膠體化學(xué)-復(fù)習(xí)要點(diǎn)

1、 膠體化學(xué)Colloid ChemistryNanjing University of Technology1.膠體體系的重要特點(diǎn)之一是具有很大的表面積。通常規(guī)定膠體顆粒的大小為1-100nm（直徑）2.膠體是物質(zhì)存在的一種特殊狀態(tài)，而不是一種特殊物質(zhì)，不是物質(zhì)的本性。膠體化學(xué)研究對象是溶膠（也稱憎液溶膠）和高分子溶液（也稱親液溶膠）。氣溶膠：云霧，青煙、高空灰塵液溶膠：泡沫，乳狀液，金溶膠、墨汁、牙膏固溶膠：泡沫塑料、沸石、冰淇淋，珍珠、水凝膠、紅寶石、合金第一章一、膠體的定義一、膠體的定義1100nm100nm膠體體系粗分散體系真溶液直徑為10nm的球形質(zhì)點(diǎn)，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)總體積為1cm3時，其面

2、積為600m21861年，英國科學(xué)家Thomas Graham提出膠體（colloid）概念擴(kuò)散慢；不能透過半透膜分散系分散系: 把一種或幾種物質(zhì)分散在另一種物質(zhì)中所形成把一種或幾種物質(zhì)分散在另一種物質(zhì)中所形成分散相分散相(dispersed phase): 被分散的物質(zhì)被分散的物質(zhì)分散介質(zhì)分散介質(zhì)(dispersing medium): 容納分散相的連續(xù)介質(zhì)容納分散相的連續(xù)介質(zhì) 膠體和晶體膠體和晶體不是不同的兩類物質(zhì)不是不同的兩類物質(zhì)，而是，而是物質(zhì)的物質(zhì)的兩兩種不同的存在狀態(tài)。種不同的存在狀態(tài)。膠體是一種高度分散的系統(tǒng)膠體是一種高度分散的系統(tǒng)膠體的定義膠體的定義（1）分子分散體系）分子分散

3、體系-真溶液真溶液 分散相與分散介質(zhì)以分子或離子形式彼此分散相與分散介質(zhì)以分子或離子形式彼此混溶，沒有界面，是混溶，沒有界面，是均勻的單相均勻的單相，分子半徑大，分子半徑大小在小在10-9 m以下以下 。通常把這種體系稱為。通常把這種體系稱為真溶液真溶液，如如CuSO4溶液。溶液。（2）膠體分散體系）膠體分散體系 分散相粒子的半徑在分散相粒子的半徑在1 nm100 nm之間的體系。之間的體系。目測是均勻的，但實(shí)際是目測是均勻的，但實(shí)際是多相不均勻體系多相不均勻體系。也有的。也有的將將1 nm 1000 nm之間的粒子歸入膠體范疇。之間的粒子歸入膠體范疇。（3）粗分散體系）粗分散體系當(dāng)分散相粒子

4、大于當(dāng)分散相粒子大于1000 nm，目測是，目測是混濁不均混濁不均勻體系勻體系，放置后會沉淀或分層，如黃河水。，放置后會沉淀或分層，如黃河水。膠體的定義(1915 Ostwald):膠體是一種尺寸在1100nm以至1000nm的分散體。分散體系的分類分散體系的分類-分散相的尺寸分散相的尺寸根據(jù)分散相粒子大小分類根據(jù)分散相粒子大小分類分散相粒分散相粒子大小子大小分散系類型分散系類型分散相粒子分散相粒子性質(zhì)性質(zhì)實(shí)例實(shí)例1nm溶液溶液小分子或離小分子或離子子均相、穩(wěn)定系統(tǒng)、均相、穩(wěn)定系統(tǒng)、分散相粒子擴(kuò)散分散相粒子擴(kuò)散快快NaCl水溶水溶液等液等1100nm膠膠體體分分散散系系溶膠溶膠膠粒膠粒多相、熱

5、力學(xué)不多相、熱力學(xué)不穩(wěn)定系統(tǒng)、有相穩(wěn)定系統(tǒng)、有相對穩(wěn)定性、分散對穩(wěn)定性、分散相粒子擴(kuò)散較慢相粒子擴(kuò)散較慢Fe(OH)3溶膠等溶膠等高分子高分子溶液溶液高分子高分子均相、穩(wěn)定系統(tǒng)、均相、穩(wěn)定系統(tǒng)、分散相粒子擴(kuò)散分散相粒子擴(kuò)散慢慢蛋白質(zhì)溶蛋白質(zhì)溶液等液等100nm粗分散系粗分散系粗分散粒子粗分散粒子非均相、不穩(wěn)定非均相、不穩(wěn)定系統(tǒng)、易聚沉或系統(tǒng)、易聚沉或分層分層泥漿、乳泥漿、乳汁等汁等膠體的特點(diǎn)-納米粒子的特點(diǎn) (1) 巨大的比表面，界面現(xiàn)象重要例如：巨大的表面和表面能使膠體體系具有很強(qiáng)的吸附能力，可以制造各種吸附劑和催化劑。 (2) 最強(qiáng)烈的尺寸效應(yīng)（a）熔點(diǎn)變化，例如：12nm的TiO2在室溫

