第六章 界面现象

伯胺盐 仲胺盐
阳离子表面活性剂
叔胺盐
季胺盐
R-NHCH2-CH2COOH 氨基酸型
两性表面活性剂
CH3 | R-N+-CH2COO| CH3
甜菜碱型
R-O-(CH2CH2O)nH
脂肪醇聚氧乙烯醚
R-(C6H4)-O(C2H4O)nH
烷基酚聚氧乙烯醚
非离子表面活性剂
R2N-(C2H4O)nH
聚氧乙烯烷基胺
二、液体的铺展 •铺展（spreading）：液体在一固体表面或另一种不互溶的
液体表面上自动展开，形成一层薄膜的过程。
•铺展与否的判断：
设一滴油在水面上铺展 铺展系数 S=-△ G T，P= -（σ油+ σ油水-σ水） S≥0 油滴才能在水面上铺展，S值越大，铺展性能愈好。
S<0
不能铺展
•湿润与铺展的原理在医药上的应用非常广泛。
表面活性物质的表面浓度大于本体浓度，增 加单位面积所需的功较纯水小。非极性成分愈大， 表面活性也愈大。
6.5.1 表面活性剂分类
表面活性剂通常采用按化学结构来分类，分 为离子型和非离子型两大类，离子型中又可分为 阳离子型、阴离子型和两性型表面活性剂。显然 阳离子型和阴离子型的表面活性剂不能混用，否 则可能会发生沉淀而失去活性作用。 阳离子型
把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。 把一定大小的物质分割得越小，则分散度越高， 比表面也越大。 例如，把边长为1cm的立方体1cm3逐渐分割 成小立方体时，比表面增长情况列于下表： 边长l/m 1×10-2 1×10-3 1×10-5 1×10-7 1×10-9 立方体数 1 103 109 1015 1021 比表面Av/（m2/m3） 6 ×102 6 ×103 6 ×105 6 ×107 6 ×109
“泡”就是由液体薄膜包围着气体。有的表面 活性剂和水可以形成一定强度的薄膜，包围着空 气而形成泡沫，用于浮游选矿、泡沫灭火和洗涤 去污等，这种活性剂称为起泡剂。 也有时要使用消泡剂，在制糖、制中药过程 中泡沫太多，要加入适当的表面活性剂降低薄膜 强度，消除气泡，防止事故。
表面活性剂的重要作用
3.增溶作用
A
B
如果在活动边框上挂一重物，重物质量W2与 边框质量W1所产生的重力为F[F=（W1+W2）g]。这 是，系统处于平衡状态，向上必有一力与之平衡， C 它们大小相等方向相反，（这种力就是由于液体表 面分子受力不均引起的液体表面紧缩力。）则金属 丝不再滑动。
D
δ

F 2l
l是滑动边的长度，因膜有两个 面，所以边界总长度为2l，δ 就是 作用于单位边界上的表面张力。 把作用于单位边界线上的液体表 面紧缩力称为表面张力，用δ 表示， 单位是N· m-1。 在两相(特别是气-液)界面上，处 处存在着一种张力，它垂直与表面的 边界，指向液体方向并与表面相切。
表面层分子与内部分子相比，它们所处的环境不同。
最简单的例子是液体及其蒸气组成的表面。
液体内部分子所受的力可以彼此抵销，但表面分子 受到体相分子的拉力大，受到气相分子的拉力小（因为 气相密度低），所以表面分子受到被拉入体相的作用力。
6.1.2 比表面吉布斯函数
以气-液组成的系统为例，由于表 面层分子的受力情况与本体中不同,若 将体相中的分子移到液体表面以扩大 液体的表面积，则必须由环境对系统 作功,这种为扩大液体表面所做的功称 为表面功。 表面功
6.4
溶液的表面吸附
表面张力等温线
恒温下，将各种不同浓度的溶液的表面张力σ与对应的浓 度C作图，得到的曲线称为溶液表面张力等温线。
溶液的表面吸附现象
在纯液体中加入溶质形成溶液以后，不仅会使溶液的表面 张力与浓度有关，还会使得溶质在溶液表面层的浓度与在 溶液内部的浓度不同，称为溶液表面发生了吸附。溶质在 表面层的浓度大于本体浓度时称为正吸附，溶质在表面层 的浓度小于本体浓度时称为负吸附。
2.气-固界面
3.液-液界面
4.液-固界面
5.固-固界面
6.1
比表面和比表面能
比表面通常用来表示物质分散的程度，有两 种常用的表示方法：一种是单位质量的固体所具 有的表面积；另一种是单位体积固体所具有的表 面积。即：
体积比表面
V AS V
