物理化学(第二版)第六章 胶体和界面化学
胶体与界面化学
摘要：胶体与界面化学是研究胶体分散体系和界面现象的一门科学。
随着科学技术的迅速发展，它已经成为一门独立的学科。
胶体与界面化学与生产、生活实际有着紧密的联系，无论是在工业生产，还是在日常生活的衣、食、住、行等各个方面，都会遇到与胶体化学有关的的各种问题。
关键词：胶体界面化学生活应用引言：胶体与界面化学是研究胶体分散体系和界面现象的一门科学。
随着科学技术的迅速发展，它已经成为一门独立的学科，正是因为胶体现象很复杂，且有它自己独特的的规律性；更重要的是它与生产、生活实际有着紧密的联系，无论是在工业生产，还是在日常生活的衣、食、住、行等各个方面，都会遇到与胶体化学有关的的各种问题，如土壤改良、功能与复合材料、三次采油、浆体的管道运输、人造血浆、药物缓释与定向、摩擦与润滑和油漆涂料等，与国家安全、能源开发、环境保护和人民生活等方面密切相关。
胶体与界面化学是一门古老的科学。
他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的概念，制定了许多名词用来形容他所发现的事实，如溶胶、凝胶、胶溶、渗析、离浆。
尽管在这一时期积累了大量的经验和知识，但是胶体化学真正为人们所重视并获得较大的发展是从1903年开始的，这时Zsigmondy （德）发明了超显微镜，肯定了溶胶的一个根本问题一一体系的多相性，从而明确了胶体化学是界面化学。
胶体与表面化学是物理化学的一个重要组成部分，是一门应用性极强的学科，它所研究的领域涉及到化学、物理学、材料科学、环境科学、生物化学等，是诸学科的交叉和重叠。
因此，它的应用领域是极其广泛的，近年Hiemenz就列举了涉及胶体和表面化学的实例：（1）分析深化中的吸附指示剂、离子交换、沉淀物的可滤性、色谱等；（2）物理化学中的成核作用，过饱和及液晶等；（3）生物化学和分子生物学中的电泳、膜现象、蛋白质和核酸等；（4）化学制造中的催化剂、洗涤剂、润滑剂、粘合剂等；（5）环境科学中的气溶胶、泡沫、污水处理等；（6）材料科学中的陶瓷制品、水泥、纤维、塑料等；（7）石油科学中的油器回收、乳化等；（8）日用品中的牛奶、啤酒、雨衣等。
胶体和界面化学的应用和前沿研究
胶体和界面化学的应用和前沿研究胶体和界面化学是物理化学的基础学科之一，旨在研究颗粒与溶液、气体、固体等界面间相互作用、相互转换过程及其规律，为生产和应用提供有力支撑和指导。
随着科技进步和工业化程度的提高，人类对于界面的关注更加密切，胶体和界面化学也扮演着越来越重要的角色。
1.界面活性剂和表面修饰在工业生产中，常常需要使用一些具有表面活性或界面活性的物质，即界面活性剂。
界面活性剂极具生产应用价值，能够在不同相的界面上调节表面张力、改变相互作用强度、影响分布和形态，有效地实现分散和乳化等。
例如，肥皂、洗涤剂、乳化剂、泡沫剂等都是界面活性剂常用的应用形式。
另外，表面修饰也是界面化学的重要应用领域之一。
通过表面修饰，可以在分子或颗粒表面制备出悬浮液、胶体、溶胀、薄膜等材料，并赋予其多种特性和功能。
例如，在药物制剂领域，纳米颗粒通过表面修饰可以增加生物利用度、改善药物的稳定性、延长药物的半衰期等。
2.胶体稳定性胶体稳定性是胶体化学的重要骨干之一。
胶体稳定性研究涉及物质粒子的成形、分散、悬浮和聚集等方面的过程，进而探究分散体系的稳定性、相互作用方式、相图及机理。
负责胶体稳定性的还有表面电位、表面电荷密度、吸附电荷、电泳迁移速度等因素。
相比于物理和机械方法，化学方法更为常用。
电吸附法、电解法、孔隙吸附法、化学配合等都是重要的胶体稳定化学方法。
3.核酸纳米技术核酸纳米技术是一项非常前沿的研究领域。
它将核酸作为作为抗癌、抗感染的新型靶向药物，旨在实现其精确进入细胞内部靶向治疗，避免药物的副作用。
核酸纳米技术以DNA和RNA为基础，在微纳米胶体、表面修饰、胶体稳定性等方面有了显著的进展，建立了胶体和界面化学在药物传输领域的新兴应用模型。
不可否认的是，胶体和界面化学的研究非常复杂。
在实践中，研究人员需要勤奋、细致、有耐心，同时具备多方面的综合分析和处理能力。
对于未来，我们仍需引导更多人深入学习和研究胶体和界面化学的应用领域，推动技术研发和产业发展。
第06章--胶体和界面化学--习题及答案
第06章--胶体和界面化学--习题及答案第六章胶体和界面化学P2866-1298.2K时水在湿空气中的表面张力为71.97某10-3Nm-1,其表面张力温度系数为-1.57某10-6Nm-1K-1；试求在恒温恒压下.系统体积不变时可逆增加2cm2的表面积时,该过程的热、功、ΔG及ΔS解：ΔS=-TA,pΔA=3.14某10-10JK-1,Q=TΔS=9.36某10-8JW’=-σΔA=1.44某10-5J,ΔG=W’=1.44某10-5J6-2有一完全浮在空气中的肥皂泡，若其直径2.0某10-3m，已知肥皂溶液表面张力0.7Nm-1，则肥皂泡内所受的附加压力是多少解：Δp=4σ/r=2.8kPa6-3303K时,乙醇的密度为780kgm-3;乙醇与其蒸气压平衡时的表面张力为2.189某10-2Nm-1;试计算在内径为0.2mm的毛细管中它能上升的高度。
