(整理)第七章固体表面与界面第八章浆体的胶体化学原理
浆体的胶体化学原理
吸附水
对于同价离子，半径越小则水化膜越厚。
水化半径大的离子与粘土的吸力小。
对于不同价离子，情况复杂。
高价离子的水化分子数小于低价离子，但高价离子具有更高的表面电荷密度，高价离子与粘土的表面静电力的影响可超过水化膜厚度的影响。
H+>Al3+> Ba2+>Sr2+>Ca2+>Mg2+>NH+>K+>Na+>Li+
粘土在水介质中充分分散，称为泥浆的胶溶。
继续增加电解质，泥浆内粘土粒子相互聚集粘度增加，称为泥浆的絮凝或泥浆增稠。
聚合阴离子可中和边上的正电荷，或提高面上的负电荷，提高泥浆的胶溶性。
可塑性只发生在某一适宜的含水量范围。
pH值的变化可引起ζ电位的增减或变号，致使氧化物泥浆胶溶或絮凝。
时，ζ电位＝+ 183mV pH=12时，ζ电位＝-70.4mV
AlCl 3+H 2O AlCl 2OH+HCl
AlCl 2OH+H 2O AlCl(OH)2+HCl
胶粒优先吸附AlO2-使胶粒带负电，然后吸附Na+。
胶体界面化学知识点总结
胶体界面化学知识点总结胶体界面化学是研究在胶体系统中发生的化学现象和过程的科学，它涉及到界面的性质、结构和变化等方面。
胶体界面化学的研究对理解胶体系统的基本特性和应用具有重要的意义。
下面将对胶体界面化学的相关知识点进行总结。
一、胶体概念胶体是由两种或两种以上的相组成的复合系统，其中一个相是固体，另一个或另一些是液相或气相。
这些相都是微观分散的，且不易被重力沉淀的稳定性。
胶体是一种介于溶液和悬浮液之间的分散系统，在胶体中，含有微粒的相称为分散相，微粒与溶剂形成的相称为连续相。
胶体颗粒的尺寸一般在1-1000nm之间。
根据分散相的性质不同，胶体又可以分为溶胶、凝胶和乳胶等。
二、胶体稳定性胶体的稳定性是指其分散相维持分散状态的能力。
胶体稳定性与表面活性剂的类型和浓度、电解质的存在和浓度、电荷作用、范德华力等因素有关。
当表面活性剂存在时，会在分散相的表面形成一层物理吸附膜来减少表面能，改变表面性质，从而稳定胶体。
电解质的存在可以中和分散相表面的电荷，减少静电斥力，使胶体不稳定。
电荷作用和范德华力也会影响胶体的稳定性。
了解这些因素对胶体稳定性的影响对于胶体的应用和制备具有重要的意义。
三、界面活性剂界面活性剂是一类具有分子结构中同时含有亲水性和疏水性基团的化合物，它们在液体界面上降低表面张力，促进液体的分散和乳化，并有较强的渗透性和复合物形成性。
界面活性剂的主要作用包括降低表面张力、增加分散性、稳定胶体、乳化和分散。
根据亲水性基团的不同，界面活性剂可以分为阴离子、阳离子、非离子和两性离子界面活性剂。
界面活性剂的选择和使用对于控制胶体的稳定性和调控乳液、泡沫等具有重要的作用。
四、胶体的表面性质胶体的表面性质是指胶体颗粒的表面具有的润湿性、黏附性、表面能等物理化学性质。
胶体颗粒的表面性质与界面活性剂的类型和浓度、电解质的存在和浓度、溶剂的性质等有关。
表面性质的研究对于控制胶体的稳定性、界面活性剂的选择和应用有着重要的意义。
胶体化学第7章-2 固液界面的吸附作用
对稀溶液，Gibbs等温式可写作
c n RT c S
S :固体的比表面
将（１）式代入求导
Sc ( 0 m ) dn n s RT n dc
s 2
s 2
作不定积分
n RT ln n ln c ln a ( 0 m )S
s 2
s
set
n s RT 1 ( 0 m )S n
n ac
s 2
1
n
加而直线降低的关系导出的 关系式，只适用于中等覆盖度的化学吸附或物理 吸附。
1 =n / n ln Ac a s n2 k1 k2 ln c
s 2 s m
四、自电解质溶液中的吸附
1. 固体表面与介质在液体介质中带电
a.表面基团解离 b.吸附带电 c.非水介质中的带电... 为了保持荷电固体和介质的电中性，介质中的 与固体表面电荷符号相反的离子必将靠近表面 形成双电层（double layer）。
四、自电解质溶液中的吸附
2 双电层
Stern面
滑动面
－ － 溶剂分子 － 反离子 － －
表面电势
φ0
Stern电势
φδ
ζ
＋－ ＋ ＋－ ＋ ＋－ ＋ ＋－ ＋ ＋－ ＋ ＋－
－
紧密层（Stern层）
扩散层
例：AgNO3＋过量KCl →AgCl（晶体）＋K+＋Cl-＋NO3-
①Cl-可在AgCl晶体上吸附成牢固的化学结合
b 结构影响 ： 碳自水溶液中吸附量 在水中的溶解度
（2）溶剂影响
溶剂/溶质作用强烈，溶解度上升，吸附量降低 溶剂/吸附剂作用强烈，竞争吸附，吸附量降低
（3）吸附剂影响
胶体与固体表面化学绪论
绪论一、概述胶体化学是胶体与界面化学的简称，是物理化学的一个分支科学，或者说是一个专业方向。
既涉及物理，又覆盖着化学，因此其应用非常广泛。
注：物理化学的五个专业方向—热力学、动力学、电化学、量子化学、胶体与界面化学，前四者理论性很强，后者则理论与应用并重。
胶体化学：它强调理论，但并不排斥应用，应用与理论的紧密结合、浑然一体是这门课最鲜明的特点。
