溶質對表面張力影響PPT課件

1、溶質對表面張力的影響溶質對表面張力的影響1. 非表面活性物質 無機鹽、不揮發(fā)酸堿/0ddc 2. 表面活性物質 短鏈脂肪酸、醇、醛/0ddc 3. 表面活性劑：明顯降低水的表面張力的兩親性質 的有機化合物c20 123第1頁/共41頁 能使水的表面張力明顯升高的溶質稱為能使水的表面張力明顯升高的溶質稱為非表非表面活性物質面活性物質。如無機鹽和不揮發(fā)的酸、堿等。如無機鹽和不揮發(fā)的酸、堿等。 這些物質的離子有水合作用，趨向于把水分這些物質的離子有水合作用，趨向于把水分子拖入水中，非表面活性物質在子拖入水中，非表面活性物質在表面的濃度低于表面的濃度低于在本體的濃度在本體的濃度。 如果要增加單位表面積

2、，所作的功中還必須如果要增加單位表面積，所作的功中還必須包括克服靜電引力所消耗的功，所以表面張力升包括克服靜電引力所消耗的功，所以表面張力升高。高。上一頁上一頁下一頁下一頁第2頁/共41頁表面活性物質表面活性物質(surface active substance) 溶液表面張力隨濃度增加而逐漸減小。溶液表面張力隨濃度增加而逐漸減小。 低分子量的極性有機物，如：醇、醛、低分子量的極性有機物，如：醇、醛、 酸、酯、胺等酸、酯、胺等.Traube（特勞貝特勞貝）規(guī)則：脂肪酸同系物的）規(guī)則：脂肪酸同系物的稀溶液每增加一個稀溶液每增加一個CH2表面活性約增加表面活性約增加3.2倍。倍。第3頁/共41頁T

3、raube（特勞 貝）規(guī)則 Traube研究發(fā)現(xiàn)，同一種溶質在低濃度時表面張力的降低與濃度成正比 甲酸乙酸丙酸丁酸戊酸3550650.180.360.543/(mol dm )c 不同的酸在相同的濃度時，每增加一個CH2，其表面張力降低效應平均可增加約3.2倍，即表面活性提高 3.2倍。第4頁/共41頁表面活性劑表面活性劑surface active agent (surfactant): 當濃度很小時，溶液的表面張力便急劇當濃度很小時，溶液的表面張力便急劇減小，但減小到一定值后就不再隨濃度減小，但減小到一定值后就不再隨濃度增加而變化。增加而變化。具有長碳鏈（具有長碳鏈（碳原子數(shù)大于碳原子數(shù)大

4、于8）的極性有機化）的極性有機化合物合物.從結構上看，表面活性物質是從結構上看，表面活性物質是兩親分子兩親分子，一端親水，一端親水（OH,COOH,SO3Na等等),另一端親油（憎水）另一端親油（憎水）（R等）。等）。第5頁/共41頁（親水的OH,COOH ）極性端稱為頭基，極性端稱為頭基，（憎水的R烴基）非極性端稱為尾基。非極性端稱為尾基。 正因為表面活性物具有兩親性結構，極性端極力進入水相，而非極性端受到水的排斥，有逃出水相的趨勢，于是它被排向水面，在水面上濃集，將憎水部分伸向空氣。微觀上看，表面層表面活性物分子所受的向內(nèi)的拉力比水分子的要小些，即表現(xiàn)出表面活性物質溶液的表面張力低于水的表

5、面張力。第6頁/共41頁2 溶液的表面吸附現(xiàn)象溶液的表面吸附現(xiàn)象溶質溶質溶劑溶劑Surface inactive substanceC CB負吸附Surface active substanceC CB正吸附C ：表面相濃度CB：本體相濃度第7頁/共41頁溶液表面吸附溶液表面吸附溶液表面吸附：溶液表面吸附： 溶液表面層的組成與本體溶液組成不同的現(xiàn)象溶液表面層的組成與本體溶液組成不同的現(xiàn)象表面活性物質表面活性物質的的表面濃度表面濃度大于大于本體濃度，本體濃度，非表面活性物質在非表面活性物質在表面的濃度表面的濃度低于低于在本體的濃度在本體的濃度。第8頁/共41頁溶液表面吸附溶液表面吸附Gibbs吸