解：h=2σ/(ρgr)=0.057m6-4氧化铝瓷件上需要披银。
当烧至1000℃时，液态银能否润湿氧化铝表面？已知1000℃时（g-Al2O3）(g-Ag)、(Ag-Al2O3)分别为1000某10-3Nm-1,920某10-3Nm-1,1770某10-3Nm-1。
解：COSθ=[σ（g-Al2O3）-σ(Ag-Al2O3)]/σ(g-Ag)=-0.837,θ=147度,不润湿。
6-520℃时水和汞的表面张力系数分别为7.28某10-2Nm-1,0.483Nm-1,汞-水界面张力为0.375Nm-1，试判断水能否在汞的表面上铺展开来。
解：σ（汞）>σ(水)+σ(汞-水),能铺展6-6将正丁醇(Mr=74)蒸气骤冷至0℃,发现其过饱和度p某/p某0=4时能自动凝结为液滴,若273K时正丁醇表面张力=0.0261Nm-1;密度ρ=1000kgm-3;试计算在此过饱和度所凝结成液滴的半径及液滴所含分子数。
[1.23某10-9m,63]解：r=[ρRTln(pr/p0)/(2σMr)]=1.23某10-9m,N=4πr3ρNA/(3Mr)=636-7某晶体相对分子质量是80,在300K其密度为0.9kgdm;若晶体与溶液间界-3面张力为0.2Nm-1。
胶体与界面化学mooc
胶体与界面化学mooc胶体与界面化学MOOC胶体与界面化学是化学科学中的一个重要分支，研究物质的界面现象及其背后的胶体行为。
为了方便学习和研究这一领域的知识，胶体与界面化学MOOC应运而生。
本文将介绍胶体与界面化学MOOC的内容和意义。
一、胶体与界面化学的基本概念1. 胶体：胶体是由粒径在1纳米至1微米之间的分散相颗粒悬浮在另一种物质中形成的系统。
胶体具有特殊的物理和化学性质，广泛应用于生物、医药、材料等领域。
2. 界面：界面是两相系统的分界面，如液体与气体的界面、液体与固体的界面等。
界面上的现象和行为对于理解和控制物质的性质具有重要意义。
二、胶体与界面化学MOOC的内容1. 胶体的基本原理：介绍胶体的定义、性质和分类，以及胶体稳定性的影响因素。
2. 胶体的制备与表征：介绍常用的胶体制备方法，如凝胶法、乳化法等，以及胶体的表征方法，如粒径分析、表面电荷测定等。
3. 胶体的动力学：介绍胶体的运动与聚集行为，以及对胶体稳定性的影响。
4. 界面现象与表面活性剂：介绍界面现象的基本原理和表面活性剂的作用机制，以及表面活性剂在胶体与界面化学中的应用。
5. 胶体与生物界面化学：介绍胶体在生物体系中的应用及其相关的界面化学现象，如生物膜的结构和功能等。
6. 胶体与环境界面化学：介绍胶体在环境领域中的应用及其相关的界面化学现象，如水污染的防治等。
三、胶体与界面化学MOOC的意义1. 提供系统的学习资源：胶体与界面化学MOOC为学习者提供了系统、全面的学习资源，帮助学习者深入理解胶体与界面化学的基本原理和应用。
2. 促进交流与合作：通过MOOC平台，学习者可以与全国乃至全球的学习者进行交流和讨论，促进学科交叉与合作。
3. 推动科学研究与应用：胶体与界面化学MOOC将促进科学研究的发展，推动胶体与界面化学的应用于生物、医药、材料等领域。
胶体与界面化学MOOC是一门重要的学习资源，通过学习这门课程，我们可以深入了解胶体与界面化学的基本概念、原理和应用，促进学科交叉与合作，推动科学研究的发展和应用的推广。
胶体与界面化学
34.高分子絮凝剂的特点：1）加入量少时絮凝，量多时保护，与无机絮凝剂相反；2）相 对分子量愈大愈好，但如大到不溶于水，则效果变差；3）水溶性高分子带电，与颗粒静 电相吸，絮凝好；4）受PH值影响大；5）电解质帮助吸附。 35.架桥理论：有利于吸附的因素，有利于絮凝；当高分子浓度高时，高分子将每个颗粒 包住，破坏架桥，使颗粒变得稳定。 36.高分子的空位絮凝理论：高分子不被颗粒吸附时，颗粒之间产生吸引力，使颗粒产生 絮凝，称为高分子的空间絮凝理论。 37.快速凝结：相当于化学上的活化能为零的反应，凝结速度完全由扩散动力学控制。 38.临界凝结浓度ccc：把体系带入快速凝结方式所需的电解质浓度。主要由反粒子的化合 价决定，与化合价的六次方成反比。 39.DLVO理论：溶胶粒子间存在的相互吸引力和相互排斥力是决定胶体溶液稳定性的因素。 40.胶体的稳定性取决于体系相互作用能量曲线的有效形式，即吸引能和排斥能两相之和 与粒子分离距离的函数。 41.表面活性剂的两个特点（性质）：①表面活性剂吸附在表面上具有改变表面张力的能 力②当其浓度超过一定值时，表面活性剂在体相溶液中会形成各种有序聚集体，从而使溶 液表现出一系列的功能性质。 42.表面活性剂定义：他们有聚集于界面的特别趋向，或者在非常低的物质的量的浓度下 在溶液中形成胶体凝聚。 43.亲水亲油平衡值(HLB)指表面活性剂分子中亲水基团和亲油基团的大小和长度的平衡。 即表面活性剂分子中一个亲水基团的亲水能力对亲油基团的亲油能力的平衡关系。(低亲 油强) 44.表面活性剂的溶解度性质随憎水尾链长度、端基结构、反粒子价数和溶液环境变化而 变化。 45.Krafft温度:离子型表面活性剂在低温时溶解度较低，随着稳定升高其溶解度缓慢增加。 当达到某一温度后其溶解度迅速增加，在溶解度-温度曲线上出现转折。
