胶体化学第2章-固体界面性质
《界面及胶体化学》第二三章
由此可以有如下规律(rule)
①气体对固体的“润湿性”与液体对固体的润湿性恰好相反； ②固体越憎液，就与越容易被气体“润湿” ，越容易附着在气泡上； ③固体越是亲液，就越容易为液体润湿，越难附着在气泡上。
Wa = （γl-g+ γs-g）- γs-l
(2-2)
④黏附功讨论
从上式2-1和2-2可以看出，γl-g越大，γs-l越小，则Wa越大，越有利于液体 沾湿固体。若Wa≥0，ΔG必为负值，沾湿过程将自发进行。通常情况下s-l界面 的自由能总小于s-g和l-g界面自由能，因而黏附功总大于零，沾湿过程总是能够 自发进行的。
Wa≥0可以作为液体沾湿固体的条件
若界面为两个相同l-g界面，转变为一个液体柱，此时，变化后的界面不存在 （ γs-l=0），但同样存在能量的变化——称之为内聚功（ WC ）
由Wa = （γl-g+ γs-g）- γs-l 推导
WC= 2γl-g
(2-3)
2. 浸湿 immersional wetting
测定，因此， Wa 、 Wi 、 S是可以进行准确计算，从而判断其变化趋势，以次 准确判断能否润湿及润湿情况。同时，从方程式也可以看出，利用接触角θ也可
以判断润湿情况。
3.液体在固体表面润湿判据((wweettttiinngg ccrriitteerriioonn))
Wa =γl-g（1+cosθ）≥0 θ≤18000
沾 湿
浸湿
Wi =γl-g cosθ ≥0 θ≤9000
专题讲解 界面现象 胶体化学
表面吉布斯自由能和表面张力1、界面：密切接触的两相之间的过渡区（约几个分子的厚度）称为界面（interface），通常有液－气、液－固、液－液、固－气、固－液等界面，如果其中一相为气体，这种界面称为表面（surface）。
2、界面现象：由于界面两侧的环境不同，因此表面层的分子与液体内的分子受力不同：1.液体内部分子的吸引力是对称的，各个方向的引力彼此抵销，总的受力效果是合力为零；2.处在表面层的分子受周围分子的引力是不均匀的，不对称的。
由于气相分子对表面层分子的引力小于液体内部分子对表面层分子的引力，所以液体表面层分子受到一个指向液体内部的拉力，力图把表面层分子拉入内部，因此液体表面有自动收缩的趋势；同时，由于界面上有不对称力场的存在，使表面层分子有自发与外来分子发生化学或物理结合的趋势，借以补偿力场的不对称性。
由于有上述两种趋势的存在，在表面会发生许多现象，如毛细现象、润湿作用、液体过热、蒸气过饱和、吸附作用等，统界面现象。
3、比表面（Ao）表示多相分散体系的分散程度，定义为：单位体积（也有用单位质量的）的物质所具有的表面积。
用数学表达式，即为：A0=A/V高分散体系具有巨大的表面积。
下表是把一立方厘米的立方体逐渐分割成小立方体时，比表面的增长情况。
高度分散体系具有巨大表面积的物质系统，往往产生明显的界面效应，因此必须充分考虑界面效应对系统性质的影响。
4、表面功在温度、压力和组成恒定时，可逆地使表面积增加dA所需要对体系做的功，称为表面功（ω’）。
-δω’=γdA(γ:表面吉布斯自由能，单位：J.m-²)5、表面张力观察界面现象，特别是气-液界面的一些现象，可以觉察到界面上处处存在着一种张力，称为界面张力（interface tension）或表面张力（surface tension）。
它作用在表面的边界面上，垂直于边界面向着表面的中心并与表面相切，或者是作用在液体表面上任一条线两侧，垂直于该线沿着液面拉向两侧。
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。
第二章胶体的性质
NaCl 外 NaCl 内
1
zc1 c2
(c内 c外 )RT