应用领域：生物、纳米材料、石油开发、陶瓷、造纸、涂料、催化、医药、食品、海洋产业、粘合剂等。
但是，许多人在碰到胶体与界面化学问题时，由于缺乏这门课程的基本知识而变得束手无策，从而限制了发展。
胶体化学涉及的理论面：1、运动理论2、光学理论3、电学理论4、稳定理论5、流变理论6、界面理论二、胶体概念1、分散体系自然界没有绝对纯的物质，所谓纯都是相对的。
从广义上讲，整个地球都是由各种分散体系构成的。
分散体系：所谓分散体系，是指一种或几种物质以一定的分散度分散在另一种物质中形成的体系。
分散相：以分散状态存在的不连续相称为分散相。
分散介质：连续相则称为分散介质。
2、胶体按分散相粒径大小：粗分散体系：颗粒某一线度>1000nm(10-6m,)胶体：颗粒某一线度1~1000nm(10~10m)真溶液：分散相称分子状态，粒径一般<1nm(国际纯粹和应用化学联合会IUPAC分类法)三、胶体化学的研究对象研究胶体分散体系和粗分散体系性质的一门科学。
1、分子胶体一般指高分子聚合物（高聚物）的溶液，也叫亲液胶体。
如：PAM、高分子在溶液中以无规线团状态存在，线团尺寸再胶体尺度范围内。
分散相与分散介质之间没有清晰的界面（均相）高聚物分散相在分散介质中溶解分散，熵增大，自由焓减小。
（热力学稳定）2、缔合胶体当表面活性剂的浓度高于临界胶束浓度（CMC）时，许多个表面活性剂分子会在溶液中聚集成一定形状的胶束（按照一定的排列组合方式）。
如果在这些胶束中溶进一些特定性质的物质，则形成所谓的微乳液或液晶。
物理化学(第三版)第8章 界面现象与胶体化学
F
2l
只适用于液体
三、影响表面张力的因素
1.物质的本性 表面张力是分子间相互作用的结果，一般来讲，物质分子 间相互作用力愈大，表面张力也愈大。
金属键 离子键 极性共价键 非极性共价键
2.接触相的性质
3.温度
L
液体分子受力情况示意图
表面层的分子恒受到指向液体内部的拉力
在恒温、恒压、系统的组成不变条件下，可逆地扩展系统表面 积所需的功，与系统表面积的增量dA成正比：
W dA
恒温恒压下，系统的表面功应等于系统吉布斯函数的增量
dG W
dG dA
G A
T
,
p
,nB
-----比表面吉布斯函数， 单位为J·m-2
解：（1） 球体体积 V 4 r3
3
大水滴半径 r 3 3V 6.2 103 m
4
分散后的液滴总数
n
4 r 3
3
4 3
r13
r r1
3
6.2 10 109
3
3
2.4 1020
（2）半径为r的球形液滴：
A 4 r2 4 (6.2103)2 4.8104 m2
AV
A V
4 4
r2 r3
r1 r2
为什么两块玻璃板之间有水时不易拉开？ 由于表面张力和附加压力的作用。
二、弯曲液面的饱和蒸气压
弯曲液面的饱和蒸气压不仅与物质的本性和温度有关， 而且还与液面曲率半径有关。
物理化学
第8章 界面现象与胶体化学
（张坤玲）
多相系统中，相与相之间密切接触的交界部分称为界面 物质的存在状态： 界面类型气—液界面固—气界面源自气液—液界面液
物理化学 第八章界面现象及胶体
•不同温度下氨气在炭粒上的吸附等温线
• 压力一定时, 温度愈高吸附量愈低. • 温度一定时, 压力愈高吸附量愈大. 如－23.5℃ 时, 低压段； 中压段； 高压段 吸附趋向饱和.
3. 吸附经验式----弗罗因德利希公式 P479 弗罗因德利希提出如下等温吸附经验式:
V kp
a
n
k 和 n 为经验常数, 该经验式只适用于中压范围的吸附.
dG SdT Vdp B( )dnB d As
B
dG SdT Vdp B( )dnB d As
B
dU TdS pdV B( )dnB d As
dH TdS Vdp B( )dnB d As
As为物质的表面积, m为物质的质量.
8.1界面张力、润湿、弯曲液面的附加压力 P326 1. 液体的界面张力、表面功及表面吉布斯函数
g
l
• 界面层分子与体相分子 所处力场不同
液体表面层分子所受合力不为零, 而是 受到一个指向液体内部的拉力, 导致液体 表面有自动收缩的趋势. 扩张表面需要对系统做功
同一种物质与不同性质的其它物质接触时, 表面层 中分子所处力场不同, 导致表面(界面)张力出现明 显差异. (3)温度的影响
一般情况下，温度升高液体表面张力降低。
(４)其它因素的影响 高压下液体的表面张力比常压下要大; 当物质分散到 接近分子大小时分散度的影响显得重要; 高速旋转的 液体有较大的表面张力.2 1 2 2 Nhomakorabea p1 p2
20℃时, 汞的表面张力为 483×10－3 N· －1, 体积质量 m 例4 (密度) 为13.55×10 3 kg· －3. 把内直径为 10－3 m的玻璃管垂直 m 插入汞中, 管内汞液面会降低多少?已知汞与玻璃的接触角为 180°, 重力加速度 g = 9.81 m ·－2. s
物理化学-胶体化学
❖紧密层:离子紧密吸附在固体表面 ❖扩散层：斯特恩面至溶液本体
❖斯特恩面: 水化离子的中心线 ❖滑动面: 固液两相相对移动的界面
❖热力学电势—由固体表面至溶液本
体间的电势差0 .
