第三章 表面现象(合)
电子教案与课件：《应用胶体与界面化学》第三章 表面张力与润湿作用
一 、润 湿 作 用
凝聚态物体表面一种流体被另一种流体取代的过程称为润湿(wetting)。例如， 液体将固体表面的气体取代，形成液体膜或液滴。液体取代固体表面气体，液 体不能完全展开的过程称为沾湿(adhesion)。沾湿是原有的气液和固气界面消 失形成新的固液界面。若形成单位界面，此过程在恒温、恒压条件下，自由能 的改变为 WA 称为黏附功，是将单位固液界面拉开外界需做的最小功，WA 表征固液界面(即 固体与液体分子间)作用力的大小。WA＞0(即 ΔGA＜0)是沾湿过程自发进行的条 件。 液体自发在固体表面展开成一薄层，此过程称为铺展(spreading)。铺展是固气 界面消失、气液界面和固液界面形成的过程。若形成单位界面，此过程自由能 的改变为 S 称为铺展系数。此过程自发进行的标准是 ΔS＞0(即 ΔGs＜0)。
一 、 几个小实验
在石蜡表面上的小水滴会自动成球形；在水面上用简单的方法可使金属针(或分 值硬币)漂浮，但不能使它们悬浮于水中；从管口缓慢自然形成的液滴形状与橡 胶薄膜中盛水悬起的形状很相似；插入水中的毛笔笔毛是分散开的，当笔头提 出水面后笔毛并拢，成一体状。这些实验现象说明：①液体表面与体相液体的 性质不完全相同；②液体表面似存在一弹性膜；③液体表面有自动缩小的本能。 液体表面的这些特点可从力学和能量的角度予以解释。
第二节 弯曲液面内外压力差与曲率 半径的关系——Laplace公式
一、Laplace公式的简单导出
二、LaplaBiblioteka e公式的应用举例一、Laplace公式的简单导出
弯曲液面与平液面不同，弯曲液面表面张力在法线方向的合力不等于零。凸液 面，表面张力合力方向指向液体内部；凹液面，合力方向指向液体上方。为保 持弯曲液面的存在与平衡，弯曲液面内外两侧有压力差：弯曲液面突向一侧的 压力总是小于另一侧的；换言之，当液面两侧有压力差时，能形成弯曲液面， 液面突向的一侧压力小，两侧压力差与液体表面张力和弯曲液面的曲率半径有 关。
第三章液体的表面现象
解：设球形泡内部压强先后分别为 P1，P2，由于泡内气体在等温情况下，半径变为原来的
二倍，则V2 8V1 即 P1 8P2 。
设周围大气压强为 P 时，才可能使泡的半径增加为 2.0×10-2m，则根据附加压公式：
P1
1.136
103
4 R1
4 P2 P R2
P1 8P2
解：由于管内气压比大气压大，所以在密封玻璃管内水银上升；根据压强平衡
P内
2 cos r
gh
P0
P0 P内 30 102 Pa
h 1.7cm
3.7 一株高 5m 的树，外层木质管子(树液输管)为均匀毛细管，半径为 2×10-4mm；设树液的 表面张力系数α＝0.05N.m-1，接触角为 45°，问树的根部最小压强为多少，才能使树液上升 到树的顶端(树液的密度近似取水的密度)？
即： P1R13 P2R23
而由气体附加压强可得，
2 p1 p0 gh R1
2 p2 p0 R2
根据以上等式可得： R2= 3.10 半径为 1.0×10-2m 的球形泡压强为 1.136×103Pa 的大气中吹成，如泡膜的表面张力系数α ＝5.0×10-2N.m-1，问周围大气压强为多大，才可能使泡的半径增加为 2.0×10-2m？设这种变化 是在等温情况下进行的。
解：插入水中半径的玻璃毛细管水上升的高度 h
2 cos gr
2 7.3102 1.0 103 9.8r
插入水中半径的玻璃毛细管水上升的高度 h 2 cos 2 4.7 101 gr 13.6 103 9.8r
3.15 移液管中有 1ml 农用杀虫药物，其密度为ρ水=0.095×103kg·m-3，今令其从移液管中缓慢 滴出，共分 30 滴全部滴完。经过测定，已知药物将要下落时，其颈部的直径为 0.189cm， 求药液的表面张力系数。
3液体表面现象
2.固体的表面吸附作用 定义
气体或液体分子附着在固体表面而形成一层薄
膜，使固体表面势能减小的现象称为固体对表面活 性物质的吸附作用。 实例 (P48)粉末与多孔物质 （医学上常用活性碳来吸附胃肠道中的细菌色素、 毒素；水的净化等）
