表面活性劑原理.ppt

1、a，1，第二章表面活性劑的作用原理，2.1表面張力和表面活性，2.2表面活性劑膠束，2.3表面活性劑的結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系，a，2，有趣的現(xiàn)象，2007年11月23日，英國倫敦博物館，Sam Heath (右)，也稱為泡沫人Sam，用巨大的肥皂泡沫50人a，3，凌波微步：為什么蜥蜴在水面上行走？a，4，荷葉上的露珠為什么是球形的？ a，5，腳癬的聰明之處：不傷水面，不濕自己的腳，a，6，為什么蜘蛛網(wǎng)上的水珠是圓的？ a，7，一枚硬幣能承受多少滴水滴a，8，結(jié)論：水面是彈性膜，問題：為什么液體表面會(huì)形成彈性膜？ a、9、為什么液體表面會(huì)形成有彈性的膜？ 圓形的金屬框上有肥皂的泡沫，刺穿膜面上棉線圈內(nèi)

2、部的膜，棉線圈就會(huì)被拉伸成圓形，為什么液體表面會(huì)形成有彈性的膜呢？ 把帶有棉線的鐵環(huán)放入肥皂水中取出的時(shí)候，在鐵環(huán)上復(fù)蓋著肥皂膜。 刺破一方的肥皂膜，另一方的肥皂膜收縮，棉紗在這一側(cè)畫弧。 發(fā)現(xiàn)液體表面有張力，并且液面內(nèi)有方向。 a、11、為什么液體表面會(huì)形成有彈性的膜？ 作用于液體表面，使液體表面收縮到最小面積的力稱為“液體表面張力”。 生活中，很多地方都有它！ a，12，2.1表面張力和表面活性，界面和表面的概念表面：液體或固體與氣體的接觸面稱為液體或固體的表面。 界面：液-液、固-固、液-固的接觸面稱為界面。 a、13、液體表面張力產(chǎn)生的原因，表面層厚度約為10-9m的薄層，液體分子間隔

3、較大。液體表面的微觀圖，a、14、分子間有引力作用和斥力作用，平衡位置、斥力作用起著主要作用。引力作用發(fā)揮主要作用，r-分子有效作用的半徑分子力是短距離力，a、15、液體的表面張力、現(xiàn)象：液體表面有收縮最小的傾向的液面緊張的彈性薄膜。 說明：液面上作用著沿著表面的收縮力，這個(gè)力只存在于液體表面。 表面層：在液體和氣體的界面上，厚度等于分子有效作用距離(=10-8 m )的液體層。 表面張力：液體的表面層有盡可能使液面收縮小的宏觀張力。 a、16、表面張力引起的微觀本質(zhì)、分子力的觀點(diǎn)：表面張力在液體表面層內(nèi)的分子間相互作用和液體內(nèi)部的分子間相互作用不同。 分子力：液體內(nèi)部的分子之間，互相吸引，無

4、視排斥力的分子作用球(約10-8 m ) :在液體內(nèi)部的p點(diǎn)選擇分子a，以a為球心，以分子有效作用距離為半徑的球叫做分子作用球。 球外分子a沒有力，球內(nèi)分子a力對稱分布，合力為零。 從表面層中的q、r、s點(diǎn)取任一個(gè)分子，其分子作用球的一部分在液體外，空氣密度比水小，破壞表面層的分子受到的球?qū)ΨQ性的其受力與液面垂直，指向液體內(nèi)部，因此，表面層內(nèi)的分子和液體內(nèi)部的分子不同，指向液體內(nèi)部的力f越接近表面有宏觀上液體表面收縮的傾向，表現(xiàn)了由a、17、表面張力引起的微觀的本質(zhì)，從能量的觀點(diǎn)分析了分子從液體內(nèi)部轉(zhuǎn)移至表面層的情況，必須克服f功的外力起作用，導(dǎo)致分子勢能增加，即， 在表面層內(nèi)的分子的電勢比液

