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文檔簡介
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:為什么液體表面會形成彈性膜? a、9、為什么液體表面會形成有彈性的膜? 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,棉線圈就會被拉伸成圓形,為什么液體表面會形成有彈性的膜呢? 把帶有棉線的鐵環(huán)放入肥皂水中取出的時候,在鐵環(huán)上復蓋著肥皂膜。 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: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點取任一個分子,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。 因為哪個系統(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,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,從能量的觀點出發(fā),將單位表面的表面自由能、增加單位表面積液體時的自由能的附加價值, 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)會發(fā)生顯著變化,有時會減小該值的增加值。 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、毛細管上升法、將清潔半徑r均勻的毛細管插入到該潤濕的液體中時,液體柱因表面張力的加壓力而上升,達到平衡時, 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達到平衡時為液體柱的高度,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,該最大力應該是表面張力乘以圓環(huán)和液體接觸面的周長實際的表面張力,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、全自動表面張力計、Kruss表面張力計、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,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,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,而且不能進一步上升,那么a物質(zhì)對b物質(zhì)就沒有表面活性。 因為水是最重要的溶劑,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是倫敦的學術(shù)會議,肥皂類溶液中含有導電膠體電解質(zhì),而且是嚴格的熱力學穩(wěn)定系統(tǒng),當時會議主席(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。 表面活性劑分子因為有相當大的親油(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。 即在水中會合形成有分子秩序的組合體。 橡膠團是其重要的一種,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,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、水合層的反離子擴散層:反離子在溶劑中的擴散層、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)。 表面活性劑濃度達到CMC后,溶液的各種性能會發(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)折點得到CMC 優(yōu)點: 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、受無機鹽的影響,實用上方便的缺點:表面張力-濃度曲線上出現(xiàn)最低點時,轉(zhuǎn)折點被遮蓋,靈敏度降低,最低點發(fā)生干涉可以. a,59, 2 .電導法:測定表面活性劑水溶液的電導率,制作電導率-濃度曲線是關(guān)鍵點,從轉(zhuǎn)折點兩側(cè)的外延直線交點可以得到CMC的優(yōu)點:簡便的缺點:只有a .離子型b .無機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,溶液混濁,不斷加入活性劑振動,活性劑濃度在CMC上時,烴溶于膠束芯中,溶液變亮,發(fā)生突變時的濃度為CMC,測定時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,其對應的濃度為CMC,該方法很容易買到,可用于膠束形成動力學的研究。 陰離子:羅丹明g,頻率哪個醇氯化物(藍-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,具有很強的丁達爾
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