❖斯特恩电势—由紧密层与扩散层之
间的界面至溶液本体间的电势差 .
❖ 电势(流动电势)—滑动面至溶液本
体间的电势差
胶体粒子的结构
由于受到的力不平衡，所以连续以不同方向、不 同速度作不规则运动。随着粒子增大，撞击的次 数增多，而作用力抵消的可能性亦大。
当半径大于5 m，Brown运动消失。
扩散作用 胶粒也有热运动，因此也具有扩散和渗透压。只 是溶胶的浓度较稀，这种现象很不显著。
如图所示，在CDFE的桶内盛 溶胶，在某一截面AB的两侧溶 胶的浓度不同，c1>c2
[(AgI)m n I – (n-x)K+]x– xK+
胶核
|________________________|
|___胶__粒__（__带 ___负__电__）________________| 胶团（电中性）
K+
胶
K+
K+
K+
团
K+
I- I- I-
构 造 示
I-
I-
K+
I-
K+
(AgI)m 胶核
I-
胶 粒
胶 团
I-
I-
意
I- I- I-
K+
图
K+
K+
K+
K+
例2：AgNO3 + KI→KNO3 + AgI↓
过量的 AgNO3 作稳定剂 胶团的结构表达式：
物理化学表面现象及胶体化学总结
1.压缩因子任何温度下第七章表面现象1.在相界面上所发生的物理化学现象陈称为表面现象。
产生表面现象的主要原因是处在表面层中的物质分子与系统内部的分子存在着力场上的差异。
2.通常用比表面来表示物质的分散度。
其定义为：每单位体积物质所具有的表面积。
3.任意两相间的接触面，通常称为界面（界面层）。
物质与（另一相为气体）真空、与本身的饱和蒸气或与被其蒸汽饱和了的空气相接触的面，称为表面。
4.表面张力：在与液面相切的方向上，垂直作用于单位长度线段上的紧缩力。
5.在恒温恒压下，可逆过程的非体积功等于此过程系统的吉布斯函数变。
6.影响表面及界面张力的因素：表面张力与物质的本性有关、与接触相的性质有关（分子间作用力）、温度的影响、压力的影响。
7.润湿现象：润湿是固体（或液体）表面上的气体被液体取代的过程。
铺展：液滴在固体表面上迅速展开，形成液膜平铺在固体表面上的现象。
8.亚稳状态与新相生成：a.过饱和蒸汽：按通常相平衡条件应当凝结而未凝结的蒸汽。
过热液体：按通常相平衡条件应当沸腾而仍不沸腾的液体。
过冷液体：按相平衡条件应当凝固而未凝固的液体。
过饱和溶液：按相平衡条件应当有晶体析出而未能析出的溶液。
上述各种过饱和系统都不是真正的平衡系统，都是不稳定的状态，故称为亚稳（或介安）状态。
亚稳态所以能长期存在，是因为在指定条件下新相种子难以生成。
9.固体表面的吸附作用：吸附：在一定条件下一种物质的分子、原子或离子能自动地粘附在固体表面的现象。
或者说，在任意两相之间的界面层中，某种物质的浓度可自动发生变化的现象。
吸附分为物理吸附（范德华力）和化学吸附（化学键力）。
具有吸附能力的物质称为吸附剂或基质，被吸附的物质称为吸附质。
吸附的逆过程，即被吸附的物质脱离吸附层返回到介质中的过程，称为脱附（或解吸）。
10.吸附平衡：对于一个指定的吸附系统，当吸附速率等于脱附速率时所对应的状态。
当吸附达到平衡时的吸附量，称为吸附量。
气体在固体表面的吸附量与气体的平衡压力及系统的温度有关。
硅酸盐热工基础与设备08 浆体的胶体化学原理
第一节
黏土-水浆体的流变性质
二、黏土-水系统
黏土中的水可分为吸附水和结构水两种。
前 者 是 吸 附 在 黏 土 矿 物 层 间 ， 在 约 100~200℃的较低温度下可以脱去；后 者是以OH基形式存在于黏土晶格中， 其脱水温度随黏土种类不同而异，约波 动在400~600℃左右。
对于黏土-水系统性质而言，吸附水往 往是更为重要的。
第八章 浆体的胶体化学原理
第一节
第二节
黏土-水浆体的流变性质
非黏土的泥浆体
第八章 浆体的胶体化学原理
首先，学习第一节内容：
第一节
黏土-水浆体的流变性质
一、流变学概念 二、黏土-水系统 三、黏土的离子吸附与交换 四、黏土-水系统的电动性质 五、黏土-水系统的胶体性质
第一节
黏土-水浆体的流变性质
一、流变学概念
第一节
黏土-水浆体的流变性质
二、黏土-水系统
(2)黏土边棱上的正电荷 实验证实：高岭 石的边面 (平行于C轴的面) 在酸性条件下， 由于从介质中接受质子而使边面带正电荷。
例如，1942年西森 (Thiessen) 在电子显 微镜中看到带负电荷的胶体金粒被片状高 岭石的棱边所吸，证明黏土也能带正电。
二、黏土-水系统
(3)黏土离子的综合电性 黏土的正电荷和 负电荷的代数和就是黏土的净电荷。由于 黏土的负电荷一般都远大于正电荷，因此 黏土是带有负电荷的。
黏土胶粒的电荷是黏土-水系统具有一系列 胶体化学性质的主要吸附与交换
1· 离子交换概念 黏土颗粒由于破键、晶格内类质同晶替代 和吸附在黏土表面腐殖质离解等原因而带 负电。因此，它必然要吸附介质中的阳离 子来中和其所带的负电荷，被吸附的阳离 子又能被溶液中其他浓度大、价数高的阳 离子所交换。这就是黏土的阳离子交换性 质。
胶体与界面化学的基本原理
