重點(diǎn)總結(jié)-材料表界面

1、材材 料料 表表 界界 面面管管 涌涌 楊云霞楊云霞 聯(lián)系方法聯(lián)系方法： 材料學(xué)院材料學(xué)院 實(shí)驗(yàn)一樓實(shí)驗(yàn)一樓309309室室 電話：電話：6425334364253343 Email： 主講教師主講教師: 李書召李書召 主講教師主講教師: 李書召李書召 管管 涌涌 楊云霞楊云霞 主講教師主講教師: 李書召李書召 主講教師主講教師: 李書召李書召 主講教師主講教師: 管管 涌涌 楊云霞楊云霞 李書召李書召 主講教師主講教師: 考考 核核 方方 式式 平時(shí)成績(jī)：平時(shí)成績(jī)： 2020 （包括考勤（包括考勤1010和課堂練習(xí)、和課堂練習(xí)、作業(yè)等作業(yè)等1010） 期末考試：期末考試： 8080 附加分：

2、附加分：5%5%第二章第二章 液體表面液體表面2.1.1、表面張力產(chǎn)生的原因、表面張力產(chǎn)生的原因 (2 1)2FL溫度升高表面張力如何變化？溫度升高表面張力如何變化？ 表面張力也可以理解為系統(tǒng)增加單位面積時(shí)所需做表面張力也可以理解為系統(tǒng)增加單位面積時(shí)所需做的可逆功，單位為的可逆功，單位為J/mJ/m2 2，是功的單位或能的單位。，是功的單位或能的單位。所以所以也可以理解為表面自由能，簡(jiǎn)稱表面能。也可以理解為表面自由能，簡(jiǎn)稱表面能。 表面功：表面功：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dA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

3、，稱為表面功。用公式表示為：= W/ A (2-4)dd表面能與表面張力在量綱上等效，不嚴(yán)格區(qū)分例：例：20時(shí)汞的表面張力為時(shí)汞的表面張力為4.8510-1 Jm-2，求，求在此溫度及在此溫度及101.335 kPa 的壓力下，將半徑的壓力下，將半徑1mm的汞滴分散成半徑的汞滴分散成半徑10-5 mm的微小汞滴，的微小汞滴，至少需要消耗多少功？至少需要消耗多少功？例：例：試求試求2525，質(zhì)量，質(zhì)量m m1g1g的水形成一個(gè)球形水滴時(shí)的水形成一個(gè)球形水滴時(shí)的表面自由能的表面自由能E1E1。若將該水滴分散成直徑。若將該水滴分散成直徑2nm2nm的微的微小水滴，其總表面能小水滴，其總表面能E2E2

4、又是多少？（已知又是多少？（已知2525時(shí)時(shí)水的比表面自由焓水的比表面自由焓G Gs s為為72721010-3-3 J J* *m m-2-2) )248 2/ (2-15)Prr drprr d 12(1/1/) (2-18)prr 2022-3-92.4.12.4.1毛細(xì)管法毛細(xì)管法2.4.3 滴重法2022-3-9022ln (2-40)PVMRTPrr2022-3-9 例：25時(shí)，水的飽和蒸氣壓為3.168kPa，求該溫度下比表面積為106 m2 *kg-1時(shí)球形水滴的蒸氣壓（水在25時(shí)的表面張力為71.9710-3 N*m-1).2022-3-9 應(yīng)用應(yīng)用KelvinKelvin公

5、式可以解釋一些現(xiàn)象公式可以解釋一些現(xiàn)象 1 1、人工降雨、人工降雨 2 2、過熱液體、過熱液體 3 3、過冷水、過冷水 4 4、過飽和液體、過飽和液體2022-3-9溶液的表面張力溶液的表面張力溶液的表面張力不僅與溫度和壓力有關(guān)，還與其組成有關(guān) 在水溶液中,表面張力隨溶液組成的變化規(guī)律一般有三種比較典型的類型。2022-3-9112 (2-47)2ln22cccRTRTTT 2022-3-9 例：294K下測(cè)定甲酚水溶液的表面張力隨甲酚濃度的變化關(guān)系如下： C (mol/l) 0.2301 0.1793 0.1194 0.0816 （10-3 N/m) 40.92 42.81 47.81 52