5、體內(nèi)部的分子的電勢大、表面層為高電勢區(qū)域的表面層內(nèi)，各分子電勢的增量的總和稱為液體的表面能，用e表示。 因?yàn)槟膫€(gè)系統(tǒng)的電勢越小越穩(wěn)定，表面層內(nèi)的分子有盡可能進(jìn)入液體內(nèi)部的傾向，液面有收縮的傾向，使液面處于緊張狀態(tài)，宏觀上表現(xiàn)為液體的表面張力。體積一定，球體表面積最小，a、18、2.1.1表面張力和表面自由能，液體內(nèi)部和表面分子受到力的情況，二相(特別是氣液)界面有垂直于表面邊界，指液體的方向，與液面接觸的張力。 施加于單位邊界線的力稱為表面張力，用表示，單位為N/m，通常為mN/m。a、19、溫度、壓力、組成保持一定，每次增加單位表面積時(shí)，將Gibbs自由能的增加部分稱為表面Gibbs自由能，

6、或者簡稱為表面自由能或表面能，用符號表示，單位為Jm-2。 2.1.1從表面張力和表面自由能、J=Nm、J/m2=N/m、a、20、力的觀點(diǎn)出發(fā)，將作用于單位長度的力稱為表面張力，從能量的觀點(diǎn)出發(fā)，將單位表面的表面自由能、增加單位表面積液體時(shí)的自由能的附加價(jià)值， 即單位表面的液體分子比在液體內(nèi)部的等量分子的自由能過剩值、a、21表2.1中常見的液體的表面張力、a、22、表2.2一些液體系的界面張力、液體界面的界面張力小，影響a、23、表面張力系數(shù)的因素與液體的性質(zhì)有關(guān)：不同的液體、值不同密度小，容易揮發(fā)的液體值小。醇、醚的值小，金屬熔化后的值大。 與鄰接物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)：同一液體和不同物質(zhì)的

7、邊界、值不同。 與溫度有關(guān)：溫度變高，值變小。 液體沸騰時(shí)的表面張力系數(shù)為零。 與液體中含有的雜質(zhì)有關(guān)：向液體中添加雜質(zhì)后，液體的表面張力系數(shù)會(huì)發(fā)生顯著變化，有時(shí)會(huì)減小該值的增加值。 減小值的物質(zhì)叫表面活性物質(zhì)。 影響a、24、表面張力系數(shù)的主要因素有：a、25、表面張力的測定方法、滴下法(滴下體積法)、a、26、毛細(xì)管上升法、將清潔半徑r均勻的毛細(xì)管插入到該潤濕的液體中時(shí)，液體柱因表面張力的加壓力而上升，達(dá)到平衡時(shí)， 壓力和液體柱形成的壓力的大小相等，方向相反：a、27，式中h達(dá)到平衡時(shí)為液體柱的高度，g為重力加速度，=液-氣(為逆)。 從圖中可以看出，在曲率半徑r和毛細(xì)管半徑r及接觸角之間

8、，考慮到彎月面的修正，一般式為：毛細(xì)管上升法的理論完整，方法簡單，有足夠的測量精度。 a、28、環(huán)法：基本原理是將金屬圓環(huán)(通常是白金線圓環(huán))躺在液體表面(或界面)上，用外力拉起圓環(huán)，測定從液面上拉該圓環(huán)所需要的最大力，理想的是，該最大力應(yīng)該是表面張力乘以圓環(huán)和液體接觸面的周長實(shí)際的表面張力，必須將測定的表面張力值p乘以修正系數(shù)f。 在吊片法最大氣泡壓力法滴外形法、全自動(dòng)表面張力計(jì)、Kruss表面張力計(jì)、a、30、恒溫定電壓下，純液體僅為一分子，其表面張力為一定值。 溶液中存在至少2種以上的分子，因此表面張力根據(jù)溶質(zhì)的濃度而變化。 物質(zhì)的水溶液根據(jù)濃度的變化，表面張力分為三種類型。 水溶液表面