（1）由于存在不透过半透膜的大离子，平衡时膜 的内外NaCl浓度不等，产生一附加渗透压，此即 为Donnan效应。z越大， Donnan效应越显著；
（2）c1>>c2时， NaCl几乎都在膜外边； （3） c1<<c2 时， NaCl膜两边的分布是均匀的。
渗a透内Na平Cl 衡时aN外aCl
内
外
a a Na
Cl
外
内
a a Na
Cl
Pz- (c1) Cl- (c2) Na+ (zc1) Na+ (c2)
Pz- (c1) Na+ (zc1+x) Cl- (x)
Cl- (c2-x) Na+ (c2-x)
x c22 zc1 2c2
内 （膜） 外
时是变化发生涨落。 这种由于胶体体系中粒子动态性质引起的
光散射变化称为动态光散射。
布朗运动强度的平动扩散系数D
D /K2
动态光散射----DLS技术
散射光强随时间涨落的变化可用时间相关函数
表征，散射光强时间相关函数定义为RI（t）
对于球形粒子 Rh kT /(6hD)
5.静态散射光应用
(Einstein-Brown 位移方程)
NA 3hr
已知的NA 、η、r、T 和 t 等已知量求 x外，还
提供了一种测定阿佛加德罗常数 NA 的方法
3.Einstein布朗运动公式的应用
（1）Perrin Avogadro常数的验证
J. Perrin (1962年诺贝尔奖金获得者)
x 2Dt
表面与胶体化学—第二章_胶体的基本性质1
在上述两种方法中，沉降平衡法要求离心力 场比较小（约104g），达到平衡时间长； 不能求得分子量分布，只能得到平均值。 沉降速度法要求离心力场强（≥105g）； 可求出分子量分布；相对完成测定需时较 短。故速度法比平衡法应用广。
四.渗透压与Donnan平衡 1.渗透压 将溶液和溶剂（或两不同浓度的溶液）用 只容许溶剂分子透过的半透膜分开，为使 膜两侧的化学势趋于平衡（或使不同浓度 趋于相等），溶剂将透过半透膜扩散。为 阻止这种溶剂扩散的反向压力成为渗透压。 渗透压通常以π表示，单位为Pa。
当阻力与离心力相等时，由式（4）和（5）， 并设粒子为球形，可得离心沉降速度u离。
dx 2 r 2 2 x( 0 ) u离 dt 9
（8）
设时间为0和t时，相应x值为x1和x2,，以此条件积分上式， 得
x2 2 r 2 2 ( 0 )t ln x1 9
由上述三式，
p1
产生渗透压装置示意图
V dp
（V为溶剂的偏摩尔体积）
p1
RT ln x1 V
由于x1=1-x2,(x2为溶液中溶质的摩尔分数），且对 于稀溶液有
ln x1 ln(1 x2 ) x2 n2 /(n1 n2 )
n2
n1
n1和n2分别是溶液中溶质和溶剂的物质的量，由上述两 式可得
由于大离子存在，使两侧小离子浓度不等而产生 的附加渗透压用下式计算
1000 2 c大 Z 1 RT ( ) 2 c M 4M y
Ｃ大为大离子质量浓度，ｋｇ· －１ Ｌ
Ｃ大＝ｍ大Ｍ／１０００，Ｍ为大离子分子量
ｍ大为摩尔浓度，ｍｏｌ· －１ Ｌ ｙ为膜内侧正或负的小离子活度
胶体与界面化学
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前言
1806年，拉普拉斯（place）导出了弯曲液面两边附加 压力与界面张力和曲率半径的关系.可用该公式解释毛细管现 象。1869年普里（A.Dapre）研究了润湿和黏附 现象，将黏 附功与界面张力联系起来。界面热力学的奠基人吉布斯 （Gibbs）在1878年提出了界面相厚度为零的吉布斯界面模型， 他还导出了联系吸附量和界面张力随体相浓度变化的普遍关 系式即著名的吉布斯吸附等温式。1859年，开尔文（Kelvin） 将界面扩展时伴随的热效应与界面张力随温度的变化联系起 来。后来，他又导出蒸汽压随界面曲率的变化的方程即著名 的开尔文方程。