胶体与界面化学
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2020/4/23
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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2020/4/23
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
物理化学胶体化学知识点
6.４ 胶体系统的动力性质
（１）Brown 运动
1827年,植物学家布朗( Brown)在显微镜下,看到悬浮在水 中的花粉粒子处于不停息的无规则运动状态。
以后发现，线度小于4000nm的粒子， 在分散介质中都有这种运动。（胶体尺 度 1 ~ 1000nm)
这种现象产生的原因是：分散介 质分子由于热运动不断的撞击分散粒 子。对于大小在胶体尺度下的粒子， 粒子受到撞击次数较小，从各个方向 受到的撞击力（Brown Force）不能完 全抵消，在某一时刻，粒子从某一方 向得到的冲量即可发生位移。此即布 朗运动。
：散射角（观察方向与入射方向夹角）；
l ： 观测距离（观察者与散射中心的距离）。
由 Rayleigh 公式可知：
1）I V 2 ：可用来鉴别小分子真溶液与胶体溶液；
如已知 n 、n0 ，可由测 I 求粒子大小V 。
2) I 1/4 ：波长越短的光，散射越强。例：用白光照射
溶胶，散射光呈蓝色，透射光呈红色。即所谓"乳光现象"。 雾是气溶胶，海水是水溶胶，也经常显蓝色。
再如：过饱和法： 改变溶剂法；例:硫的酒精溶液倒入水中，形成硫在水
中的溶胶。 冷却法：用冰骤冷苯在水中的饱和溶液，得到苯在水
中的溶胶。
2）化学凝聚法：利用生成不溶性物质的化学反应，控制 析晶过程，使其停留在胶核尺度的阶段，而得到溶胶。所谓 控制析晶过程，系指采用有利于大量形成晶核，减缓于晶体 生长的条件，例：采用较大的过饱和浓度，较低的操作温度。
（２）瑞利（Rayleigh） 公式
1871年，瑞利在假设： 1）粒子尺寸远小于入射光的波长，可认为粒子是点光
源； 2）粒子间的距离较远，各粒子散射光间无相互干涉； 3）粒子不导电；
胶体与界面化学6
四、表征手段
π—Α曲线能反映液一气界面LB膜的状态及 某些变化,但还难以体现分子水平的微观情况。 例如,分子排列的有序性、取向性，以至分子内 原子基团与价链的变化，而这些微观参量及其 变化对于LB膜的特征至关重要。 此外，LB膜的原位表征也具有重要的意义。 通常使用的分析手段有:红外光谱、激光拉谱、 X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射、荧光光 谱、电子衍射、核磁共振、电子回旋共振谱 (ESR)及扫描电镜等。用来对膜的结构、完整性、 排列以及各种膜分子与固体间的相互作用进行 研究。
3.LB膜技术在医学研究中的应用
病理药理研究中的应用 应用LB膜技术研究了胆结石的形成与结构， 研究结果表明，胆红素在有序分子膜中的行为 与亚相的pH值有很大关系，人体环境的pH范 围正好处在胆红素构型和性质变化敏感的pH范 围内，这可能是人体胆结识容易形成的分子基 础。
临床诊断中应用 机体的组织器官是由细胞组成的，而细胞是 一个生物膜的系统，不同细胞膜间的相互作用在 多方面表现出极其重要的生物学功能。以LB膜表 征技术为借鉴，研究开发膜诊断技术及膜诊断设 备，利用膜诊断技术了解生物膜性质和结构的变 化，将可实现对许多疾病进行早期诊断，以便早 期治疗和防止疾病发展与恶化。
表面活性剂的 分子有序组合体
表面活性剂分 子两亲结构的 特点导致在不 同的环境中均 能定向排列， 形成各种分子 有序组合体， 例如：单分子 膜、胶束、反 胶束、微乳液、 囊泡、液晶等。
第四节 L-B技术与LB膜
LB 膜 的 研 究 起 始 于 20 世 纪 30 年 代 , 首 先 是 由 Langmuir 及其学生Blodgett在1920年和1935先后将 单分子膜转移到固体表面（又称基底）上，并可 以多层重叠，建立了一种单分子膜堆积技术，称 之为 L-B膜技术。 60 年代初期 ,H.Kuhn 首先用 L-B 膜技术通过单分子膜的组装来构造分子有序体系, 并首次把具有光活性的染料分子引入LB膜。到了 80年代,LB膜技术已经引起物理学、生物学、电子 学、光学、化学、材料学、摩擦学等领域国内外 学者的普遍关注,并在许多方面得到了应用,取得较 大的进展。
