1、12/27/2021第九章表面現象12/27/2021 第九章 表面現象9.1 表面自由能和表面張力9.2 彎曲液面的附加壓力9.3 彎曲液面的蒸汽壓9.4 溶液的表面吸附9.5 表面膜9.6 鋪展與潤濕9.7 表面活性劑及其應用9.8 固體表面的吸附12/27/2021 9.1 表面自由能和表面張力1. 表面現象及其本質2. 表面自由能3. 表面張力12/27/2021 9.1.1 表面現象及其本質什么是表面? 凝聚態(液態、固態)物質與其飽和蒸氣達成平衡時，在兩相緊密接觸、約有幾個分子厚度的過渡區，稱為該凝聚態的表面（surface）。 通常將凝聚態物質與空氣達成平衡時，在兩相緊密接觸、約

2、有幾個分子厚度的過渡區，也稱為該凝聚態的表面，嚴格講那是界面。12/27/2021 9.1.1 表面現象及其本質常見的界面有：氣-液界面 但沒有氣-氣界面，不同氣體接觸總是很快就混合均勻。氣-固界面液-液界面什么是界面? 不同相態之間，兩相緊密接觸、約有幾個分子厚度的過渡區，稱為該兩相的界面（interface）。液-固界面固-固界面12/27/2021 9.1.1 表面現象及其本質氣-液界面空氣空氣4CuSO溶液氣氣- -液液界面界面12/27/2021 9.1.1 表面現象及其本質氣-固界面氣氣- -固界面固界面12/27/2021 9.1.1 表面現象及其本質液-液界面2H OHg液-液

3、界面12/27/2021 9.1.1 表面現象及其本質液-固界面玻璃板玻璃板Hg2H O液液- -固界面固界面12/27/2021 9.1.1 表面現象及其本質固-固界面鐵管鐵管CrCr鍍層鍍層固固- -固界面固界面12/27/2021 9.1.1 表面現象及其本質表面現象的本質 表面層分子與內部分子相比，它們所處的環境不同，受力不等。 體相內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；如紅色球所示12/27/2021 9.1.1 表面現象及其本質表面現象的本質如蘭色球所示 處在界面層的分子，由于兩相密度不等，其作用力未必能相互抵銷正由于這剩余價力的存在，使界面層顯示出一

4、些獨特的性質。如表面張力表面吸附毛細現象潤濕與鋪展等等。12/27/2021 9.1.1 表面現象及其本質什么是比表面? 比表面通常用來表示物質分散的程度，有兩種常用的表示方法：s0ASm式中，m和V分別為固體的質量和體積，As為其總表面積。一種是單位質量的固體所具有的表面積另一種是單位體積固體所具有的表面積單位是21mgs0ASV單位是23mm12/27/2021 9.1.2 表面自由能f,RsdWA什么是表面功?式中 為比例系數 在溫度、壓力和組成恒定時，可逆使表面積增加dA所需要對系統做的功，稱為表面功。用公式表示為： 在數值上等于在等T，等p及組成恒定的條件下，增加單位表面積時所必須對

5、系統做的可逆非膨脹功。12/27/2021 9.1.2 表面自由能f,RWG f,RsdWA 在等溫、等壓和組成不變的條件下，環境對系統做的可逆表面功就等于系統自由能的增加值Bs, ,T p nGA 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。則表面自由能為單位為2J msdGA12/27/2021 9.1.2 表面自由能 在等溫、等壓和組成不變的條件下，系統總的表面自由能有自發向減小的方向變化 所以液體表面有自動收縮的趨勢. 為什么小液滴、小氣泡都呈球形？ 相同體積的物質，構成球形時表面積最小，具有的總表面自由能最

6、低。12/27/2021 9.1.3 表面張力2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l 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。 去掉活動邊插銷，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。12/27/2021 9.1.3 表面張力如果在活動邊框上掛一重物這時 12()Fmm g l 是滑動邊的長度，因膜有兩個面，所以邊界總長度為2l2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2m1m使重物質量m2與邊框

7、質量m1所產生的重力F與總的表面張力大小相等方向相反，則金屬絲不再滑動。2Fl 就是作用于單位邊界上的力，稱為表面張力。12/27/2021 9.1.3 表面張力什么是表面張力？ 在表面上，表面張力無處不在，只是在液體表面中間，任意邊界兩邊的表面張力對消,看不出來罷了。表面張力的單位是： 在一定溫度和壓力下，在兩相(特別是氣-液)界面上，處處存在著一種張力，這種力垂直與單位長度的邊界，指向液體方向并與表面相切。1N m12/27/2021 9.1.3 表面張力 在金屬線框中間系一線圈，一起浸入肥皂液中，然后取出，上面形成一液膜。 若刺破線圈中央的液膜，線圈內側張力消失，外側表面張力立即將線圈繃