6、.27 C (mol/l) 0.0726 0.0475 0.0323（10-3 N/m) 53.94 57.94 61.98(1)求甲酚的表面吸附量；（2）每平方米表面的甲酚分子數(shù)以及甲酚分子的橫截面積。2022-3-9例：19時(shí)丁酸水溶液的表面張力可表示為： =0-bln(1+c/a)0為純水表面張力，a,b為常數(shù)，各為 5.097*10-2mol/L與0.180，c為濃度。求：1）c=0.200mol/L時(shí)的12； 2）c/a1時(shí)的12值，并計(jì)算丁酸分子所占面積。2022-3-9解：因?yàn)?0- 0 bln(1+c/a)所以：011Tbacca102 (a)1TcbcacRTcRTa 211

7、022720.20072.8 0.1805.097 104.30 10/0.2008.314 10292.215.097 10mol cm 以以a,b,c值代入值代入注意單位，注意單位，厘米克秒制厘米克秒制2022-3-92）當(dāng)c/a1時(shí)，1+c/ac/a,(a)式簡(jiǎn)化為：1102025.39 10/bmol cmRT 221421102320111100.3085.39 106.02 10mnmnmacmN分子102 (a)1TcbcacRTcRTa bp= (3-10)1+ bp 此式稱為L(zhǎng)angmiur吸附等溫式，b稱為吸附系數(shù)。 以以p/Vp作圖，可得一直線，從直作圖，可得一直線，從直

8、線的斜率和截距可以求出線的斜率和截距可以求出Vm和和b。 4. Langmuir吸附等溫式的另一種寫法吸附等溫式的另一種寫法p1 (3-11)VmmpV bV 例：用活性炭吸附例：用活性炭吸附CHCl3，符合，符合Langmuir吸附吸附等溫式，在等溫式，在0 時(shí)的飽和吸附量為時(shí)的飽和吸附量為93.8 dm-3*kg-1。已知。已知CHCl3的分壓為的分壓為13.4kPa時(shí)的平衡時(shí)的平衡吸附量為吸附量為82.5 dm-3*kg-1 。試計(jì)算。試計(jì)算CHCl3的分壓的分壓為為為為6.67kPa時(shí)的平衡吸附量。時(shí)的平衡吸附量。0011)(PPCVCCVPPVPmm)1)(1 (xCxxCxVVm（

9、3-21）（3-22） 例：77K時(shí)N2在硅膠上的吸附數(shù)據(jù)如下，其中吸附量已折算成S.T.P。已知硅膠的質(zhì)量為0.5978g，用BET法求此硅膠的比表面積。P/po 0.07603 0.09687 0.1567 2.2213 0.2497V(cm3) 0.8984 0.9228 1.076 1.166 1.58 例：77K77K時(shí)時(shí)N N2 2在硅膠上的吸附數(shù)據(jù)如下，其中吸附在硅膠上的吸附數(shù)據(jù)如下，其中吸附量已折算成量已折算成S.T.PS.T.P。已知硅膠的質(zhì)量為。已知硅膠的質(zhì)量為0.5978g0.5978g，用，用BETBET法求此硅膠的比表面積。法求此硅膠的比表面積。問題：為什么選擇問題：

10、為什么選擇77K77K？氮?dú)獾姆悬c(diǎn)為零下氮?dú)獾姆悬c(diǎn)為零下196196度（度（77K77K），其飽和），其飽和蒸氣壓即為一個(gè)大氣壓；易于控溫。蒸氣壓即為一個(gè)大氣壓；易于控溫。 Young方程 接觸角測(cè)試方法 前進(jìn)角、后退角 三種潤(rùn)濕方式2. Young方程方程力學(xué)方法推導(dǎo)力學(xué)方法推導(dǎo)cos (5-1)SGSLLGWa (5-5)粘附功粘附功Wc=2 (5-6)內(nèi)聚功或內(nèi)聚能內(nèi)聚功或內(nèi)聚能SLW(1+cos ) (5-10)LG 粘附潤(rùn)濕粘附潤(rùn)濕 浸濕浸濕 鋪展?jié)櫇皲佌節(jié)櫇?以上三種潤(rùn)濕發(fā)生的條件可歸納如下：粘附潤(rùn)濕：浸濕：鋪展?jié)櫇袷牵?aW0SGSLLG0 (5-34)iSGSLAWL/SS0S

11、GSLLGaW0SGSLLG0 (5-34)iSGSLAWL/SS0SGSLLGaW0SGSLLG0 (5-34)iSGSLAW借助借助Young方程，將方程，將SGSG= =SLSL+ +LGLGcoscos, ,代入（代入（5-5-3434）中，可得：）中，可得：L /S(1co s)co sS(co s1)aL GL GL GWA 表面活性劑分子有兩種不同性質(zhì)的基團(tuán)所組成，一種是非極性的親油基團(tuán)，另一種是極性的親水基團(tuán)。 （2 2）按親水基類型分：）按親水基類型分： 表面活性劑溶于水能電離生成離子的叫做離子型表表面活性劑溶于水能電離生成離子的叫做離子型表面活性劑（陰離子、陽離子和兩性表面