物理化学(第二版)第六章 胶体和界面化学
根据两相物理状态的不同，界面上的分子和体 相中的分子所处的环境不一样，性质也不同，所 以界面层具有某些特殊性质。
表面和界面
常见的界面有 1.气-液界面 2.气-固界面
表面和界面
4.液-固界面 3.液-液界面
5.固-固界面
界面现象的本质
表面层分子与内部分子相比，它们所处的环境不同。
体相内部分子所受四周邻近相同分子的作用力是对 称的，各个方向的力彼此抵销；
pidV ＝ pedV＋σdA 对半径为r 的球形液滴而言， 3 4 4r 2 ； V ＝ 3 r 、A＝ dV＝4 r 2dr 、dA＝ 8 rd r； 又 p＝ pi－pe， 2
所以有
p
上式表明附加压力与表面张力成正比,与曲率半径成 反比,即曲率半径越小,附加压力越大。
r
附加压力与曲率半径的关系
界（表）面能或界（表）面张力
温度对界（表）面张力有影响,一般表面张力随温 度升高而降低。这是因为温度升高时液体分子间引力减 弱,表面分子受到液体体相内分子的吸引力也跟着减弱, 这样要使分子从其内部迁移到表面上来,自然会容易些, 当温度接近临界温度时,液体分子间的内聚力趋于零,因 此表面张力也趋于消失。
界（表）面张力 (interface tension)
界（表）面张力：在两相界面上，垂直作用于单位 边界线上，指向界面内部方向并与界（表）面相切的 力。单位是N· -1。用 m 表示。
界（表）面张力（surface tension）
如果在金属线框中间系一 线圈，一起浸入肥皂液中，然 后取出，上面形成一液膜。
界面现象的本质
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。 这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势，并 使表面层显示出一些独特性质，如表面张力、表面吸 附、毛细现象、过饱和状态等。
胶体与界面化学
胶体与界面化学胶体和界面化学是化学学科中的两个非常重要的分支，主要研究物质的表面性质和界面现象。
胶体是基于二相（固体-液体、液体-液体、气体-液体、气体-固体）的分散体系，粒径大小在1nm至1μm之间。
而界面是指两种不同物质之间的分界面，如液体表面、气液界面、固液界面等。
胶体在我们的日常生活中经常出现，许多熟悉的物质，例如牛奶、血液、纸张、涂料、乳化油等都是胶体。
从宏观上看，它们呈现出悬浮于溶液中的微小颗粒。
从微观上看，它们是由分散相和连续相构成的，其中分散相是微小的颗粒，而连续相是包含分散相的介质。
分散相和连续相的界面称为胶体界面。
由于分散相和连续相具有不同的物理化学性质，所以胶体系统具有独特的性质和功能。
同时，胶体系统也是许多工业和生命科学应用的基础。
在胶体科学中，胶体的稳定性是一个重要的问题。
胶体的稳定性对于胶体颗粒的协同作用、胶体的转变以及物质交换过程起着重要的作用。
一些常用的稳定性机制包括DLVO理论、生物分子作用力和电场效应等。
DLVO理论是阐述胶体相互作用的基本理论之一，该理论将胶体相互作用分为库仑相互作用和范德华力相互作用，并进一步阐述了胶体的凝聚和稳定机制。
生物分子作用力是通过分子间的特定相互作用来影响胶体的聚集和构型变化，其中最重要的可能是疏水作用和静电相互作用。
电场效应引入背景电场的影响，在胶体交互作用的过程中，背景电场能够影响胶体的相互作用，使之更加复杂。
界面化学是一个研究物质表面性质和表面现象的学科，它广泛应用于化学、物理学、材料科学等不同领域。
界面的性质和现象在许多领域中都是非常重要的，如表面活性剂、液晶、合金材料、催化剂、表面吸附等。
在界面化学中，一个非常重要的概念是表面张力。
表面张力是指液体表面上分子间相互作用力造成的张力。
这种力量会导致液体分子在表面聚集起来，使得表面变为一个弹性值。
表面张力是界面现象中最重要的物理性质之一，它对液滴、泡沫、生物膜等物质的稳定性起着决定性的作用。
胶体与界面化学
1、晴朗的天空为什么是蓝色？为什么只有早上和晚上才看到霞光？根据瑞利散射定律，太阳光谱中的波长较短的紫、蓝、青等颜色的光最容易散射出来，而波长较长的红、橙、黄等颜色的光透射能力很强。
因此，我们看到晴朗的天空总是呈蔚蓝色霞是由于日出和日落前后，阳光通过厚厚的大气层，被大量的空气分子散射的结果。
当空中的尘埃、水汽等杂质愈多时，其色彩愈显著。
如果有云层，云块也会染上橙红艳丽的颜色。
2、为什么自然界的液滴、气泡都是球状的？同样体积的水，以球形的表面积为最小，亦即在同样条件下，球形水滴其表面吉布斯自由能相对为最小。
气泡同理。
半径极小的气泡内的饱和蒸气压远小于外压，因此在外压的挤压下，小气泡更容易破裂。
