhǎng)情況列于下表：邊長(zhǎng)l/m 立方體數(shù) 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 從表上可以看出，當(dāng)將邊長(zhǎng)為10-2m的立方體分割成10-9m的小立方體時(shí)，比表面增長(zhǎng)了一千萬(wàn)倍。表面張力與表面自由能表面張力與

46、表面自由能表面張力（表面張力（surface tensionsurface tension） 如果在金屬線框中間系一線圈，如果在金屬線框中間系一線圈，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) 由于以線圈為邊界的兩邊表面由于以線圈為邊界的兩邊表面張力大小相等方向相反，所以線圈張力大小相等方向相反，所以線圈成任意形狀可在液膜上移動(dòng)，見(jiàn)成任意形狀可在液膜上移動(dòng)，見(jiàn)(a)圖。圖。 如果刺破線圈中央的液膜，線如果刺破線圈中央的液膜，線圈內(nèi)側(cè)張力消失，外側(cè)表面張力立圈內(nèi)側(cè)張力消失，外側(cè)表面張力立即將線圈繃成一個(gè)圓形，見(jiàn)即將線圈繃成一個(gè)圓形，見(jiàn)(b

47、)圖，圖，清楚的顯示出表面張力的存在。清楚的顯示出表面張力的存在。 將一含有一個(gè)活動(dòng)邊框的將一含有一個(gè)活動(dòng)邊框的金屬線框架放在肥皂液中，使金屬線框架放在肥皂液中，使液體在此框上形成液膜，然后液體在此框上形成液膜，然后取出懸掛，活動(dòng)邊在下面。若取出懸掛，活動(dòng)邊在下面。若欲保持液膜就必須施一適當(dāng)大欲保持液膜就必須施一適當(dāng)大小的外力于活動(dòng)邊上，否則活小的外力于活動(dòng)邊上，否則活動(dòng)邊就會(huì)自動(dòng)向上移動(dòng)，直至動(dòng)邊就會(huì)自動(dòng)向上移動(dòng)，直至頂部。頂部。說(shuō)明液體表面存在與所施外力大小相說(shuō)明液體表面存在與所施外力大小相等方向相反的收縮力。等方向相反的收縮力。表面張力與表面自由能表面張力表面張力lF2式中式中代表液體的

48、表面張力系數(shù)，表示垂直通代表液體的表面張力系數(shù)，表示垂直通過(guò)液體表面上任一單位長(zhǎng)度、與液面相切地收過(guò)液體表面上任一單位長(zhǎng)度、與液面相切地收縮表面的力，簡(jiǎn)稱為縮表面的力，簡(jiǎn)稱為表面張力表面張力，單位是，單位是Nm-1 實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)活動(dòng)邊和框間的摩擦力可以忽實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)活動(dòng)邊和框間的摩擦力可以忽略不計(jì)時(shí)，所施外力與活動(dòng)邊的長(zhǎng)度略不計(jì)時(shí)，所施外力與活動(dòng)邊的長(zhǎng)度l成正比成正比表面功及表面自由能（表面功及表面自由能（surface worksurface work）AdlG2AG說(shuō)明說(shuō)明 為恒溫恒壓下增加單位表面積時(shí)體系自由為恒溫恒壓下增加單位表面積時(shí)體系自由能的增加量，稱作比表面自由能，簡(jiǎn)稱為表面自能

49、的增加量，稱作比表面自由能，簡(jiǎn)稱為表面自由能。單位為由能。單位為J Jm m-2-2由于表面層分子的受力情況與本體中不同，因此如果由于表面層分子的受力情況與本體中不同，因此如果要把分子從內(nèi)部移到界面，或可逆的增加表面積，就要把分子從內(nèi)部移到界面，或可逆的增加表面積，就必須克服體系內(nèi)部分子之間的作用力，對(duì)體系做功。必須克服體系內(nèi)部分子之間的作用力，對(duì)體系做功。 溫度、壓力和組成恒定時(shí)，可逆使表面積增加溫度、壓力和組成恒定時(shí)，可逆使表面積增加d dA A所需要對(duì)體系作的功，稱為表面功。用公式表示為：所需要對(duì)體系作的功，稱為表面功。用公式表示為：dWA表面自由能表面自由能(surface free

