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文檔簡(jiǎn)介
第八章表面現(xiàn)象與分散系統(tǒng)(一)表面現(xiàn)象§8.1表面自由能與表面張力§8.2純液體的表面現(xiàn)象§8.3氣體在固體表面上的吸附§8.4溶液的表面吸附§8.5表面活性劑及其作用(二)分散系統(tǒng)§8.6分散系統(tǒng)的分類§8.7溶膠的光學(xué)及力學(xué)性質(zhì)§8.8溶膠的電性質(zhì)§8.9溶膠的聚沉和絮凝§8.10溶膠的制備與凈化(一)
表面現(xiàn)象
界面:密切接觸的兩相之間的過(guò)渡區(qū)(大約幾個(gè)分子層厚度)?!?-1表面吉布斯函數(shù)和表面張力
1、比表面和表面功
比表面:?jiǎn)挝惑w積(或單位質(zhì)量)物質(zhì)所具有的表面積,分別用As和Aw表示,即As=A/V
(m-1)Aw=A/m
(m2.kg-1)物理意義或目的:表示物系的分散度。分散度:把物質(zhì)分散成細(xì)小微粒的程度。一定大小的物質(zhì)分割得越小,則分散度越高,比表面也越大。1cm3立方體分散為小立方體時(shí)表面積的變化立方體邊長(zhǎng)l/m粒子數(shù)總表面積As/m210-216′10-410-31036′10-310-41066′10-210-51096′10-110-610126′10010-710156′10110-810186′10210-910216′103nm級(jí)的超細(xì)微粒,比表面積巨大,表現(xiàn)出獨(dú)特的表面效應(yīng)(界面現(xiàn)象)---新材料和多相催化的研究熱點(diǎn)。界面現(xiàn)象的本質(zhì)表面層分子與內(nèi)部分子相比所處的環(huán)境不同
體相內(nèi)部分子---所受作用力具有對(duì)稱性;
處在界面層的分子----所受作用力不能相互抵銷;
分散程度越高,比表面越大,處在表界面上的分子數(shù)越多,表面能也越高。表面層的分子活性大,能量高------“表面能”液體表面有自動(dòng)收縮的趨勢(shì);表面功:系統(tǒng)在溫度、壓力和組成不變的條件下,可逆地增加表面積對(duì)系統(tǒng)作的非體積功。δWr'=σdAσ:比表面功或表面能,在溫度、壓力和組成不變的條件下,可逆地增加單位表面積對(duì)系統(tǒng)作的非體積功。σ又稱為表面吉布斯函數(shù)。單位是J·m-2。界面層分子有自發(fā)與外來(lái)分子發(fā)生化學(xué)或物理結(jié)合的趨勢(shì)。界面現(xiàn)象的結(jié)果δWr‘
=dG=σdA趨勢(shì):使界面減小、降低表面能“表面能”的熱力學(xué)表達(dá)?(表面功)←←←←←←←←←←ldxF3、表面張力
液體表面最基本的特性是趨向于收縮。例:液膜的自動(dòng)收縮肥皂膜的表面積增大dA:dA=2l·dx環(huán)境對(duì)系統(tǒng)作的表面功為:δWr'=F·dxF·dx=2lσdx;
σ=F/2l=dG=σdAσ:在單位長(zhǎng)度上使液體表面縮小的力,表面張力。單位:N·m-1
●溫度:溫度增加,表面張力降低。
4、影響表面張力的因素
●液體本身的性質(zhì)有關(guān)外,還與共存的另一相的性質(zhì)有關(guān);
