大學(xué)工科化學(xué)表面化學(xué)市公開課獲獎?wù)n件

1、第八章 表面化學(xué)一、基本定義界面：緊密接觸兩相之間過渡區(qū)域，幾種分子厚度（并非幾何學(xué)中沒有厚度概念平面或曲面）。表面：包括氣相界面為表面。表面化學(xué)：在原子或分子水平上研究兩相界面上所發(fā)生化學(xué)過程一門邊沿學(xué)科。第1頁第1頁界面種類 依據(jù)物質(zhì)存在形態(tài)：固(s)、氣(g)、液(l)，界面有 5 類： 氣液：g-L 氣固：g-S習(xí)慣上稱之為“表面”（有一相為氣相） 液液：L-L 液固：L-S 固固：S-S “界面”第2頁第2頁第3頁第3頁第4頁第4頁8.1表面吉布斯函數(shù)與表面張力一、表面狀態(tài)與表面分子特性以液體和空氣相接觸情況為例內(nèi)部分子：受鄰近各方向力彼此抵消；界面分子：受不同兩相中物質(zhì)分子作用。

2、第5頁第5頁比如：表面分子受到指向液體內(nèi)部拉力，致使液體表面有自發(fā)收縮成表面積最小趨勢。亦即一個孤立（忽略重力）液滴趨于呈球形，由于球形是表面積與體積比最小形狀。第6頁第6頁比表面（A0） 把物質(zhì)分散成細(xì)小微粒程度稱為分散度。慣用比表面（A0）來表示多相分散系統(tǒng)分散程度。 （單位體積物質(zhì)所含有表面積） 把一定大小物質(zhì)分割得越小，則分散度越高，比表面A0也越大。第7頁第7頁比如，把邊長為1cm立方體1cm3逐步分割成小立方體時，比表面增長情況列于下表：邊長l/m 立方體數(shù) 比表面Av/（m2/m3）110-2 1 6 102 110-3 103 6 103 110-5 109 6 105 110

3、-7 1015 6 107 110-9 1021 6 109 可見達(dá)到nm級超細(xì)微粒含有巨大比表面積，因而含有許多獨特表面效應(yīng)，成為新材料和多相催化方面研究熱點。第8頁第8頁二、表面吉布斯函數(shù)與表面張力1.表面吉布斯函數(shù)如前分析，g-L 表面相分子受到垂直指向液體內(nèi)部吸引力，即表相分子比本體相分子含有額外（表面）勢能。要使表面積增長，即把分子從體相拉到表相，外界必須做功。第9頁第9頁表面功：在等溫等壓（構(gòu)成不變）下可逆地使表面積增長A所需對系統(tǒng)做功叫表面功（可逆非體積功）。 G表：表面吉布斯函數(shù) ：比表面吉布斯函數(shù)。等溫等壓下，增長單位面積表面時，吉布斯函數(shù)增長。等溫等壓可逆過程： (G )

4、T, P = Wf （1） = A = G表第10頁第10頁顯然系統(tǒng)自由能： G = G內(nèi)+ G表G內(nèi) : 若所有分子均為體相分子（內(nèi)部分子）時系統(tǒng)自由能；G表 : 表相分子比等量體相分子多出額外（表面）勢能。當(dāng)系統(tǒng)分散度很小時， G表 0， G = G內(nèi)當(dāng)系統(tǒng)分散度很大時， G = G內(nèi)+ G表= G內(nèi)+ A第11頁第11頁2、表面張力 從前面討論得知：“液體表面含有表面自由能?！庇捎谙到y(tǒng)能量越低越穩(wěn)定，因此其表面含有自動收縮，以減少表面積趨勢。能夠?qū)⑦@種收縮趨勢理解為由表面分子之間互相吸引造成結(jié)果。第12頁第12頁這種 “表面收縮力”與表面平行（如圖），垂直于邊界線并指向表面內(nèi)部；或垂直作