6、下就已熔合（正常熔點(diǎn)：18301850 ）（b）力學(xué)性能，例如：500oC時所得硬度相當(dāng)于粗晶塊在1100oC燒結(jié)所得（c）電學(xué)性質(zhì)：Kubo效應(yīng)-即粒子保持電學(xué)中性類別粒徑/nm 起始燒結(jié)溫度/oC Cu Fe Ag Ni 50502020 200(1083)200300(1593)6080(960)200(1453) （d）光學(xué)效應(yīng)：親液溶膠親液溶膠（lyophilic colloid)lyophilic colloid)：一旦將溶劑蒸發(fā)，分散相凝聚，再加入溶劑，又可形成溶膠，親液溶膠是熱力學(xué)上穩(wěn)定、自發(fā)、可逆的體系。憎液溶膠憎液溶膠lyophobic colloid lyophobic

7、colloid ：半徑在1 nm100 nm之間的難溶物固體粒子分散在液體介質(zhì)中，有很大的相界面，易聚沉，是熱力學(xué)上的不穩(wěn)定體系。一旦將介質(zhì)蒸發(fā)掉，再加入介質(zhì)就無法再形成溶膠，是 一個不可逆體系，如氫氧化鐵溶膠、碘化銀溶膠等。（3）根據(jù)按分散相和介質(zhì)之間的親和性分類根據(jù)按分散相和介質(zhì)之間的親和性分類憎液溶膠的特性憎液溶膠的特性A A 特有的分散程度特有的分散程度 粒子的大小在10-910-7 m之間，因而擴(kuò)散較慢，不能透過半透膜，滲透壓低但有較強(qiáng)的動力穩(wěn)定性和乳光現(xiàn)象。B B 多相不均勻性多相不均勻性 具有納米級的粒子是由許多離子或分子聚結(jié)而成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有的保持了該難溶鹽的原有晶體結(jié)構(gòu)，而且

8、粒子大小不一，與介質(zhì)之間有明顯的相界面，比表面很大。C C 熱力學(xué)不穩(wěn)定性熱力學(xué)不穩(wěn)定性 因?yàn)榱Ｗ有?，比表面大，表面自由能高，是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，有自發(fā)降低表面自由能的趨勢，即小粒子會自動聚結(jié)成大粒子。 形成憎液溶膠的必要條件是： A 分散相的溶解度要小； B 還必須有穩(wěn)定劑存在，否則膠粒易聚結(jié)而聚沉。 膠體化學(xué)的研究對象和意義膠體化學(xué)的研究對象和意義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？毛細(xì)現(xiàn)象為什么會產(chǎn)生？人工降雨依據(jù)什么原理？為什么會產(chǎn)生液體過熱現(xiàn)象？加入沸石為什么能消除過熱現(xiàn)象？ 水在玻璃上能鋪展，水銀在玻璃上卻形成液滴,為什么？活性碳為什么可以做防毒面具？冰

9、箱除臭劑？思考：與膠體界面現(xiàn)象相關(guān)的幾個問題在參觀面粉廠時,不能穿帶鐵釘?shù)男瑸槭裁?？土壤為什么能將水份保存起?如何抑制沙漠地帶水的蒸發(fā)?洗衣粉為什么有去污作用?明礬為什么能凈水?怎樣除煙去塵?江河出口處為什么形成三角洲?1-100nm離子、分子離子、分子凝聚凝聚(新相形成新相形成)粗粒子粗粒子分散分散（比表面增加）（比表面增加）膠體分散體系的獲得膠體分散體系的獲得機(jī)械法電分散化法超聲分散法膠溶法物理凝聚法化學(xué)凝聚法分子模板法1. 溶膠的制備一般原則和方法溶膠的制備一般原則和方法五、膠體的制備和性質(zhì)五、膠體的制備和性質(zhì)膠體的制備膠體的制備例如：AgCl (新鮮沉淀） AgCl(溶膠）AgNO