17
§3-2
弯曲液面的附加压强
一、附加压强（additional pressure）
——拉普拉斯公式
Note:
(1) R1和R2为相互垂直的正截口的曲率半径；
(2) 符号规定：
(a) 凸液面时，R1和R2 取＋，pS 0； (b) 凹液面时，R1和R2 取－，pS 0
20
2．柱状液面（R1＝∞,R2 ＝R）
1 1 ps p内 p外 ( ) R1 R2 R
13
影响表面张力系数的因素
与液体的性质有关：不同液体，α值不同；密度小、 易挥发的液体α值较小。如酒精的α值很小，金属 熔化后的α值很大。 与相邻物质性质有关：同一液体与不同物质交界， α值不同。 与温度有关：温度升高，α值减小，两者近似呈线 性关系。( P46 表3-1 ) 与液体内所含杂质有关：在液体内加入杂质，液体 的表面张力系数将显著改变，有的使其α值增加； 有的使其α值减小。使α值减小的物质称为表面活 性物质。
按照能量守恒及转换定律，在恒温情况下，外力克服分子间引 力做功，表面能增加，外力F所作的功应等于液体表面能的增 量。若用△Ep 表示表面能增量，则：
E p W S
表面张力系数α的另一定义：表面张力系数α在数值上等于增 加液体单位表面积时的表面能的增量，即： E α也可用J· -2作单位。 m
21
4. 球形液膜（如肥皂泡），液膜有内外两个表面，如图。
第三章 表面活性剂的界面吸附
当:
C2
<<
C2 dγ bγ 0C2 (1) a, Γ = − = , Γ2 ~ C2 成线性关系 RT dC2 RTa
(1) 2
C2 >>
bγ 0 a, Γ = = Γm , RT
(1) 2
称为极限吸附量或饱和吸附量。 Γm 称为极限吸附量或饱和吸附量。 令 k = 1 , Γ (1 ) = Γ k C 2 2 m a 1 + kC 2
0 2 0 1
a2是溶质2的活度，dγ/da2是在等温下，表面张力γ 随 溶质活度的变化率。
吉布斯吸附等温式的推导： 吉布斯吸附等温式的推导：
根据公式 无体积但有表面， 由于表面相 SS 无体积但有表面，因此
在恒定所有强度量的条件下积分上式得： 在恒定所有强度量的条件下积分上式得
上式微分得dU 两个dU 相减，可得： 上式微分得 s，两个 s相减，可得：
s i
n i = n iα + n iβ + n is = c iα V
α
+ c iβ V
β
+ n is
2 吉布斯吸附等温式
• 由于表面吸附，造成在溶液与气相的交界处存在着一个 浓度和性质与两体相不同的表面薄层，它的组成和性质 是不均匀的。此表面层也可理解为是两体相的过渡区域。 如下图（a）所示。 • 吉布斯从另一角度定义了表面相，他将表面相理想化为 一无厚度的几何平面SS,如下图（b）所示，即将表面层 与本体相的差别，都归结于发生在此平面内。根据这个 假设，吉布斯应用热力学方法导出了等温条件下溶液表 面张力随组成变化关系，称为"吉布斯吸附等温式"。
4.2 表面活性剂在固 液界面的吸附等温线 表面活性剂在固-液界面的 液界面的吸附等温线
第三章表面张力及表面活性剂在界面上的吸附
表面张力的微观成因
表面相分子受力不均 匀，其分子有被拉入 液相的趋势。 这种受力不均匀性是 表面现象产生的微观 成因。
气相
液相
液体的表面积因而有 自发收缩的趋势。
思考题
表面张力与哪些因素有关？即表面张力 受哪些因素影响？
3.2弯曲液面下的附加压力 Curved liquid surfaces with additional pressure
Example 2.4. How large is the pressure in a spherical bubble with a diameter of 2 mm and a bubble of 20 nm diameter in pure water, compared with the pressure outside? For a bubble the curvature is identical to that of a sphere: R1 = R2 = R.