5、用于表面上任一曲線兩邊 我們稱之為 “表面張力”。第13頁第13頁 表面張力 定義：表面上單位長度邊界線上指向表面內(nèi)部（或表面上單位長度任意曲線兩邊）、與液面相切表面收縮力，叫做表面張力。表面張力 單位：N / m第14頁第14頁例 1：金屬環(huán)皂膜 第15頁第15頁例 2 AB 受到皂膜表面張力 f 向左拉力： f = 2l （肥皂膜有兩個表面）若在 AB 上加一向右力 F，使 AB 可逆地向右移動 x 距離。第16頁第16頁則外力對體系做表面功： W = Fx = f x = 2l x 即 W = A （1）（ A= 2l x，為膜表面積增量，注意膜有正、反兩面。)第17頁第17頁表面功即系

6、統(tǒng)表面自由能增長，即等溫等壓下： W = Wf = A （2） W = A （1）比較（1）,（2）兩式：表面張力 與比表面吉布斯自由能 在數(shù)值上是相等。結(jié)論：能夠用同一符號 “ ” 來表示比表面吉布斯函數(shù)或表面張力。第18頁第18頁3、比表面吉布斯函數(shù)與表面張力異同點 異：物理概念、意義不同：2）表面張力（通常）指純物質(zhì)表面層分子間實際存在著（收縮）張力。單位：N / m。 1）比表面自由能表示形成單位面積新表面時系統(tǒng)表面吉布斯函數(shù)增長（能量角度），單位： J / m2 ：第19頁第19頁同： 既可表示比表面自由能又可表示表面張力，兩者量綱相同，數(shù)值相等： 表面自由能 J / m2 = Nm

7、 /m2 = N / m 表面張力第20頁第20頁影響表面張力原因 ：A 溫度：T B 構(gòu)成：金屬鍵離子鍵極性共價鍵非極 性共價鍵極性 第21頁第21頁三、表面現(xiàn)象與表面吉布斯函數(shù)1.縮小表面積2.減少表面張力吸附現(xiàn)象3.同時改變潤濕現(xiàn)象同一質(zhì)量物質(zhì)，分散度（比表面積A0=A/V)越大，表面吉布斯函數(shù)越大，系統(tǒng)總吉布斯函數(shù)越大，系統(tǒng)越不穩(wěn)定，將向減小吉布斯函數(shù)方向改變?？赏ㄟ^下列三種方式自發(fā)地使系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)：第22頁第22頁8.2吸附作用吸附原因：表面分子受力不均，存在過剩表面吉布斯函數(shù)，能夠吸引那些能減少其表面吉布斯函數(shù)氣體或液體。一、 吸附現(xiàn)象及其本質(zhì)吸附:物質(zhì)界面吸引了周圍介質(zhì)質(zhì)點而

8、使其暫時停留現(xiàn)象。吸附劑：能把周圍介質(zhì)吸引在自己表面上物質(zhì)吸附質(zhì)：被吸附劑吸附物質(zhì)。第23頁第23頁吸附為自發(fā)過程 比如，活性炭表面吸引了乙醚分子或醋酸分子后，使得固體表面分子除受內(nèi)部分子引力外，又增長了吸附質(zhì)與吸附劑分子之間引力，這兩種方向相反力使得表面分子受內(nèi)部分子拉力削弱，固體吸附劑表面張力下降，表面吉布斯函數(shù)減少，因此固體能吸附其它物質(zhì)。G表=A吸附結(jié)果 0G表0 自發(fā)過程第24頁第24頁二、物理吸附和化學(xué)吸附特點：吸附穩(wěn)定性不高，吸附和解吸速率都很快；吸附無選擇性，任何固體能夠吸附任何氣體，當(dāng)然吸附量會有所不同。吸附過程不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不需要活化能；放熱過程，高溫對吸附不利。1.物理