在一个非均匀的体系中,至少存在着两个性质不同的相。两 相共存必然有界面。可见，界面是体系不均匀性的结果。 一般指两相接触的约几个分子厚度的过渡区，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。
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1.1表面和界面(surface and interface)
几点说明：
1、严格讲，界面是“界”而不是“面”。因客观存在的界面 是物
理面而非几何面，是一个准三维的区域。
2、目前，常用于处理界面的模型有两种：一为古根海姆
（Guggenheim）模型。其处理界面的出发点是：界面是一个
胶体化学作为一门学科来说，它的历史比较一致的看法 是从1861年开始的，创始人是英国科学家Thomas Graham， 他系统研究过许多物质的扩散速度，并首先提出晶体和胶体 （colloid）的概念，制定了许多名词用来形容他所发现的
胶体化学第2章-固体界面性质
2.1 固体的表面张力与表面能
固体表面的特点 固体表面的稳定性
低温接触
接近熔点时的熔结
铜的表面特性
固体表面的不均匀性
固体表面的各种形态示意图
2.2 固体表面上的气体吸附
2.2.1 吸附现象和吸附量
吸附量(A):每克吸附剂所吸附的吸附质体积或摩尔分数
A V(STP )
或
m
A n m
吸附量的测量方法有多种，下面介绍重量法和连续流动色谱
法。
1、重量法 如下图示。由压力计测出平衡压力，进而计算吸附量。
2、连续流动色谱法 如下图示。氮气为吸附质，He 为载气，在低温（液氮）下进行吸附。
首先，氮气与氦气在E1混合後，沿线路如下： F→I1→J（参考臂）→K→I2→六通阀（6→1）→E2→J（测 量臂）→流量计→放空。
液体在固体上沾湿过程的示意图 固体浸湿过程示意图
液体在固体表面上的铺展
液滴在固体表面上气、液、固 三相界面上的张力平衡
水银滴在玻璃上的接触角
摄影或放大后作切线测量接触角 斜板法测定接触角示意图
光反射法示意图
长度测量法示意图
液滴高度与直径变化示意图 液体高度与接触角关系图
汇报结束
谢谢大家! 请各位批评指正
lgVlgK1lgP （n>1） n
2．Langmuir等温吸附式
V VmbP 1 bP
P1 1 P
V Vmb Vm
3．BET吸附等温式
V
Vm•CP
(P0P)1[(C1)P/P0]
2.2.4 影响固气吸附的因素 吸附质的性能。
P 1 C1(P） V(P0P) Vm•C Vm•CP0
有温度，压力以及吸附剂和
胶体与表面化学 第2章 胶体分散体系的物理化学性质
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2.1.3 扩散
1、定义：在有浓度梯度存在时，物质粒子因热运动而 定义：在有浓度梯度存在时， 扩散。 发生宏观上的定向迁移，称为扩散 发生宏观上的定向迁移，称为扩散。 浓度梯度的存在，是扩散的推动力 浓度梯度的存在，
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2、 Fick定律 、 Fick定律
胶体系统的扩散与溶液中溶质扩散一样，可用 胶体系统的扩散与溶液中溶质扩散一样， 扩散第一定律来描述： Fick 扩散第一定律来描述：
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分散粒子尺寸——反射 入射光波长 < 分散粒子尺寸 反射