9、張力與溶質(zhì)濃度的幾個(gè)典型關(guān)系，表面活性與表面活性劑，a、31，水溶液表面張力與溶質(zhì)濃度的幾個(gè)典型關(guān)系，第一類隨著其溶質(zhì)濃度的增加，表面張力略有上升，接近直線(曲線1 )氯化鈉、硫酸鈉等無機(jī)鹽和蔗糖等多羥基化合物， 表面活性劑和表面活性劑，a，32，水溶液表面張力和溶質(zhì)濃度的幾個(gè)典型關(guān)系，第二類隨著溶質(zhì)濃度的增加，表面張力逐漸下降，下降緩慢(曲線2 )。 低分子極性有機(jī)物，如醇、酮、醛、酸、酯、醚等。 表面活性劑和表面活性劑、a、33、第三類在溶液濃度低時(shí)，溶液的表面張力隨溶質(zhì)濃度的增加而急劇下降，溶液濃度增加到一定值時(shí)，溶液的表面張力不降低(曲線3 )。 表面活性劑。水溶液的表面張力和溶質(zhì)濃度

10、的幾種典型關(guān)系，表面活性和表面活性劑，如果a、34、a物質(zhì)能夠降低b物質(zhì)的表面張力，那么可以說a物質(zhì)(溶質(zhì))對b物質(zhì)(溶劑)有表面活性。 如果a物質(zhì)不僅能降低b物質(zhì)的表面張力，而且不能進(jìn)一步上升，那么a物質(zhì)對b物質(zhì)就沒有表面活性。 因?yàn)樗亲钪匾娜軇?，所以表面活性對水很常見?水溶液的表面張力和溶質(zhì)濃度的一些典型關(guān)系，表面活性和表面活性劑，a、35，右圖曲線1中的溶質(zhì)對水沒有表面活性，被稱為非表面活性物質(zhì)。 曲線2和3的溶質(zhì)對水有表面活性稱為表面活性物質(zhì)。 曲線3中的溶質(zhì)是在低濃度下使水的表面張力顯著降低的物質(zhì)，被稱為表面活性劑。 曲線2的溶質(zhì)只被稱為表面活性物質(zhì)，不被稱為表面活性劑。 水溶

11、液的表面張力和溶質(zhì)濃度的幾個(gè)典型關(guān)系，表面活性和表面活性劑，a，36，表面活性劑是如何降低表面張力的？ 表面活性劑的結(jié)構(gòu)特征、親油性基、親水基、a、37、表面活性劑的結(jié)構(gòu)特征、b、c、a、a、38、表2.1中常見的液體的表面張力、a、39、1無機(jī)鹽和蔗糖等多羥基化合物。 這些物質(zhì)的離子具有水合作用，有把水分子引入水中的傾向，非表面活性物質(zhì)的表面濃度比本體的濃度低。 表面活性劑和表面活性劑，a、40、2低分子極性有機(jī)物，如醇、酮、醛、酸、酯、醚等。a，41，表面活性劑的表面張力濃度-曲線，3，a，42，表面活性劑分子在表面的吸附，相容原理能最低的原則，b，c，a，a，43，2.2表面活性劑膠束，

12、2.2.1表面活性劑膠束的形成2.2.2臨界膠束濃度2.2.3膠束的形狀和大44、表面活性劑對表面的吸附和膠束的形成C CMC溶液中的分子的疏水基相互吸引，分子自發(fā)聚集形成球狀、層狀膠束，將疏水基埋入膠束內(nèi)部，a、45、1912年James William McBain首先，表面活性劑在溶液中(超過一定濃度該一定濃度稱為臨界凝膠濃度(cmc )。 1925 Mcbain是倫敦的學(xué)術(shù)會(huì)議，肥皂類溶液中含有導(dǎo)電膠體電解質(zhì)，而且是嚴(yán)格的熱力學(xué)穩(wěn)定系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)會(huì)議主席(權(quán)威)“Nonsense，Mcbain”的不合理語言取代了問題的討論。 2.2.1表面活性劑膠束的形成、a、46、Mcbain提出梳洗的

13、概念以來，已經(jīng)經(jīng)歷了近百年的研究，其詳細(xì)情況尚未完全了解，但梳洗是由許多表面活性劑的單分子和離子締合而形成的，這是不爭的事實(shí)。 表面活性劑分子因?yàn)橛邢喈?dāng)大的親油(疏水)基，所以有從水中逃跑的傾向，容易吸附在表面部分。 吸附飽和的話，表面取向的表面活性劑分子變得滿(不能再容納更多的分子)的話，用別的方法把系能量降到最低。 即在水中會(huì)合形成有分子秩序的組合體。 橡膠團(tuán)是其重要的一種，2.2.1表面活性劑膠束的形成、a、47、膠束的定義、膠束形成的決定因素是什么？父母的分子在水中溶解于一定濃度時(shí)，其非極性部分相互吸引，分子自發(fā)地形成有序的凝聚體，將疏水基溶解在內(nèi)側(cè)，將親水基溶解在、a、48、表面活性