10、KCl3加或 Fe(OH)3（新鮮沉淀） Fe(OH)3 (溶膠）3FeCl加膠溶法膠溶法 是先將新生成沉淀中多余的電解質(zhì)洗去，再加入適量的電解質(zhì)作穩(wěn)定劑，或置于某溫度下使沉淀重新分散成溶膠。注意沉淀老化后就不易再發(fā)生膠溶。 3. 凝聚法制備溶膠凝聚法制備溶膠凝聚法制備溶膠：處于亞穩(wěn)態(tài)的均相體系析出分散相粒子，其與過飽和溶液中的結(jié)晶及過飽和蒸氣的凝結(jié)類似。（1）凝聚法基本原理）凝聚法基本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）晶體成長晶體成長晶核生成速度晶核生成速度v1:1= ssccvkc晶核生長速度晶核生長速度v2:2= ()sDvA cck為常數(shù)，

11、為常數(shù)，c為過飽和溶液濃度；為過飽和溶液濃度；cs為飽和溶解度；為飽和溶解度；D為擴(kuò)散系數(shù)；為擴(kuò)散系數(shù)；A為粒子表面積，為粒子表面積， 為一層結(jié)晶的厚度為一層結(jié)晶的厚度 （3）化學(xué)凝聚法）化學(xué)凝聚法 通過各種化學(xué)反應(yīng)形成不溶化合物。例如：A.復(fù)分解法 AgNO3（?。? KCl（?。?AgCl (溶膠） +KNO3B. 水解法 FeCl3 （?。?3H2O （熱） Fe(OH)3（溶膠）+3HCl C.氧化法 2H2S(?。? O2(g) H2O +3S (溶膠） Fe2SiO4 +1/2O2 + 5H2O 2Fe(OH)3(溶膠）+Si(OH)4(溶膠）D. 還原法 2HAuCl4(?。?

12、3HCHO +11KOH 2Au(溶膠）+3HCOOK + 8KCl + 8H2O 制成膠體后，需要將膠體中多余的電解質(zhì)及雜質(zhì)除去，溶膠才能穩(wěn)定，這就稱為溶膠的凈化。 用凝聚法制得的溶膠的凈化方法： 過濾：膠體粒子小，可通過普通濾紙的孔隙，而粗 粒子不能通過； 沉降：膠體不沉； 離心分離。 4. 溶膠的凈化溶膠的凈化1 膠體的光學(xué)性質(zhì)膠體的光學(xué)性質(zhì)2 膠體的運(yùn)動性質(zhì)膠體的運(yùn)動性質(zhì)3 膠體的電學(xué)性質(zhì)膠體的電學(xué)性質(zhì)4 膠體的穩(wěn)定性膠體的穩(wěn)定性5 膠體的流變性質(zhì)膠體的流變性質(zhì)（二）（二） 膠體的基本性質(zhì)膠體的基本性質(zhì)一束光透過膠體，形成光亮的一束光透過膠體，形成光亮的“通路通路”的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。丁達(dá)

13、爾現(xiàn)象丁達(dá)爾現(xiàn)象鑒別膠體的最簡便方法鑒別膠體的最簡便方法 形成原因：形成原因： 膠體微粒膠體微粒（dd Cs+ Rb+ NH4+ K+ Na+ Li+對一價陰離子： F- Cl- Br- NO3- I-(c) 與膠粒電性相同的離子，一般說來，價數(shù)越高，水合半徑越?。}析作用） ，聚沉能力越弱(2) 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，當(dāng)兩種帶相反電荷的溶膠所帶電量相等時， 相互混合也會發(fā)生聚沉。相互混合也會發(fā)生聚沉。 (3) 高分子化合物的作用高分子化合物的作用 在溶膠中加入少量高分子化合物可使溶膠聚沉，稱為敏化作用敏化作用(絮凝作用)。 在溶膠中加入足

14、夠多的高分子化合物，則會阻止溶膠的聚沉，稱為空間空間保護(hù)作用保護(hù)作用。表面張力與表面自由能表面張力與表面自由能 對于單組分體系，這種特性主要來自于同一物質(zhì)在不同相中的密度不同；對于多組分體系，則特性來自于界面層的組成與任一相的組成均不相同。 表面層分子與內(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對稱的，各個方向的力彼此抵銷(各向同性)； 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)不同的另一相中物質(zhì)分子的作用，其作用力不能相互抵銷，因此，界面層分子由于其處在一不均勻?qū)ΨQ的力場會顯示出一些獨(dú)特的性質(zhì)。界面化學(xué)界面化學(xué)2022-6-