1.
d / dc 0
非表面活性物质
1
如无机盐、不挥发 酸碱以及蔗糖、 甘露醇等多羟基 有机物的水溶液 2. d / dc 0
0
2 3
c2
表面活性物质
3. 表面活性剂：具有两亲性 短链脂肪酸、醇、醛 质能明显降低水的表面张力的 有机化合物。
3.4.1表面过剩和吉布斯等温吸附式
The Gibbs adsorption equation, in its most general form,
Capillary rise method
0 90 ,
Capillary radius r and curvature R have the following equation:
无机化学 胶体溶液【医疗资料】
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6
(2) 动力学性质 A. 布朗运动
在超显微镜下观察溶胶时，可看到胶体粒子不断地 上下往来作不规则运动， 这种运动称为Brown运动。
Brown运动实质上是溶胶粒子本身热运动和分散介 质对它不断撞击的总结果。
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胶粒越小、温度越高、介质黏度越低，Brown运动
越激烈。
Brown运动使胶粒具有一定能量，可以克服重力
的照片哦。
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当光线射入粗分散系时，主要发生反射现象， 光线无法透过，可观察到体系呈现浑浊不透明；
当光线射入溶胶时，发生散射现象，在光线的 垂直方向可观察到一条明亮的的光柱；
当光线射入真溶液，光几乎全部透过，整个溶 液是透明的。
Tyndall 效 应 是 溶 胶 的 特 征 ， 可用来区分三类分散系。
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(3) 电学性质
+
在溶胶内插入两个电极接 通直流电源后，可观察到 胶体粒子的定向移动。这 种在外电场作用下，分散 质粒子在分散剂中的定向 移动称为电泳。
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漏斗
-
电极
Fe(OH)3 溶胶， 带正电 U形管
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Fe(OH)3溶胶的电泳现象
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通过电泳实验，可以证
明胶粒是带电的，电泳的
胶粒与溶液中的分散剂接触时，表面分子发生 解离，有一种离子进入溶液，而使胶粒带电。
例如，硅酸溶胶的胶粒是由很多硅酸分子 (xSiO2·yH2O) 缩合而成，胶粒表面的 H2SiO3 分 子发生解离，使硅胶粒子带负电。
H2 SiO3
H SiO3 H
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3. 胶团结构 以Fe(OH)3溶胶为例
表面现象
g -l
若σs-g-σs-l =σg-l ，cos＝1，＝ 0，完全润湿； 若 σs-g-σs-l < σg-l ， 0< cos < 1， 0 < < 90，润
湿； 若σs-g < σs-l ， cos < 0， 90 < < 180，不润湿
防雨设备, 农药配制, 机械润滑, 矿物浮选, 注水采油, 金属焊接, 印染及洗涤等方面都与润湿有关。 药物制剂中很多方面要用到润湿，如外用的散剂， 片剂中的崩解剂，注射瓶中的针剂。
第六章
表面现象
引 言
•界面: 两相的接触面. 其中一相为气相的界 面习惯上称为表面. •界面现象是自然界中普遍存在的基本现象, 如润湿现象,毛细现象, 过饱和(过冷, 过热等) 现象, 吸附现象等. •产生界面现象的主要原因是处于界面层中的 分子与物质内部的分子存在力场上的差异, 两 者的化学势大小不相等. •高度分散的物质具有巨大的界面积,往往产生 明显的界面效应.
固定的 障片
可移动 的障片
• 油酸单分子膜示意图
二、表面活性剂的分类
阴离子表面活性剂 如肥皂 RCOONa 离子型表 面活性剂
阳离子表面活性剂
如胺盐 C18H37NH3+Cl－
表面活性 物质分类
非离子型 表面活性剂
两性表面活性剂
如氨基酸型R-NH-H2COOH 如聚乙二醇类 HOCOH2[CH2OCH2]nCH2OH
σ
I 无机酸, 碱, 盐等.