8、成一個圓形，如圖，清楚的顯示出表面張力的存在。 由于以線圈為邊界的兩邊表面張力大小相等方向相反，故線圈成任意形狀可在液膜上移動。12/27/2021 9.1.3 表面張力溫度升高，表面張力下降表面張力與溫度的關系當達到臨界溫度Tc時，表面張力趨向于零。這是因為溫度升高后（1）分子振動加劇，彼此作用力減弱（2）氣相與液相的密度差下降，表面層分子的剩余價力變小。 到達臨界溫度時氣相與液相的密度相同，氣-液界面消失，表面張力趨向于零。12/27/2021 9.1.3 表面張力表面張力是物質本身的特性 對純液體或純固體，表面張力的大小決定于分子間相互作用能的強弱。(金屬鍵) (離子鍵) (極性共價鍵)

9、 (非極性共價鍵)一般化學鍵越強，表面張力越大。液體中，汞的表面張力最大，因為是金屬鍵水的表面張力也很大，因為有氫鍵非極性有機液態化合物的表面張力很小12/27/2021 9.2 彎曲液面的附加壓力1. 彎曲液面的附加壓力2. Young-Laplace 公式3. 毛細管現象12/27/2021 9.2.1 彎曲液面的附加壓力 研究液面任意小圓圈A周圍的受力情況，由于邊界上每點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。s000ppp液面正面圖0p1.在平面上A12/27/2021 9.2.1 彎曲液面的附

10、加壓力0spp2.在凸面上 在液滴球面上A小圈周圍的受力情況,由于每點兩邊的表面張力都與液面相切,大小相等，但不在同一平面上,不能相消,會產生一個向下的合力。A0psp這合力稱為附加壓力,指向圓心所有點產生的合力之和為sp球面上受的總壓力為：sp12/27/2021 9.2.1 彎曲液面的附加壓力3.在凹面上0spp這合力稱為附加壓力,指向圓心所有點產生的合力之和為sp氣泡內壁受的總壓力為：Asp0p 在氣泡內壁上A小圈周圍的受力情況,由于每點兩邊的表面張力都與內壁相切,大小相等，但不在同一平面上,不能相消,會產生一個向圓心的合力。溶液sp12/27/2021 9.2.2 Young-Lapl

11、ace 公式 1805年Young-Laplace 導出了附加壓力與曲率半徑之間的關系式.為簡便起見,只考慮球形 在毛細管內充滿液體，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：0sppR0psp12/27/2021 9.2.2 Young-Laplace 公式 對活塞稍加壓力，將毛細管內液體壓出少許R0psp相應地其表面積增加dA使液滴體積增加dV 克服附加壓力ps所作的功等于可逆增加表面積的Gibbs自由能ssddp VA12/27/2021 9.2.2 Young-Laplace 公式s2pR34 3VR代入24AR2 d4dVRRd8dAR

12、 Rssddp VA得這就是Young-Laplace 公式的特殊形式R0psp12/27/2021 9.2.2 Young-Laplace 公式s2pR附加壓力與液體的表面張力成正比為了體現附加壓力的方向附加壓力與球面的曲率半徑成反比規定:凸面的曲率半徑取正值凹面的曲率半徑取負值所以，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。12/27/2021 9.2.3 毛細管現象什么是毛細管現象? 當把毛細管插入液體中,管中液面會高于或低于管外的平面 植物依賴毛細管吸取土壤中的水分和養料 在低于飽和的蒸汽壓力下,毛細管中就有液體凝聚等等.產生毛細管現象的原因? 在彎

13、曲表面上有附加壓力存在,使彎曲表面的飽和蒸汽壓與平面不同.毛細管現象與哪些因素有關? 主要與液體和毛細管的性質有關12/27/2021 9.2.3 毛細管現象AHgh0p12/27/2021 9.2.3 毛細管現象當把潔凈的玻璃毛細管插入汞中時,0pAhHg管內液面呈凸面并低于管外的汞平面因為凸面A點處有向下的附加壓力,使A點處壓力比平面上大管內液面下降后又達成了新的平衡h高度的汞柱壓力就等于附加壓力12/27/2021 9.2.3 毛細管現象s2pR0pAhHggl()ghlgh 忽略管內氣體的密度,得l2ghR 代表管內氣體和管外液體的密度差gl()12/27/2021 9.2.3 毛細管

