表面與膠體化學(xué)

ChemistryonSurface&Colloid

Chapter11表面與膠體化學(xué)第11章表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第1頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系2

(3)了解涂料的組成及應(yīng)用。

(1)了解表面現(xiàn)象及表面活性劑的概念。

(2)了解膠體的組成、結(jié)構(gòu)和特性。

本章教學(xué)要求表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第2頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系3本章內(nèi)容11.1表面能與表面現(xiàn)象11.2表面活性劑

11.3膠體11.4涂料及其應(yīng)用表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第3頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系4表面自由能(SurfaceFreeEnergy)

使液體表面積增大的過程是克服液相分子吸引力,使體相分子轉(zhuǎn)移到表面相的過程，需要環(huán)境對體系做功。以可逆方式做功最少，稱之為表面功。

由吉布斯自由能性質(zhì)可知，在恒溫恒壓下，此表面功即等于體系吉布斯自由能的變化量的相反數(shù)：

此式表明，考慮表面相貢獻(xiàn)的多相體系，除了溫度、壓力、組成等因素，表面積也是影響體系熱力學(xué)函數(shù)的一個重要變量。11.1表面能與表面現(xiàn)象△G=-W=σ△A

稱為比表面自由能，其物理意義為在恒T，P，n條件下，增加一個單位表面積時，體系自由能的增量。單位：J﹒m-2。表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第4頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系5表面張力(SurfaceTension)從表面現(xiàn)象的微觀成因，我們還可以得出一個結(jié)論：表面相分子密度較液相分子低，因而表面相分子間存在較大吸引力。從宏觀層面來看，液體表面仿佛存在一層緊繃的液膜，在膜內(nèi)處處存在的使膜緊繃的力即為表面張力。表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第5頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系6

在兩相界面上，處處存在著一種張力，它垂直于表面的單位線段上，指向使表面緊縮的方向并與表面相切。注意：表面張力是作用在單位長度線段上的力，量綱為Ｎm-1。注意區(qū)分表面張力產(chǎn)生原因與表面張力的表現(xiàn)。

作用于單位邊界線上的這種力稱為表面張力

，單位是N·m-1。肥皂膜F表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第6頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系7表面現(xiàn)象水滴為什么是圓形而不是方形表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第7頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系8表面化學(xué)與其它學(xué)科的聯(lián)系表面化學(xué)生命科學(xué)（生物膜及膜模擬化學(xué)）

能源科學(xué)（三次采油、煤的液化、化學(xué)電源）

材料科學(xué)（超細(xì)材料、材料的表面改型）

信息科學(xué)（LB膜，微電子器件）表面化學(xué)的發(fā)展和現(xiàn)狀1805T.Young提出界面張力概念1806P.S.Laplase表面張力與曲率半徑關(guān)系1878Gibbs表面吸附方程1916Langmuir固體吸附等溫方程式表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第8頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系9表面現(xiàn)象的微觀成因表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第9頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系10

表面相分子受力不均勻，其分子有被拉入液相的趨勢。這種受力不均勻性是表面現(xiàn)象產(chǎn)生的微觀成因。液體的表面積因而有自發(fā)收縮的趨勢。這解釋了為什么液滴會以球形的形態(tài)存在。液相氣相表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第10頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系1111.2表面活性劑

凡能顯著降低兩相之間表面張力的物質(zhì)稱表面活性劑。表面活性劑的結(jié)構(gòu)特點：表面活性劑具有兩類性質(zhì)完全不同的基團(tuán)：親水基團(tuán)和親油基團(tuán)（疏水基團(tuán)）。水相油相

雙親分子結(jié)構(gòu)表面活性劑在兩相界面作定向排列。使得兩相之間的表面張力大大降低。表面活性劑在兩

相界面的排列表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第11頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系121.表面活性劑分類

表面活性劑通常也按親水基團(tuán)的化學(xué)結(jié)構(gòu)來分類，親水基團(tuán)是離子結(jié)構(gòu)的稱為離子型，親水基團(tuán)是共價結(jié)構(gòu)的稱為非離子型。

離子型表面活性劑又可分為陽離子型(親水基團(tuán)是陽離子)、陰離子型(親水基團(tuán)是陰離子)和兩性型(親水基團(tuán)既有陽離子又有陰離子)表面活性劑。

顯然陽離子型和陰離子型的表面活性劑不能混用，否則可能會發(fā)生沉淀而失去活性作用。表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第12頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系132.表面活性劑舉例陰離子表面活性劑R-OSO3Na