15、26表面功（表面功（surface work）dWA式中 為比例系數(shù)，它在數(shù)值上等于當(dāng)T，P及組成恒定的條件下，增加單位表面積時所必須對體系做的可逆非膨脹功。 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，就必須克服體系內(nèi)部分子之間的作用力，對體系做功。 溫度、壓力和組成恒定時，可逆使表面積增加dA所需要對體系作的功，稱為表面功。用公式表示為：2022-6-26表面自由能表面自由能(surface free energy)BBBBBBBBBBBBdddddddddddddddddnAPVTSGdnAVPTSFdnAPVSTHdnAVPSTUB,)(n

16、VSAUB,)(nPSAHB,)(nVTAFB,)(nPTAG由此可得： 考慮了表面功，熱力學(xué)基本公式中應(yīng)相應(yīng)增加 dA一項(xiàng)，即：2022-6-26表面自由能表面自由能(surface free energy) 廣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，每增加單位表面積時，Gibbs自由能的增加值稱為表面Gibbs自由能，或簡稱表面自由能或表面能，用符號 或 表示，單位為Jm-2。B, ,()p T nGA 保持相應(yīng)的特征變量不變，每增加單位表面積時，相應(yīng)熱力學(xué)函數(shù)的增值。2022-6-26表面張力（表面張力（surface tension） 在兩相(特別是氣-

17、液)界面上，處處存在著一種張力，它垂直于表面的邊界，指向液體方向并與表面相切。 將一含有一個活動邊框的金屬線框架放在肥皂液中，然后取出懸掛，活動邊在下面。由于金屬框上的肥皂膜的表面張力作用，可滑動的邊會被向上拉，直至頂部。 把作用于單位邊界線上的這種力稱為表面張力，用 表示，單位是Nm-1。2022-6-26表面張力（表面張力（surface tension） 如果在活動邊框上掛一重物，使重物質(zhì)量W2與邊框質(zhì)量W1所產(chǎn)生的重力F（F=（W1+W2）g）與總的表面張力大小相等方向相反，則金屬絲不再滑動。 這時 2Fl l是滑動邊的長度，因膜有兩個面，所以邊界總長度為2l， 就是作用于單位邊界上的

18、表面張力。2022-6-26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（2）溫度的影響 溫度升高，表面張力下降。（3）壓力的影響 表面張力一般隨壓力的增加而下降。因?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)。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。 對純液體或純固體，表面張力決定于分子間形成的化學(xué)鍵能的大小，一般化學(xué)鍵越強(qiáng)，表面張力越大。(金屬鍵) (離子鍵) (極性共價鍵) (非極性共價鍵)兩種液體間的界面張力，界于兩種液體表面張力之間。2022-6-26壓力的影響壓力的影響壓力與表面張力關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究不易

19、進(jìn)行，一般說來，壓力對表面張力的影響可以從下面三個方面考慮 p增加，兩相間密度差減少，減小p增加，氣體在液體表面上的吸附使表面能降低（吸附放熱），因此減小p增加，氣體在液體中的溶解度增大，表面能降低以上三種情況均表明， p增加，減小2022-6-26壓力的影響壓力的影響但從有關(guān)公式可知,(1 31)T pT ApA,T pT AVpA上式表明，p增加，增加實(shí)驗(yàn)結(jié)果是，在某些情況下p增加，減小。這可用氣體吸附或溶解來解釋，但在另一些情況下，p增加，增加。顯然，這與上述解釋相反?？梢?，壓力對表面張力的影響相當(dāng)復(fù)雜，這是因?yàn)樵黾訅毫Ρ仨氁氲诙M分（如惰性氣體），而第二組分又往往會通過吸附或溶解來影

20、響表面張力。當(dāng)?shù)诙壏值奈交蛉芙鈱Ρ砻鎻埩Φ挠绊戇h(yuǎn)遠(yuǎn)超過壓力本身的作用則往往表現(xiàn)為第一種情況，而當(dāng)吸附或溶解的影響很小時，則又表面為第二種情況。測定液體表面張力的方法1.毛細(xì)管上升法 2.環(huán)法 3.氣泡最大壓力法2022-6-264.4 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體內(nèi)部的不對稱力場之中，因此，表面層分子有離開表面層進(jìn)入體相的趨勢。這一點(diǎn)可從液體表面的自動收縮得以證明。這也說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。 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，要完成這個過程必須借助于外力做功。因此

21、，體系獲得的能量便是表面過剩自由能?？梢?，構(gòu)成界面的兩相性質(zhì)不同及分子內(nèi)存在著相互作用力是產(chǎn)生表面自由能的原因。2022-6-26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 液體表面為什么會存在張力是一個長期困擾表面化學(xué)家的問題，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。 從液體表面的特性來看，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，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方向存在著側(cè)向引力，距離較大時，吸引力占優(yōu)勢。2022-6-264.5 彎曲表面下的附加壓力與蒸氣壓彎曲表面下的附加壓力與蒸氣壓 彎曲