14、現象當把潔凈的玻璃毛細管插入純水中時,0pBh2H O管內液面呈凹面并高于管外的水平面因為凹面B點處有向上的附加壓力,使B點處壓力比平面上小管內液面上升后又達成了新的平衡h高度的水柱壓力就等于附加壓力12/27/2021 9.2.3 毛細管現象s2pRlg()ghlgh忽略管外氣體的密度,得l2ghR0pBh2H O若管外是另一種液體,則l,l,2()ghR外內gh 代表管內液體和管外氣體的密度差lg()12/27/2021 9.2.3 毛細管現象2()ghR外內gh 根據這個公式,從實驗測定毛細管中液面上升或下降的高度,可以計算液體的表面張力 如果已知表面張力和毛細管半徑,可以預測液面上升的

15、高度 植物就是利用這種毛細管現象,源源不斷地從土壤中吸取水分和營養. 人們也可利用這種毛細管現象,給植物輸液。必要時得切斷地表的毛細管，達到保墑的目的。12/27/2021 9.2.3 毛細管現象毛細凝聚現象 因為凹面上有附加壓力,蒸氣壓比平面上小ABa 在小于飽和蒸汽壓時，凹面上已達飽和而發生凝聚，這就是毛細凝聚現象。 在測量固體吸附量時，采用的吸附質能潤濕固體,在毛細管中會形成凹面 發生毛細凝聚后會使吸附結果偏高。 12/27/2021 9.2.3 毛細管現象曲率半徑與毛細管半徑的關系cosRRcosRR是接觸角,可用實驗測量0 ,180RR12/27/2021 9.3 彎曲液面的蒸氣壓1

16、. 彎曲液面的蒸氣壓2. Kelvin 公式的應用12/27/2021 9.3.1 彎曲液面的蒸氣壓彎曲液面的蒸氣壓當該液體分成小液滴時,與蒸氣也達成平衡,則有(B,l)(B,g) 00B(l, )B(g, , )p Tp T當純液體B的平面液體與蒸氣達成平衡時為平面液體的飽和蒸氣壓0plgB(l, )B(g, , )p Tp Tl0spppd (B,l)d (B,g) 為小液滴表面所受的壓力lp為小液滴表面上的飽和蒸氣壓gp12/27/2021 9.3.1 彎曲液面的蒸氣壓mmlglg(l)(g)ddTTGGppppm(B)(B) G對純液體B有由于小液滴表面壓力改變而引起的Gibbs自由能

17、改變可表示為因為dddGS TV p TGVp則mlmg(B,l)d(B,g)dVpVp設為理想氣體gdln RTp12/27/2021 9.3.1 彎曲液面的蒸氣壓lgl,0g,0mlg(B,l)ddlnppppVpRTp對上式積分,區間從平面到小液滴上所受壓力mlg(B,l)ddln VpRTpll,0sppp2R等式左邊的積分結果為mll,0(B,l) ()Vppms(B,l)Vp因為2(B,l)MRm(B,l)(B,l)MV12/27/2021 9.3.1 彎曲液面的蒸氣壓g02 (B,l)ln()pMRTpR等式右邊的積分結果為0glnpRTp所以積分結果為這就是 Kelvin 公式

18、 對于同一液體,影響彎曲液面飽和蒸氣壓的主要因素是曲面半徑 它指出了彎曲液面的飽和蒸氣壓 與平面上飽和蒸氣壓 之間的關系.p0p12/27/2021 9.3.1 彎曲液面的蒸氣壓21212 (B,l)11lnpMRTpRR 比較同一液體,不同曲率半徑的彎曲液面上蒸氣壓的關系式為 Kelvin 公式的這個形式用得更普遍 因為當R 0pp12/27/2021 9.3.2 Kelvin 公式的應用21212 (B,l)11lnpMRTpRR(1) 在凸面上附加壓力與蒸氣壓力方向相同,總壓力是兩者加和,曲率半徑取正值，蒸氣壓與曲率半徑成反比小液滴或小顆粒的蒸氣壓隨曲率半徑的下降而升高 這可以解釋人工降

19、雨的原理、解釋為什么大小液滴共存時，小液滴先消失等等。12/27/2021 9.3.2 Kelvin 公式的應用21212 (B,l)11lnpMRTpRR對小顆粒，使用Henry定律得 小顆粒的蒸氣壓隨曲率半徑的下降而升高，則其飽和溶解度也隨曲率半徑的下降而升高 這可以解釋定量分析中為什么要有個“陳化”過程pkcs-l21212 (B,s)11ln(s)McRTcRR12/27/2021 9.3.2 Kelvin 公式的應用21212 (B,l)11lnpMRTpRR(2) 在凹面上附加壓力與蒸氣壓力方向相反,總壓力是兩者之差曲率半徑取負值，蒸氣壓與曲率半徑成正比小氣泡內的蒸氣壓隨曲率半徑的

