【胶体和界面化学】研究生课件5

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小,有时小于单纯体系的几十倍。 • (2) 1:1时表面吸附量最大(因为表面张力小)。 • (3) 每个分子所占有的面积最小(因为吸附量最
§第三节 阳离子表活剂和阴离子表活剂混合体系
1、对cmc的影响 • 混合体系的cmc无
论何种比例右图4、 5为两个单纯阴阳 离子表面活性剂的 混合物的表面张力 曲线, • 1、2、3为1:1混 合体系的曲线。
§第三节 阳离子表活剂和阴离子表活剂混合体系
• 该体系的特点 : • (1) 所有比例中1:1的表面活性最高,即cmc最
(3.14)
常数A1B1可自纯组分l溶液的表面张力实验数据求出 , A2B2则自纯组分2溶液的表面张力数据求得。根据 上式即可求出混合溶液的浓度、组成与表面张力的关 系,于是即可自纯组分溶液的表面张力曲线计算出混 合溶液的表面张力曲线.不必再进行测定。
§第一节 理想混合体系和非理想混合体系
右图为两种同系物混合溶液 计算值和实验值的表面张力 。可以看出,很好的相符, 特别是在cmc以下。 在计算cmc以上的表面活性 剂混合溶液的表面张力时, 可以假设形成的胶团对表面 张力没有贡献(因其亲水性 很强),只有未缔合的单体 有贡献。

xi C 0(1K0 )
icmc
3.1
§第一节 理想混合体系和非理想混合体系
对于两组分离子表活剂的混合水溶液体系
1 x x 1K0 C C C 12cmc
1
0(1 K0 ) 1cmc
2
0(1 K0 ) 2cmc
3.2
式中C12为混合水溶液的cmc,C1 和C2分别为组分1 和2的cmc;x1和x2则分别为混合物中组分1及2的摩 尔分数;K0为与胶团反离子结合度有关的常数。 根据此式,可从两种离子表活剂的cmc计算出不同 比例混合物的cmc,如二者为同系物,可认为K0值相 同(K0可根据文献或通过实验得出)。
§第一节 理想混合体系和非理想混合体系
若为同类型的表面活性 剂只是亲水基稍有不同 时,则对于同系物适用 的理论亦可应用于此类 混合表面活性剂而无太 大的偏差。 例如C10H21SOCH3与 C12H25(OC2H4)7OH的混合 水溶液体系,cmc与组分 摩尔分数的关系的计算 值与实验值符合(如图)
C C C 12cmc
0 1cmc
0 2cmc
3.3
§第一节 理想混合体系和非理想混合体系
大量的实验 证实,同系 物的混合表 活剂溶液cmc 值,理论和 实验值都较 吻合。
2.混合胶团中单一表活剂的摩尔分数
自胶团理论还可以推算出混合胶团的成分。 无外
加盐时:
xim

xi

CTcmc C0
§第一节 理想混合体系和非理想混合体系
由图看出,混合物的表面活性介于两纯化合物之 间。自表面张力—浓度对数曲线的转折点,可求 出混合体系的临界胶团浓度(cmc)。 1. 混合溶液的cmc 混合表面活性剂的cmc与单一表面活性剂的cmc之 间的关系可用下式(3.1)表示,
1
C 1 K0 Tcmc
cmcT
离子和非离子表面活性剂混合水溶液的cmc-x曲线 0.003
0.0025
0.002
0.0015
0.001
0.0005
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
x2
黑线为根据公式3-3的计算值 红线为实际测定值
§第二节离子表活剂和非离子表活剂混合体系
2、 对表面张力的影响 混合体系的表面张力一
般情况下均下降,使 表面活性增高
第四章:表面活性剂混合溶液
§第一节 理想混合体系和非理想混合体系 §第二节 离子表活剂和非离子表活剂混合体系 §第三节 正、负离子表面活性剂混合体系 §第四节 长链极性有机物和离子表面活性剂混
合体系 §第五节 表面活性剂和水溶性大分子的相互作用 §第六节 增效作用理论
§第一节 理想混合体系和非理想混合体系
icmc
1 K0 3.4
式中CTcmc是混合溶液的cmc浓 度,C0icmc是单纯溶液的cmc 两组分体系,xi 是单纯体系溶 液中的摩尔分数,K0为反离 子缔合度
对于非离子表活剂
如果是两组
xim