分子固有频率—— 吸收 入射光频率 = 分子固有频率 分散粒子尺寸——散射 入射光波长 > 分散粒子尺寸 散射 （可见光波长 400~ 760 nm；胶粒 1~ 1000nm) ；
无作用 ——— 透过
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2.1.4 沉降与沉降平衡
1、定义 、 多相分散系统中的粒子，因受重力作用而下沉的 多相分散系统中的粒子，因受重力作用而下沉的 重力作用 过程，称为沉降。 过程，称为沉降。 沉降与布朗运动所产生的扩散为一对矛盾的两个 沉降与布朗运动所产生的扩散为一对矛盾的两个 与布朗运动所产生的扩散 方面。 方面。
第2章 胶体分散体系的物理化学性质
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§2.1 动力性质 §2.2 光学性质 §2.3 电学性质
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2
§2.1
2.1.1 Brown 运动
动力性质
1827年,植物学家布朗 Brown)在显微镜下,看到悬浮 年 植物学家布朗 植物学家布朗( 在显微镜下, 在显微镜下 在水中的花粉粒子处于不停息的无规则运动状态。 在水中的花粉粒子处于不停息的无规则运动状态。
胶体与界面化学基础
胶体与界面化学基础胶体与界面化学是化学领域中一个重要的分支，研究物质在界面上的性质和相互作用规律。
胶体与界面化学的基础知识对于理解许多自然现象和工程应用具有重要意义。
本文将介绍胶体与界面化学的基础概念、性质和应用。
一、胶体与界面化学基础概念1. 胶体的定义胶体是一种特殊的物质状态，介于溶液和悬浊液之间。
在胶体中，微粒的直径一般在1纳米到1000纳米之间，微粒称为胶体粒子。
胶体粒子可以是固体、液体或气体，分散在另一种物质中形成胶体溶液。
2. 胶体的分类根据胶体粒子和分散相之间的相互作用力的不同，胶体可以分为溶胶、凝胶和乳胶。
溶胶是胶体中的固体颗粒与溶剂之间的相互作用力较弱，凝胶是胶体中的固体颗粒与溶剂之间的相互作用力较强，乳胶是胶体中的液体颗粒分散在另一种液体中。
3. 界面化学的定义界面化学是研究物质在界面上的性质和相互作用规律的科学。
界面是两种不同相之间的分界面，如固体与液体、液体与气体之间的交界面。
界面化学主要研究表面张力、界面活性剂、胶体稳定性等问题。
二、胶体与界面化学的性质1. 表面张力表面张力是液体表面上的分子间相互作用力导致的表面的收缩趋势。
表面张力使得液体表面呈现出尽可能小的表面积，形成球形。
表面张力的大小与液体的种类和温度有关。
2. 界面活性剂界面活性剂是一类能够降低界面张力的化合物，可以在两种不相溶的相之间形成稳定的界面。
界面活性剂的分子结构一般含有亲水性和疏水性基团，可以在水和油之间起到乳化、分散、润湿等作用。
3. 胶体稳定性胶体稳定性是指胶体溶液中胶体粒子不发生聚集和沉降的性质。
胶体稳定性受到溶质浓度、溶剂性质、温度等因素的影响。
胶体稳定性的研究对于工业生产和生物医药领域具有重要意义。
三、胶体与界面化学的应用1. 工业生产胶体与界面化学在工业生产中有着广泛的应用，如乳化液体、稳定乳液、表面活性剂的应用等。
界面活性剂在油田开发、油漆涂料、食品加工等领域发挥着重要作用。
2. 生物医药在生物医药领域，胶体与界面化学的研究应用也十分广泛，如纳米药物载体、胶体药物制剂、生物膜的研究等。
胶体化学第2章胶体及纳米材料的制备
胶体化学第2章胶体及纳米材料的制备胶体化学是研究胶体及其性质、制备和应用的科学领域。
胶体是一种介于溶液和悬浮液之间的物质，由一个或多个物质以微细颗粒的形式分散在另一种物质中形成的。
纳米材料是指尺寸在1-100纳米的材料，具有特殊的物理、化学和生物性质。