M AS m
质量比表面
式中，m和V分别为固体的质量和体积，As为其 表面积。
O/W乳化剂
表面活性剂的重要作用
表面活性剂的用途极广，主要有五个方面： 1.润湿作用 表面活性剂可以降低液体表面张力，改变接 触角的大小，从而达到所需的目的。 例如，要农药润湿带蜡的植物表面，要在农 药中加表面活性剂； 如果要制造防水材料，就要在表面涂憎水的 表面活性剂，使接触角大于90°。
2.起泡作用
（ 3 ） 在表面张力等温线上，求取指定浓度 C 处曲线切线 的斜率；或者将表面张力等温式求微分，分别得到表面活 度。 （4）将各不同浓度C时的表面活度值代入Gibbs吸附等温 式，便可计算出不同浓度C时溶质的吸附量Γ，用Γ对C作 图，可得到表面吸附等温线。
例： 凡利用数学解析式描述的表面张力等温线称 为表面张力等温式。希什科夫斯基 （ Szyszkowski ） 曾归纳大量实验数据，提出有机酸同系物的表面 张力等温经验式如下：
根据需要，可根据HLB值选择合适的表面活性 剂。例如：HLB值在2～6之间，可作油包水型的乳 化剂；8～10之间作润湿剂；12～18之间作为水包 油型乳化剂。
HLB值 0 2 4 6 | |———|
8 10 12 14 |——| |——|
16 18 20 |——| |
石蜡 W/O乳化剂 润湿剂
洗涤剂 增溶剂 | |————| 聚乙二醇
又因为恒温恒压 ，可逆条件下
δw dG T,P
、 r
δ δw dAS dGT,P dAS
、 r
δ
：单位面积的表面吉布斯函数—系统增加单位面积时所增 加的吉布斯函数。
注意：①、表面张力、单位面积的表面吉布斯函数虽为不同 的物理量但它们的数值和量纲却是等同的。
②、表面张力是垂直作用于表面上单位长度的收缩力，其作用 的结果使液体表面缩小，其方向对于平液面是沿着液面并 与液面平行，对于弯曲液面则与液面相切。
6.3.3 亚稳状态及新相生成
（1）亚稳状态 蒸气的过饱和现象— 一定温度下，当蒸气分压超过该温度下 的饱和蒸气压，而蒸气仍不凝结的现象。 此时的蒸气称为过饱和蒸气。 溶液的过饱和现象— 在一定温度、压力下，当溶液中溶质的 浓度已超过该温度、压力下的溶质的溶 解度，而溶质仍不析出的现象。此时的 溶液称为过饱和溶液。 液体的过热现象— 在一定的压力下，当液体的温度高于该 压力下的沸点，而液体仍不沸腾的现象。 此时的液体称为过热液体。 液体的过冷现象— 在一定压力下，当液体的温度已低于该 压力下液体的凝固点，而液体仍不凝固 的现象。此时的液体称为过冷液体。 上述过饱和蒸气、过饱和溶液、过热液体、过冷液体所处 的状态均属亚稳状态。
Gibbs吸附等温式
a Γ ( )T RT a
表面吸附量Γ 被定义为：单位面积的表面层中，所含溶质 的物质的量与同量溶剂在本体溶液中所含溶质的物质的量 的差值，称为溶质的表面吸附量或表面超量。
（ 1 ）若表面活度 <0 ，吸附量 Γ>0 ，溶液表面发生正吸附， 凡是能产生显著的正吸附的物质称为表面活性物质 （surface active agent）或表面活性剂（surfactant）。
临界胶束浓度 (critical micelle concentration)
亲水亲油平衡 (hydrophile-lipophile balance)
表面活性剂都是两亲分子，由于亲水和亲油 基团的不同，很难用相同的单位来衡量，所以 Griffin提出了用一个相对的值即HLB值来表示表 面活性物质的亲水性。对非离子型的表面活性剂， HLB的计算公式为： 亲水基质量 HLB值= ×100/5 亲水基质量+憎水基质量 例如：石蜡无亲水基，所以HLB=0 聚乙二醇，全部是亲水基，HLB=20。 其余非离子型表面活性剂的HLB值介于0～20之间。
R-CONH(C2H4O)nH
聚氧乙烯烷基酰胺
R-COOCH2(CHOH)3H
多元醇型
2.胶束(micelle)
表面活性剂是两亲分子。溶解在水中达一定 浓度时，其非极性部分会自相结合，形成聚集体， 使憎水基向里、亲水基向外，这种多分子聚集体 称为胶束。
随着亲水基不同和浓度不同，形成的胶束可
呈现棒状、层状或球状等多种形状。