20、下降而下降 這可以解釋有機蒸餾中的“暴沸”現象和加沸石為何能防止暴沸(沸石是多孔固體,可提供成泡中心)。用該公式可以解釋一切“新相難成”的過飽和現象。12/27/2021 9.4 溶液的表面吸附1. 表面活性物質和非表面活性物質2. Gibbs 吸附等溫式3. 分子在界面上的定向排列12/27/2021 9.4.1 表面活性物質與非表面活性物質 當純水中加入溶質,溶液的表面張力會發生變化,幾種類型如圖所示(1)(2)(3)c(1) 非表面活性物質 加入后,能使水的表面張力明顯升高,如曲線(1)所示.無機鹽和不揮發的酸、堿等屬于這一類。12/27/2021 9.4.1 表面活性物質與非表面活性物

21、質 當純水中加入溶質,溶液的表面張力會發生變化,幾種類型如圖所示(1)(2)(3)c(2) 表面活性物質 加入后,能使水的表面張力降低,如曲線(2)所示.短鏈脂肪酸、醇、酮、醛和胺等有機物屬于這一類。12/27/2021 9.4.1 表面活性物質與非表面活性物質 當純水中加入溶質,溶液的表面張力會發生變化,幾種類型如圖所示(1)(2)(3)c(3) 表面活性劑 加入少量后,能使水的表面張力顯著降低,到一定程度后基本不變，如曲線(3)所示.8個碳以上的有機碳鏈與親水基團組成的兩親分子屬于這一類。12/27/2021 9.4.2 Gibbs 吸附等溫式什么是Gibbs吸附等溫式？ Gibbs用熱力

22、學方法，求得在定溫下溶液濃度、表面張力與吸附量之間的定量關系的微分方程，稱為Gibbs吸附等溫式。即BBBTaRTa 或BBBTcRTc BB, ac分別是溶質B的活度和濃度B是溶質B的表面超額（或表面超量、表面過剩）12/27/2021 9.4.2 Gibbs 吸附等溫式表面超額的物理意義是： 在單位面積的表面層中，所含溶質的物質的量與具有相同數量溶劑的本體溶液中所含溶質的物質的量之差值。表面超額的單位：2mol m 表面超額的值可以是正值，即表面濃度大于本體濃度。加入表面活性劑時是如此。 表面超額的值可以是負值，即表面濃度小于本體濃度。加入非表面活性劑時是如此。12/27/2021 9.4

23、.2 Gibbs 吸附等溫式（1） 增加溶質B的濃度使表面張力下降，表面超額為正值，是正吸附。表面層中溶質濃度大于本體濃度。表面活性物質屬于這種情況。B0 TcB 0（2） 增加溶質B的濃度使表面張力上升，表面超額為負值，是負吸附。表面層中溶質濃度小于本體濃度。非表面活性物質屬于這種情況。B0 TcB 012/27/2021 9.4.3 分子在界面上的定向排列表面活性劑分子是兩親分子,具有親水和親油基團親水基團進入水中,親油基團朝向空氣表面活性劑分子在溶液表面定向排列溶液表面溶液表面碳氫鏈碳氫鏈12/27/2021 9.4.3 分子在界面上的定向排列c表面超額是正值表面超額隨濃度增加而遞增如曲

24、線前半段所示B 當表面吸附達飽和,表面超額為極大值如曲線后半段所示m m 稱為飽和吸附量實驗測定飽和吸附量,可計算活性劑分子的截面積s ALm112/27/2021 9.5 表面膜1. 表面壓2. 不溶性單分子膜3. 生物雙分子層膜12/27/2021 9.5.1 表面壓什么是表面壓?(a)在純水面上的木棍因兩邊張力相同而靜止不動(a)(b)在左邊加活性劑,木棍兩邊張力不等而向左移動* * 2 H O2 H O2 H O 溶液* (b)12/27/2021 9.5.1 表面壓什么是表面壓?2 H O 溶液* * 純水與表面活性劑溶液的表面張力的差值稱為表面壓表面壓可用Langmuir天平測量表

25、面壓的單位與表面張力相同在表面活性劑濃度不高時,溶液表面如二維理想氣體s AkT或s An RTs ,AA分別為一個和總的表面活性分子的截面積s n是界面上表面活性分子的物質的量12/27/2021 9.5.2 不溶性單分子膜什么是不溶性單分子膜? 微溶或難溶物質在液體表面自動擴展,形成一個分子厚度的膜,稱為不溶性單分子膜不溶性單分子膜的應用覆蓋在湖泊、水庫表面，可減緩水分蒸發覆蓋在沙漠表面，可起到抗旱保苗的作用將單分子膜進行各種疊加，制備不同的L-B膜12/27/2021 9.5.2 不溶性單分子膜什么是L-B膜？ Langmuir 和他的學生Blodgett女士將不溶性表面膜轉移到固體基質