胶体和纳米材料的制备是胶体化学中的重要研究内容。
胶体的制备方法有物理法、化学法和生物法等。
物理法主要包括分散法、凝聚法和乳化法。
在分散法中，通过机械剪切、超声分散等方法将悬浮液中的颗粒分散成胶体颗粒；凝聚法则是通过凝胶、胶凝等方法使溶液中的颗粒聚集成胶体颗粒；乳化法是通过机械搅拌或高压乳化等方法将两个或多个无法混溶的液体分散成乳状胶体。
化学法主要包括碳化法、水合法、氧化法和沉淀法等。
碳化法是通过碳源与金属盐反应制备金属碳化物；水合法是通过水合合成物的分解、脱水或水解制备胶体；氧化法是通过氧化反应制备金属氧化物或金属酸盐等；沉淀法是通过反应产生沉淀颗粒制备胶体。
生物法主要利用生物体合成纳米胶体颗粒或使用生物模板法制备胶体。
生物体合成纳米胶体颗粒是利用微生物、植物、动物等生物体合成纳米颗粒，例如利用微生物合成的银颗粒具有抗菌性能；生物模板法是利用生物体的分子结构作为模板，通过化学合成将其转化为纳米颗粒，例如利用DNA分子模板法制备金纳米颗粒。
纳米材料的制备主要包括物理和化学方法。
物理方法包括气相沉积、溅射蒸发和弧放电等。
气相沉积是将金属或化合物在惰性气体气氛中加热蒸发，然后由冷凝成为纳米尺寸的颗粒；溅射蒸发是利用阳极溅射法将材料溅射成固体颗粒；弧放电法是通过在两个电极之间施加高电压产生弧光放电，将电极表面的材料蒸发成纳米颗粒。
化学方法包括溶剂热法、凝胶法和还原法等。
溶剂热法是通过在高温有机溶剂中使金属盐还原生成纳米颗粒；凝胶法是通过将溶液中的金属离子聚集成凝胶，再将凝胶干燥得到纳米颗粒；还原法是利用还原剂将金属离子还原成金属纳米颗粒。
胶体和纳米材料的制备方法多种多样，根据不同的材料和应用需求选择合适的制备方法。
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。
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2．Langmuir等温吸附式
V VmbP 1 bP
P 1 1 P V Vmb Vm
3．BET吸附等温式
V
Vm•CP
(P0P)1[(C1)P/P0]
2.2.4 影响固P0P) Vm•C Vm•CP0
有温度，压力以及吸附剂和
胶体化学第2章-固体界面性质
2.1 固体的表面张力与表面能
固体表面的特点 固体表面的稳定性
低温接触
接近熔点时的熔结
铜的表面特性
固体表面的不均匀性
固体表面的各种形态示意图
2.2 固体表面上的气体吸附
2.2.1 吸附现象和吸附量
吸附量(A):每克吸附剂所吸附的吸附质体积或摩尔分数
A V(STP )
或
m
A n m
吸附量的测量方法有多种，下面介绍重量法和连续流动色谱
法。
1、重量法 如下图示。由压力计测出平衡压力，进而计算吸附量。
2、连续流动色谱法 如下图示。氮气为吸附质，He 为载气，在低温（液氮）下进行吸附。
首先，氮气与氦气在E1混合後，沿线路如下： F→I1→J（参考臂）→K→I2→六通阀（6→1）→E2→J（测 量臂）→流量计→放空。
室温下不吸附，低温下吸附。在记录之上就显现出吸附峰 （先出）和脱附峰（后出）。由峰面积可算得吸附量。 （见下图示）
2.2.2 吸附等温线 由热力学知，气体吸附量V = f(T.P) 。 等温时测得的V~P曲线，称为吸附等温线。
2.2.3 吸附等温式 1． Freundlich吸附等温式
VKP1/n
液体在固体上沾湿过程的示意图 固体浸湿过程示意图
液体在固体表面上的铺展
液滴在固体表面上气、液、固 三相界面上的张力平衡
水银滴在玻璃上的接触角
摄影或放大后作切线测量接触角 斜板法测定接触角示意图
光反射法示意图
长度测量法示意图
液滴高度与直径变化示意图 液体高度与接触角关系图
谢谢！