3、蒸发与扩散有何区别？蒸发---水由液态或固态转变成汽态，逸入大气中的过程称为蒸发。
扩散现象-- 扩散是由于微粒（原子、分子等）的热运动而产生的质量迁移现象，主要是由于密度差引起的。
在扩散过程中，气体分子从密度较大的区域移向密度较小的区域，经过一段时间的掺和，密度分布趋向均匀。
在扩散过程中，迁移的分子不是单一方向的，只是密度大的区域向密度小的区城迁移的分子数，多于密度小的区域向密度大的区域迁移的分子数。
扩散现象是气体分子的内迁移现象。
从微观上分析是大量气体分子做无规则热运动时，分子之间发生相互碰撞的结果。
由于不同空间区域的分子密度分布不均匀，分子发生碰撞的情况也不同。
这种碰撞迫使密度大的区域的分子向密度小的区域转移，最后达到均匀的密度分布。
4、什么是CMC值？表面活性剂分子在溶剂中缔合形成胶束的最低浓度即为临界胶束浓度（critical micell concentration，即cmc）表面活性剂的表面活性源于其分子的两亲结构，亲水基团使分子有进入水的趋向，而憎水基团则竭力阻止其在水中溶解而从水的内部向外迁移，有逃逸水相的倾向，而这两倾向平衡的结果使表面活性剂在水表的富集，亲水基伸向水中，憎水基伸向空气，其结果是水表面好像被一层非极性的碳氢链所覆盖，从而导致水的表面张力下降。
胶体与界面化学
1、胶体的定义：1nm~1um2、界面的定义：一个界面是一定的空间区域，通过这个区域体系由一相转变为另一相，这种变化在原子或分子直径十倍或几十倍的距离上发生，即为相邻两相的界面区域。
3、表面：两相中一相为气相。
4、胶体的分类方法1：粗分散(大于100nm) 胶体分散（1~100nm）分子分散（小于1nm）5、胶体的分类方法2：憎液胶体（电解质存在为其必要的稳定因素、对电解质的稳定性低、为不可逆聚沉、电镜下可见、与溶剂差别小、粒子具有的电荷固定）+亲液胶体（与其相反）6、胶体研究对象的热力学分类1、狭义胶体体系纳米分散体系（热力学不稳定、聚结过程不可逆例子：溶胶、泡沫、悬浮液、乳状液、气溶胶）1、缔合体系（热力学稳定、聚结过程可逆例子：胶束、微乳液、脂质体）3、高分子溶液（热力学稳定、聚结过程可逆例子：淀粉/水明胶/水橡胶/己烷）7、胶体的特点：1、巨大的比表面能（使胶体体系具有很强的吸附能力）2、物质性质的尺寸效应（影响到体系的荧光、吸光性质、氧化还原能力）8、胶体科学：研究不均相体系的科学，凡是在固、液、气相中含有固、液、气微粒的体系均属胶体科学研究的范围。
微粒大小在1nm~1um之间。
9、界面化学：研究物质在多相体系中表面的特性和在表面发生的物理和化学过程及其规律。
界面化学是化学学科的分支，涉及物理学、生物科学、计算机科学、药学、环境科学的多个学科。
10、几何学界面：二维无限延伸、有面积、无厚度。
11、化学界面：是一个区，在该区中从一相之性质变为邻相之性质。
这种转变至少在分子大小的距离才能表现出来。
因而表面有厚度。
12、界面类型：除气/气外。
13、胶体历史发展：一个实际上错误的概念引出介观领域一个重要的科学分支。
14、现代胶体科学研究的内容：分散体系（分散体系的形成与稳定体系：气溶胶、憎液溶胶、亲液溶液、粗分散体系（乳状液、悬液）理论：气溶胶理论、成核理论、高聚物溶液理论、胶束理论）光学性能、流变性能、纳米材料（智能流体，电、磁流变体纳米颗粒的有序排列光吸收与光散射理论、理论与想象流变学、颗粒相互作用力理论）界面现象润湿、摩擦、黏附、吸附现象五个界面（理论：表面力理论、表面层结构、分子定向理论各种吸附理论）有序组合体（溶胶有序分子组合体生物膜与仿生膜有机无机混合膜有序组合体重的物理化学反应）BLM膜，LB膜，脂质体、液晶理论（分子间相互作用力液晶理论增溶现象胶团催化定向合成）15、工业和自然界常见实例：1、作为胶体或表面活性材料而制造的产品、表面现象：肥皂、洗涤剂、（非表面活性剂：乳化剂、稳定剂）灭草剂、杀虫剂、织物软化剂胶体想象：乳胶涂料、气溶胶、食品、化妆品和软膏、药品、墨水、上光剂、油基涂料、油和气的添加剂、胶黏剂。
胶体与界面化学的理论与应用
胶体与界面化学的理论与应用胶体与界面化学是物理化学的一个分支，研究物质的微观粒子在液态介质中的行为和相互作用，以及物质在不同相之间的表面现象和性质变化。
胶体分散系统是广泛存在于自然和工业生产中的一类复杂体系，如乳液、胶体、泡沫、纳米粒子等，它们具有很强的稳定性和特定的物理、化学和生物性质，因此在材料科学、化学、生物和医学等领域有着广泛的应用前景。
1. 胶体系统的定义和特点胶体系统是由粒子大小在介于分子和宏观颗粒之间的物质构成的，一般指分散相为固体或液体的胶体分散体系。
胶体粒子的大小通常在1-1000nm之间，具有较大的比表面积和表面能，而且有一定的表面电荷或分子表面活性剂的存在，使其易于形成和维持分散状态，同时还表现出很多异于均相系统的独特性质，如乳浊液稳定性、浊度、渗透性等。