σ0
Ⅱ 有机酸, 醇, 酯, 醚, 酮等.
Ⅲ 肥皂, 合成洗 涤剂等. c
• 水溶液表面张力与溶质浓度的关系
二、吉布斯吸附等温式
c d 吉布斯吸附等温式： RT dc T
化学原理：第三章 表面现象
从单位上来看，实质是表面张力的单位。
——
第一节 表面张力和表面能
由于净吸引力的存在，
表 面
把内部分子移到表面所作的
张 表面功转化为表面分子的位
力 的 理
能，单位表面的表面分子所 具有的位能（即表面能）就
解 是表面张力。
能 的 角
U s A
J m2
N m m2
N m
度
从单位上来看，实质是表面张力的单位。
第一节 表面张力和表面能
人类对一个事物的认识和理解是不断发展变化的，分析 问题和解决问题的角度也是多方面的。例如：圆锥和光
表 面 张 力 的 理 解
圆锥
侧面——三角形
底面——圆
光电效应（E=mC2）角度：光子、粒子性；
波的角度：光是一种电磁波。因此，光具有波粒二象性。
同样，对于表面张力的理解也可以分为以下几个方面。
丝线也受到同样的拉力，只是由于丝线两侧都有液膜，液膜对丝线各部
分施加的净拉力为零。
表面张力是一种收缩力，作用在表面的边界线上，垂直于边
界线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 一条线的两侧，垂直于该线，沿着液面拉向两侧。
第一节 表面张力和表面能
——
表
面
张
力
的
理
解
2L
力
W1
的 角
W2
第一节 表面张力和表面能
——
表 面 张 力 的 理 解
丝线圈内肥皂膜未刺破时
丝线圈内肥皂膜刺破时
力
金属环上系一丝线圈，把金属环连同丝线圈一起浸入肥皂液中，然
的 角 度
后取出，环中就形成一层液膜，而丝线圈可在液膜上自由游动。如果把 丝线圈内的液膜刺破，丝线圈即被弹开形成圆形，就好象液面对丝线圈
医学物理学习题解答(第3版)
《医学物理学（第3版）》习题解答2009.10 部分题解2－10．解：已知 363102525m cm v -⨯==; a P .p 511051⨯= a P .p 521011⨯=()())J (..vp p 110251011105165521=⨯⨯⨯-⨯=-=ω∴-2-11．10-5s第三章 液体的表面现象3-1．解：设由n 个小水滴融合成一个大水滴，释放出的能量为P E ∆。
n 个小水滴的总表面积S 1=24r n ⋅⋅π，大水滴的表面积S 2=42R ⋅π，利用n 个小水滴的体积等于一个大水滴的体积，可求出n 即n ×334r ⋅π=334R ⋅π 所以n ×334r ⋅π=334R ⋅π; ()()936333310102102=⨯⨯==--r R n 个 将910个半径为2×310-mm 小水滴融合成一个半径为2mm 的大水滴时，其释放的能量等于表面能的减少，所以 )44()(2221R r n S S E P ⋅-⋅⨯=-=∆ππαα=3612931066.3)10414.3410414.3410(1073----⨯≈⨯⨯⨯-⨯⨯⨯⨯⨯J3-2解：由于肥皂泡非常薄，因此可忽略肥皂泡的厚度，取外内＝R R ＝2d＝0.05m 。
因为肥皂泡有内外两个表面，所以肥皂泡增加的表面积242R S π⨯=∆。
根据SW∆=α可得吹一个直径为10cm 的肥皂泡，需要做的功 4423108105421040---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=∆⋅=ππαS W J 又因为增加表面能等于外力所做的功 W E P =∆ 所以 4108-⨯==∆πW E P J根据拉普拉斯公式，可得球形液面的内外压强差 ＝－外内p p Rα2由于肥皂泡有内外两个表面，所以其内外压强差 ＝－外内p p 2.3100.510404423=⨯⨯⨯=--R α(P a ) 3-3．