22、表面下的附加壓力1.在平面上2.在凸面上3.在凹面上 Young-Laplace公式 Kelvin公式2022-6-26 彎曲表面下的附加壓力彎曲表面下的附加壓力1.在平面上剖面圖液面正面圖 研究以AB為直徑的一個環(huán)作為邊界，由于環(huán)上每點(diǎn)的兩邊都存在表面張力，大小相等，方向相反，所以沒有附加壓力。 設(shè)向下的大氣壓力為Po，向上的反作用力也為Po ，附加壓力Ps等于零。Ps = Po - Po =02022-6-26彎曲表面下的附加壓力彎曲表面下的附加壓力（2）在凸面上：剖面圖附加壓力示意圖 研究以AB為弦長的一個球面上的環(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，大小相等，但不在同一平

23、面上，所以會產(chǎn)生一個向下的合力。 所有的點(diǎn)產(chǎn)生的總壓力為Ps ，稱為附加壓力。凸面上受的總壓力為： Po+ PsPo為大氣壓力， Ps為附加壓力。 2022-6-26彎曲表面下的附加壓力彎曲表面下的附加壓力（3）在凹面上：剖面圖附加壓力示意圖 研究以AB為弦長的一個球形凹面上的環(huán)作為邊界。由于環(huán)上每點(diǎn)兩邊的表面張力都與凹形的液面相切，大小相等，但不在同一平面上，所以會產(chǎn)生一個向上的合力。 所有的點(diǎn)產(chǎn)生的總壓力為Ps ，稱為附加壓力。凹面上向下的總壓力為：Po-Ps ，所以凹面上所受的壓力比平面上小。2022-6-26楊楊- -拉普拉斯公式拉普拉斯公式 1805年Young-Laplace導(dǎo)出了

24、附加壓力與曲率半徑之間的關(guān)系式：特殊式（對球面）：s2RP 根據(jù)數(shù)學(xué)上規(guī)定，凸面的曲率半徑取正值，凹面的曲率半徑取負(fù)值。所以，凸面的附加壓力指向液體，凹面的附加壓力指向氣體，即附加壓力總是指向球面的球心。一般式：)11(21sRRP2022-6-26Young-Laplace 一般式的推導(dǎo)一般式的推導(dǎo)1. 在任意彎曲液面上取小矩形曲面ABCD(紅色面)，其面積為xy。曲面邊緣AB和BC弧的曲率半徑分別為和 。1R2R2. 作曲面的兩個相互垂直的正截面，交線Oz為O點(diǎn)的法線。3. 令曲面沿法線方向移動dz ，使曲面擴(kuò)大到ABCD(藍(lán)色面)，則x與y各增加dx和dy 。2022-6-26Young

25、-Laplace 一般式的推導(dǎo)一般式的推導(dǎo)5. 增加dA面積所作的功與克服附加壓力Ps增加dV所作的功應(yīng)該相等，即：(A) d)dd(ddsszxyPxyyxVPA4. 移動后曲面面積增加dA和dV為：zxyVxyyxxyyyxxAdddd )d)(d( d2022-6-26Young-Laplace 一般式的推導(dǎo)一般式的推導(dǎo)6. 根據(jù)相似三角形原理可得：222111dd /)d/()d(dd /)d/()d(z/RxyRyzRyyz/RxxRxzRxx化簡得化簡得7. 將dx,dy代入(A)式,得：)11(21sRRP8. 如果是球面，:,21則RR 2sRP2022-6-26Young-L

26、aplace特殊式的推導(dǎo)特殊式的推導(dǎo)(1)在毛細(xì)管內(nèi)充滿液體，管端有半徑為R 的球狀液滴與之平衡。 外壓為 p0 ，附加壓力為 ps ,液滴所受總壓為： p0 + ps 2022-6-26Young-Laplace特殊式的推導(dǎo)特殊式的推導(dǎo)2.對活塞稍加壓力，將毛細(xì)管內(nèi)液體壓出少許，使液滴體積增加dV，相應(yīng)地其表面積增加dA?？朔郊訅毫s環(huán)境所作的功與可逆增加表面積的吉布斯自由能增加應(yīng)該相等。324 d4d3VRVRR代入得：2sRpsddp VA24 d8dARAR R2022-6-26附加壓力與毛細(xì)管中液面高度的關(guān)系附加壓力與毛細(xì)管中液面高度的關(guān)系1.曲率半徑R與毛細(xì)管半徑R的關(guān)系： R

