1、膠體與表面化學膠體與表面化學(一一) 從歷史角度看，界面化學是膠體化學的一個最重要的從歷史角度看，界面化學是膠體化學的一個最重要的分支，也是其中最興旺的一個學科分支，也是其中最興旺的一個學科, ,兩者間關系密切。而兩者間關系密切。而隨著科學的發展，現今界面化學已獨立成一門科學，有關隨著科學的發展，現今界面化學已獨立成一門科學，有關“界面現象界面現象”或或“膠體與界面現象膠體與界面現象”的專著在國內外已有的專著在國內外已有多種版本。多種版本。 本課程主要介紹本課程主要介紹與界面現象有關的物理化學原理及應與界面現象有關的物理化學原理及應用用。它包括各種相界面和表面活性劑的相關特性，界面上。它包括各

2、種相界面和表面活性劑的相關特性，界面上的各種物理化學作用，實驗的和理論的研究方法及其重要的各種物理化學作用，實驗的和理論的研究方法及其重要應用以及有關膠體應用以及有關膠體( (納米材料、介孔材料納米材料、介孔材料) )的一些知識。的一些知識。0 緒緒 論論0 緒緒 論論0 緒緒 論論0 緒緒 論論-界面化學發展簡史界面化學發展簡史1805 T . Young 提出界面張力概念提出界面張力概念體系中兩個相接觸的均勻流體，從力學的觀體系中兩個相接觸的均勻流體，從力學的觀點看就象是被一張無限薄的彈性膜所分開，點看就象是被一張無限薄的彈性膜所分開，界面張力則存在于這一彈性膜中。楊還將界界面張力則存在于

3、這一彈性膜中。楊還將界面張力概念推廣應用于有固體的體系，導出面張力概念推廣應用于有固體的體系，導出了聯系氣了聯系氣液、固液、固液、固液、固氣界面張力與氣界面張力與接觸角關系的接觸角關系的楊氏方程楊氏方程。1806 P.S. Laplace 表面張力與曲率半徑關系表面張力與曲率半徑關系Pierre-Simon Laplace 1749-18271869年普里（年普里（A.Dapre）研究）研究了潤濕和黏附現象，將黏附功了潤濕和黏附現象，將黏附功與界面張力聯系起來。與界面張力聯系起來。0 緒緒 論論-界面化學發展簡史界面化學發展簡史1859年，開爾文（年，開爾文（Kelvin）將界）將界面擴展時伴

4、隨的熱效應與界面張面擴展時伴隨的熱效應與界面張力隨溫度的變化聯系起來。后來，力隨溫度的變化聯系起來。后來，他又導出蒸汽壓隨界面曲率的變他又導出蒸汽壓隨界面曲率的變化的方程即著名的開爾文方程。化的方程即著名的開爾文方程。0 緒緒 論論-界面化學發展簡史界面化學發展簡史Kelvin, Lord William Thomson (1824-1907) 1878 Gibbs提出了界面相厚度為提出了界面相厚度為零的吉布斯界面模型，導出了聯零的吉布斯界面模型，導出了聯系吸附量和界面張力隨體相濃度系吸附量和界面張力隨體相濃度變化的普遍關系式即著名的吉布變化的普遍關系式即著名的吉布斯吸附等溫式。斯吸附等溫式。

5、Gibbs 1839-19030 緒緒 論論-界面化學發展簡史界面化學發展簡史1932 Nobel Prize for Chemistry 1881-19571913-19421913-1942年期間，美國科學家年期間，美國科學家LangmuirLangmuir在界面科學領域做出在界面科學領域做出了杰出的貢獻，特別是對吸附、了杰出的貢獻，特別是對吸附、單分子膜的研究尤為突出。單分子膜的研究尤為突出。 他于他于19321932年獲諾貝爾獎，被年獲諾貝爾獎，被譽為界面化學的開拓者。譽為界面化學的開拓者。1916 1916 年年 提出固體吸附等溫方程式提出固體吸附等溫方程式0 緒緒 論論-界面化學發

6、展簡史界面化學發展簡史0 緒緒 論論-界面化學發展簡史界面化學發展簡史 界面化學的統計力學研究是從界面化學的統計力學研究是從范德華范德華開始的。開始的。1893年，范德華認識到在界面層年，范德華認識到在界面層中密度實際上是連續變化的。他應用了局中密度實際上是連續變化的。他應用了局部自由能密度的概念，結合范德華方程，部自由能密度的概念，結合范德華方程，并引入半經驗修正，從理論上研究了決定并引入半經驗修正，從理論上研究了決定于分子間力的狀態方程參數與界面張力間于分子間力的狀態方程參數與界面張力間的關系。的關系。 50年代以后，界面現象的統計力學研究年代以后，界面現象的統計力學研究經 過 勃 夫 （