胶体与界面化学的基本原理胶体与界面化学是研究物质界面的重要学科，其中胶体学研究的是微米级别上液体分散系统的稳定性、形态、动力学，界面化学研究的是物质界面上的化学过程。
本文将探讨胶体的定义、性质、分类以及界面化学原理等方面。
一、胶体的定义与性质胶体是指两相（即固体、液体或气体）间的一种形态，其中一种相通过分散成微小粒子的形式均匀分散在另一种相中。
胶体的一般特性如下：1、粒子尺寸：胶体的尺寸范围一般为1-1000纳米。
2、稳定性：胶体的物理性质（如电荷、表面性质等）使其形成稳定的系统，避免粒子凝聚沉降。
3、光学性质：胶体可以表现出折射、透明度等光学性质，如煤油是胶体，因为它可以产生烟雾。
4、电性质：胶体中的粒子带有电荷，可以表现出与电场相关的性质。
5、化学性质：由于其表面性质的存在，胶体可以表现出与环境中其他分子的化学反应，如催化反应等。
二、胶体的分类根据胶体中分散相的物质性质和分散介质的性质，胶体可以分为以下几类：1、溶胶：溶胶是指分散相为分子（亦称为分子溶液），分散介质为液体，如酒精和水的混合物。
2、胶体溶液：胶体溶液是指分散相为聚合物，分散介质为液体，如天然胶或橡胶溶液。
3、乳液：乳液是指分散相为液体，分散介质为液体，如牛奶、酸奶等。
4、凝胶：凝胶是指不易流动的胶体，其中分散相一般是聚合物，分散介质为液体，如煤油。
5、气溶胶：气溶胶是指分散相为固体或液体，分散介质为气体，如雾、烟雾、霉菌等。
三、界面化学的基本原理界面化学是研究物质界面的化学过程，主要是两相（如油水分界面）之间物理和化学反应的研究。
界面活性剂是使界面分子在界面上形成一层膜较集的化合物，使界面能量降低而使得体系稳定的物质。
界面化学的原理主要有以下几点：1、界面能：界面能是指分界面两侧之间的能量差，即表面张力。
界面分子本身存在形成一层膜的趋势，因此其能量会比波动的分子间间隔大。
这一差异形成了表面张力，是使体系向能量最小化方向发展的主要因素。
胶体与固体表面化学
电动现象：在外电场作用下使分散相-分散介质固 液两相发生相对运动或在外力作用下使固-液两相 发生相对运动而产生电场的现象。
外力包括水力发电、风力发电、磁力发电、核力 发电等等
1 电泳（ 分散相）
Fick第一、二定律对平动扩散进行了描述
Fick第一定律： 在时dt间内，沿x方向通过界面积A而扩散的
物质量dm与界面积A处的浓度梯度dc/dx关系如下： (1.9)
dm DA dc dt dx
D—扩散系数，近似常数，与浓度c有一点关系 dm与 dc/dt方向相反---表示从高浓度区向低浓度 区扩散
（b）颗粒不能太小，>100nm,否则考虑扩散。 在实际体系中，等效半径可代替r，则式（1.5）,(1.7)
可进行粒度分析。 因为粒度与沉降、上浮有关，即与稳定性有关，由
此可以得出体系的稳定性信息。
1.1.2分散相的扩散
如果从分子水平上观察，分散相颗粒 的主要运动方式是布朗运动。布朗运动会 使细小的颗粒从高浓度区向低浓度区运动， 从而形成扩散。
大粒子的光散射大粒子的光散射??粒子的大小超过粒子的大小超过20??miemie对球形粒子系统进行了处理对球形粒子系统进行了处理mie123123高分子溶液的光散射高分子溶液的光散射??11涨落理论与光散射公式涨落理论与光散射公式??纯溶剂和真容液也能产生光散射纯溶剂和真容液也能产生光散射??涨落理论
（1.40） （1.41）
h2 是线团的均方末端距
据式（1.38），采用双外推法可测定M 、A2和，M 重均分子量，双外推法：θ→∞，截距为1/M，斜率 为2A2
§1.3 胶体的电学性质
胶体和表面化学的基本原理
胶体和表面化学的基本原理在我们周围的世界中，有很多物质并不是简单的固体、液体或气体，而是由微小的、不均匀的颗粒组成的物质，这些物质被称为“胶体”。
胶体是介于分子和宏观物质之间的物质，由固体、液体或气体中的微粒（粒径约为1-1000纳米）与分散介质构成的二相或多相系统。
例如，蛋白质、淀粉、胆固醇、纤维素、血液等都是胶体。
另外，表面化学是一门研究表面和界面现象的科学，从分子和原子水平研究物质的表面和界面性质。
表面化学在材料、化工、能源、生化及其他领域中都有着非常重要的应用。
本文将讨论胶体和表面化学的基本原理。
一、胶体学的基础知识1.1 分散相与分散介质分散相是指被分散在分散介质中的微粒，分散介质是指存在于分散相中的介质。
分散相和分散介质的不同可能会导致胶体形态的不同。
1.2 微粒的大小和形态微粒的大小和形态都会影响胶体的性质。
一般来说，微粒的粒径越小，胶体的可逆性越差；微粒的形态越不规则，胶体的稳定性越差。
1.3 分散相与分散介质的界面胶体的许多性质都与分散相与分散介质的界面有关。
界面能的变化会使得胶体的某些性质发生变化。
二、表面化学的基础知识2.1 表面张力表面张力是指表面上的分子之间相互作用力。
例如，液滴在表面张力的作用下可以保持形状。
2.2 界面活性剂界面活性剂是一类具有亲油性和亲水性的分子，可以吸附在液-液或液-气界面上，减小表面张力并且使界面稳定。