9、吸附定義：吸附起源于吸附劑與吸附質(zhì)之間范德華力，這種吸附為物理吸附。第25頁第25頁特點：吸附力是由吸附劑與吸附質(zhì)分子之間產(chǎn)生化學(xué)鍵力，普通較強。吸附很穩(wěn)定，一旦吸附，就不易解吸。吸附有選擇性，固體表面活性位只吸附與之可發(fā)生反應(yīng)氣體分子，如酸位吸附堿性分子，反之亦然。2.化學(xué)吸附定義：吸附劑與吸附質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。第26頁第26頁吸附只能生成單分子層；吸附熱較高，靠近于化學(xué)反應(yīng)熱以上；需要活化能，普通在高溫下進行。溫度升高，吸附和解吸速率加快第27頁第27頁吸附劑與吸附質(zhì)性質(zhì)（同極性相吸）分散度越大，吸附劑吸附能力越強增溫吸附量減少吸附質(zhì)為氣體時，吸附量與氣體壓力相關(guān)三、影響吸附作用原因四、 吸

10、附劑應(yīng)用第28頁第28頁8.3表面活性物質(zhì) 含有雙親結(jié)構(gòu)有機化合物例：肥皂 CH3(CH2)16COONa 親油基 親水基一、表面活性劑及其分類定義：以很低濃度明顯降低液體表面張力物質(zhì)。1.表面活性劑結(jié)構(gòu)特點第29頁第29頁2.表面活性劑分類按化學(xué)結(jié)構(gòu)分：離子型和非離子型按離子類型分：陰離子、陽離子、兩性按用途分：起泡劑、潤濕劑、洗滌劑、增溶劑等 陰離子表面活性劑RCOONa羧酸鹽R-OSO3Na硫酸酯鹽R-SO3Na磺酸鹽R-OPO3Na2磷酸酯鹽其特點是洗凈去污能力強，在化妝品中應(yīng)用主要是清潔洗滌作用。第30頁第30頁陽離子表面活性劑R-NH2HCl 伯胺鹽 CH3 |R-N-HCl仲胺鹽

11、 | H CH3 |R-N-HCl叔胺鹽 | CH3 CH3 |R-N+-CH3Cl-季胺鹽 | CH3其特點是含有較好殺菌性與抗靜電性，在化妝品中應(yīng)用是柔軟去靜電。第31頁第31頁兩性表面活性劑R-NHCH2-CH2COOH 氨基酸型 CH3 |R-N+-CH2COO-甜菜堿型 | CH3其特點是含有良好洗滌作用且比較溫和，常與陰離子型或陽離子型表面活性劑搭配使用。第32頁第32頁R-(C6H4)-O(C2H4O)nH烷基酚聚氧乙烯醚非離子表面活性劑R2N-(C2H4O)nH聚氧乙烯烷基胺R-CONH(C2H4O)nH聚氧乙烯烷基酰胺R-COOCH2(CHOH)3H多元醇型R-O-(CH2C

12、H2O)nH脂肪醇聚氧乙烯醚其特點是安全溫和，無刺激性，含有良好乳化、增溶等作用，在化妝品中應(yīng)用最廣。第33頁第33頁二、表面活性劑性質(zhì)及應(yīng)用1.性質(zhì)A 表面吸附B 形成膠團C 定向排列第34頁第34頁 潤濕作用潤濕概念從力學(xué)角度：當(dāng)固體分子對液體分子粘附力不小于液體分子內(nèi)聚力時，發(fā)生潤濕。從熱力學(xué)角度：為固液二相接觸后，系統(tǒng)表面吉布斯函數(shù)減少現(xiàn)象。2.表面活性劑應(yīng)用第35頁第35頁接觸角：三相接觸達(dá)平衡時，過三相接觸點沿液氣 界面切線與固液界面夾角。l-gs- ls-gs-g = l-g COS +s- lCOS = (s-g - s-l)/ l-g 接觸角與界面張力關(guān)系第36頁第36頁接觸