7、經 過 勃 夫 （ F . B u f f ） 、 寇 克 伍 德） 、 寇 克 伍 德（Kirkwood）、哈拉西瑪（）、哈拉西瑪（Harasima）等的研究工作，取得了實質性的進展等的研究工作，取得了實質性的進展.The Nobel Prize in Physics 1910 J.D.van der Waals0 緒緒 論論lApplied Surface Science Elsevier (NL) ElProgress in Surface Science Elsevier (NL) ElSurface and Coatings Technology Elsevier (NL) ElSu

8、rface and Interface Analysis Wiley DlSurface Science Elsevier (NL) ElSurface Science Reports Elsevier (NL) ElThin Solid Films Elsevier (NL) ElVacuum Surface Engineering, Surface Instrumentation & Vacuum Technology. Elsevier (NL) E0 緒緒 論論-膠體化學發展簡史膠體化學發展簡史 膠體化學也是一門古老而又年輕的科學。膠體化學也是一門古老而又年輕的科學。 有史以前

9、，我們的祖先就會制造陶器；漢朝已能利用有史以前，我們的祖先就會制造陶器；漢朝已能利用纖維造紙；后漢時又發明了墨；其他像做豆腐、面食以纖維造紙；后漢時又發明了墨；其他像做豆腐、面食以及藥物的制劑等等在我國都有悠久的歷史，這些成品及及藥物的制劑等等在我國都有悠久的歷史，這些成品及其制作過程都與膠體化學密切相關。其制作過程都與膠體化學密切相關。 1809 1809年，俄國化學家年，俄國化學家ScheeleScheele發現了土粒的電泳現象；發現了土粒的電泳現象； 18291829年英國植物學家年英國植物學家BrownBrown觀察到花粉的布朗運動。此后，觀察到花粉的布朗運動。此后，許多人相繼制備了各

10、種溶膠，并研究了它們的性質。許多人相繼制備了各種溶膠，并研究了它們的性質。 膠體化學作為一門學科來說，它的歷史膠體化學作為一門學科來說，它的歷史比較一致的看法是從比較一致的看法是從18611861年開始的，創年開始的，創始人是英國科學家始人是英國科學家Thomas GrahamThomas Graham，他系，他系統研究過許多物質的擴散速度，并首先統研究過許多物質的擴散速度，并首先提出晶體和膠體（提出晶體和膠體（colloidcolloid）的概念，制）的概念，制定了許多名詞用來形容他所發現的事實。定了許多名詞用來形容他所發現的事實。0 緒緒 論論-膠體化學發展簡史膠體化學發展簡史1805-1

11、869 British chemist often referred to as “the father of colloid chemistry.” 0 緒緒 論論-膠體化學發展簡史膠體化學發展簡史現今所用的一些名詞，如溶膠（現今所用的一些名詞，如溶膠（sol）、凝膠（）、凝膠（gel）、膠溶）、膠溶（peptization）、滲析（）、滲析（dialysis）、離漿（）、離漿（syneresis）都是）都是Graham提出的。盡管在這一時期積累了大量的經驗和知識，提出的。盡管在這一時期積累了大量的經驗和知識，但膠體化學真正為人們所重視并獲得較大的發展是從但膠體化學真正為人們所重視并獲得較大

12、的發展是從1903年開始的。這時年開始的。這時席格蒙迪席格蒙迪Zsigmondy（德）發明了超顯微鏡，（德）發明了超顯微鏡，肯定了溶膠的一個根本問題肯定了溶膠的一個根本問題體系的多相性，從而明確體系的多相性，從而明確了膠體化學是界面化學。了膠體化學是界面化學。1907年，德國化學家年，德國化學家Ostwald創辦創辦了第一個膠體化學的專門刊物了第一個膠體化學的專門刊物膠體化學和工業雜膠體化學和工業雜志志，因而許多人把這一年視為膠體化學正式成為一門獨，因而許多人把這一年視為膠體化學正式成為一門獨立學科的一年。接著立學科的一年。接著Freundlich和和Zsigmondy先后出版了他先后出版了他

13、們的名著們的名著毛細管化學毛細管化學（1909）和）和膠體化學膠體化學（1902）。）。0 緒緒 論論-我國的發展簡史我國的發展簡史19541954年年 傅鷹院士（北京大學）傅鷹院士（北京大學） 中國膠體化學的奠基人之一中國膠體化學的奠基人之一19551955年年 戴安邦院士（南京大學）戴安邦院士（南京大學） 中國有了第一批膠體化學畢業生中國有了第一批膠體化學畢業生2020世紀世紀9090年代以前，只有北京大學、南京大學、年代以前，只有北京大學、南京大學、山東大學、華東師范大學有膠體界面化學的研究山東大學、華東師范大學有膠體界面化學的研究機構。機構。19831983年在北京大學召開全國第一屆膠