26、上，進行不同的疊加，形成多分子膜，稱為L-B膜。 L-B膜可具有不同形狀和厚度，一般都在納米級，可以制備具有實用功能的分子電子器件 膜化學發展極其迅速，用途也越來越廣泛。12/27/2021 9.5.2 不溶性單分子膜幾種L-B膜示意圖固體基質單層膜固體基質多層膜(1)固體基質多層膜(2)12/27/2021 9.5.3 生物雙分子層膜雙分子層膜結構示意圖類脂分子有一個親水基團和兩條長長的碳鏈整齊排列，極性基團一致對著膜的內外中間的疏水區控制通過膜的物質膜上的蛋白質起著專一、活性的傳輸作用人工膜應用在滲透、超過濾、海水淡化、氣體分離、廢水處理等方面12/27/2021 9.6 鋪展與潤濕1.

27、鋪展2. 接觸角3. 潤濕作用12/27/2021 9.6.1 鋪展 一種液體能否在另一種不互溶的液體上鋪展，取決于兩種液體本身的表面張力和兩種液體之間的界面張力。 一般說，鋪展后，表面自由能下降，則這種鋪展是自發的。 大多數表面自由能較低的有機物可以在表面自由能較高的水面上鋪展。12/27/2021 9.6.1 鋪展設一種液體1的表面張力為1 1 另一種液體2的表面張力為2 2 兩種液體的界面張力為1,2 1,2 液體2能否在液體1面上鋪展,決定于鋪展前后界面張力的改變21,21 不能鋪展12/27/2021 9.6.2 接觸角 在氣、液、固三相交界點，氣-液與液-固界面張力之間的夾角稱為接

28、觸角，通常用表示。 若接觸角大于90，說明液體不能潤濕固體，如汞在玻璃表面； 若接觸角小于90，液體能潤濕固體，如水在潔凈的玻璃表面。 接觸角的大小可以用實驗測量，也可以用公式計算s-gs-ll-gcos12/27/2021 9.6.2 接觸角12/27/2021 9.6.3 潤濕作用 液體能自發占領固體表面,把固體表面掩蓋起來,稱之為液體能潤濕固體,反之,則不能. 液體能否潤濕固體,決定于三個表面張力的相對大小.s-gs-ll-gcosHgs-ll-gs-gcos90不能潤濕cos90能潤濕12/27/2021 9.6.3 潤濕作用 表面活性劑可以降低液體表面張力，改變接觸角的大小，從而達到

29、所需的目的。 例如，要農藥潤濕帶蠟的植物表面，要在農藥中加表面活性劑,使接觸角變??； 如果要制造防水材料，就要在物體表面涂憎水的表面活性劑，使接觸角大于90。研究潤濕作用的用處 如果能制造“雙疏”材料，使物體既不親水，又不親油，這物體就可以成為免洗材料。12/27/2021 9.7 表面活性劑及其作用1. 表面活性劑的分類2. 膠束和臨界膠束濃度3. 親水親油平衡4. 表面活性劑的作用12/27/2021 9.7.1 表面活性劑的分類表面活性劑的分類 表面活性劑通常采用按化學結構來分類，分為離子型和非離子型兩大類 顯然陽離子型和陰離子型的表面活性劑不能混用，否則可能會發生沉淀而失去活性作用。

30、離子型中又可分為陽離子型、陰離子型和兩性型表面活性劑。12/27/2021 9.7.1 表面活性劑的分類表面活性劑的分類1.離子型2.非離子型陽離子型陰離子型兩性型表面活性劑12/27/2021 9.7.1 表面活性劑的分類陰離子型+15311531C H COONaC H COONa陽離子型1633316333C HNH ClC HNHCl兩性型 CH3 |R-N+-CH2COONa | CH3 CH3 |R-N+-CH2COO- +Na + | CH312/27/2021 9.7.2 膠束和臨界膠束濃度 表面活性劑是兩親分子。溶解在水中達一定濃度時，其非極性部分會自相結合，形成聚集體，使憎