12、活性劑面活性劑（陰離子、陽離子和兩性表面活性劑)。 不能電離的叫非離子型表面活性劑不能電離的叫非離子型表面活性劑。（3 3）按分子量分：）按分子量分：低分子量表面活性劑：低分子量表面活性劑：2001000中高分子量表面活性劑：中高分子量表面活性劑：1000以上以上 +RCNRXQ X+-+QCNNa CNQX+-+-+XQCNNa 水相水相界界面面有機(jī)有機(jī)相相陽離子冠醚的金屬絡(luò)合物陽離子冠醚的金屬絡(luò)合物Q+X-的負(fù)電荷部分的負(fù)電荷部分X-，在水溶液中，在水溶液中和其他陰離子和其他陰離子Y-交換后，溶于含有反應(yīng)試劑的交換后，溶于含有反應(yīng)試劑的RX有機(jī)相中，有機(jī)相中，與與RX反應(yīng)生成反應(yīng)生成RY，

13、本身復(fù)原為，本身復(fù)原為Q+X-，同時(shí)再進(jìn)入水相。反復(fù)，同時(shí)再進(jìn)入水相。反復(fù)循環(huán)，起到催化作用。循環(huán)，起到催化作用。 5.2.1.1 5.2.1.1 親疏平衡值親疏平衡值 親水親水-疏水平衡值疏水平衡值HLB（Hydrophile-Lipophile Balance )的概念。的概念。（1）非離子型）非離子型HLB值的計(jì)算值的計(jì)算對(duì)聚乙二醇和多元醇非離子型表面活性劑:1005親水基分子量疏水基分子量親水基分子量1005H L B 親 水 基 部 分 分 子 量表 面 活 性 劑 分 子 量表面活性劑分子量=616HLB=396/616*100/5=12.86C H919O (CH CH O)22

14、9H對(duì)多元醇型脂肪酸酯非離子型表面活性劑對(duì)多元醇型脂肪酸酯非離子型表面活性劑: HLB=20(1-S/A)S為酯的皂化值為酯的皂化值, A為脂肪酸的酸值為脂肪酸的酸值.7 (4-4)HLBHL CH OOC(CH ) CHCHOHCH OH221632 解： HLB20（1161/198）3.8 解2： 20 C： 0.475209.5 2-OH 1.923.8 1個(gè)-COO- 2.4HLB=3.8+2.4+7-9.5=3.7 (CH ) CHCH CH CH(CH ) COOH3522273OSO NaCH （1）分配系數(shù)法）分配系數(shù)法：將水和油（通常用辛烷）放在一起，再加入表面活性劑，當(dāng)其

15、在油水兩相中達(dá)到溶解平衡時(shí)，分別測(cè)定它在兩相中的濃度：水相中Cw，油相中Co，然后計(jì)算HLB值。)/ln(36. 07owCCHLB （3）混合表面活性劑HLB值的計(jì)算mA 、mB為混合表面活性劑種A,B組分的質(zhì)量，HLBA,HLBB為A,B組分各自的HLB值。 (4-5)AABBABmHLBmHLBHLBmm 非離子型表面活性劑乳狀液隨著溫度升高非離子型表面活性劑乳狀液隨著溫度升高, ,從原來從原來O/WO/W型轉(zhuǎn)變?yōu)樾娃D(zhuǎn)變?yōu)閃/OW/O型的溫度型的溫度, ,稱為相轉(zhuǎn)型溫度稱為相轉(zhuǎn)型溫度( (PITPIT), ), 也叫做親水也叫做親水- -親油平衡溫度親油平衡溫度( (HLBHLB溫度溫度

16、).). PIT PIT 不僅可以反映親水親油性，還可反映油的種不僅可以反映親水親油性，還可反映油的種類、溫度、濃度、相體積的影響。類、溫度、濃度、相體積的影響。 PIT與HLB的關(guān)系近乎直線，可解釋HLB值大，其親水性強(qiáng), 其PIT越高. PIT隨油相性質(zhì)而改變，越容易溶解非離子表面活性劑的油，其PIT值越低;油相極性越小，PIT越高. 固定表面活性劑濃度,增大油/水比例, PIT增大. 固定表面活性劑與油相比例,即使增大油/水比,PIT不再變化. 少量活性劑的加入可使水的表面張力迅速下少量活性劑的加入可使水的表面張力迅速下降，但到某一濃度后，水溶液的表面張力幾降，但到某一濃度后，水溶液的表