14、體與界面化年在北京大學召開全國第一屆膠體與界面化學會議，學會議，20022002年在山東大學召開第九屆全國會議。年在山東大學召開第九屆全國會議。傅鷹傅鷹1902-1979戴安邦戴安邦1901-1999江龍江龍1933江雷江雷 19651965研究領域研究領域 功能界面材料功能界面材料 特殊浸潤性界面材料特殊浸潤性界面材料 陳邦林、王果庭、陳宗其、沈鐘、趙國璽等等陳邦林、王果庭、陳宗其、沈鐘、趙國璽等等0 緒緒 論論-我國的發展簡史我國的發展簡史郝京誠郝京誠19640 緒緒 論論農業 生物學與醫學日用品的生產與使用 輕工業環境科學 分析化學材料 海洋科學天文與氣象學 油田開發0 緒緒 論論分析化

15、學中的吸附指示劑、色譜等分析化學中的吸附指示劑、色譜等物理化學中的成核作用、過飽和、液晶等物理化學中的成核作用、過飽和、液晶等生物化學和分子生物學中的電泳、膜現象，蛋白質和核酸等生物化學和分子生物學中的電泳、膜現象，蛋白質和核酸等化學制造中的催化劑、洗滌劑、潤滑劑、粘合劑、農藥化學制造中的催化劑、洗滌劑、潤滑劑、粘合劑、農藥環境科學中的氣溶膠、泡沫、污水處理環境科學中的氣溶膠、泡沫、污水處理材料科學中陶瓷制品、水泥、涂料、納米材料、超細材料、材材料科學中陶瓷制品、水泥、涂料、納米材料、超細材料、材料的表面改性等料的表面改性等日用品中的牛奶、豆漿、豆腐、啤酒、雨衣、皮革、明礬凈水、日用品中的牛奶

16、、豆漿、豆腐、啤酒、雨衣、皮革、明礬凈水、魚湯肉湯成凍等魚湯肉湯成凍等石油工業中的油品回收、乳化、破乳、三次采油等石油工業中的油品回收、乳化、破乳、三次采油等信息科學中的信息科學中的LB膜、微電子器件等膜、微電子器件等氣溶膠、煙霧的形成與大氣污染氣溶膠、煙霧的形成與大氣污染水凈化與污水處理水凈化與污水處理毒氣與毒劑的吸附毒氣與毒劑的吸附黏土礦物的表面改性與應用黏土礦物的表面改性與應用人工降雨人工降雨天然水體中的膠體懸浮物與環境污染物之間的界面化學天然水體中的膠體懸浮物與環境污染物之間的界面化學行為行為液膜分離技術與廢水處理液膜分離技術與廢水處理0 緒緒 論論研究對象研究對象研究內容研究內容體體

17、 系系理理 論論分散體系分散體系分散體系的形成分散體系的形成與穩定與穩定光學性能光學性能流變性能流變性能納米材料納米材料氣溶膠氣溶膠憎液溶膠憎液溶膠親液溶膠親液溶膠粗分散體系（乳狀粗分散體系（乳狀液、懸濁液）液、懸濁液）智能流體，電、磁智能流體，電、磁流體流體單分散、單一形狀單分散、單一形狀顆粒的形成顆粒的形成納米顆粒的有序排納米顆粒的有序排列列氣溶膠理論氣溶膠理論成核理論，成核理論，DLVO穩定理論穩定理論高聚物溶液理論高聚物溶液理論，膠束理論，膠束理論光吸收與光散射光吸收與光散射理論理論顆粒相互作用力顆粒相互作用力理論理論現代膠體與界面科學的研究內容現代膠體與界面科學的研究內容 0 緒緒

18、論論現代膠體與界面科學的研究內容現代膠體與界面科學的研究內容 0 緒緒 論論潤濕、摩擦、潤濕、摩擦、黏附黏附吸附現象吸附現象界面電現象界面電現象界面層結構界面層結構界面現象界面現象氣固界面氣固界面液固界面液固界面氣液界面氣液界面液液界面液液界面液固界面液固界面表面力理論、表面力理論、表面層結構、表面層結構、分子定性理論分子定性理論各種吸附理論各種吸附理論雙電層理論雙電層理論界面光譜學與界面光譜學與顯微術能譜、顯微術能譜、掃描探針顯微掃描探針顯微鏡、激光拉曼鏡、激光拉曼等方法研究、等方法研究、界面分子定向界面分子定向、界面化學反、界面化學反應、界面力的應、界面力的研究研究現代膠體與界面科學的研究