31、水基向里、親水基向外。 隨著親水基不同和濃度不同，形成的膠束可呈現棒狀、層狀或球狀等多種形狀。 這種多分子聚集體稱為膠束。12/27/2021 9.7.2 膠束和臨界膠束濃度臨界膠束濃度(critical micelle concentration) 臨界膠束濃度簡稱 CMC 表面活性劑在水中隨著濃度增大，表面上聚集的活性劑分子形成定向排列的緊密單分子層 多余的分子在體相內部也三三兩兩的以憎水基互相靠攏，聚集在一起形成膠束。這種開始形成膠束的最低濃度稱為臨界膠束濃度 這時溶液性質與理想性質發生偏離，繼續增加活性劑濃度，表面張力不再降低，而膠束不斷增多、增大。12/27/2021 9.7.2 膠

32、束和臨界膠束濃度活性劑濃度低于活性劑濃度低于CMC小型膠束活性劑濃度等于活性劑濃度等于CMC層狀膠束 活性劑濃度大于活性劑濃度大于CMC12/27/2021 9.7.2 膠束和臨界膠束濃度各種形狀的膠束12/27/2021 9.7.2 膠束和臨界膠束濃度12/27/2021 9.7.2 膠束和臨界膠束濃度12/27/2021 9.7.3 親水親油平衡 表面活性劑都是兩親分子，由于親水和親油基團的不同，很難用相同的單位來衡量HLB值 =親水基質量親水基質量 + 憎水基質量100/5對非離子型的表面活性劑，HLB的計算公式為： Griffin提出了用一個相對的值即HLB值來表示表面活性物質的親水性

33、12/27/2021 9.7.3 親水親油平衡HLB值=親水基質量親水基質量+憎水基質量100/5例如：石蠟無親水基，所以 HLB = 0 聚乙二醇，全部是親水基，HLB=20其余非離子型表面活性劑的HLB值介于0-20之間。12/27/2021 9.7.3 親水親油平衡HLB值 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 | | | | | | 石蠟 W/O乳化劑 潤濕劑 洗滌劑 增溶劑 | | 聚乙二醇 O/W乳化劑例如：HLB值在2-6之間，作油包水型的乳化劑；8-10之間作潤濕劑；12-18之間作為水包油型乳化劑。12/27/2021 9.7.4 表面活性劑的作用 表面活性

34、劑的用途極廣，主要有五個方面：1.潤濕作用 表面活性劑可以降低液體表面張力，改變接觸角的大小，從而達到所需的目的。 例如，要農藥潤濕帶蠟的植物表面，要在農藥中加表面活性劑； 如果要制造防水材料，就要在表面涂憎水的表面活性劑，使接觸角大于90。12/27/2021 9.7.4 表面活性劑的作用泡泡水礦物浮游選礦的原理圖 選擇合適的捕集劑，使它的親水基團只吸在礦砂的表面，憎水基朝向水。 當礦砂表面有5%被捕集劑覆蓋時，就使表面產生憎水性，它會附在氣泡上一起升到液面，便于收集。有用礦物廢礦石憎水表面12/27/2021 9.7.4 表面活性劑的作用2.起泡作用 “泡”就是由液體薄膜包圍著氣體。有的表

35、面活性劑和水可以形成一定強度的薄膜，包圍著空氣而形成泡沫，用于浮游選礦、泡沫滅火和洗滌去污等，這種活性劑稱為起泡劑。 也有時要使用消泡劑，在制糖、制中藥過程中泡沫太多，要加入適當的表面活性劑降低薄膜強度，消除氣泡，防止事故。12/27/2021 9.7.4 表面活性劑的作用12/27/2021 9.7.4 表面活性劑的作用3.增溶作用 非極性有機物如苯在水中溶解度很小，加入油酸鈉等表面活性劑后，苯在水中的溶解度大大增加，這稱為增溶作用。 增溶作用與普通的溶解概念是不同的，增溶的苯不是均勻分散在水中，而是分散在油酸根分子形成的膠束中。 經X射線衍射證實，增溶后各種膠束都有不同程度的增大，而整個溶

36、液的的依數性變化不大。12/27/2021 9.7.4 表面活性劑的作用3.增溶作用 被增溶的碳氫化合物表面活性劑分子12/27/2021 9.7.4 表面活性劑的作用4.乳化作用 一種或幾種液體以大于10-7 m直徑的液珠分散在另一不相混溶的液體之中形成的粗分散系統稱為乳狀液。 要使它穩定存在必須加乳化劑。根據乳化劑結構的不同可以形成以水為連續相的水包油乳狀液(O/W) 有時為了破壞乳狀液需加入另一種表面活性劑，稱為破乳劑，將乳狀液中的分散相和分散介質分開。例如原油中需要加入破乳劑將油與水分開?；蛞杂蜑檫B續相的油包水乳狀液(W/O)12/27/2021 9.7.4 表面活性劑的作用4.乳化作