解：根据拉普拉斯公式，可得球形液面的内外压强差 ＝－外内p p Rα2 所以，当肺泡的半径为0.04mm 时，它的内外压强差为＝－外内p p 353100.2100.4104022⨯=⨯⨯⨯=--R α(P a ) 3-4．解：根据拉普拉斯公式可得球形液面的内外压强差 ＝－外内p p Rα2 因为气泡在水下面只有一个球形表面，所以气泡的内外压强差＝－外内p p Rα2 而 h g p p ⋅⋅+ρ0＝外 所以,气泡内的压强 h g p p ⋅⋅+ρ0＝内＋Rα2 即 内p ＝1.013×105＋310×9.8×10＋5331001.2101.010732⨯=⨯⨯⨯--(P a ) 3=5．解：根据毛细现象的公式 θραcos 2rg h ⋅⋅=由于乙醇能完全润湿玻璃壁，所以接触角O=0θ，故 rg h ⋅⋅=ρα2所以 332107.2221015.08.97911090.32---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=⋅⋅⋅=r g h ρα (N/m) 3-6．解：根据毛细现象的公式 θραcos 2rg h ⋅⋅=由于水能完全润湿玻璃壁，所以接触角O =0θ，故 rg h ⋅⋅=ρα2所以 112r g h ⋅⋅=ρα 222r g h ⋅⋅=ρα⎪⎭⎫⎝⎛⨯-⨯⨯⨯⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-=-=∆---3333212121105.11105.018.9101073211222r r g gr gr h h h ραραρα ＝1.99×210-(m)＝1.99(cm)3-7．解：根据毛细现象的公式 θραcos 2rg h ⋅⋅=;由于水能完全润湿毛细管，所以接触角O =0θ，因此水在毛细管中上升的高度为 rg h ⋅⋅=ρα2而管中水柱的高度r g R h ⋅⋅+='ρα223333103.5103.08.91010732103----⨯=⨯⨯⨯⨯⨯+⨯=(m)=5.3(cm)3-8．解：：根据毛细现象的公式 θραcos 2rg h ⋅⋅=由于水和丙酮能完全润湿毛细管，所以接触角O =0θ，因此水和丙酮在毛细管上升的高度分别为rg h ⋅=水水ρα21 ① rg h ⋅=酮酮ρα22 ②②式除以①式可得 酮水水酮ρραα⋅=t h h 12 所以 3332212104.32107310105.2792104.1-⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⋅⋅－－－水水酮酮＝＝αρραh h (N/m) 3-9．解：根据毛细现象的公式 θραcos 2rg h ⋅⋅=由于血液在毛细管产生完全润湿现象，所以接触角O =0θ，故 rg h ⋅⋅=ρα2所以,血液表面张力系数3332109.572105.08.91005.11025.22---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⋅⋅⋅=r g h ρα (N/m)第四章 振动和波动及超声波成像的物理原理4－2.解：已知 kg M 5=；()cm t cos x 44010π+π=（1） 由()cm t cos x 44010π+π=得m cm A 11010-==；)srad (π=ω40；mk 2=ω； m k 2ω= 则)J (.)J (.mA kA E 384394400105160021212122222=π=⨯⨯π⨯=ω==s .T 0504022=ππ=ωπ=； Hz Tf 201==； ()()sm 43t 40cos 4s m 4t 40sin 4vπ+ππ=π+ππ-= ()()2222sm 45t 40cos 160s m 4t 40cos 160a π+ππ=π+ππ-=（2） 当s .t 21=时，则()m .cos x 2110254214010--⨯=π+⨯π=；()sm .cos v π=π+⨯ππ=224321404)J (kx E );J (mv E p k 242222220105051600212120852121π=⨯⨯⨯π⨯==π=π⨯⨯==-(或)J (E E E k p 222202040π=π-π=-=)4－3.