50、energy)(surface free energy)BBBBBBBBBBBBdddddddddddddddddnAPVTSGdnAVPTSFdnAPVSTHdnAVPSTUB,)(nVSAUB,)(nPSAHB,)(nVTAFB,)(nPTAG由此可得：由此可得：考慮了表面考慮了表面功，熱力學(xué)功，熱力學(xué)基本公式中基本公式中應(yīng)相應(yīng)增加應(yīng)相應(yīng)增加 d dA A一項(xiàng)，即：一項(xiàng)，即：表面自由能表面自由能(surface free energy)(surface free energy)廣義的表面自由能定義：廣義的表面自由能定義：狹義的表面自由能定義：狹義的表面自由能定義：保持溫度、壓力和組成不變，

51、每增加單位保持溫度、壓力和組成不變，每增加單位表面積時(shí)，表面積時(shí)，GibbsGibbs自由能的增加值稱為表面自由能的增加值稱為表面GibbsGibbs自由能，或簡(jiǎn)稱表面自由能或表面能，自由能，或簡(jiǎn)稱表面自由能或表面能，用符號(hào)用符號(hào) 表示，單位為表示，單位為JmJm-2-2。B, ,()p T nGA 保持相應(yīng)的特征變量不變，每增加單位保持相應(yīng)的特征變量不變，每增加單位表面積時(shí)，相應(yīng)熱力學(xué)函數(shù)的增值。表面積時(shí)，相應(yīng)熱力學(xué)函數(shù)的增值。 可見(jiàn)達(dá)到可見(jiàn)達(dá)到nmnm級(jí)的超細(xì)微粒具有巨大的比表面積級(jí)的超細(xì)微粒具有巨大的比表面積，因而具有許多獨(dú)特的表面效應(yīng)，成為新材料和多相催因而具有許多獨(dú)特的表面效應(yīng)，成為

52、新材料和多相催化方面的研究熱點(diǎn)?；矫娴难芯繜狳c(diǎn)。如鉑黑電極及多孔電極由于其表如鉑黑電極及多孔電極由于其表面積較大，電流密度小，因而極化小；再如，由超細(xì)面積較大，電流密度小，因而極化??；再如，由超細(xì)微粒制備的催化劑由于具有很高的比表面因而催化活微粒制備的催化劑由于具有很高的比表面因而催化活性較普通催化劑高；此外，將藥物磨成細(xì)粉以提高藥性較普通催化劑高；此外，將藥物磨成細(xì)粉以提高藥效、將金屬做成超細(xì)微粒以降低熔點(diǎn)都說(shuō)明了超細(xì)微效、將金屬做成超細(xì)微粒以降低熔點(diǎn)都說(shuō)明了超細(xì)微粒具有獨(dú)特的表面效應(yīng)。粒具有獨(dú)特的表面效應(yīng)。 界面現(xiàn)象的本質(zhì)界面現(xiàn)象的本質(zhì) 液體內(nèi)部分子所受的力可以液體內(nèi)部分子所受的力可以彼

53、此抵銷，但表面分子受到體相彼此抵銷，但表面分子受到體相分子的拉力大，受到氣相分子的分子的拉力大，受到氣相分子的拉力?。ㄒ?yàn)闅庀嗝芏鹊停?，拉力小（因?yàn)闅庀嗝芏鹊停员砻娣肿邮艿奖焕塍w相的作以表面分子受到被拉入體相的作用力。用力。 這種作用力使表面有自動(dòng)收縮到最小的趨勢(shì)，并這種作用力使表面有自動(dòng)收縮到最小的趨勢(shì)，并使表面層顯示出一些獨(dú)特性質(zhì)，使表面層顯示出一些獨(dú)特性質(zhì)，如表面張力、表面吸如表面張力、表面吸附、毛細(xì)現(xiàn)象、過(guò)飽和狀態(tài)等。附、毛細(xì)現(xiàn)象、過(guò)飽和狀態(tài)等。 對(duì)于單組分體系，這種特性主要來(lái)自于同一物質(zhì)對(duì)于單組分體系，這種特性主要來(lái)自于同一物質(zhì)在不同相中的在不同相中的密度不同密度不同；對(duì)于