2.3 潜伏现象在一些系统中，表面或界面存在着某种能量的积累现象，这种现象被称为“潜伏现象”。
例如，液-液界面上的表面张力可以随时间的推移而改变，这种变化被称为“表面失活”或“表面激化”。
三、胶体和表面化学的应用3.1 药品输送系统由于胶体颗粒的微小尺寸和大量的表面积，胶体颗粒可以用于制作药物输送系统。
这种系统可以控制药物的释放，以达到更好的治疗效果。
3.2 膳食中的胶体食品和饮料中的胶体有很多重要的作用，例如在奶制品中可以使蛋白质和脂肪稳定；果汁中的胶体可以使果汁更加清澈。
第七章固体表面与界面第八章浆体的胶体化学原理
第七章固体表面与界面第八章浆体的胶体化学原理第七章表面与界面第一节固体的表面一、固体表面的类型：（1）表面：一个物相和它本身蒸气（或真空）接触的分界面,即物体对真空或与本身蒸气接触的面。
如固相与气相、液相与气相的分界面等---如固体表面、液体表面。
（2）相界：一个物相与另一个物相（结构不同）接触的分界面，即结构不同的两块晶体或结构相同而点阵参数不同的两块晶体接合所形成的交界面。
(3) 晶界:不论结构是否相同而取向不同的晶体相互接触的分界面。
注意界面是一个总的名称，即两个独立体系的相交处，它包括了表面、相界和晶界。
二、固体表面的特征：（P107）1、固体表面的特点：固体表面与固体内部的结构和性质是不相同的，原因是（1）固体表面的缺陷要多得多，且复杂得多---有自身的，也有外来的。
（2）现在的材料都是高分散的粉体，其从粉碎时消耗的机械能获得的表面能十分巨大。
从块状粉磨成粉体，其表面能一般都增加上百万倍。
2、固体表面力场（P107两个力）处于内部的质点，受力是均衡的，而处在表面的质点，由于力场不平衡，因此有剩余键力，使表面有吸附作用。
这种固体表面和被吸附质点之间的作用力称为表面力。
分为：1、化学力：固体表面和被吸附质点之间发生了电子转移，形成不饱和价键产生的力。
2、物理力：即范德华力---分子引力，因固体表面形成物理吸附或表面水蒸气凝聚而产生。
又分为三种力：（P107）三、固体（晶体）表面的结构（P108）表面是指晶体与真空（或与本身蒸汽）之间的界面。
由于表面的能量较高，所以液体表面总是力图形成球形表面来降低系统的表面能；而晶体由于质点不能自由流动，只能借助离子极化、变形、重排其结构引起表面处晶格畸变来降低表面能，从而引起表面层与内部结构差异。
其差异体现在微观质点的排列状态（原子尺寸大小范围）和表面几何状态（一般显微结构范围）两个方面。
1、表面微观质点的排列状态（1）．表面对键强分布的影响：表面的存在会影响晶体内部键强的分布。
胶体与界面化学中的相互作用机理研究
胶体与界面化学中的相互作用机理研究一、胶体化学概述胶体化学是研究物质在溶液中的聚集态形成及其性质的化学学科。
它主要研究液体中的微观颗粒——胶体，包括胶体物理和胶体化学两个方面。
胶体物理主要研究胶体物质的物理性质，包括光学、电学、声学等方面；而胶体化学则主要研究胶体物质的化学性质，包括胶体的相互作用机理、胶体的稳定性及表面活性剂等。
二、胶体与界面化学中的相互作用机理1、表面活性剂的作用机理表面活性剂是能够降低表面张力或界面张力的物质。
它们在水溶液中分子的一部分相对静止地停留在水中(亲水基)，另一部分则嵌入到气体、油脂等中去(亲油基)，从而带有两性质。
表面活性剂在胶体与界面化学中的应用非常广泛，因为它能够影响液体中的表面和界面的性质。
在胶体分散体系中，表面活性剂有着平衡胶体分散体系的重要作用。
2、吸附现象的作用机理吸附作用是指物质在固体表面、液体表面或气体表面吸附的现象。
通常来说，胶体中的微粒具有高比表面积，易与周围的物质发生吸附反应。
微粒表面的电荷分布情况与溶液中的pH值、离子强度等有关，这种电荷分布情况在胶体分散体系的稳定性中扮演着重要的角色。
3、胶体分散体系中电荷相互作用的作用机理相互作用力是指两种或两种以上的物质之间的相互作用力，包括静电相互作用力、范德华力、氢键等。
在胶体分散体系中，电荷相互作用力是起主导作用的力，它能够影响胶体分散体系的稳定性和胶体粒子的凝聚形态。
4、溶剂化能的作用机理溶剂化是指固体、气体或液体被溶解的过程中，形成称为溶剂壳的固态或液态分子层的现象。
在胶体分散体系中，微粒表面上的氧化铝或硅酸盐等物质在水溶液中容易形成溶剂化水合物，这种水合物电荷分散是胶体粒子稳定性的重要因素。
三、胶体与界面化学中的应用1、胶体与乳液的制备胶体化学在乳液的制备中发挥着至关重要的作用，胶体化学家们通过对表面活性剂作用机理的研究，成功合成出了各种高效的表面活性剂，使得乳液的制备更加便捷和高效。
2、胶体与药物的制备和传送采用胶体化学的方法来制备药物，可以使得药物的输送和吸收效果更加理想。
第八章浆体的胶体化学原理2共38页PPT资料
如：泥浆、油稀型
dx
如：淀粉、高分子溶液
（5）膨胀型
dv,越搅越稠
dx
如202：0/3/27面粉，Al2O3粉、石英砂
F1fnfN
无机材料L科O学GO基础
第一节 粘土—水系统的流变性质
二、粘土-水系统
（一）粘土的荷电性