硫酸酯鹽R-SO3Na

磺酸鹽RCOONa

羧酸鹽R-OPO3Na2

磷酸酯鹽兩性表面活性劑R-NHCH2-CH2COOH氨基酸型

CH3

|R-N+-CH2COO-

甜菜堿型

|CH3陽離子表面活性劑ArCH2N(CH3)3Br季胺鹽類非離子型

R-O-(CH2-CH2-O-)nH聚氧乙烯醚類

表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第13頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系14污漬3.表面活性劑的應(yīng)用

洗滌作用

洗滌劑是一種使用面很廣的表面活性劑。肥皂是最普通的一種。肥皂是包含17個碳原子的硬脂酸鈉鹽。

當(dāng)洗滌劑用來洗滌衣服或織物上的油污時，由于親油基與油脂類分子間有較強的相互作用力而進(jìn)入油污中。另一端的親水基與水分子間存在較強的作用力而溶于水，這樣通過洗滌劑分子使水分子包圍了油污，降低了油污與織物之間的表面(界面)張力，再經(jīng)搓洗，振動便可除去織物上的油污。織物污漬洗滌劑親水基疏水基洗滌劑的去污作用表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第14頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系15

乳化作用

兩種互不相溶的液體，若將其中一種均勻地分散成極細(xì)的液滴于另一液體中，便形成乳狀液。加入表面活性物質(zhì)使形成穩(wěn)定的乳狀液的作用叫做乳化作用。

若水為分散介質(zhì)而油為分散相，即油分散在水中，稱為水包油型乳狀液，以符號O/W表示。例如，牛奶就是奶油分散在水中形成的O/W型乳狀液。（a）O/W

型乳狀液表面活性物質(zhì)穩(wěn)定乳狀液示意圖表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第15頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系16

若水分散在油中，則稱為油包水型乳狀液，以符號W/O表示。例如，新開采出來的含水原油就是細(xì)小水珠分散在石油中形成的W/O型乳狀液。（b）W/O型乳狀液表面活性物質(zhì)穩(wěn)定乳狀液示意圖表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第16頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系17乳化作用的應(yīng)用切削油機械工業(yè)在高速切削時用乳化油作為冷卻劑，具有導(dǎo)熱性能好，潤滑效果高且不沾工具等特點。

乳化燃油內(nèi)燃機應(yīng)用含10%水的乳化燃油，燃燒效果不降低但能節(jié)省燃料。

農(nóng)用殺蟲劑農(nóng)業(yè)上用的殺蟲劑一般都配制成O/W型乳狀液,便于噴霧，可使少量農(nóng)藥均勻地分散在大面積的農(nóng)作物上。同時由于表面活性劑對蟲體的潤濕和滲透作用也提高了殺蟲效果。

其它人體對油脂的消化作用就是因為膽汁(膽酸鹽)可以使油形成O/W型乳狀液面而加速消化。表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第17頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系18

起泡作用

泡沫是不溶性氣體分散于液體或熔融固體中所形成的分散系統(tǒng)。如肥皂泡沫(氣體分散在液體中)、泡沫塑料、泡沫玻璃(氣體分散在固體中)等。

機械攪拌液態(tài)水，這時進(jìn)入水中的空氣被水膜包圍形成了氣泡，但這些氣泡不穩(wěn)定。若對溶解了表面活性劑的水溶液進(jìn)行攪拌使其產(chǎn)生氣泡，就可以形成堅固的液膜，使泡沫能保持較長時間穩(wěn)定地存在。這種能穩(wěn)定泡沫作用的表面活性劑叫做起泡劑。常見的起泡劑有肥皂、十二烷基苯磺酸鈉等。空氣

氣泡的形成示意圖表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第18頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系19起泡作用的應(yīng)用

滅火劑起泡劑常用于制造滅火器，由于大量的泡沫覆蓋燃燒物的表面，使其與空氣中的氧氣隔絕，這樣便可達(dá)到滅火的效果。

泡沫選礦起泡劑也用于泡沫浮選法以提高礦石的品位。將礦石粉碎成粉末，加水、起泡劑，攪拌并吹入空氣使產(chǎn)生氣泡，用捕集劑使礦物變成憎水性。礦物由于疏水性而粘附氣泡浮起，這樣便可分離收集有效成分。

其它啤酒、汽水、洗發(fā)和護(hù)發(fā)用品等都需用起泡劑，使產(chǎn)生大量的泡沫。表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第19頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系20