解：已知cm A 2=；0=t 时，刚好向x 反向传播;πω==250Hz f , 则 s rad π=ω100()ϕ+ω=t cos A x ，0=t 时 0=x 则 2πϕ±=又由 ()0sin 〈+-=ϕωωt A v ， 得 2π=ϕ所以，振动方程为 cm 2t 100cos 2x ⎪⎭⎫ ⎝⎛π+π=速度方程为 s cm t sin v ⎪⎭⎫ ⎝⎛π+ππ-=2100200 s m t cos ⎪⎭⎫ ⎝⎛π+ππ=231002 ；s m 2v m π= 加速度方程为 222100200s m t cos a ⎪⎭⎫ ⎝⎛π+ππ-=；22m s m 200a π= 4－4. 解：（１）2A x =时，222121kA kx E p ==； 41218122==kA kAE E p 即势能占总能量的25%，动能占总能量的75% 。
《粉体工程》课程笔记
《粉体工程》课程笔记第一章颗粒物性1.1 颗粒粒径和颗粒分布颗粒粒径是指颗粒的线性尺寸，通常用直径表示。
颗粒的形状、大小和分布对其物理和化学性质有重要影响。
颗粒分布是指颗粒大小的分布情况，可以通过粒度分布曲线来表示。
粒度分布曲线通常以颗粒直径的对数为横坐标，以对应直径的颗粒体积或质量分数为纵坐标。
颗粒的粒径分布可以分为单峰分布和双峰分布。
单峰分布是指颗粒大小集中在某个范围内，而双峰分布则是指颗粒大小分布在两个不同的范围内。
颗粒的粒径分布对其堆积、流动性等物理性质有重要影响。
1.2 颗粒形状和表面现象颗粒形状是指颗粒的外形特征，可以分为规则形状和不规则形状。
规则形状的颗粒如球形、立方体等，而不规则形状的颗粒则呈现出各种复杂的几何形状。
颗粒的形状对其堆积、流动性等物理性质有重要影响。
表面现象是指颗粒表面的吸附、反应、润湿等性质。
颗粒的表面现象对其在流体中的沉降、分散等行为有重要影响。
例如，表面活性剂可以改变颗粒的润湿性，从而影响其在流体中的分散性。
1.3 颗粒间的作用力颗粒间的作用力主要包括范德华力、静电力、氢键等。
这些作用力对颗粒的团聚、分散、堆积等行为有重要影响。
范德华力是由于颗粒表面分子的瞬时偶极矩引起的吸引力，静电力是由于颗粒表面带电而产生的相互作用力，氢键则是一种特殊的相互作用力，常见于含有氢键供体和受体的颗粒之间。
颗粒间作用力的强度和性质决定了颗粒体系的稳定性。
当颗粒间作用力较弱时，颗粒容易发生分散；而当颗粒间作用力较强时，颗粒容易发生团聚。
1.4 颗粒的团聚与分散颗粒在空气中或其他介质中容易发生团聚现象。
颗粒的团聚会导致其堆积密度降低，流动性变差。
颗粒的分散是指颗粒在介质中均匀分布，颗粒的分散性对其在流体中的沉降、输送等行为有重要影响。
颗粒的团聚与分散可以通过调节介质性质、添加分散剂等方法来控制。
介质性质包括介质的pH值、离子强度等，这些参数可以影响颗粒表面的电荷和润湿性，从而影响颗粒的分散性。
【精品课件】胶体溶液和表面现象
胶体粒子带电的主要原因：
吸附作用 固体吸附剂优先选择吸附与它组成相关的 离子，或者能够在固体表面上形成难电离或难 溶解物质的离子。“相似相吸原理”
例如：Fe(OH)3胶体粒子很容易吸附与它结 构相似的FeO+离子，而带正电荷。 [Fe(OH)3]m·nFeO+
FeO+ FeO+ FeO+
FeO+
3、电学性质——电泳
直流电
电泳管示意图
电泳管中:
Fe(OH)3溶胶向负 极移动，说明 Fe(OH)3 溶胶中分散质粒子带 正电荷。As2S3向正极 移动， As2S3溶胶中分 散质带负电荷。