54、多組分體系，則特性來(lái)；對(duì)于多組分體系，則特性來(lái)自于界面層的組成與任一相的組成均不相同。自于界面層的組成與任一相的組成均不相同。 界面層分子與內(nèi)部分子相比，它們所處的環(huán)境不同。界面層分子與內(nèi)部分子相比，它們所處的環(huán)境不同。 體相內(nèi)部分子所受四周鄰近相同分子的作用力是體相內(nèi)部分子所受四周鄰近相同分子的作用力是對(duì)對(duì)稱的稱的，各個(gè)方向的力彼此抵銷，各個(gè)方向的力彼此抵銷( (各向同性各向同性) )； 但是處在界面層的分子，一方面受到體相內(nèi)相但是處在界面層的分子，一方面受到體相內(nèi)相同物質(zhì)分子的作用，另一方面受到性質(zhì)不同的另一同物質(zhì)分子的作用，另一方面受到性質(zhì)不同的另一相中物質(zhì)分子的作用，其相中物質(zhì)分子的作

55、用，其作用力不能相互抵銷作用力不能相互抵銷，因，因此，界面層分子由于其處在一不均勻?qū)ΨQ的力場(chǎng)會(huì)此，界面層分子由于其處在一不均勻?qū)ΨQ的力場(chǎng)會(huì)顯示出一些獨(dú)特的性質(zhì)。顯示出一些獨(dú)特的性質(zhì)。影響表面張力的因素影響表面張力的因素（1）分子間相互作用力的影響）分子間相互作用力的影響（2）溫度的影響）溫度的影響 溫度升高，表面張力下降。溫度升高，表面張力下降。（3）壓力的影響）壓力的影響 表面張力一般隨表面張力一般隨壓力的增加而下降壓力的增加而下降。因?yàn)閴毫υ觥Ｒ驗(yàn)閴毫υ黾?，氣相密度增加，表面分子受力不均勻性略有好轉(zhuǎn)。加，氣相密度增加，表面分子受力不均勻性略有好轉(zhuǎn)。另外，若是氣相中有別的物質(zhì)，則壓力增加，促

56、使表另外，若是氣相中有別的物質(zhì)，則壓力增加，促使表面吸附增加，氣體溶解度增加，也使表面張力下降。面吸附增加，氣體溶解度增加，也使表面張力下降。 對(duì)純液體或純固體，表面張力決定于分子間形成對(duì)純液體或純固體，表面張力決定于分子間形成的化學(xué)鍵能的大小，的化學(xué)鍵能的大小，一般一般化學(xué)鍵越強(qiáng)，表面張力越大化學(xué)鍵越強(qiáng)，表面張力越大。(金屬鍵金屬鍵) (離子鍵離子鍵) (極性共價(jià)鍵極性共價(jià)鍵) (非極性共價(jià)鍵非極性共價(jià)鍵)兩種液體間的界面張力，界于兩種液體表面張力之間。兩種液體間的界面張力，界于兩種液體表面張力之間。表面自由能和表面張力的微觀解釋表面自由能和表面張力的微觀解釋 由于表面相分子處于一合力指向液