13、角與潤濕程度之間關(guān)系： 0 完全潤濕90 潤濕 90 不潤濕180 完全不潤濕第37頁第37頁第38頁第38頁由于固體界面張力由固體結(jié)構(gòu)決定，為常數(shù)（即s-g為常數(shù)），可通過改變液體表面張力l-g和固液表面張力s-l來改變潤濕狀態(tài)。加入表面活性劑可使l-g 和 s-l減小，變小,即表面活性劑有增長潤濕作用。接觸角與各界面張力相對大小相關(guān)s-g s-l，則 90s-g s-l ，則 90 因此可通過改變界面張力來調(diào)整接觸角COS = (s-g - s-l)/ l-g 第39頁第39頁 乳化作用乳化：一個液體在另一個不溶性液體中，被分散成細(xì)小粒子稱為乳化。乳化作用：在一定條件下，使不相混溶兩種液體

14、形成含有一定穩(wěn)定性液液分散體系作用。在乳濁液中，分散相呈細(xì)小液滴分散在介質(zhì)中，相界面積很大，體系能量很高，為熱力學(xué)上不穩(wěn)定體系。乳化劑：能增長乳濁液穩(wěn)定性物質(zhì)叫乳化劑。第40頁第40頁減少界面張力形成牢固乳化膜乳化膜帶電適當(dāng)表面粘度乳化劑大多是表面活性劑，主要穩(wěn)定原因：第41頁第41頁乳狀液類型油包水型水包油型第42頁第42頁 增溶作用定義：一些難溶或不溶于水有機物可因表面活性膠團形成而大大提升其溶解度作用。機理：主要發(fā)生在膠團中。第43頁第43頁 起泡和消泡作用氣泡：不溶性氣體分散在液體或固體中所生成泡。泡沫：多數(shù)氣泡集合體。氣泡產(chǎn)生過程：起泡劑：起泡性能好物質(zhì)稱為起泡劑。用于浮游選礦、泡沫

15、滅火和洗滌去污等。第44頁第44頁浮游選礦 首先將粗礦磨碎，傾入浮選池中。在池水中加入捕集劑和起泡劑等表面活性劑；攪拌并從池底鼓氣，礦物會附在氣泡上一起升到液面。帶有有效礦粉氣泡匯集表面，搜集并滅泡濃縮，從而達(dá)到了富集目的。 不含礦石泥砂、巖石留在池底，定期清除。當(dāng)?shù)V砂表面有5%被捕集劑覆蓋時，就使表面產(chǎn)生憎水性（選擇適當(dāng)捕集劑，使它親水基團只吸在礦砂表面，憎水基朝向水）；第45頁第45頁浮游選礦原理圖第46頁第46頁消泡：破壞泡沫為消泡。辦法主要有兩類：機械辦法：攪拌、改變溫度、壓力等加入消泡劑：酒精、乙醚等使氣泡里起泡劑分子減少，泡沫牢固程度下降，泡沫易于破滅。第47頁第47頁B.加入表面活性劑后，憎水基團朝向織物表面并吸附在污垢上，使污垢逐步脫離表面。C.污垢懸在水中或隨泡沫浮到水面后被清除，潔凈表面被活性劑分子占領(lǐng)。A.水表面張力大，對油污潤濕性能差，不容易把油污洗掉。洗滌作用 第48頁第48頁8.4 溶膠穩(wěn)定性和聚沉溶膠：分散相（直徑在1nm-100nm)分散在液體中構(gòu)成多相體系。一、溶膠穩(wěn)定性問：溶膠含有巨大界面積，即表面吉布斯函數(shù)大，為何有些溶膠卻能放置多年而不聚沉？第49頁第49頁電泳現(xiàn)象：膠體由于受電作用而移動現(xiàn)象。試驗：在一個U型管里裝入FeCl3水解制得紅褐色氫氧化鐵溶液，兩端插入兩根金屬線作電極，通直流電后在陰極區(qū)顏色變深，表明氫氧化鐵膠粒移