电泳： 在电场中，分散质粒子作定向移动，称为电泳。
胶粒带正电荷称为正溶胶,一般金属氢氧化物 的溶胶即为正溶胶。 胶粒带负电荷称为负溶胶,如：土壤、硫化物 、硅酸、金、银、硫等溶胶。
要掌握
三价离子>>二价离子>>一价离子
如：对于As2S3溶胶（负溶胶）的聚沉能力
AlCl3>CaCl2>NaCl
对于Fe(OH)3溶胶（正溶胶）的聚沉能力
K3[Fe(CN)6] >K2SO4>KCl
要掌握
要掌握
练习： 1. 将20ml 0.1mol / L的AgNO3与10ml
0.1mol / L的KI溶液混合。下列电解质中，对 AgI溶胶聚沉能力最强的是（ ）。
1、高分子化合物的分子量可达几百万，长 度可达几百纳米，但截面积只 相当于一个普 通分子大小。 2、是单个分子分散的单相体系，是真溶液， 溶解过程是自动的，也是可逆的，是热力学 的稳定体系。
3、无丁达尔效应因为高分子化合物分子中含 有大量的亲水基团(-OH， -COOH、-NH2 )， 溶剂化作用强，溶质与溶剂间无界面。
第三章 第4节 液体的表面张力
第4节液体的表面张力一、液体的微观结构1．分子距离：液体不易被压缩，表明液体分子之间的距离很小。
2．液体具有流动性：液体不像固体那样具有一定的形状，而且液体能够流动。
3．分子力：液体分子间的作用力比固体分子间的作用力要小。
二、液体的表面张力1．概念：液体的表面就像紧绷着的橡皮膜，它有着一种收缩的趋势。
液体表面存在的这种收缩力叫做表面张力。
2．特点：使液体的表面积趋向最小。
3．成因：在液体的表面层分子间距较大，分子间表现为引力。
[特别提醒]液体的宏观特性及现象都是由分子的微观结构决定的，因此，在解决有关液体问题时，要从分子的微观结构特点着手分析。
1．判断：(1)荷叶上的小水滴呈球形，这是表面张力使液面扩张的结果。
()(2)液体表面张力形成的原因是液体表面层的分子分布比内部密集。
()(3)表面层中分子力表现为引力。
()答案：(1)×(2)×(3)√2．思考：分析小液珠均为球型的原因。
提示：液体的表面张力有使液体表面积收缩到最小的趋势，而在体积相同的情况下，球的表面积最小，故均为球形。
1.规则的排列，这种区域是暂时形成的，边界和大小随时改变，有时瓦解，有时又重新形成。
液体由大量的这种暂时形成的小区域构成，这种小区域杂乱无章地分布着，因而液体表现出各向同性。
2．液体具有一定的体积：液体分子的排列更接近于固体，液体中的分子密集在一起，相互作用力大，主要表现为在平衡位置附近做微小的振动，所以液体具有一定的体积，不容易被压缩。
3．液体分子间的距离小，相互作用力很大，液体分子的热运动与固体类似，主要表现为在平衡位置附近做微小的振动。
但液体分子没有长期固定的平衡位置，在一个平衡位置附近振动一小段时间以后，又转移到另一个平衡位置附近去振动，即液体分子可以在液体中移动，没有一定的形状，这就是液体具有流动性的原因。
液体中的扩散现象是由液体分子运动产生的。
分子在液体里的移动比在固体中容易得多，所以液体的扩散要比固体的扩散快。
胶体与表面化学课程大纲及重点
胶体与表面化学第一章绪论（2学时）1.1胶体的概念什么是胶体，胶体的分类1.2胶体化学发展简史1.3胶体化学的研究对象表面现象，疏液胶体，缔合胶体，高分子溶液。
重点：胶体、分散系统、分散相、分散介质的概念。
难点：胶体与表面化学在矿物加工工程中的作用及意义。
教学方法建议：启发式教学，引导学生对胶体及表面化学的兴趣。
第二章胶体与纳米材料制备（4学时）2.1胶体的制备胶体制备的条件和方法，凝聚法原理。
2.2胶体的净化渗析、渗透和反渗透。
2.3单分散溶胶单分散溶胶的定义及制备方法。
2.4胶体晶体胶体晶体的定义及制备方法2.5纳米粒子的制备什么是纳米材料，纳米粒子的特性及制备方法重点：胶体的制备、溶胶的净化、胶体晶体的制备。
难点：胶体制备机理。