37、用乳化劑也是兩親分子乳化劑在分散相周圍定向排列油滴水滴活性劑分子油水水包油油包水12/27/2021 9.7.4 表面活性劑的作用檢驗水包油乳狀液加入水溶性染料如亞甲基藍，說明水是連續相。加入油溶性的染料紅色蘇丹，說明油是不連續相。12/27/2021 9.7.4 表面活性劑的作用乳化作用的應用 高分子材料的乳化聚合 感光材料的乳化分散 紡織、印染和食品工業中的乳化技術 柴油中的乳化摻水技術，既可以節省油料，又可以提高熱值，還可以減少氮氧化物的排放，是一舉多得的好事 石油原油的破乳作用，可減少運輸成本 牛奶的破乳作用，可提取黃油，進行深加工12/27/2021 9.7.4 表面活性劑的作用5.

38、洗滌作用 洗滌劑中通常要加入多種輔助成分，增加對被清洗物體的潤濕作用，又要有起泡、增白、占領清潔表面不被再次污染等功能。 洗滌過程是包括潤濕、增溶、乳化、起泡和保護清潔表面等一連串復雜過程 肥皂硬酯酸鈉 肥皂粉長直鏈烷基苯磺酸鈉污垢一般由油脂和灰塵組成，不易被水潤濕12/27/2021 9.7.4 表面活性劑的作用加表面活性劑后的去污過程示意圖上. 水不易潤濕油污中. 表面活性劑的憎水基團朝向織物表面和吸附在污垢上，使污垢逐步脫離表面。下. 污垢懸在水中或隨泡沫浮到水面后被去除，潔凈表面被活性劑分子占領。12/27/2021 9.7.4 表面活性劑的作用好的洗滌劑要具備如下特點：1. 有良好的

39、潤濕性能,與被洗表面充分接觸2. 有效降低被洗固體與水以及污垢與水的界面張力,使污垢易脫落3. 有一定的增溶和起泡作用4. 能保護潔凈表面不被再次污染5. 洗滌廢水容易降解,不污染環境.如不能用含磷洗滌劑12/27/2021 9.8 固體表面的吸附1. 吸附劑與吸附質2. 物理吸附與化學吸附3. 吸附等溫線4. 吸附等溫式12/27/2021 9.8.1 吸附劑與吸附質固體表面的特性 固體表面上的原子或分子與液體一樣，受力也是不均勻的，而且不像液體表面分子可以移動，通常它們是定位的。 固體表面是不均勻的，即使從宏觀上看似乎很光滑，但從原子水平上看是凹凸不平的。 同種晶體由于制備、加工不同，會具

40、有不同的表面性質，而且實際晶體的晶面是不完整的，會有晶格缺陷、空位和位錯等。12/27/2021 9.8.1 吸附劑與吸附質 正由于固體表面原子受力不對稱和表面結構不均勻性，它可以吸附氣體或液體分子，使固體表面自由能下降。 由于表面分子的位置不同,不同部位的吸附和催化的活性也不同。 吸附劑 常用的吸附劑有：硅膠、分子篩、活性炭等。 常用來測定比表面的吸附質有：氮氣、水蒸氣、苯或環己烷等的蒸汽。能吸附其他液體或氣體的固體 吸附質 被吸附的液體或氣體12/27/2021 9.8.1 吸附劑與吸附質常用的吸附質1. 活性炭按活性炭的制備原料不同,可分為:植物活性炭 用于食品和藥物的提純、除雜動物活性

41、炭 如骨炭，用于高溫吸附礦物活性炭 用做化工工業的吸附劑和催化劑活性炭種類很多，用途各異，必須選擇合適的使用活性炭使用前必須活化，活化溫度隨活性炭的品種不同而不同?；钚蕴渴欠菢O性吸附劑，優先吸附非極性物質。12/27/2021 9.8.1 吸附劑與吸附質2. 硅膠硅膠是硅酸的干凝膠，是極性無色吸附劑。硅膠在使用前必須活化，活化溫度約120左右，溫度太高會破壞硅膠的結構。硅膠廣泛用作吸水干燥劑或催化劑載體。在制備硅膠時，常加入少量鈷鹽，使干燥硅膠呈蘭色，吸飽水后呈粉紅色，提醒人們需活化后再用。 硅膠優先吸附極性、溶解度小的大分子物質，在制藥工業上用來提純生物堿和甾體類藥物。12/27/2021