27、=R/cosq2.ps=2/R=(rl-rg)gh如果曲面為球面，則R=R。因rlrg所以：ps=2/R=rlgh一般式：2 cosq/R=rgh2022-6-26幾種毛細(xì)現(xiàn)象幾種毛細(xì)現(xiàn)象3、1）液體在地層和紡織品中的流動原油和水在地層中的流動屬液體在不均勻孔徑的毛細(xì)管中的流動，當(dāng)忽略重力作用時，由于不同管徑的曲率半徑不同，造成兩部分液面的附加壓力不同（毛細(xì)壓差）。因此，液體將往附加壓力大的方向流動。若要改變其流動方向，必須施加一克服此壓力差的力，若采用表面化學(xué)方法改變體系表面張力和液面曲率，可以改變體系毛細(xì)壓差以利于實(shí)現(xiàn)所要求的流動。這是三次采油的關(guān)鍵問題之一。2022-6-26幾種毛細(xì)現(xiàn)象

28、幾種毛細(xì)現(xiàn)象2）關(guān)于泡沫和乳狀液的穩(wěn)定性泡沫和乳狀液是由兩種不相混溶的流體相形成的的分散體系。泡沫是大量氣體分散在少量液體中構(gòu)成的，而乳狀液是一種液體以微小液滴狀態(tài)分散在另一液相中。泡沫的片膜與片膜之間構(gòu)成具有不同曲率的連續(xù)液體，由于附加壓力不同，液體從曲率小、壓力大的片膜流向曲率大、壓力小的片膜邊界，最后導(dǎo)致泡沫排液、泡膜變薄而破裂。這是影響泡膜穩(wěn)定的重要原因。2022-6-26幾種毛細(xì)現(xiàn)象幾種毛細(xì)現(xiàn)象3）壓汞法測孔徑 水銀在一般固體的孔中形成凸液面，欲使水銀進(jìn)入固體孔中須克服毛細(xì)壓差。即當(dāng)、已知，通過測定毛細(xì)壓差可計算固體的孔徑。如催化劑的孔徑測定。2 cosprq2022-6-26彎曲表

29、面上的蒸汽壓彎曲表面上的蒸汽壓開爾文公式開爾文公式 對小液滴與蒸汽的平衡，應(yīng)有相同形式，設(shè)氣體為理想氣體。mmlglg(l)(g)ddTTGGppppmlmg(l)d(g)dVpVplgl,0g,0mlg(l)ddlnppppVpRTpgdlnRTpmm(l)(g) GG液體(T,pl) 飽和蒸汽(T,pg)2022-6-26彎曲表面上的蒸汽壓彎曲表面上的蒸汽壓開爾文公式開爾文公式g0mllg,0(l)()lnpVppRTpmg02 (l)2 ln()pVMRTpRRr這就是Kelvin公式，式中r為密度，M 為摩爾質(zhì)量。0llsppp2R2022-6-26彎曲表面上的蒸汽壓彎曲表面上的蒸汽壓

30、開爾文公式開爾文公式 Kelvin公式也可以表示為兩種不同曲率半徑的液滴或蒸汽泡的蒸汽壓之比，或兩種不同大小顆粒的飽和溶液濃度之比。1212112lnRRMppRTr12s12112lnRRMccRTlr對凸面，R取正值，R越小，液滴的蒸汽壓越高， 或小顆粒的溶解度越大。對凹面，R取負(fù)值，R越小，小蒸汽泡中的蒸汽 壓越低。2022-6-26開爾文公式的應(yīng)用開爾文公式的應(yīng)用1）過飽和蒸汽恒溫下，將未飽和的蒸汽加壓，若壓力超過該溫度下液體的飽和蒸汽壓仍無液滴出現(xiàn)，則稱該蒸汽為過飽和蒸汽。原因：液滴小，飽和蒸汽壓大，新相難成而導(dǎo)致過冷。解決辦法：引入凝結(jié)核心如人工降雨用的AgI或干冰。2022-6-

31、26開爾文公式的應(yīng)用開爾文公式的應(yīng)用2）過熱液體 沸騰是液體從內(nèi)部形成氣泡、在液體表面上劇烈汽化的現(xiàn)象。但如果在液體中沒有提供氣泡的物質(zhì)存在時，液體在沸點(diǎn)時將無法沸騰。我們將這種按相平衡條件，應(yīng)當(dāng)沸騰而不沸騰的液體，稱為過熱液體。液體過熱現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于液體在沸點(diǎn)時無法形成氣泡所造成的。根據(jù)開爾文公式，小氣泡形成時期氣泡內(nèi)飽和蒸氣壓遠(yuǎn)小于外壓，但由于凹液面附加壓力的存在，小氣泡要穩(wěn)定存在需克服的壓力又必2022-6-26開爾文公式的應(yīng)用開爾文公式的應(yīng)用須大于外壓。因此，相平衡條件無法滿足，小氣泡不能存在，這樣便造成了液體在沸點(diǎn)時無法沸騰而液體的溫度繼續(xù)升高的過熱現(xiàn)象。過熱較多時，極易暴沸。為防