6、附公式吸附公式溶液貌似均勻，實際上表面相的濃度與本體不同 把物質在表面上富集的現(xiàn)象稱為表面吸附 表面濃度與本體濃度的差別，稱為表面過剩，或表面超量 溶液降低表面自由能的方法除了盡可能地縮小表面積外，還可調(diào)節(jié)不同組分在表面層中的數(shù)量 若加入的溶質能降低表面張力，則溶質力圖濃集在表面層上；當溶質使表面張力升高時，則它在表面層中的濃度比在內(nèi)部的濃度來得低。 第9頁/共41頁 AnnGsBsBsAsAs d AdAdndndndndGsBsBsBsBsAsAsAsAs表面熱力學基本關系式表面熱力學基本關系式:dAdndndpVdTSdGsBsBsAsAsss 表面集合公式: 3 吉布斯等溫吸附式上標s

7、表示表面(surface)，令A為溶劑，B為溶質。第10頁/共41頁 0 AddndnsBsBsAsA 0 lBlBlAlAdndn , sAlBsBlA上兩式對比，可得：上兩式對比，可得：溶液相溶液相, 由吉布斯由吉布斯-杜亥姆方程杜亥姆方程 Gibbs-Duhem equation lBlAlBlAdnnd平衡時，有平衡時，有 表面吉布斯-杜亥姆方程 Gibbs-Duhem equation第11頁/共41頁 0)( AddnndnnBsBlABlBsA BlAlBsAsBdAnnnndlAlBnn在溶液中，在溶液中，1mol溶劑溶劑A中所含溶質中所含溶質B的摩爾數(shù)的摩爾數(shù)lAlBsAnn

8、An單位面積表面層中的溶劑單位面積表面層中的溶劑A在溶液中所應在溶液中所應含溶質含溶質B的摩爾數(shù)的摩爾數(shù)AnsB單位面積表面層實際所含溶質的摩爾數(shù)單位面積表面層實際所含溶質的摩爾數(shù)第12頁/共41頁定義：定義：AnnnnsAlAlBsBBIs called (relative) surface excess or amount of surface adsorption(表面超額或表面吸附量表面超額或表面吸附量)物理意義物理意義:單位面積表面層中溶劑所含溶質的物單位面積表面層中溶劑所含溶質的物質的量與同樣數(shù)量的溶劑在溶液中所含溶質的質的量與同樣數(shù)量的溶劑在溶液中所含溶質的物質的量的差值物質的量

9、的差值.第13頁/共41頁Gibbs吸附公式它的物理意義是：在單位面積的表面層中，所含溶質的物質的量與具有相同數(shù)量溶劑的本體溶液中所含溶質的物質的量之差值。即：222ddaRTa 0021212(/)nn nnA 式中2是溶劑超量為零時溶質2在表面的超額。a2是溶質2的活度，d/da2是在等溫下，表面張力 隨溶質活度的變化率。第14頁/共41頁,()BBTpdd ln()oBBBBBBR TadR Td aa )( , pTBBaRTa稀溶液中稀溶液中, ()oBTpoBccRTcc 吉布斯吸附等溫式（由奈斯特方程變）第15頁/共41頁Gibbs吸附公式 Gibbs用熱力學方法求得定溫下溶液的

10、濃度、表面張力和吸附量之間的定量關系式 222ddcRTc 1.d/dc20，增加溶質2的濃度使表面張力升高，2為負值，是負吸附。表面層中溶質濃度低于本體濃度。非表面活性物質屬于這種情況。第16頁/共41頁討論：討論：, ()0, 0T pBc 表面活性物質表面活性物質,正吸附正吸附 非表面活性物質非表面活性物質, 負吸附負吸附應用吉布斯公式,先要由實驗或經(jīng)驗公式得到 c之間的關系,然后求出 ( / c)T,p,再求值 . ,B ()0,0cT p 第17頁/共41頁第四章第四章 液液- -液界面的性質液界面的性質液-液界面的鋪展單分子表面膜不溶性的表面膜表面壓* 曲線與表面不溶膜的結構類型a