17、面張力幾乎不變。這個(gè)表面張力轉(zhuǎn)折點(diǎn)的濃度稱為臨乎不變。這個(gè)表面張力轉(zhuǎn)折點(diǎn)的濃度稱為臨界膠束濃度界膠束濃度（CMCCMC) )。 影響影響CMCCMC的因素的因素 2.2.4.1 Krafft溫度溫度K.P點(diǎn)實(shí)際上是分子溶解和點(diǎn)實(shí)際上是分子溶解和膠束溶解的分界點(diǎn)，溶解度膠束溶解的分界點(diǎn)，溶解度之所以急劇增加是由于表面之所以急劇增加是由于表面活性劑以膠束形式溶解。溫活性劑以膠束形式溶解。溫度低于度低于K.P點(diǎn)不形成膠束，點(diǎn)不形成膠束，只有溫度高于只有溫度高于K.P點(diǎn)才形成點(diǎn)才形成膠束。因此膠束。因此，K.P點(diǎn)相應(yīng)溶點(diǎn)相應(yīng)溶液的濃度即為液的濃度即為CMC值，值，K.P點(diǎn)也可認(rèn)為是表面活性劑在點(diǎn)也可認(rèn)

18、為是表面活性劑在溶液中的溶解度等于它的溶液中的溶解度等于它的CMC值時(shí)的溫度。值時(shí)的溫度。 K.P K.P 點(diǎn)之點(diǎn)之下無下無CMCCMCOOCHO22CH22CHCHCHO22CH22CHCHCHCHO22CH22OCH2H OOH2OH2OH2OH2OH2CH2 當(dāng)溫度上升時(shí)，氫鍵被削弱，升到一定溫度，氫鍵當(dāng)溫度上升時(shí)，氫鍵被削弱，升到一定溫度，氫鍵斷裂，表面活性劑從溶液中析出，使溶液突然變濁。斷裂，表面活性劑從溶液中析出，使溶液突然變濁。 具有相同極性劑的同系物，烴鏈較短者具有較高的具有相同極性劑的同系物，烴鏈較短者具有較高的濁點(diǎn)；如果烴鏈長(zhǎng)度相同，則濁點(diǎn)隨氧乙烯基團(tuán)數(shù)濁點(diǎn)；如果烴鏈長(zhǎng)度相

19、同，則濁點(diǎn)隨氧乙烯基團(tuán)數(shù)n n的增高而升高的增高而升高, ,如下圖所示。如下圖所示。 5.2.6.1 膠束的結(jié)構(gòu)膠束的結(jié)構(gòu) 離子型表面活性劑膠束呈球形，離子型表面活性劑膠束呈球形，內(nèi)核內(nèi)核為近于液態(tài)的碳?xì)滏?，為近于液態(tài)的碳?xì)滏?，?nèi)核內(nèi)核外部外部為與極性基團(tuán)相連或相鄰的為與極性基團(tuán)相連或相鄰的CH2，周圍有滲入的水分子（已，周圍有滲入的水分子（已成為膠束的一部分），故與內(nèi)核成為膠束的一部分），故與內(nèi)核的的CH2不同；不同；再外層再外層由極性基團(tuán)由極性基團(tuán)組成，組成，最外層最外層是與極性基團(tuán)結(jié)合是與極性基團(tuán)結(jié)合的反離子和結(jié)合水。在表面之外，的反離子和結(jié)合水。在表面之外，還有由反離子組成的還有由反離子組成的擴(kuò)散層擴(kuò)散層。雙。雙電層的存在，保證了膠束的穩(wěn)定電層的存在，保證了膠束的穩(wěn)定型。型。其內(nèi)核與離子型表面其內(nèi)核與離子型表面活性劑一樣，具有與活性劑一樣，具有與液烴相似的性質(zhì)，其液烴相似的性質(zhì)，其表面由聚氧乙烯和醚表面由聚氧乙烯和醚鍵氧原子相結(jié)合的水鍵氧原子相結(jié)合的水構(gòu)成，沒有雙電層結(jié)構(gòu)成，沒有雙電層結(jié)構(gòu)，其表面厚度往往構(gòu)，其表面厚度往往超過內(nèi)核尺寸超過內(nèi)核尺寸 6.1 表面張力與溫度的關(guān)系6.2 表面張力與分子量的關(guān)系6.3 表面張力與表面形態(tài)的關(guān)系6.4 表面張力與分子