粘土-水系统有一个基本现象——电泳和电渗——粘土带电 1、负电荷
2020/3/27
无机材料L科O学GO基础
第一节 粘土—水系统的流变性质
（二）粘土的离子吸附与交换性 2、粘土阳离子交换容量（cation exchange capacity，cec） 定义：100g干土吸附的阳离子的毫克当量数 吸附的毫克当量/100克干粘土
（1）交换容量大小的意义 反映粘土所带负电荷多少、可初步鉴定粘土矿物的种类
粘土吸附水化阳离子
❖粘土与水作用的结果： 与作用程度不同的结合水形成了粘土胶团
2020/3/27
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第一节 粘土—水系统的流变性质
二、粘土-水系统
（三）粘土胶体的电动性质 2、粘土胶核周围水的存在形式
牢固结合水、疏松结合水和自由水 牢固结合水：定向排列水，又称吸附水膜 疏松结合水：定向程度低，又称扩散水膜 自由水：超出作用力场作用范围而存在的水分子
矿物 高岭石 多水高岭石 伊利石 蒙脱石
阳离子 交换容量
3～15
20～40
10～40 75～150
2020/3/27
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第一节 粘土—水系统的流变性质
2、粘土阳离子交换容量
（2） 影响交换容量大小的因素 粘土的矿物组成 蒙脱石阳离子交伊 换利 量石 高岭石
粘土颗粒的细度 细度交换量
浆体的胶体化学原理
•
粘土内由同晶置换所产生的负电 荷大部分分布在层状硅酸盐的板面 (垂直于c轴的面)上。
•
因此在粘土的板面上可以依靠静 电引力吸引一些介质中的阳离子以 平衡其负电荷 。
（2） 黏土边棱上的正电荷
对粘土边棱断 键的研究
粘土在不同条件下的带电性
pH＜6，[H+]大，被所有边棱上的O2－ 和OH－吸附，边棱上带正电荷。
带电粘土与双电层的运动部分之间发生剪
切运动而表现出来的电学性质称为电动性质。
•
在外电场作用下，粘土质点与一部分 吸附牢固的水化阳离子(如AB面以内)随粘 土质点向正极移动，这一层称为吸附层。 • 而另一部分水化阳离子不随粘土质点 移动，却向负极移动，这层称为扩散层(由 AB面至P点)。 • 因为吸附层与扩散层各带有相反的电 荷，所以相对移动时两者之间就存在着电 位差，这个电位差称电动电位或ζ－电位。
•
在碱性介质中，粘土边面和板 面均带负电，这样就消除了边-面或 边-边的静电吸引力，同时增加了粘 土表面净负电荷，使粘土颗粒间静 电斥力增加，为泥浆胶溶创造了条 件。
（2）必须有一价碱金属阳离子 交换粘土原来吸附的阳离子
除此以外，还有总负电荷的5%是由 Al3+置换硅氧四面体中的Si4+而产生的。 蒙脱石的负电荷除部分由内部补偿 (包括其它层片中所产生的置换以及八面 体层中O原子被OH基的取代)外，每单位 晶胞还约有0.66个剩余负电荷。
• •
•
伊利石中主要由于硅氧四面体中的硅 离子约有1/6被铝离子所取代。使单位晶 胞中约有l.3～1.5个剩余负电荷。
•
4
•
假塑性流动
类似于塑性流动，但它 没有屈服值。 • 它的流动特点是表观粘 度随切变速率增加而降低。 • 属于这一类型流动的主 要有高聚物的溶液、乳浊液、 淀粉、甲基纤维素等 。
第八章浆体的胶体化学原理1
按照吸附能力（或结合能力）将阳离子排成顺序： H+>Al3+>Ba2+>Sr2+>Ca2+>Mg2+>NH4+>K+>Na+>Li+ 高价离子的吸附能力强，置换顺序在前。
同价离子半径大，水化半径小的在前。 H+例外，因其水化半径小。
（2）阴离子置换能力
阴离子置换能力取决于吸附能力和阴离子几何结构，
离子价效应：
M3＋＞M2＋＞M＋（H2O＋除外）
阳离子价态越高→对粘土表面负电荷的抵消越多 →双电层厚度越薄
ζ-电位越低
80
4. 粘土胶体的ζ电位 （电动电位）
从静电力学原理得ζ电位计算公式：
4d
σ－表面电荷密度；
d－扩散层厚度； ε－分散介质介电常数。
影响因素：
a）固相表面电荷密度——σ增大：ζ升高
（2）具有荷电与水化等性质。
注意：
粘土胶体是指加水后的粘土－水两相系统； 粘土矿物虽颗粒大些，但层厚符合胶体范围，从整体上来讲， 粘土－水界面也很大； 对于胶体来说，除分散相尺寸和大小外，其分散相与分散介 质界面结构特性也很重要。则虽然许多粘土几乎不含 100nm 以下粒子，但粘土－水系统仍表现出胶体性质。
用下)会向阳极移动，说明粘土(Clay)颗粒带负
电荷
――1809年卢斯(Luse)发现
＋
水 沙层 土粒 湿粘土
水
一段时间后， 正极管：粘土微粒透 过细沙层逐渐上升， 水变浑浊，水层逐渐 下降； 负极管：水不浑浊， 但水面逐渐上升。 实验结果：粘土颗粒 带电，在外电场作用 下向正极移动。
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第七章表面与界面第一节固体的表面一、固体表面的类型：（1）表面：一个物相和它本身蒸气（或真空）接触的分界面,即物体对真空或与本身蒸气接触的面。