11、不溶性表面膜的一些應用第18頁/共41頁4.1 4.1 液液- -液界面的性質液界面的性質 一種液體能否在另一種不互溶的液體上鋪展，取決于兩種液體本身的表面張力和兩種液體之間的界面張力。 一般說，鋪展后，表面自由能下降，則這種鋪展是自發(fā)的。 大多數(shù)表面自由能較低的有機物可以在表面自由能較高的水面上鋪展。液-液界面的鋪展第19頁/共41頁 設液體1，2和氣體間的界面張力分別為1,g, 2,g和1,2 在三相接界點處，1,g和1,2企圖維持液體1不鋪展而2,g的作用是使液體鋪展121,g2,g1,2 如果2,g(1,g+1,2)，則液體1能在液體2上鋪展 反之，則液體1不能在液體2上鋪展第20頁/

12、共41頁表面張力（復習）表面張力（復習）1,212純物質的表面張力與分子的性質有關，通常是 Antonoff 發(fā)現(xiàn)，兩種液體之間的界面張力是兩種液體互相飽和時的表面張力之差，即 水因為有氫鍵，所以表面張力也比較大 (金屬鍵) (離子鍵) (極性共價鍵) (非極性共價鍵)這個經(jīng)驗規(guī)律稱為 Antonoff 規(guī)則第21頁/共41頁2021-11-15液液界面張力理論 1 Antonoff經(jīng)驗規(guī)則該規(guī)則的主要缺陷是1）認為低表面張力的液體總是可以在高表面張力的液體上面鋪展,而事實則不然.2）假設在界面上的分子不論是a或b，它受到a相的引力應等于a分子間的作用力，受到b相的引力應等于b分子間的作用力。

13、顯然，這忽略了a與b分子間的相互作用力。abab第22頁/共41頁2021-11-15液液界面張力理論2、GoodGirifalco理論理論要點為；1）根據(jù)a和b粘附過程的粘附功公式定義自粘功公式2）設W（ab）與W（aa）、 W（bb）之間存在幾何平均關系2a babababaaaWW 1/ 21/ 22abaabbabWW W 第23頁/共41頁兩親分子在氣液界面上的定向排列 根據(jù)實驗，脂肪酸在水中的濃度達到一定數(shù)值根據(jù)實驗，脂肪酸在水中的濃度達到一定數(shù)值后，它在表面層中的超額為一定值，與本體濃度無后，它在表面層中的超額為一定值，與本體濃度無關，并且和它的碳氫鏈的長度也無關。關，并且和它的

14、碳氫鏈的長度也無關。 這時，表面吸附已達到這時，表面吸附已達到飽和飽和，脂肪酸分子合理的，脂肪酸分子合理的排列是羧基向水，碳氫鏈向排列是羧基向水，碳氫鏈向空氣。空氣。第24頁/共41頁兩親分子在氣液界面上的定向排列 根據(jù)這種緊密排列的形式，可以計算每個分子所占的截面積Am。m1AL式中L為阿伏加德羅常數(shù)，原來是表面超額，當達到飽和吸附時, 可以作為單位表面上溶質的物質的量。第25頁/共41頁由這種方法求得醇分子的的S=0.2780.289nm2,脂肪酸S=0.3020.310nm2，結果一般偏大。這是因為表面層中達飽和吸附時仍夾雜著水分子. 從還可以求算飽和吸附層的厚度: = M/M：溶質的摩

15、爾質量；：溶質的密度；M 為單位面積上的溶質質量, 量綱為m。實驗結果表明，同系物碳鏈增加一個-CH2-時，增加0.130.15nm. 與X光分析結果一致。 第26頁/共41頁 當兩親分子的疏水基達到一定的程度，其在當兩親分子的疏水基達到一定的程度，其在水中的溶解可被忽略，而通過水中的溶解可被忽略，而通過鋪展在水面上形成鋪展在水面上形成的單分子層，稱為不溶性表面膜。的單分子層，稱為不溶性表面膜。能形成單分子能形成單分子膜的物質有碳原子在膜的物質有碳原子在1422之間的長鏈含極性基之間的長鏈含極性基如如OH、COOH、COO-、NH3+、CN等的脂肪族化合物以及含有等的脂肪族化合物以及含有SO3