2. 胶体的形成机制和分类胶体的形成机制主要涉及两种方式：一是物理自组装，即由独立体通过物理过程形成胶体分散体系；另一种是化学合成，即通过化学反应控制或调节粒子大小、形状和表面性质来制备胶体分散体系。
按照胶体粒子的组成和形态特征，胶体系统可分为晶体、胶体、凝胶、泡沫和乳状液等多种类型。
其中，凝胶是一种具有可逆或不可逆的三维网络结构的胶体分散体系，一般由连续介质中的高分子、生物大分子或固体微粒等组成，具有较大的比表面积和孔隙度，广泛应用于吸附、分离、催化、电极材料和组织工程等领域。
3. 界面化学的基本概念和原理界面化学是研究不同物质相间的分界面和相互作用的一门学科，其中界面指的是两种物质相接触的地方，主要是化学和物理交互作用所形成的区域。
在界面上，物质的性质、状态和反应行为会发生显著的变化，如表面张力、表面活性剂的吸附和脱附、分子扩散等现象。
在界面化学中，五类基本相互作用力具有重要的作用：静电作用力、范德华力、亲水力、亲油力和化学键作用力。
静电作用力是在有电性情况下分子间作用的一种长程力，是物理化学中最基本和最普遍的相互作用力，它能够对物质的分子形态和生物活性等产生很大影响。
胶体与界面化学及其应用
胶体与界面化学及其应用胶体与界面化学是一门涉及多学科交叉的科学，它研究的是介于分子集合体和大分子之间的微粒体系。
胶体粒子在尺寸范围上介于原子和大分子之间，通常在1到1000纳米之间。
而界面则是相邻两相（如气液、液液或固液等）的分界面，界面化学则是研究物质或物质间相邻的分界面上的物理化学性质和化学过程。
1 胶体化学的起源胶体化学源于19世纪末的化学家Thomas Graham对比较稀少的水溶液的分离实验，实验表明了有些化合物在水溶液中可以分离出一些相对较稳定的物质，但并不是晶体，而是没有明确的形状、自然发散，但又不是纯粹的混合物的一种物质。
这是胶体的最初描述。
2 胶体的基本特征因为胶体粒子是间接可见的微观物体，很难测定其物理化学性质。
因此，我们通常通过胶体的一些基本特征来描述其性质。
例如分散度、溶剂含量、粒径大小、分布范围、表面功、表面离子制积分、分子的光学散射等。
其中，分散度是描述胶体分散情况的专业术语，它包含两方面的内容：一是检测胶体微小粒子的数量和分布情况，二是检测粒子是否相对稳定，即不发生团聚。
3 界面化学的研究对象界面化学涉及到的研究对象是界面分子、离子及其活动。
界面分子是指界面上与分子相互作用的分子，它们的分子体积一部分在相内，一部分在相外，因而它们的分子间相互作用自然也出现了交叉。
因此，界面化学常涉及分子间各种各样的物理化学过程。
4 界面物理化学的主要内容界面物理化学的主要内容涵盖表面现象、表面活性剂、电化学理论及其应用等方面。
表面现象研究相邻两相（如气水、油水、液固等）之间的表面现象（表面张力、界面等电点、分散粘度等），表面活性剂则研究活性剂分子在表面的行为（如吸附等），以及二者之间相互作用的现象与规律；而电化学理论则是研究电化学界面系统中电化学反应，通过分析电化学反应行为来推演该系统的整体性质，例如电极反应、溶解度分析等等。
5 胶体与界面化学的应用胶体和界面化学在现代生产和生活中有着广泛的应用。
胶体与界面化学
• ⑥化工生产：催化剂，染料、颜料、洗涤剂、吸附剂，润滑剂。 • ⑦石油科学，地质学和土壤科学：石油工业中的三次采油，乳化，土
壤保墒，浮选矿物。 • ⑧日用消费品：牛奶，乳制品，豆浆，啤酒，日用化妆品，装饰用品。
第二节 分散体系
• 一、 分散体系的分类及其特性比较
•
一些分散体系举例
• 现以数据说明：如边长各为1m的1m3的水，表面 积为6m2，其表面能＝6×γ=0.437J，与体系的几千 千焦的能量相比，这个能量完全可以不考虑。若 将这一吨水分散成边长为10-7m的小立方体，则其 总表面积增至6×107m2，表面能增至4370kJ，这个 能量显然不能忽略，因为它与体系的能量处于相 同的数量级。
Fx(2lx) 往下运动的距离。在此过程中，表面
积增量为（2表示液膜有两个表面）。
环境对体系做功为 Fx ，这个功为
等于表面能增量：
• 这样比表面能又有了新的定义——表 面张力，即垂直作用在单位边长且与 液面相切的力，这个力力图使液面收
γ= F 2l
缩。
• 由定义可知，其单位为N/m 。
需要注意的几点：
（三）按分散程度分类
• 粒径大于0.2μm光学显微镜可见的最小颗粒为微粒子。 而d＜0.2μm显微镜不可见者为超微粒子，这其中粒径 在5～200nm（即0.2μm ）者称显微粒子，而粒径小于5 nm者，超级显微镜也不可见者为次微粒子。
• 如果分散相粒子形状、大小和化学组成晶体结构完全 一样的为单分散体系或均分散体系，否则为多分散体 系。
级标di（μm）
0.05 0.15 0.25 0.35 0.45 0.55 0.65 0.75 0.85 0.95 1.05 1.15
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比表面（specific surface area）与分散度