●壓力:氣體壓力增加,表面張力降低。(壓力的影響不大)某些液體、固體的表面張力和液/液界面張力Δp
的大小與曲率半徑成反比,與表面張力成正比。Δp=2σ/r拉普拉斯方程彎曲液面附加壓力與曲率半徑的關(guān)系:空氣中的肥皂泡附加壓力為:Δp=4σ/r
2、彎曲液面的飽和蒸氣壓(開(kāi)爾文公式)平衡飽和蒸汽壓
p0μ平=μθ
+RTln(p0/pθ
)液體(T,pl)=飽和蒸汽(T,pg)r平衡飽和蒸汽壓
prμr=μθ+RTln(pr/pθ
)Δμ=μr-μ平=RTln(pr/p0)p0prr液體的密度:ρ,摩爾質(zhì)量:M,則Vm(l)=M/ρ開(kāi)爾文(Kelvin)方程
對(duì)于凹液面(氣泡),r<0,
pr<p0,即氣泡內(nèi)的蒸氣壓小于平面液體的蒸氣壓,且r越小,其飽和蒸氣壓越小。
對(duì)于凸液面(液滴),r>0,
pr>p0,即液滴的蒸氣壓大于平面液體的蒸氣壓,且r越小,其飽和蒸氣壓越大;
Δμ=RTln(pr/p0)
=Vm(l)Δp=Vm(l)2σ/r人工降雨、沸石防暴沸3、鋪展和潤(rùn)濕原來(lái)的g-s界面被g-l界面和l-s界面取代把液體滴在固體表面上,可以在固體表面上呈現(xiàn)不潤(rùn)濕、潤(rùn)濕和鋪展。鋪展把液體滴在完全不互溶的另一種液體上,也可以形成鋪展和不鋪展。
液體在固體上鋪展的過(guò)程:ΔG=σg-l+σl-s-σs-g≤0
在固體上鋪展過(guò)程的ΔG為:σs-gθσl-sσg-lOθσg-lσs-gσl-sO平衡時(shí)有:
σg-s=σl-s+σg-lcosθ
潤(rùn)濕
接觸角θ:固-液界面張力與氣-液界面張力的夾角。接觸角θ的大小:由三個(gè)界面張力的相對(duì)大小決定。楊氏(Yong)方程③
θ<900,能潤(rùn)濕①
θ>900,液體不能潤(rùn)濕固體②θ=1800,完全不潤(rùn)濕④θ=00,完全潤(rùn)濕§8-3氣體在固體表面的吸附
1)吸附類型:物理吸附和化學(xué)吸附
1、固體的表面吸附吸附劑:具有吸附能力的固體;吸附質(zhì):被吸附的物質(zhì)。
為使表面能降低,固體表面分子因所受力場(chǎng)不均勻,會(huì)自發(fā)捕獲氣相或液相中的分子,使之在固體表面上濃集。實(shí)踐應(yīng)用:復(fù)相催化、色層分析、氣體的分離與純化、廢氣中有用成分的回收等。物理吸附化學(xué)吸附■吸附力■選擇性■吸附熱■吸附層
■吸附速率
分子間作用力,即范德華力;化學(xué)鍵力;無(wú)選擇性;有選擇性。固體表面的分子與被吸附的氣體分子間形成了化學(xué)鍵;吸附熱與氣體的液化熱相近,約為20~40kJ.mol-1;吸附熱與化學(xué)反應(yīng)熱相近,約為40~400kJ.mol-1;可以是單分子層,也可以是多分子層;只能是單分子層;吸附速率快,易達(dá)到平衡,也易解吸,且吸附速率一般不受溫度的影響。速率慢,難于達(dá)到平衡,解吸難,且隨溫度的升高,速率增加。a{p}(a)(b)(c)(d)(e)幾種類型的吸附等溫線
吸附等溫線蘭格繆爾(Langmuir)吸附等溫式吸附理論的要點(diǎn):a.吸附是單分子層吸附;b.固體表面是均勻的,各處的吸附能力相同;
c.被吸附的分子之間無(wú)相互作用力;
d.吸附平衡是動(dòng)態(tài)平衡,同時(shí)存在解吸可能。表面覆蓋率:解吸(脫附)速率正比于固體的表面覆蓋率