如固相与气相、液相与气相的分界面等---如固体表面、液体表面。
（2）相界：一个物相与另一个物相（结构不同）接触的分界面，即结构不同的两块晶体或结构相同而点阵参数不同的两块晶体接合所形成的交界面。
(3) 晶界:不论结构是否相同而取向不同的晶体相互接触的分界面。
注意界面是一个总的名称，即两个独立体系的相交处，它包括了表面、相界和晶界。
二、固体表面的特征：（P107）1、固体表面的特点：固体表面与固体内部的结构和性质是不相同的，原因是（1）固体表面的缺陷要多得多，且复杂得多---有自身的，也有外来的。
（2）现在的材料都是高分散的粉体，其从粉碎时消耗的机械能获得的表面能十分巨大。
从块状粉磨成粉体，其表面能一般都增加上百万倍。
2、固体表面力场（P107两个力）处于内部的质点，受力是均衡的，而处在表面的质点，由于力场不平衡，因此有剩余键力，使表面有吸附作用。
这种固体表面和被吸附质点之间的作用力称为表面力。
分为：1、化学力：固体表面和被吸附质点之间发生了电子转移，形成不饱和价键产生的力。
2、物理力：即范德华力---分子引力，因固体表面形成物理吸附或表面水蒸气凝聚而产生。
又分为三种力：（P107）三、固体（晶体）表面的结构（P108）表面是指晶体与真空（或与本身蒸汽）之间的界面。
由于表面的能量较高，所以液体表面总是力图形成球形表面来降低系统的表面能；而晶体由于质点不能自由流动，只能借助离子极化、变形、重排其结构引起表面处晶格畸变来降低表面能，从而引起表面层与内部结构差异。
其差异体现在微观质点的排列状态（原子尺寸大小范围）和表面几何状态（一般显微结构范围）两个方面。
1、表面微观质点的排列状态（1）．表面对键强分布的影响：表面的存在会影响晶体内部键强的分布。
表面的键强两极分化，最强键、最弱键都分布在表面，总的结果是引起表面的表面能降低。
随离开表面距离的增大，键增强、减弱的程度减小，表面的影响程度越来越弱，到离开表面足够远的地方，键强已经不受表面影响了。
（2）．离子晶体的表面双电层结构也就是说，表面力的存在使固体表面处于较高的能量状态，而存在自发降低能量的趋势，即产生离子极化、离子重排引起表面处晶格畸变形成表面双电层来降低表面能。
即半径小、电价高的正离子对半径大的负离子极化作用大，易形成表面双电层，双电层的厚度也与极化大小有关。
由于表面被负离子所屏蔽，因而表面呈负电性。
形成表面双电层后表面能降低，而且表面双电层厚度越大，表面能降低越多。
因为表面双电层产生后，正离子受力较均衡，且最表面负离子之间产生共价键结合，释放能量，使表面能量降低。
这就是“松弛”现象——表面质点通过电子云极化变形来降低表面能的过程，且瞬间完成，然后引起“离子重排”。
2、表面结构几何状态：“表面结构无定形化”、“表面粗糙化”、“表面微裂纹化”——内因：各处晶面的密度不同；外因：①表面不规则而粗糙，存在无数台阶、裂缝、凸凹不平；②表面存在从多微裂纹。
以上影响显著体现在固体物质的烧结性、表面活性和润湿性上。
因此，现在固体表面也是一门非常重要的独立学科。
四、粉体表面的结构（P109）五、玻璃表面的结构（P110）六、固体（晶体）的表面能1、表面能定义在熔体一章中我们已知道：将表面增大一个单位面积所需作的功称为表面能；将表面增大一个单位长度所需作的力称为表面张力。
即每增加单位表面积时体系自由焓的增量——（比）表面自由焓（比表面能、表面能），是指每单位面积表面比内部过剩的自由焓。
2、晶体表面能的理论计算设 U b：质点在晶体内时与最近邻质点的相互作用能U s：质点在表面时与最近邻质点的相互作用能 U s≈ U bn b：质点在晶体时周围最近邻的质点数n s：质点在表面时周围最近邻的质点数 n b > n s把一个质点从内部移出需要断键数量比从表面移出需要断键数量多，因而需要能量大，高出的能量为ΔU。
表面质点本身可动性大，说明表面质点本身能量高，ΔU就是表面质点比内部质点过剩的能量。
ΔU = U b n b/2- U s n s/2= U b n b/2（1- n s/ n b）= U晶/N0（1- n s/ n b）设表面密度：Ls（单位面积表面拥有的质点数）Ls·ΔU = Ls·U晶/ N0（1- n s/ n b）Ls·ΔU代表单位面积表面比内部过剩的能量，即表面内能。
自由焓：G = U-TS，0K时，G = U = Ls·U晶/ N0（1- n s/ n b）由此式可知：（1）当T升高时，表面自由焓小于表面内能；（2）表面自由焓和晶格能成近似正比关系；（3）表面能是各向异性的；（4）表面能随温度T升高而降低。
①T↑，质点间键力↓，将质点转到表面的能量↓，表面能↓。
所引起的作用↑，所以表面能↓。
表面能与表面张力的关系液体表面存在沿着表面作用在单位长度上的力，力图使表面缩小。
由于液体形成新表面的过程是可逆的，所以表面张力的数值等于表面能。
固体形成表面的过程是非可逆的（表面变形过程快于原子迁移率），所以表面张力的数值不等于表面能；反之缓慢的扩散过程引起的表面变化时，表面张力的数值等于表面能。