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。
S SV V
S SW W
式中，W 和V分别为固体的质量和体积，S为其表面 积。目前常用的测定表面积的方法有BET法和色谱法。 分散度－－把物质分散成细小微粒的程度称为分散 度。物质分割得越小，分散度越高，比表面也越大。
r
弯曲液体表面上的蒸汽压
液体(T , pl ) === 饱和蒸汽( T , pg )
Gm (l) Gm (g)
Gm (g) Gm (l) dpg dpl pg T pl T
Vm (l)dpl Vm (g)dpg RTd ln pg
弯曲液体表面的附加压力
p凸 p0 p
（3）在凹面上：
p凹 p0 p
附加压力与曲率半径的关系
（忽略重力的影响）反抗压力 pi 移动活塞液滴体积增加 dV，对液 体所做的功为 pidV ; 液滴克服 pe 的压力增大体积 dV 对环境做 功 pedV，同时表面积增大dA付出表面功 σdA 。
比表面与分散度
把边长为1cm的立方体逐渐分割成小立方体的情况： 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S/（m2/m3） 6 ×102 6 ×103 6 ×105 6 ×107 6 ×109
从表上可以看出，当将边长为10-2m的立方体分 割成10-9m的小立方体时，比表面增长了一千万倍。 可见达到nm级的超细微粒具有巨大的比表面积， 因而具有许多独特的表面效应，成为新材料和多相催 化方面的研究热点。
界面现象的本质
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。 这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势，并 使表面层显示出一些独特性质，如表面张力、表面吸 附、毛细现象、过饱和状态等。
在一般情况下，曲面的两个主曲率半径分别为r1或r2时， 弯曲液面所产生的附加压力 1 1 p ( r r ) 1 2 这是适用于任何曲面的Young-Laplace方程。 ① 水平液面： r → , p = 0。凸型液面：如 液滴r >0 , p > 0,液滴所受压力比平面液体的大. 凹形液面相反。 附加压力 p 的方向总指向曲面球心。 ②曲面是圆柱状： 那么r1 ＝ r , r2 → 公式可以写成 p r ③对气相中的气泡： 4 气泡内外的压力差为 p
对界面自由能的影响因素
（2）温度——升高温度时，一般液体的表面张力都会 降低。因为温度升高时液体分子间引力减小，而作为界 面另一相的该液体的饱和蒸汽密度增大，两相的差异缩 小，所以表面张力降低。由此推知，温度升到该液体的 临界温度时，表面张力将变为零（界面消失）。
（3）压力——考虑压力对表面自由能的影响,在温度与 表面积保持不变的情况下，增加压力会使表面张力增大。 但实际上增大压力必须引入另一组分的气体，这种气体 的性质将明显影响到液体的表面张力。大多数情况下随 压力的增加，气体密度加大、液相中溶解气体增多等因 素都会导致表面张力下降。
Vm (l)( pl p ) RT ln
0 l
pg pg,0
式中Vm(l)为液体的摩尔体积。该式适用于液-气 两相平衡时,液体的压力改变时与液体平衡的蒸汽压 的变化情况。
表面上的蒸汽压
(T , l, pl ) (T , g, p )
(T , l, pl*) (T , g, pr )
（1）当毛细管壁能被液体很好
的润湿时，该凹面可近似看作是 半径为R的球面的一部分。 r 是 毛细管半径、θ 为接触角，则 r = R COSθ。凹液面上、下的 2 p 压差为 R ，毛细管内的液柱 产生的压力 p gh
h 2 COS gr
式中 是液体和气体的密度差, g 是重力加速度。
弯曲液体表面的附加压力 (excess pressure)
( 1 )在平面上 研究以AB为直径的一个环作 为边界，由于环上每点的两边 都存在表面张力，大小相等， 方向相反，所以没有附加压力。
液面上、下的压力均为po， 附加压力 p = po – po=0
液面正面图
（2）在凸面上 研究以AB为弦长的一个球面上的环作为边界。由 于环上每点两边的表面张力都与液面相切，大小相等， 但不在同一平面上，所以会产生一个向下的合力（附 加压力 ）p 。
第六章
第六章
§ 6.1 界面现象及界面自由能 §6.2 溶液的界（表）面吸附 §6.3 固体表面吸附
§6.4 胶体性质和结构
§6.5 大分子化合物性质与大分子溶液
§ 6.1
一 界面自由能
二 弯曲液体表面的附加压力
三 弯曲液体表面上的蒸气压 四 润湿作用
分散相与分散介质
例如：云，牛奶，珍珠