消泡作用

在另外一些情況下，則必須消除泡沫，例如，洗滌、蒸餾、萃取等過程中，大量的泡沫會帶來不利。必須適當(dāng)抑制發(fā)泡，往往加入一些短碳鏈(如C5~C8)的醇或醚，它們能將泡沫中的起泡劑分子替代出來；又由于碳鏈短，不能在氣泡外圍形成牢固的保護(hù)膜，從而降低氣泡的強度而消除泡沫。表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第20頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系21

一種或幾種物質(zhì)分散在另一種物質(zhì)中所形成的系統(tǒng)稱為分散系統(tǒng)，簡稱分散系。分散系中被分散的物質(zhì)稱為分散相。分散相所處的介質(zhì)稱為分散介質(zhì)。思考：用淀粉和水制成的淀粉糊是一種分散系統(tǒng)。請指出該分散系統(tǒng)中的分散相和分散介質(zhì)。在淀粉糊中，分散相是淀粉顆粒，分散介質(zhì)是水。11.3膠體表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第21頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系221分散系分類

按分散相粒子的大小分類：

分子分散體系：分散相粒子的直徑小于10-9m，屬于真溶液。例如氯化鈉、葡萄糖等水溶液。

膠體分散體系：分散相粒子的直徑在10-9m~10-7m之間，屬于膠體。例如蛋白質(zhì)、核酸等水溶液。

粗分散體系：分散相粒子的直徑大于10-7m，易聚沉。例如牛奶，豆?jié){，泥漿等。

按膠體與水的親合力分類：憎液溶膠分散相粒子與水的親合力較弱，如AgI膠體等。親液溶膠分散相粒子與水的親合力較強，如蛋白質(zhì)、淀粉等。

表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第22頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系232膠體的結(jié)構(gòu)以碘化銀膠體為例：AgNO3+

KI(過量)→

KNO3+AgI↓

過量的KI用作穩(wěn)定劑膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)表達(dá)式：(AgI)mI-K+(AgI)m

膠核[(AgI)m·nIˉ·(n-x)K+]x-

膠粒[(AgI)m·nIˉ·(n-x)K+]x-·xK+

膠團(tuán)同一種膠體，膠粒的結(jié)構(gòu)可以因制備方法的不同而不同。

膠體的核心部分是不溶于水的粒子，稱為膠核。膠核是電中性的。膠核上吸附了大量離子形成緊密層，稱為膠粒。由于吸附的正、負(fù)離子不相等，因此膠粒帶電。膠粒周圍分散著與膠粒帶相反電荷的離子(自然也有其它離子)。膠粒及其帶相反電荷的離子構(gòu)成膠體的基本結(jié)構(gòu)單元——膠團(tuán)。膠體結(jié)構(gòu)示意圖

表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第23頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系24例：AgNO3+

KI→KNO3+AgI↓

過量的AgNO3

作穩(wěn)定劑膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)表達(dá)式：[(AgI)mnAg+(n-x)NO3–]x+x

NO3–

|______________________________||_______________________________________|表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第24頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系25(AgI)m膠核K+K+K+K+膠團(tuán)I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-K+K+K+K+K+K+K+K+膠粒膠團(tuán)構(gòu)造示意圖表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第25頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系263.膠體的穩(wěn)定性膠體是熱力學(xué)不穩(wěn)定系統(tǒng)。但膠體能夠長時間不發(fā)生沉降而穩(wěn)定存在，原因主要有：

膠體粒子的布朗運動。思考：膠體的穩(wěn)定性如何？膠體粒子帶有電荷的原因：膠體是一高度分散的系統(tǒng)，膠體粒子的總表面積非常大，因而具有高度的吸附能力，并能選擇性地吸附某種離子。

膠體粒子帶有電荷，膠粒之間有很強的相互排斥。思考：在上例碘化銀膠體的制備中，為何吸附Iˉ而不是K+？答：在碘化銀膠核的表面，碘化銀優(yōu)先吸附和組成有關(guān)的Iˉ。表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第26頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系274膠體的聚沉與保護(hù)

膠體的聚沉使膠粒聚集成較大的顆粒而沉降的過程稱為膠體的聚沉。促使膠體聚沉的因素有：

加入電解質(zhì)：電解質(zhì)中帶有與膠粒異號電荷的離子導(dǎo)致了溶膠的聚沉。

使溶膠在一定時間內(nèi)完全聚沉所需電解質(zhì)的最小濃度稱為聚沉值，單位mmol·dm-3。電解質(zhì)與膠粒異號電荷的離子的價數(shù)越高，聚沉效率越大，聚沉值越小。

將兩種帶異號電荷的溶膠混合

加熱

膠體的保護(hù)加入某些高分子化合物，如動物膠、蛋白質(zhì)、淀粉等。表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第27頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系2811.4涂料及其應(yīng)用