xi
CTcmc C0
icmc
3.5
分体系,公 式是怎样的

式中xim为表活剂i在胶束中的摩尔分数
A B ln Ci0 A B为常数 3.12
上式还可以写为
1 Ci0
exp[(
A) / B]
3.13
§第一节 理想混合体系和非理想混合体系
对于二组分表面活性剂混合溶液,将式(3.13)代入 式(3.11)中,得
1 CT

x1 exp
A1 B1

x2
exp

A2 B2
§第一节 理想混合体系和非理想混合体系
以上所讨论的是表面活性剂同系物混合体系,因同系 物分子结构十分相近,有相同的亲水基,憎水基的结 构亦相同,仅有链长的差别,故溶液较为理想,形成 的混合胶团性质亦近于理想溶液。于是,此种混合溶 液性质其cmc或表面张力的计算值与实验结果能较好 相符。
非同系物的混合溶液体系,则往往与理想的相差 甚大,特别是不同类型的表面活性剂混合物溶液更是 如此(如非离子型与离子型、正离子型与负离子型表 面活性剂) 。
§第一节 理想混合体系和非理想混合体系
举例:将计算出的 C12cmc值与实验值 表示于图5.2中。 实验值与理论值很 好相符,说明了理 论的正确性。
……理论值,○实 验值
§第一节 理想混合体系和非理想混合体系
对于非离子表面活性 剂的二元混合物,上式 中的K0消失。2.2式变 为:
1 x1 x2
§第一节 理想混合体系和非理想混合体系
因此,自单一表面活性剂的cmc,利用式(3.1) 或(3.2)求出混合表面活性剂的cmc之后,再应 用式(3.4)或(3.5)可以计其出组分i在胶团中 的成分。自式(3.4)或(3.5)可以得出结论: 对于一个两组分表面活性剂混合体系, cmc值 越低(表面活性较高)的组分,在混合胶团中 比例较大;其在胶团中的摩尔分数比在溶液中 的摩尔分数大,即表明此种表面活性剂容易在 溶液中形成胶团。反之,有较低表面活性、较 大cmc值的表面活性剂则在混合胶团中的摩尔分 数较小。
§第二节离子表活剂和非离子表活剂混合体系
3、 对吸附量的影响 混合体系的饱和吸附量也和cmc及表面张力一样,一
种是混合吸附高于两单纯体系,另一种是介于两 单独组分溶液的饱和吸附量之间,
4、 对非离子表活剂浊点的影响 • (克拉夫点:对于离子表面活性剂,溶质的溶解度
急剧增大的温度)。
• 浊点:对于非离子表面活性剂随着温度的升高,其 水溶液发生浑浊的温度。
• 在非离子表面活性别中加入离子表面活性剂后,将 使浊点升高。
右图表明一些离子表面活性剂对非离子表面活性剂 Triton X—100的影响。
•当
浓度在总溶液中占表面 活性剂总量的1%时, 即可把原溶液的浊点 升高约20℃多。离子 型表面活性剂和非离 子型表活剂混合后产 生了分子间的强烈的 相互作用,溶液形成 了混合胶束。
因为
xis 1 得到
CT xi 1 Ci0
3.8
则可利用3.6根据纯表活剂浓度C0i和混合溶液的 浓度CT计算出吸附层中的摩尔分数xis,也可自各 单一组分溶液在一定表面张力时的浓度,计算 出混合溶液在此表面张力时的浓度(3.8)。
§第一节 理想混合体系和非理想混合体系
因此可以从单一表活剂的表面张力曲线,计算出混合溶液的 表面张力曲线。对于两组分体系,粗略的计算可以根据下式
§第三节 阳离子表活剂和阴离子表活剂混合体系
• 如离子表面活性剂溶液中加入非离子表活剂或 机物(脂肪醇)加到表面活性剂水溶液中,可以 导致表面张力大幅度下降一样,可以预测:在 正离子表面话性剂溶液中加入负离子表面活性 剂(或相反),正、负表面活性离子之间必然发 生强烈的电性相互作用,其结果可能与脂肪 醇—表面活性剂之间的相互作用相似,甚至更 为强烈,使表面活性得到极大的提高。事实正 是如此。
§第一节 理想混合体系和非理想混合体系
在胶团形成性质上,同系物中碳原子数越大者 越易在溶液中形成胶团,其临界胶团浓度越低 ,但有时表面张力随碳链的合体系
右图为两个 同系物混合 溶液的 -logC图
图5.1 C10H21SO4Na-C12H23SO4Na混合体系水溶液的表面张力 1. 1:0, 2. 3:1, 3. 2:1, 4. 1:3, 5. 0:1
同系物
一般商品活性剂常是不同链长的同系物混合物。如 在脂肪酸的皂中,无纯粹的硬脂酸酸或月桂酸,其 它类型的表面活性剂商品也是如此。 同系混合物的物化性质介乎各个化合物之间,在表 面活性的表现上即是如此。表活性一般直接表现于 水溶液表面张力的降低上。 同系物的表面活性与其碳氢链长的关系: 碳原子数越大则越易于在溶液表(界)面吸附亦即表 面活性越强。
1 C12