19、內容現代膠體與界面科學的研究內容 0 緒緒 論論有序組合體有序組合體溶液中有序分子溶液中有序分子組合體組合體生物膜與仿生膜生物膜與仿生膜有機無機混合膜有機無機混合膜有序組合體中的有序組合體中的物理化學反應物理化學反應膠束、微乳液、泡囊膠束、微乳液、泡囊LB膜膜、 脂質體、液脂質體、液晶、分形體等晶、分形體等夾心結構、溶膠凝夾心結構、溶膠凝膠膜膠膜分子間相互作用分子間相互作用力（氫鍵、范德力（氫鍵、范德華力、分子形狀、華力、分子形狀、彎曲能、相圖）彎曲能、相圖）液晶理論、類脂液晶理論、類脂體與蛋白質的相體與蛋白質的相互作用、分形理互作用、分形理論論增溶現象、膠束增溶現象、膠束催化、定向合成催化、

20、定向合成膠體與界面科學的發展前景膠體與界面科學的發展前景 0 緒緒 論論膠體與表面化學是一門應用性極強的學科。近百年來，膠體與表面化學是一門應用性極強的學科。近百年來，它的發展同步于工農業生產的發展，有些方面甚至是它的發展同步于工農業生產的發展，有些方面甚至是超前的，究其原因主要有兩方面：超前的，究其原因主要有兩方面：自然科學整體水平的提高，帶動膠體與表面化學自然科學整體水平的提高，帶動膠體與表面化學素質增幅素質增幅 利用現代物理與化學理論解決膠體與表面中的基本理論問題利用現代物理與化學理論解決膠體與表面中的基本理論問題，如，如用量子化學研究吸附與催化、用分形理論研究膠粒形貌、用統計力用量子化

21、學研究吸附與催化、用分形理論研究膠粒形貌、用統計力學研究高分子等；學研究高分子等；應用現代精密儀器和方法解決膠體與表面化學中懸而未應用現代精密儀器和方法解決膠體與表面化學中懸而未決的實際問題決的實際問題。如用不同力（學）顯微鏡研究膠粒間的力。如用不同力（學）顯微鏡研究膠粒間的力（大小）及表面上分子（原子）的形態、用不同的能譜儀（大小）及表面上分子（原子）的形態、用不同的能譜儀綜合研究膠團表面分子相互作用的細節等；綜合研究膠團表面分子相互作用的細節等；將膠體與表面化學的觀點和方法應用于醫學、生理、將膠體與表面化學的觀點和方法應用于醫學、生理、土壤、環境、大氣、海洋湖泊等諸多學科之中土壤、環境、大

22、氣、海洋湖泊等諸多學科之中，既豐富，既豐富了這些學科的內容，也促進了對膠體與表面化學更深層了這些學科的內容，也促進了對膠體與表面化學更深層次知識的探索。次知識的探索。膠體與界面科學的發展前景膠體與界面科學的發展前景 0 緒緒 論論工農業的飛躍發展對膠體與表面化學提出了高工農業的飛躍發展對膠體與表面化學提出了高而新的要求而新的要求 膠體與界面科學的發展前景膠體與界面科學的發展前景 0 緒緒 論論（1 1）新產品開發：組裝分子器件、超精細材料）新產品開發：組裝分子器件、超精細材料（2 2）老產品的升級換代：洗滌劑、化妝品、顏料、）老產品的升級換代：洗滌劑、化妝品、顏料、 復印碳粉等復印碳粉等（3

23、3）舊工藝更新：單分散固態膠粒的制造與收集、）舊工藝更新：單分散固態膠粒的制造與收集、 采油工藝等采油工藝等2020世紀世紀9090年代以來，不少國家對年代以來，不少國家對納米材料納米材料制定了制定了跨世紀的長期研究計劃，致使眾多的物理學家加跨世紀的長期研究計劃，致使眾多的物理學家加盟表盟表( (界界) )面科學研究，其目標在于面科學研究，其目標在于開發納米級或開發納米級或分子（原子）級具有多種功能的電子器件分子（原子）級具有多種功能的電子器件。中國。中國雖起步較晚，但發展迅速雖起步較晚，但發展迅速 。膠體與界面科學的發展前景膠體與界面科學的發展前景 0 緒緒 論論德國科學家德國科學家Gerhard Ertl (格哈德格哈德-埃特爾埃特爾 )在表面化學研究領域作出開拓性貢獻在表面化學研究領域作出開拓性貢獻一是對表面化學反應，特別是合成氨的機理研究，一是對表面化學反應，特別是合成氨的機理研究，實際上人們對合成氨的機理還沒有完