把一种或几种物 质分散在另一种物质 中就构成分散体系。 其中，被分散的物质 称为分散相 （dispersed phase）， 另一种物质称为分散 介质（dispersing medium)。
界（表）面能或界（表）面张力
温度对界（表）面张力有影响,一般表面张力随温 度升高而降低。这是因为温度升高时液体分子间引力减 弱,表面分子受到液体体相内分子的吸引力也跟着减弱, 这样要使分子从其内部迁移到表面上来,自然会容易些, 当温度接近临界温度时,液体分子间的内聚力趋于零,因 此表面张力也趋于消失。
介稳状态
（2） Kelvin方程式表明液滴越小, 平衡蒸气压越大。当水 滴半径为10－7cm 时，蒸气压几乎为通常饱和蒸气压值 的 3倍。水蒸气可以达到很高的过饱和蒸气压而不凝结 为水滴，这就是出现介稳状态的原因。
由此可理解当空气中没有微尘时，水蒸气不易凝结，可以达到 相当高的过饱和度。如果这时撒入凝结核心,可使蒸气迅速凝结 为水。人工降雨就是根据这一原理进行的。 表：25℃ 时水滴半径与相对蒸气(pr / p0)的关系
r /cm pr / p*
10-4 1.001
10-5 1.01
10-6 1.111
10-7 2.95
毛细现象
（3）毛细管凝聚现象－－毛细管越细,与液体成平衡的 饱和蒸气压就越小。所以在蒸气压小于正常饱和蒸气压 时就会发生毛细管凝聚现象。 土壤,纤维织物以及大多数植物叶面等都含很多的毛 细管孔隙,由于水份在毛细管中润湿呈凹液面,故对平面 液体尚未达到饱和的蒸气压,在毛细管中可能开始凝结, 因此,土壤中的毛细管结构具有保持水份的作用。这也 解释了为什么大多数植物叶面在早晨呈现露珠。
表面和界面(surface and interface)
界面是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。
p 对凸面(液滴): r > 0 ， r *要比正常的蒸气压 r 越小，液滴的蒸汽压越高.
p大,
*
对凹面(气泡): r < 0 , r 越小，气泡中的蒸汽 压越低。
当液体在毛细管中形成凹液面时, 与液相平衡的蒸 * 气压pr *要比正常的蒸气压 p 小。
毛细现象(capillary phenomenon)
根据两相物理状态的不同，界面上的分子和体 相中的分子所处的环境不一样，性质也不同，所 以界面层具有某些特殊性质。
表面和界面
常见的界面有 1.气-液界面 2.气-固界面
表面和界面
4.液-固界面 3.液-液界面
பைடு நூலகம்5.固-固界面
界面现象的本质
表面层分子与内部分子相比，它们所处的环境不同。
体相内部分子所受四周邻近相同分子的作用力是对 称的，各个方向的力彼此抵销；
按照这一思路大家可以讨论一下，保持压力恒定， 在使平面液体蒸发为气体的温度下，能否使毛细管中的 液体气化。
（1） 沾湿 (adhesion)
沾湿是将气-液界面与气-固界面转变为液-固界面的 过程。设当各个界面都为单位面积时,从热力学的角度, 在等温等压可逆条件下过程的Gibbs自由能的变化值 为 Wa G gs gl l s
但是处在界面层的分子，一方面受到体相内相同 物质分子的作用，另一方面受到性质不同的另一相 中物质分子的作用，其作用力未必能相互抵销，因 此，界面层会显示出一些独特的性质。 对于单组分体系，这种特性主要来自于同一物质在 不同相中的密度不同；对于多组分体系，则特性来自 于界面层的组成与任一相的组成均不相同。
pr Vm (l)( pl * - pl ) RT ln p
式中Vm(l)为液体的摩尔体积。该式适用于液-气 两相平衡时,液体的压力改变时与液体平衡的蒸汽压 的变化情况。
Kelvin方程式
如果液体的压力改变是由于液面发生弯曲所造成， 2 M pr * RT ln * －－Kelvin方程式 式中 M, ρ 分别为液体的相对分子质量和密度。 r p
界（表）面张力 (interface tension)
界（表）面张力：在两相界面上，垂直作用于单位 边界线上，指向界面内部方向并与界（表）面相切的 力。单位是N· -1。用 m 表示。
界（表）面张力（surface tension）
如果在金属线框中间系一 线圈，一起浸入肥皂液中，然 后取出，上面形成一液膜。
对界面自由能的影响因素
（1）界面组成 ——液体、固体表面张力的大小与分子 间相互作用力的强弱程度有关，例如 （金属键） （Fe , s , 1673K）= 2.15 N m-1 （NaCl , s , 298K）= 0.227 N m-1 （离子键） （H2O , l , 293K）= 0.07275 N m-1 （极性分子） （C6H14 , l , 293K）= 0.0184 N m-1 （非极性分子） 一般分子间的相互作用力越强，表面张力也越大。 两种液体间的界面张力通常在这两种纯液体的表面张力 之间，例如在293 K时 （H2O ,C6H14）= 0.0511 N m-1。 溶液组成与界（表）面张力的关系将在后面专门讨论。