第六章表面现象
界面是指两相接触的约为几Leabharlann Baidu分子厚度的过渡
区，若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。
严格讲表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间
的界面，但习惯上把液体或固体与空气的界面称为
液体或固体的表面。 常见的界面有：气-液界面，气-固界面，液-液 界面，液-固界面，固-固界面。
常见的界面有： 1.气-液界面
非极性有机物如苯在水中溶解度很小，加入 油酸钠等表面活性剂后，苯在水中的溶解度大大 增加，这称为增溶作用。
增溶作用与普通的溶解概念是不同的，增溶 的苯不是均匀分散在水中，而是分散在油酸根分 子形成的胶束中。 经X射线衍射证实，增溶后各种胶束都有不同 程度的增大，而整个溶液的的依数性变化不大。
4.乳化作用
0 0
=
C b ln( 1 ) a
式中 σ0 和 σ 分别表示纯溶剂以及浓度为 C 的溶液的 表面张力；a、b为经验常数，同系物之间b值相同 而a值不同。试讨论吸附量随浓度变化的规律，并 绘出Γ~ C的曲线图。
6.5 表面活性剂溶液
能使水的表面张力明显降低的溶质称为表面 活性物质。 这种物质通常含有亲水的极性基团和憎水的 非极性碳链或碳环有机化合物。亲水基团进入水 中，憎水基团企图离开水而指向空气，在界面定 向排列。
δ = -WR /A
s
δ

d w `r
dA
单位面积的表面功：增加单位表面积环境 对系统所做的功。
比例系数δ 的单位是J/m2=N.m.m-2=Nm-1,即作用在表面上单 位长度上的力,又称为表面张力。
将一含有一个活动边框的金属线框架放在肥 皂液中，然后取出悬挂，活动边在下面。由于金 属框上的肥皂膜的表面张力作用，可滑动的边会 被向上拉，直至顶部。
1.离子型
表面活性剂 2.非离子型
阴离子型 两性型
常用表面活性剂类型
RCOONa 阴离子表面活性剂 R-SO3Na 羧酸盐 磺酸盐 R-OSO3Na 硫酸酯盐 R-OPO3Na2 磷酸酯盐
常用表面活性剂类型
R-NH2· HCl CH3 | R-N-HCl | H CH3 | R-N-HCl | CH3 CH3 | R-N+-CH3Cl| CH3
一种或几种液体以大于10-7m直径的液珠分散在另 一不相混溶的液体之中形成的粗分散体系称为乳状液。 要使它稳定存在必须加乳化剂。根据乳化剂结构 的不同可以形成以水为连续相的水包油乳状液(O/W)， 或以油为连续相的油包水乳状液(W/O)。 有时为了破坏乳状液需加入另一种表面活性剂， 称为破乳剂，将乳状液中的分散相和分散介质分开。 例如原油中需要加入破乳剂将油与水分开。
（ 2）若表面活度 >0，吸附量 Γ <0，溶液表面发生负吸附， 凡是能产生负吸附的物质称为非表面活性物质或表面惰性 物质（surface inactive agent）。 （3）若表面活度=0，溶液表面不发生吸附。
计算吸附量的步骤
（1）测定不同浓度C时溶液的表面张力σ。 （ 2 ） 以 σ 对 C作图，得到表面张力等温线；或者总结出 σ 与C之间的经验关系式，得表面张力等温式。
6.2
润湿和铺展
一、固体的润湿 • 润湿：固体表面上的气体（或液体）被液体或另一种 液体取代的现象。即液体在固体表面上的粘附现
象，
• 接触角：达平衡时，在气，液，固三相交界处，气-液 界面和固-液界面之间 的夹角称为接触角。(图中角 θ)
接触角公式
•如图 (1) θ =0· 完全润湿 (2) θ <90· 可以润湿 (3) θ>90·不能润湿
临界胶束浓度 (critical micelle concentration)
临界胶束浓度简称CMC
表面活性剂在水中随着浓度增大，表面上聚集的活性剂 分子形成定向排列的紧密单分子层，多余的分子在体相内部 也三三两两的以憎水基互相靠拢，聚集在一起形成胶束，这 开始形成胶束的最低浓度称为临界胶束浓度。 这时溶液性质与理想性质发生偏离，在表面张力对浓度 绘制的曲线上会出现转折。继续增加活性剂浓度，表面张力 不再降低，而体相中的胶束不断增多、增大。