42、9.8.1 吸附劑與吸附質3. 分子篩 分子篩又稱為人造沸石，是人工合成的多孔硅鋁酸鹽，是高效的極性吸附劑和催化劑。 分子篩的基本結構是硅氧或鋁氧四面體 根據合成條件不同，硅與鋁的比例不同，四面體排列的方式不同，得到了各種不同型號的分子篩： 如A型，X型，Y型，L型，ZSM型等等。12/27/2021 9.8.1 吸附劑與吸附質 由于分子篩中鋁氧四面體中的價態不平衡，根據平衡陽離子的不同，還可以分出H+，Na+ ，K + ，Ca 2+ 等等不同型號。 分子篩在使用前必須活化，活化溫度隨型號不同而不同，一般多在350以上，溫度太高會破壞分子篩的骨架結構。 分子篩優先吸附極性物質. 不同型號的分子

43、篩，孔的形狀不同，孔徑大小不同，表面酸堿性不同，因而催化性能也不同。12/27/2021 9.8.1 吸附劑與吸附質分子篩的特點: 1. 比表面大. 一般多在400m/g以上，是高效吸附劑。 2. 孔徑均一，同種分子篩有相同的孔徑，可起到篩分分子的作用。也是很好的擇形催化劑。 3. 吸附選擇性好，優先吸附極性物質，可起到分離氧氣和氮氣的作用。 4. 吸附強度較大，可以活化被吸附分子，是一種選擇性高的優質催化劑。12/27/2021 9.8.2 物理吸附和化學吸附物理吸附: 1. 吸附力是由固體和氣體分子之間的 van der Waals 引力產生的，一般比較弱。 2. 吸附熱較小，接近于氣體的

44、液化熱，一般在幾個 kJ/mol 以下，吸附不需要活化能。 3. 吸附無選擇性，任何固體可以吸附任何氣體，當然吸附量會有所不同。 物理吸附僅僅是一種物理作用，沒有電子轉移，沒有化學鍵的生成與破壞，也沒有原子重排等。12/27/2021 9.8.2 物理吸附和化學吸附化學吸附: 1. 吸附力是由吸附劑與吸附質分子之間產生的化學鍵力，一般較強。2. 吸附熱較高，接近于化學反應熱，一般在40kJ/mol 以上。吸附需要活化能。 3. 吸附有選擇性，固體表面的活性位只吸附與之可發生反應的氣體分子，如酸位吸附堿性分子，反之亦然。吸附是單分子層的。 相當于吸附劑與吸附質分子發生了化學反應，在紅外、紫外-可

45、見光譜中會出現新的特征吸收帶。12/27/2021 9.8.3 吸附等溫線 吸附量通常有兩種表示方法：31 g m/ qV m單位：(2)單位質量的吸附劑所吸附氣體物質的量。1 m/ol g qn m單位：(1)單位質量的吸附劑所吸附氣體的體積體積要換算成標準狀況(STP)12/27/2021 9.8.3 吸附等溫線 對于一定的吸附劑與吸附質的系統，達到吸附平衡時，吸附量是溫度和吸附質壓力的函數，即： 通常固定一個變量，求出另外兩個變量之間的關系，例如：( , )qf T p(1) T =常數，q = f (p)，得吸附等溫線。(2) p =常數，q = f (T)，得吸附等壓線。(3) q

46、=常數，p = f (T)，得吸附等量線。12/27/2021 9.8.3 吸附等溫線 吸附等溫線可以用實驗測定,而吸附等壓線和等量線是從吸附等溫線繪制的. 吸附等溫線的類型較多,這里只介紹分子篩吸附氣體的吸附等溫線. 從吸附等溫線可以反映出吸附劑的表面性質、孔分布以及吸附劑與吸附質之間的相互作用等有關信息。12/27/2021 9.8.3 吸附等溫線12/27/2021 9.8.3 吸附等溫線重量法測定吸附等溫線的步驟1. 用石英彈簧精確測定真空脫附后潔凈吸附劑的質量2. 選定吸附溫度為253K,把含有吸附劑盤的玻管外的恒溫槽調至253K,放入一定量蒸汽,控制比壓為0.05左右.3. 達吸附

47、平衡后,用石英彈簧精確測定在該比壓下的吸附量,這樣在吸附量對比壓的圖上獲得第一個點.4. 增加比壓,測定對應的吸附量,就獲得若干實驗點,連成平滑曲線,得到253K溫度時的吸附等溫線.5. 改變吸附溫度,重復以上步驟,獲得一組等溫線.12/27/2021 9.8.3 吸附等溫線重量法測定的一組吸附等溫線q1q2q3q/sp p0.10.20.3253K273K303K353K吸附等溫線吸附等溫線比壓一般在0.3以下比壓太高,易發生毛細凝聚,使結果偏高開始時,比壓升高,吸附量很快增高,在比壓為0.3時,吸附基本飽和飽和吸附量用Vm表示12/27/2021 9.8.3 吸附等溫線從一組吸附等溫線畫等壓線q/sp p0.10.20.3253K27