x1 C10

x2 C20
3.9
X1=0.156,X2=0.844, C10=0.003,C20=0.0145
1 0.156 0.844
C12 0.003 0.0145
算出C12=0.0091
对于精确的计算: 一般的表活剂溶液,在cmc以下的一定浓度范围内, 表面张力—浓度对数关系基本为一直线,可用下式表 示表面张力和浓度的关系
§第三节 阳离子表活剂和阴离子表活剂混合体系
• 在一定条件下,阴、阳离子表面活性剂混合体系 具有很高的表面活性,显示出极大的增效作用。
• 长期以来,对于混合表面活性剂的研究,大多数 局限于同类型(以及同系物)混合物,对正、负离 子表面活性剂混合物研究得较少。其原因是受到 传统观念的束缚,认为正离子表面活性剂与负离 子表面活性剂在水溶液中生成沉淀不能混合,否 则将失去表面活性而不能应用.
§第一节 理想混合体系和非理想混合体系
对于混合表活剂溶液 的表面张力,由— lgC图看出:同cmc一 样,表面张力随浓度 的变化关系,表面张 力也介于两单一表面 活性剂之间,存在一 定的规律性。
§第一节 理想混合体系和非理想混合体系
表面活性剂在溶液表面上的吸附与在溶液内部形 成胶团,都是由于表面活性剂分子中碳氢链的硫 水作用,在本质上有相似之处。于是,可用与胶 团形成理论处理相似的方法,来讨论混合表面活 性剂的吸附。因此在吸附层中单一表面活性剂的 ,摩尔分数的计算。如下:
胶团中 溶液中
§第二节离子表活剂和非离子表活剂混合体系
1、对cmc的影响
离子型表面活性剂和非离 子型混合物的分子间的 相互作用须从结构上考 虑,主要是极性头之间 的离子-偶极子的相互 作用。一般表面活性比 同系物混合物有更大的 增强,见右图,混合溶 液的cmc下降较大,不符 合理想溶液的情况。
cmcT
§第一节 理想混合体系和非理想混合体系
3.表面吸附层中单一表活剂的摩尔分数
可以根据胶团中摩尔分数的计算方法。无外加盐 时:对于非离子表面活性剂。
xis

CT xi Ci0
3.6
对于离子型表面活性剂得到
xis

xi

CT Ci0
1 K0
3.7
§第一节 理想混合体系和非理想混合体系
§第二节离子表活剂和非离子表活剂混合体系
此类混合溶液的表面化学性质 随成分的变化关系可分为 两类,
(1)性质成份图有最低点,说 明最佳混配时体系的性质 优于任何一个组分的单独 溶液的性质,这种作用成 为“增效作用”,在实际 应用中有重要价值。
(2) 性质成份图无最低点。说 明混合溶液的性质虽然相 对于理想混合来说显示负 偏差,但始终介于两单组 分溶液的性质之间,无增 效作用。
离子和非离子表面活性剂混合水溶液的cmc-x曲线 0.003
0.0025
理论值
0.002 0.0015 0.001
实验值
0.0005
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
x2
黑线为根据公式3-3的计算值 红线为实际测定值
§第二节离子表活剂和非离子表活剂混合体系
这是因为离子型表面活性剂和非离子型表活剂混合后产 生了有利于表面吸附和胶束形成的分子间的强烈的相 互作用,这种相互作用的本质是非离子表面活性剂与 离子表面活性剂在溶液中形成混合胶团,非离子表面 活性剂分子“插入”胶团中后,使原来的离子表面活 性剂的“离子头”之间的电性斥力减弱,而且非离子 表活剂的极性基在邻近的表活剂离子的电场作用下可 能发生极化而产生进一步的相互作用,再加上两种表 面活性剂分子的碳氢链间的疏水作用,而较易形成胶 团;于是混合溶液的cmc下降。
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