32、止暴沸，可事先加入一些沸石、素?zé)善任镔|(zhì)。因?yàn)檫@些多孔性物質(zhì)的孔中存在著曲率半徑較大的氣泡，加熱時這些氣體成為新相種子（氣化核心），因而繞過了產(chǎn)生極微小氣泡的困難階段，使液體的過熱程度大大降低。2022-6-26開爾文公式的應(yīng)用開爾文公式的應(yīng)用例例1將正丁醇（摩爾質(zhì)量 M0.074kgmol-1）蒸氣聚冷至 273K，發(fā)現(xiàn)其過飽和度約達(dá)到4時方能自行凝結(jié)為液滴，若 273K時正丁醇的表面張力 0.0261Nm-1，密度 1103kgm-3 ，試計算（a）在此過飽和度下所凝結(jié)成液滴的半徑 r ；（b）每一液滴中所含正丁醇的分子數(shù)。解解: （a）過飽和度即為 ，根據(jù)開爾文公式 2022-6-26

33、開爾文公式的應(yīng)用開爾文公式的應(yīng)用2022-6-26開爾文公式的應(yīng)用開爾文公式的應(yīng)用例例2 當(dāng)水滴半徑為當(dāng)水滴半徑為10-8m 時，其時，其 25飽和蒸氣壓的增飽和蒸氣壓的增加相當(dāng)于升高多少溫度所產(chǎn)生的效果。已知水的密度加相當(dāng)于升高多少溫度所產(chǎn)生的效果。已知水的密度為為 0.998103kgm-3，摩爾蒸發(fā)焓為摩爾蒸發(fā)焓為 44.01kJmol-1。解：按開爾文公式，解：按開爾文公式，又根據(jù)克拉貝龍又根據(jù)克拉貝龍-克勞修斯方程克勞修斯方程2022-6-26開爾文公式的應(yīng)用開爾文公式的應(yīng)用2022-6-26開爾文公式的應(yīng)用開爾文公式的應(yīng)用（3）毛細(xì)凝結(jié)與等溫蒸餾）毛細(xì)凝結(jié)與等溫蒸餾 考慮液體及其飽

34、和蒸氣與孔性考慮液體及其飽和蒸氣與孔性固體構(gòu)成的體系?？字幸好媾c孔外液面的曲率不同，導(dǎo)固體構(gòu)成的體系?？字幸好媾c孔外液面的曲率不同，導(dǎo)致蒸氣壓力不同。在形成凹形液面的情況下，孔中液體致蒸氣壓力不同。在形成凹形液面的情況下，孔中液體的平衡蒸氣壓低于液體的正常蒸氣壓。故在體系蒸氣壓的平衡蒸氣壓低于液體的正常蒸氣壓。故在體系蒸氣壓低于正常飽和蒸氣壓時即可在毛細(xì)管中發(fā)生凝結(jié)。此即低于正常飽和蒸氣壓時即可在毛細(xì)管中發(fā)生凝結(jié)。此即所謂毛細(xì)凝結(jié)現(xiàn)象。硅膠能作為干燥劑就是因?yàn)楣枘z能所謂毛細(xì)凝結(jié)現(xiàn)象。硅膠能作為干燥劑就是因?yàn)楣枘z能自動地吸附空氣中的水蒸氣，使得水氣在毛細(xì)管內(nèi)發(fā)生自動地吸附空氣中的水蒸氣，使得水氣

35、在毛細(xì)管內(nèi)發(fā)生凝結(jié)。凝結(jié)。 毛細(xì)凝結(jié)的另一應(yīng)用是等溫蒸餾。其過程是，如果在毛細(xì)凝結(jié)的另一應(yīng)用是等溫蒸餾。其過程是，如果在一封閉容器中有曲率大小不同的液面與它們的蒸氣相共一封閉容器中有曲率大小不同的液面與它們的蒸氣相共存，由于在相同溫度下不同液面的平衡蒸氣壓力不同，存，由于在相同溫度下不同液面的平衡蒸氣壓力不同，體系中自發(fā)進(jìn)行液體分子從大塊液相通過氣相轉(zhuǎn)移到曲體系中自發(fā)進(jìn)行液體分子從大塊液相通過氣相轉(zhuǎn)移到曲率大的凹液面處。率大的凹液面處。2022-6-26開爾文公式的應(yīng)用開爾文公式的應(yīng)用潤濕和鋪展?jié)櫇窈弯佌巩?dāng)S0是液體可以在固體表面自動鋪展，S越大，鋪展能力越大。當(dāng)然也表示該液體在固體表面的潤濕