涂于物體表面能形成具有保護(hù)、裝飾等特定功能的固化膜的液體或固體材料統(tǒng)稱為涂料。從化學(xué)成分來看，涂料可分為無機涂料和有機涂料兩大類。常見金屬表面的搪瓷涂層，或者建筑物上的灰泥涂層等，是以硅酸鹽、磷酸鹽等為基礎(chǔ)的無機涂料。本節(jié)所討論的涂料，是指有機涂料。涂料是一種多組分混合物，一般由成膜物質(zhì)、顏料、分散介質(zhì)（溶劑）和輔助材料組成。因此，不僅在涂料涂于物體表面時具有潤濕和附著等表面作用，而且涂料本身是組分更多、穩(wěn)定性更強的膠體分散系統(tǒng)。表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第28頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系29涂料的組成及作用成膜物質(zhì)成膜物質(zhì)是一些涂于物體表面能夠干結(jié)成膜的材料。成膜物質(zhì)是涂料的主要成分，是涂料的基礎(chǔ)材料，因此也常稱為基料，決定涂膜的性能。涂料工業(yè)中用作成膜物質(zhì)的原料主要是植物油和樹脂，所以涂料舊稱“油漆”。常用的植物油有桐油、亞麻油、豆油等，天然樹脂有蟲膠、松香等，用天然高分子化合物加工制得的人造樹脂有硝化棉、改性松香等。近代涂料工業(yè)越來越多的使用各種合成樹脂制漆，用化工原料合成的合成樹脂有醇酸樹脂、聚酯樹脂、丙烯酸樹脂以及環(huán)氧樹脂等。表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第29頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系30

顏料在涂料中通過顯現(xiàn)顏色賦予涂膜以遮蓋力，其作用不僅是色彩的裝飾效果，同時還能增加漆膜的強度，阻止紫外線的穿透，延緩?fù)磕さ睦匣M(jìn)程，提高涂膜的耐久性、耐候性與耐磨性。另外，一些功能顏料具有特殊的物理和化學(xué)特性，如防蝕顏料、防污顏料、阻燃顏料、導(dǎo)電顏料等。常用顏料是一些細(xì)微的粉末狀有色物質(zhì)，一般不溶于水和油等介質(zhì)中，而是在分散劑的作用下均勻地分散在其中。顏料表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第30頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系31

溶劑是一些易揮發(fā)的液體，是液體涂料的組成部分，主要用于溶解成膜物質(zhì)，使其達(dá)到施工粘度。溶劑在液體涂料中常占很大比重，一般為50%左右（如醇酸漆、聚氨酯漆等），有些可達(dá)70%～80%（如蟲膠漆、硝基漆等），因此也稱稀釋劑。溶劑可防止涂料在貯存過程中生成凝膠，增加涂料的貯存穩(wěn)定性；在施工過程中能增加涂飾表面的潤濕性，既使涂料便于滲透和附著，又使其具有良好的流平性，避免漆膜薄厚不勻，消除刷痕和皺起等缺陷。常用的溶劑有石油溶劑（如200號溶劑汽油、煤油等），煤焦溶劑（如苯、甲苯等），萜烯溶劑（如松節(jié)油、雙戊烯等)。溶劑表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第31頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系32

為了改善涂膜性能，常加入一些輔助材料。在涂料中，除成膜物質(zhì)、顏料和溶劑外，其余的組分都屬于輔助材料。輔助材料的種類很多，每一種各具特長，在涂料中用量很少，但是作用顯著。許多輔助材料從其名稱就可明顯看出它的功用，例如催化劑、增塑劑、固化劑、潤濕劑、流平劑、分散劑、消泡劑、穩(wěn)定劑、防結(jié)劑、紫外光吸收劑、乳化劑、防腐劑、阻燃劑、防蟲劑、防銹劑等。

輔助材料表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第32頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系33常用涂料

防水涂料防火涂料防腐蝕涂料特種涂料

耐高溫涂料絕緣漆不除銹涂料防銹蝕涂料防污染涂料表面與膠體化學(xué)全文共37頁，當(dāng)前為第33頁。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系34本章小結(jié)分散系統(tǒng)與表面現(xiàn)象

不同物質(zhì)相互均勻混合的過程稱為分散，物質(zhì)的粒徑越小，則比表面越大，分散度也越高。表面因存在表面自由能而屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定系統(tǒng)，即表面有自動變小或自發(fā)降低表面自由能的趨勢，從而產(chǎn)生