14、劑的表面張力濃度曲線、a、49、表面活性劑對表面的吸附和膠束的形成、C CMC、a、50、膠束由芯和殼兩部分構(gòu)成。 水介質(zhì)中膠束的核由疏水性烴鏈構(gòu)成，膠束形成水溶液中的非極性微區(qū)。 案例是膠束與單體水溶液之間的進(jìn)一步區(qū)域。 膠束(Micelle )的結(jié)構(gòu)是，在非水系介質(zhì)中，與表面活性劑的親水和疏水部分與水溶液中的核和殼相反。、a、51、a、52、膠束的結(jié)構(gòu)、疏水性內(nèi)核：疏水烴鏈極性基層：表面活性劑的極性基、反離子、水合層的反離子擴(kuò)散層：反離子在溶劑中的擴(kuò)散層、離子型表面活性劑的膠束結(jié)構(gòu)的圖像、a、53、斯坦雙電層模型、斯坦電氣a，54，非離子表面活性劑膠束結(jié)構(gòu)示意圖，膠束結(jié)構(gòu)，疏水性內(nèi)核：疏水

15、烴鏈極性基層：表面活性劑的親水鏈，a，55，2.2臨界膠束濃度(Critical Micelle Concentration )，表面活性劑溶質(zhì)在溶劑中的濃度達(dá)到一定值CMC是表面活性劑開始大量形成膠束的濃度，是表面活性劑的主要性能參數(shù)。 表面活性劑濃度達(dá)到CMC后，溶液的各種性能會(huì)發(fā)生顯著變化。 表面活性劑的表面張力濃度-曲線，a，56，十二烷基苯磺酸鈉的物性與濃度的關(guān)系，p15，a，57，CMC的測定方法，1表面張力法2電導(dǎo)法3濁度法4染料法5光散射法，a，58，1 .表面張力法-lgc曲線，由曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)得到CMC 優(yōu)點(diǎn)： a .不受CMC大小的影響b .不受表面活性劑種類的影響c .不

16、受無機(jī)鹽的影響，實(shí)用上方便的缺點(diǎn)：表面張力-濃度曲線上出現(xiàn)最低點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)被遮蓋，靈敏度降低，最低點(diǎn)發(fā)生干涉可以. a，59， 2 .電導(dǎo)法：測定表面活性劑水溶液的電導(dǎo)率，制作電導(dǎo)率-濃度曲線是關(guān)鍵點(diǎn)，從轉(zhuǎn)折點(diǎn)兩側(cè)的外延直線交點(diǎn)可以得到CMC的優(yōu)點(diǎn)：簡便的缺點(diǎn)：只有a .離子型b .無機(jī)鹽是不行的將某種烴加入活性劑溶液中，活性劑濃度在CMC下時(shí)，溶液混濁，不斷加入活性劑振動(dòng)，活性劑濃度在CMC上時(shí)，烴溶于膠束芯中，溶液變亮，發(fā)生突變時(shí)的濃度為CMC，測定時(shí)可以用目視法測定濁度法簡單、方便，a、61、4 .染料法：一種利用某些染料的水和膠束中的顏色不測定CMC的方法，一般是在CMC上加入少量染料，將很多染料溶解于膠束中，用溶劑逐漸稀釋溶液，測定吸光度變化的稀釋法。 溶液顏色驟變時(shí)，其對應(yīng)的濃度為CMC，該方法很容易買到，可用于膠束形成動(dòng)力學(xué)的研究。 陰離子：羅丹明g，頻率哪個(gè)醇氯化物(藍(lán)-紅)非離子：苯并紅紫4B陽離子：熒光黃，曙光(熒光-消失)，a，62，(5)光散射法由于膠束粒子大小滿足光散射的條件，具有很強(qiáng)的丁達(dá)爾