16、-、N(CH3)3+等強極性基團的等強極性基團的22個以上碳原子的長鏈分子等。個以上碳原子的長鏈分子等。1、 表面膜的形成表面膜的形成1765年，年，F(xiàn)ranklin的實驗的實驗 不溶性表面膜(insoluble surface film)(insoluble surface film)第27頁/共41頁2、 表面壓表面壓 0dx 測量裝置：測量裝置： Langmuir 膜天平膜天平一般，一般，= 3050 mN/m若膜厚約為若膜厚約為2.5 nm, p = 1.5107 kPa 150 atm定義定義 0第28頁/共41頁Langmuir膜天平第29頁/共41頁Langmuir膜天平 圖中K

17、為盛滿水的淺盤，AA是云母片，懸掛在一根與扭力天平刻度盤相連的鋼絲上，AA的兩端用極薄的鉑箔與淺盤相連。 XX是可移動的邊，用來清掃水面，或圍住表面膜，使它具有一定的表面積。在XXAA面積內(nèi)滴加油滴，油鋪展時，用扭力天平測出它施加在AA邊上的壓力。這種膜天平的準確度可達110-5N/m。第30頁/共41頁3、不溶膜的類型、不溶膜的類型a氣態(tài)膜氣態(tài)膜氣液平衡區(qū)氣液平衡區(qū)液態(tài)擴張膜液態(tài)擴張膜凝聚膜凝聚膜a：成膜分子平均：成膜分子平均占有面積占有面積第31頁/共41頁氣態(tài)氣態(tài)氣液平衡氣液平衡液態(tài)液態(tài)固態(tài)固態(tài)第32頁/共41頁氣態(tài)膜類似于理想氣體的pv關系，為二維空間運動的質點理想氣體 a = kT

18、或 AnRT A：n mol分子所占的表面積。 ：表面壓。是二維空間運動的質點即表面膜分子對浮片碰撞的結果。 AnRT 公式的一個有意義的應用是測定蛋白質的摩爾質量。第33頁/共41頁4 生物膜 大家知道動植物細胞都有膜，使細胞對物質的透過有選擇性，是細胞與環(huán)境之間物質交換的通道。 生物膜是由磷脂和蛋白質組成，磷脂是兩性的，有兩個疏水的碳氫鏈及親水的磷酸脂。第34頁/共41頁5 LB技術和技術和LB膜膜1935年，年，I. Langmuir的學生和助手的學生和助手K.Blodgett將單分將單分子膜轉移到固體襯底上，成功地制備出子膜轉移到固體襯底上，成功地制備出第一個單分第一個單分子層積累的多

19、層膜，子層積累的多層膜，這就是我們所稱呼的這就是我們所稱呼的Langmuir-Blodgett 膜膜-LB膜。膜。 而這種將氣液界面上的單分子層轉移到固體基片而這種將氣液界面上的單分子層轉移到固體基片上的技術就被命名為上的技術就被命名為-LB技術。技術。第35頁/共41頁L-B 膜的形成 不溶物的單分子膜可以通過簡單的方法轉移到固體基質上，經(jīng)過多次轉移仍保持其定向排列的多分子層結構。這種多層單分子膜是Langmuir（蘭格繆爾）和其學士Blodgett（布魯吉特）女士首創(chuàng)的，故稱L-B膜。 由于形成單分子膜的物質與累積（或轉移）方法的不同，可以形成不同的多分子膜，如 （1）X型多分子層 （2）Y型多分子層 （3）Z型多分子層 第36頁/共41頁y型沉積 (基片頭尾尾頭 ) 基片在上升和下降時均可掛膜. 膜的層與層之間是親水與親水面 ,疏水