材料化學(xué) 課件 第五章 材料表面與界面-魏湫龍-2表界面吸附

第五章：材料表面與界面目錄5.1界面與表面的定義5.2表界面吸附5.3固體表面潤(rùn)濕現(xiàn)象5.4固體表面黏附現(xiàn)象5.2表界面吸附表面張力：在兩相(特別是氣-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(gè)活動(dòng)邊框的金屬線框架放在肥皂液中,然后取出懸掛,活動(dòng)邊在下面。由于金屬框上的肥皂膜的表面張力作用,可滑動(dòng)的邊會(huì)被向上拉,直至頂部。如果在活動(dòng)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(dòng)。l

是滑動(dòng)邊的長(zhǎng)度，因膜有兩個(gè)面，所以邊界總長(zhǎng)度為2l。F

2

l

就是作用于單位邊界上的表面張力，單位N/m。其作用結(jié)果使液體表面縮小。5.2表界面吸附的物理意義在T、p及組成恒定的條件下，增加單位表面積時(shí)，所必須對(duì)系統(tǒng)做的可逆非膨脹功。在T、p及組成恒定的條件下，增加單位表面積時(shí)，所引起系統(tǒng)吉布斯自由能的增量。作用在單位長(zhǎng)度界面上的收縮力（表面張力）。

對(duì)同一種物質(zhì)，兩者物理意義不同，單位不同；但是兩者數(shù)值相同，量綱相同。表面張力與表面能：

在任何兩相交界的界面上，質(zhì)點(diǎn)所受的力不平衡，因而存在著界面張力，在界面張力作用下界面上會(huì)發(fā)生一系列物理化學(xué)過程：吸附、潤(rùn)濕、粘附、磨擦、封接等等。吸附：液體(或氣體)在某種物質(zhì)相界面上發(fā)生濃度升高(或降低)的現(xiàn)象。吸附量Γ：?jiǎn)挝槐砻娣e上吸附的物質(zhì)的摩爾數(shù)。吸附質(zhì)：被吸附的物質(zhì)。吸附劑：有吸附能力的物質(zhì)。5.2表界面吸附表界面吸附Gibbs吸附等溫式：

5.2表界面吸附Gibbs用熱力學(xué)方法導(dǎo)出，定溫條件下，溶液表面過剩物質(zhì)的量Γ與溶液表面張力

和溶質(zhì)活度a的關(guān)系。

當(dāng)溶液很稀時(shí)：5.2表界面吸附表界活性劑第一種類型：水溶液的表面張力隨溶質(zhì)濃度的增加幾乎成直線關(guān)系上升。如Na2SO4,KOH,NH4Cl,KNO3等無機(jī)鹽以及蔗糖，甘露醇等多羥基有機(jī)物的水溶液。第二種類型：在稀溶液中可比較明顯地降低水溶液的表面張力，通常開始降低的較快，隨著濃度的增加，表面張力減小趨勢(shì)減慢。如一些醇、醛、酸、酮與胺等的有機(jī)物。第三種類型：加入少量物質(zhì)可顯著降低溶液的表面張力。至一定濃度后表面張力不再有顯著變化。如8碳以上的直鏈有機(jī)堿金屬鹽，高碳直鏈磺酸鹽，硫酸鹽，苯磺酸鹽等表面活性劑的水溶液。IIIIII

c吸附作用氣液界面：吸附起泡劑，穩(wěn)定氣泡、促進(jìn)泡沫礦化和形成穩(wěn)定礦化泡沫層。固液界面：吸附捕收劑和調(diào)整劑，調(diào)節(jié)礦物可浮性和分散性。5.2表界面吸附氣固界面：吸收空氣中有害氣體，如甲醛/CO等，凈化空氣?！?/p>

物理吸附化學(xué)吸附定義由分子間力（范德華力）引起的吸附由化學(xué)鍵力引起的吸附熱效應(yīng)熱效應(yīng)小（吸附能5kcal/mol左右）熱效應(yīng)大（吸附能20-200kcal/mol）是否具有可逆性是否吸附方式單層或多層單層是否具有選擇性否是吸附速度快慢類型分子吸附、雙電層外層吸附及半膠束吸附交換吸附、定位吸附吸附類型：按吸附本質(zhì)可分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附和化學(xué)吸附的本質(zhì)區(qū)別：吸附質(zhì)與吸附劑間有無電子轉(zhuǎn)移5.2.1吸附類型吸附類型：按吸附類型可分為七種1.分子吸附：固-液界面和液-氣界面對(duì)溶液中被溶解的分子的吸附?；钚蕴繉?duì)水中色素分子的吸附空氣氣泡起泡劑分子極性基非極性基液-氣界面對(duì)松油醇或醇類等起泡劑分子的吸附5.2.1吸附類型黃原酸離子在硫化礦表面上的吸附2.離子吸附:溶液中某種離子在礦物表面上的吸附。3.交換吸附:溶液中某種離子與礦物表面上的另一種離子發(fā)生交換吸附在礦物表面。Cu2+與閃鋅礦表面晶格中的Zn2+交換吸附5.2.1吸附類型4.雙電層內(nèi)層吸附(定位吸附)：礦物表面吸附溶液中的反應(yīng)物分子與該礦物晶格離子成類質(zhì)同象

(晶體結(jié)構(gòu)中的粒子被其他粒子占據(jù))，吸附結(jié)果改變了礦物表面電位的數(shù)值或符號(hào)。

例如，重晶石表面對(duì)Ba2+和SO42-離子，石英表面對(duì)H+和OH-的吸附。5.雙電層外層吸附：溶液中的溶質(zhì)分子或離子吸附在礦物表面雙電層的外層。凡是與礦物表面電荷符號(hào)相反的離子都可以產(chǎn)生這樣的吸附。它的特點(diǎn)是在吸附發(fā)生后，只能改變動(dòng)電位的大小，不能改變電位的符號(hào)，這種吸附全靠靜電引力的作用。5.2.1吸附類型6.半膠束吸附：溶液中長(zhǎng)烴鏈的捕收劑濃度較高時(shí)，吸附在礦物表面上的捕收劑非極性基在范德華力作用下，發(fā)生相互締合。5.2.1吸附類型石英表面雙電層結(jié)構(gòu)與陽離子捕收劑吸附示意圖：A-個(gè)別胺離子吸附；B-半膠束吸附；C-多層吸附這一現(xiàn)象與溶液中形成的膠束相似，但此時(shí)溶液中捕收劑的濃度仍然比“臨界膠束濃度”低。一般可低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。與溶液中形成的三維空間的膠束相比，在礦物表面形成的這種“膠束”只有二維空間，故稱為半膠束吸附。5.2.1吸附類型7.特性吸附：礦物表面對(duì)溶液中某種組分有特殊的親和力而產(chǎn)生的吸附。剛玉（Al2O3）在NaCl溶液中動(dòng)電位始終保持正值在硫酸鈉和烴基硫酸酯中，動(dòng)電位由正變負(fù)例如，剛玉（Al2O3）在不同濃度的NaCl、Na2SO4和R