36、能力強(qiáng)。水凝膠簡介水凝膠簡介 水凝膠（Hydrogel）是一類具有親水基團(tuán)，能被水溶脹但不溶于水的具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物。 水凝膠的特點(diǎn)：水凝膠的特點(diǎn)： 1.它在水中能夠吸收大量的水分顯著溶脹，并在顯著脹之后，能夠繼續(xù)保持其原有結(jié)構(gòu)而不被溶解； 2.良好的生物相容性、優(yōu)良的物理機(jī)械性能和長期植入的穩(wěn)定性； 3.良好的水蒸氣透過率和合適的氣體(如O 2 和C O 2)通過率,而且, 水凝膠不會和傷口粘連, 敷貼及取出極為方便； 4.能夠感知外界刺激的微小變化，如溫度、pH值、離子強(qiáng)度、電場、磁場等，并能夠?qū)Υ碳ぐl(fā)生敏感性的響應(yīng)，常通過體積的溶脹或收縮來實(shí)現(xiàn)。 水凝膠的分類水凝膠的分類 按照結(jié)合

37、方式分類： 1.物理水凝膠，通過物理作用力結(jié)合起來，如靜電作用、氫鍵、鏈的纏繞等，是非永久性的。 2.化學(xué)水凝膠，通過化學(xué)鍵交聯(lián)形成的三維網(wǎng)絡(luò)聚合物，是永久性的。 根據(jù)合成材料分類： 1.天然高分子水凝膠 2.合成高分子水凝膠 3.天然和合成高分子雜化水凝膠 根據(jù)水凝膠大小形狀的不同分類： 1.宏觀凝膠 2.微觀凝膠柱狀球狀膜狀纖維狀多孔海綿狀微米級納米級水凝膠的結(jié)構(gòu)水凝膠的結(jié)構(gòu)水凝膠 一級結(jié)構(gòu) 二級結(jié)構(gòu) 三級結(jié)構(gòu)親水基團(tuán)如羧基、酰胺基、羥基等疏水基團(tuán)如烷基等輕度交聯(lián)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)呈無定形的結(jié)構(gòu)水凝膠中的水水凝膠中的水作用作用： 溶脹劑 控制所有載物或者營養(yǎng)成分進(jìn)入凝膠名稱名稱結(jié)合方式與物質(zhì)結(jié)

38、合方式與物質(zhì)結(jié)合水以氫鍵的形式與親水基團(tuán)結(jié)合界面水（或第二結(jié)合水）以范德華力與疏水基團(tuán)結(jié)合起來游離水在滲透壓作用下分布于聚合物鏈間網(wǎng)絡(luò)中影響水凝膠吸水量主要因素:大分子鏈中極性基團(tuán)數(shù)量 在生物相容性方面，水凝膠具有良好的生物相容性主要原因是聚合物網(wǎng)絡(luò)中吸收的大量水分子并且較大程度上被交鏈的大分子鏈，使材料具備了一種流體性質(zhì)表面活性劑表面活性劑Solution PropertiesKrafft point; cloud point; cmTI. Above the Krafft point, the solubility is sharply increases due to the forma

39、tion of micelles.II. Some surfactants (e.g. poly(ethylene)-poly(ethylene-oxide) = PEPEO = CmEn) - based surfactants)dehydrate and phase separate upon temperature elevation (“cloud point”).III. For pluronics; poly(propylene-oxide)-poly(ethylene-oxide) = (PPO-PEO) diblock copolymer surfactants, the mi

40、celles form as a result of the dehydration of the PEO segments (“critical micelle temperature” or “CMT”).HLB and use of surfactants Amphiphilic surfactants are characterized by the hydrophilic-lipophilic balance (HLB): a relative ratio of polar and nonpolargroups in the surfactant HLB ca. 1 to 3: An

41、tifoams / inverse micelles HLB ca. 3 to 8: Water-in-Oil Emulsifiers HLB ca. 7 to 9: Wetting and spreading agents HLB ca. 8 to 16: Oil-in-Water Emulsifiers HLB ca. 13 to 16: Detergents HLB ca. 15: SolubilizersGriffins scale: it is an arbitrary (group additivity) scale of values serving as a measure of the HLB of surfactantsHLB of surfactant blendsSurfactant blends are commonly used to obtain desiredemulsifying properties. What is the HLB of the mixture of 40 % Span 60 (HLB = 4.7) and 60 % Tween 60 (HLB = 14.9)? HLB of mixture: 4.7 x 0.4 + 14.9 x 0.6 = 10.8 In what proportion s