3. 固体的表面活性：表面质点能量高，活性大，因此，物料的比表面积越大，活性就越大，也就是需要的活化能越小。
物料粉磨时，由于高分散度的物料体系自由焓高，不稳定，倾向于自发聚结，所以粉磨到到一定程度后比表面积很难再增加，但即使如此，物料活性仍在增加，因为物料的晶格缺陷随粉磨的进行在增加。
4．界面能：当两相化学性质相似时，界面能小。
如果两相化学性质相差较大但有强烈吸引力，也会使界面能小。
第二节固体界面一. 弯曲表面效应：由于表面张力（即表面力）的存在，使弯曲的液体表面上产生一个附加压力，其蒸汽压也随之变化，由开尔文公式知道（结论）：凸面蒸汽压＞平面蒸汽压＞凹面蒸汽压从而带来系列变化，如挥发、烧结等等的不同。
二.毛细管现象：在毛细管中由于液体的弯曲表面产生的力，称为毛细管力。
弯曲表面上的饱和蒸汽压与曲率半径的关系如下式所示：开尔文公式：)11(2ln1212rrRTMPP-=ρσ其中：M—分子量；ρ—液体密度；σ—表面张力；P—表面上的饱和蒸汽压；r1、r2—曲率半径；弯平弯RTr M P P nρσ2=当r 1= r 2= ∞（平表面）时， 弯曲表面为凸面：r弯>0,P 凸>P 平,r ↑, (P 凸-P 平) ↑弯曲表面为凹面：r 弯<0,P 凹<P 平,r ↓, (P 凹-P 平) ↓∴ P 凸> P 平> P 凹由于弯曲表面上的饱和蒸汽压受曲率半径的影响，微小晶体的溶解度增大, 熔点降低。
见教材114页毛细管凝聚现象。
三. 固液表面的润湿：1、润湿的概念：从热力学上讲是指固体与液体接触后的体系自由焓降低形成的一种状态。
分为附着润湿、铺展润湿、浸渍润湿。
2、润湿原理（度量）σθ＞900不润湿 θ＜900润湿 θ= 900完全润湿σsg =σlg cos θ+σsl cos θ=（σsg -σls ）/σlg3、润湿类型（1）附着润湿（粘附润湿）由原来的液体表面和固体表面变成固液界面。
G 始-G 终 =σlg +σsg -σl s = W 粘附W 粘附 ——把固液界面拆开需要环境做的最小功，反映两相之间结合程度。
W ↑，结合牢固。
（2）铺展润湿（铺展）：在液体与固体表面铺展的同时，液气界面也在铺展。
即扩展固液界面和液气表面代替固气界面。
G 始- G 终=σsg -σls -σlg = S （铺展系数）当S ≥0时，液体就可以在固体表面铺展。
S =σsg -σls -σlg = F-σlg 当润湿张力大于σlg时可以铺展。
（3）浸渍润湿（浸润） 固液界面代替原来固体表面。
G 始-G 终 =σsg -σls = W 浸渍W 浸渍—反映了在固体表面上液体取代气体能力的大小。
W 浸渍 = 浸润张力F =σsg -σls =σlg cos θ4、不同润湿过程发生的条件：①能量判据：附着润湿：W粘= F+σlg； 浸渍润湿：W 浸= F ； 铺展润湿：S = F-σlg②接触角判据： W 粘 =σlg （1+cos θ）≥0 θ≤180O附着润湿W 浸 =σlg cos θ ≥0 θ≤90O 浸渍润湿 S =σlg （cos θ-1）≥0 θ≤0 铺展润湿5、影响润湿的因素（1）固体表面粗糙度对润湿的影响根据热力学原理，物系平衡条件：dG/dS=0σls ·dS-σsg ·dS +σlg ·dS cos θ= 0∴σls -σsg +σlgcos θ=0，cos θ =（σls -σsg ）/σlg实际表面从微观上看是凹凸不平的。
θn —表观接触角。
给定粗糙系数n = 真实表面积/表观表面积。
n 总是大于1。
当表观表面积增加dS ，则：n σls · dS - n σsg ·dS +σlg ·dS cos θn = 0 ∴n σls -n σsg +σlg cos θn = 0 cos θn = n （σls -σsg ）/σlg 当σls <σsg , cos θn > 0, n ↑, cos θn ↑, θn ↓ 表明，如果本来就润湿，表面越粗糙，则越有利于润湿。
当σls >σsg , cos θn<0,n ↓,cos θn ↓, θn ↑表明，如果本来不润湿，表面越粗糙，就越不容易润湿。
（2）吸附膜对润湿的影响 6、润湿对材料微观结构的影响 （1）固-液系统φ是二面角，大小取决于固-固界面能和固-液界面能的比值。
σss = 2σsl cos （φ/2） ∴cos （φ/2）=1/2·σss /σsl 当σss /σsl= 1, cos （φ/2）=1/2, φ=1200当σss /σsl >1, cos （φ/2）<1/2, φ>1200当σss /σsl= 2, cos （φ/2）=1, φ=0当σss /σsl =3，cos （φ/2）=23, φ=600当σss /σsl >3，cos （φ/2）>23, φ<600微观结构分为:①固-固直接结合结构：φ大，σss /σsl小。
如需要耐高温的耐火材料，则固固直接结合的结构好。
②固-液-固结合结构：φ小，σss /σsl大。
（2）固-气系统：气孔分布状况由固-固界面能和固体表面能比值决定。
此现象称为热腐蚀现象。