rd=k2θ蘭格繆爾吸附等溫式的導(dǎo)出:吸附速率正比于吸附質(zhì)氣相分壓、空白率(1-θ)
rads=k1(1-θ)p
達(dá)吸附平衡時(shí),吸附速率和解吸速率相等
k1(1-θ)p=k2θ空白率:(1-θ)
當(dāng)壓力很高時(shí),bp>>1,a≈a∞,a不再隨壓力變化,吸附達(dá)到飽和。apaba∞
當(dāng)壓力很低時(shí),bp<<1,a≈a∞bp,a與p呈直線關(guān)系;
p/a與p成線性關(guān)系p/V與p成線性關(guān)系P296例題2~~~蘭格繆爾吸附等溫式:BET多分子層吸附等溫式:P299
習(xí)題11~161)溶液的表面張力與表面吸附現(xiàn)象σcⅠⅡⅢ溶質(zhì)c對(duì)σ的影響非離子型有機(jī)物(有機(jī)酸、醇等)非表面活性物質(zhì)(無(wú)機(jī)鹽、堿等)
表面活性劑曲線Ⅰ
負(fù)吸附曲線Ⅱ
正吸附曲線Ⅲ
正吸附溶液的表面吸附—溶質(zhì)在表面層與本體溶液濃度不同的現(xiàn)象?!?-4溶液的表面吸附3)表面活性劑的吸附層結(jié)構(gòu)(1)表面活性劑的結(jié)構(gòu)特征
油酸表面活性劑的結(jié)構(gòu)特征COO-
CH3(CH2)7=CH(CH2)7H+由親水性的極性基團(tuán)(親水基)和憎水(親油)性的非極性基團(tuán)兩部分構(gòu)成。(2)表面活性劑加入水中時(shí)的排布方式(a)稀溶液(b)開(kāi)始形成膠束的溶液(處于臨界膠束濃度的溶液)單分子膜球狀膠團(tuán)(c)大于臨界膠束濃度的溶液臨界膠束濃度(CMC):表面活性劑分子開(kāi)始形成締合膠體的最低濃度。(p307)球狀層狀棒狀(3)表面活性劑表面吸附量與濃度的關(guān)系ΓcΓ=?!蕈??!轐c吸附等溫線K:與溶質(zhì)表面活性有關(guān)的常數(shù)
濃度很小時(shí),Γ與c成直線關(guān)系;Γ∞:飽和吸附量(mol.m-2)
P304
濃度較大時(shí),Γ與c成曲線關(guān)系;
濃度足夠大時(shí),吸附達(dá)到飽和,吸附量不再隨濃度變化。類似P303(8.23)P296(8.11)單個(gè)表面活性劑分子所占的面積(A)為:?jiǎn)畏肿幽ぶ袉蝹€(gè)表面活性分子所占的面積:L:阿伏伽德羅常數(shù)?!?/p>
:飽和吸附量(mol.m-2)。
近似:(1)表面層完全為溶質(zhì)分子占據(jù),沒(méi)有溶劑分子存在;(飽和吸附)(2)溶液內(nèi)部沒(méi)有溶質(zhì)分子存在。P304(8.25)(4)表面活性劑的分類P306表面活性劑離子型表面活性劑兩性表面活性劑陽(yáng)離子表面活性劑陰離子表面活性劑如肥皂
RCOONa如胺鹽
C18H37NH3+Cl-如氨基酸型R-NH-CH2COOH非離子型表面活性
如聚乙二醇類
HOCOH2[CH2OCH2]nCH2OH(5)表面活性劑的應(yīng)用P308潤(rùn)濕作用(滲透作用):用作潤(rùn)濕劑、滲透劑。洗滌作用:用作洗滌劑。乳化作用,分散作用,增溶作用:用作乳化劑、分散劑、增溶劑。發(fā)泡作用,消泡作用:用作起泡劑、消泡劑。
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