57、體內(nèi)部的不由于表面相分子處于一合力指向液體內(nèi)部的不對(duì)稱力場(chǎng)之中，因此，表面層分子有離開(kāi)表面層對(duì)稱力場(chǎng)之中，因此，表面層分子有離開(kāi)表面層進(jìn)入體相的趨勢(shì)。這一點(diǎn)可從液體表面的自動(dòng)收進(jìn)入體相的趨勢(shì)。這一點(diǎn)可從液體表面的自動(dòng)收縮得以證明。這也說(shuō)明了處于表面層的分子具有縮得以證明。這也說(shuō)明了處于表面層的分子具有比體相內(nèi)部的分子更高的能量。比體相內(nèi)部的分子更高的能量。 換言之，增加液體的表面積就必須把一定數(shù)量換言之，增加液體的表面積就必須把一定數(shù)量的內(nèi)部分子遷移到表面上，要完成這個(gè)過(guò)程必須的內(nèi)部分子遷移到表面上，要完成這個(gè)過(guò)程必須借助于外力做功。因此，體系獲得的能量便是表借助于外力做功。因此，體系獲得的能

58、量便是表面過(guò)剩自由能?？梢?jiàn)，面過(guò)剩自由能。可見(jiàn)，構(gòu)成表面的兩相性質(zhì)不同構(gòu)成表面的兩相性質(zhì)不同及分子內(nèi)存在著相互作用力是產(chǎn)生表面自由能的及分子內(nèi)存在著相互作用力是產(chǎn)生表面自由能的原因原因。表面自由能和表面張力的微觀解釋表面自由能和表面張力的微觀解釋 液體表面液體表面為什么會(huì)存在張力為什么會(huì)存在張力是一個(gè)長(zhǎng)期困擾表是一個(gè)長(zhǎng)期困擾表面化學(xué)家的問(wèn)題，實(shí)際上，表面張力同樣是分子面化學(xué)家的問(wèn)題，實(shí)際上，表面張力同樣是分子間存在相互作用力的結(jié)果。間存在相互作用力的結(jié)果。 從液體表面的特性來(lái)看，表面上的分子比體相從液體表面的特性來(lái)看，表面上的分子比體相內(nèi)部的分子能量更高，而按照分子分布的規(guī)律，內(nèi)部的分子能量更

59、高，而按照分子分布的規(guī)律，表面上的分子的密度將小于內(nèi)部分子。于是表面表面上的分子的密度將小于內(nèi)部分子。于是表面分子間的距離較大，因此，表面上的分子沿表面分子間的距離較大，因此，表面上的分子沿表面方向存在著側(cè)向引力，距離較大時(shí)，吸引力占優(yōu)方向存在著側(cè)向引力，距離較大時(shí)，吸引力占優(yōu)勢(shì)勢(shì)。 彎曲表面下的附加壓力彎曲表面下的附加壓力1.1.在平面上在平面上剖面圖剖面圖液面正面圖液面正面圖研究以研究以ABAB為直徑的一個(gè)環(huán)作為為直徑的一個(gè)環(huán)作為邊界，由于環(huán)上每點(diǎn)的兩邊都邊界，由于環(huán)上每點(diǎn)的兩邊都存在表面張力，大小相等，方存在表面張力，大小相等，方向相反，所以沒(méi)有附加壓力。向相反，所以沒(méi)有附加壓力。設(shè)向下

60、的大氣壓力為設(shè)向下的大氣壓力為P Po o，向上，向上的反作用力也為的反作用力也為P Po o ，附加壓力，附加壓力P Ps s等于零。等于零。Ps = Po - Po =0彎曲表面下的附加壓力彎曲表面下的附加壓力2. 2. 在凸面上：在凸面上：剖剖面面圖圖附加壓力示意圖附加壓力示意圖研究以研究以ABAB為弦長(zhǎng)的一個(gè)球面上為弦長(zhǎng)的一個(gè)球面上的環(huán)作為邊界。由于環(huán)上每點(diǎn)的環(huán)作為邊界。由于環(huán)上每點(diǎn)兩邊的表面張力都與液面相切，兩邊的表面張力都與液面相切，大小相等，但大小相等，但不在同一平面上不在同一平面上，所以會(huì)產(chǎn)生一個(gè)所以會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向下的合力向下的合力。所有的點(diǎn)產(chǎn)生的總壓力為所有的點(diǎn)產(chǎn)生的總壓力為P