教学方法建议：用多媒体教学，注重理论联系实际。
第三章胶体系统的基本性质（8学时）3.1溶胶的运动性质扩散、布朗运动、沉降、渗透压和Donnan平衡。
3.2溶胶的光学性质丁道尔效应和溶胶的颜色。
3.3溶胶的电学性质电动现象、双电层结构模型和电动电势（。
电势）3.4溶胶系统的流变性质剪切速度越切应力，牛顿公式，层流与湍流，稀胶体溶液的黏度。
3.5胶体的稳定性溶胶的稳定性、DLVO理论、溶胶的聚沉、高聚物稳定胶体体系理论。
3.6显微镜及其对胶体粒子大小和形状的测定显微镜的类型及基本作用重点：沉降、渗透压、电泳、电渗、。
电势的计算、双电层结构模型、DLVO理论、溶胶的聚沉。
难点：双电层结构模型。
教学方法建议：多媒体教学和板书教学相结合。
第四章表面张力、毛细作用与润湿作用（6学时）4.1表面张力和表面能净吸力和表面张力的概念、影响表面张力的因素、液体表面张力和固体表面张力的测定方法。
4.2液-液界面张力Anntonff规则、Good-Girifalco公式、Fowkes理论和液-液界面张力的测定。
4.3毛细作用与Laplace公式和Kelvin公式毛细作用，Laplace公式和Kelvin公式的应用，曲界面两侧的压力差及与曲率半径的关系，毛细管上升或下降现象，弯曲液面上的饱和蒸气压。
3.涂料中的流变学与表面化学(1)
另一种是单位体积固体所具有的表面积。即：
Am / m
或
AV A / V
式中，m和V分别为固体的质量 和体积，A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。
3.2.3 表面张力和表面自由能
一.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。
（C）宾汉流体 必须在一定的剪切力下才能发生流动的流体。 图中曲线B。 绝大多数高粘度溶剂型涂料属于非牛顿型流体。 它们的粘度值是一种表观粘度，其剪切速率与剪切
力不成正比。
剪切速率与黏度的关系
图中：N为牛顿型流 体；P为假型性流体； d为膨胀性流体；B为 宾汉流体
（2）剪切力与剪切速率的关系
图中：N为牛顿型流体；P为假塑性流体；d为
乳胶的粒子通常是可以变形的，假定它是球形， 在搅拌时，受剪切力的作用，可以变形为橄榄球形。
剪切作用下的弹性粒子
乳胶粒子的形变使得Φ值增加，Kc值减少，式
中第二项的值将减少，黏度下降。
一般涂料中的颜料外面都吸附有一层树脂，也 像一个弹性体，在剪切力作用下，同样可以发生形
变，使体系的黏度下降。
剪切作用下的弹性粒子
它们为什么可以漂在水面上令人思考的表面现象水在毛细管中为什么会上升表面化学与其他学科的联系生命科学生物膜及膜模拟化学能源科学三次采油煤的液化化学电源材料科学超细材料材料的表面改型信息科学lb膜微电子器件界面化学的发展和现状1805young提出界面张力概念1806ps
第三章 涂料中的流变学 与表面化学
切。
二. 表面自由能
从能量的角度看，表面张力也可以看作为表面自 由能。
胶体化学界表面现象
表面与界面化学虽是物理化学的传统研 究领域，但由于电子能谱、扫描隧道显微镜 等新的实验技术的出现，使得表面、界面效 应及粒子尺寸效应的知识呈指数上升式的积 累，提出了在分子水平上进行基础研究的要 求。当前涉及这一领域的研究已成为催化、 电化学、胶体化学的前沿课题，并与生命科 学、材料科学、环境科学、膜技术及医药学 密切相关，是这些相关学科要研究和解决的 核心课题之一。
2.2.1.液体的表面张力
一、表面张力
1.现象：
(1).液体表面有收缩到最小的趋势； (2).液面像紧绷的弹性薄膜。 说明：液面上存在沿表面的收缩力作用，这种力 只存在于液体表面。 2.表面张力 (1) 表面层：在液体与气体交界面，厚度等于分 子有效作用距离(=10-8 m) 的一层液体。 (2) 表面张力：液体的表面层中有一种使液面尽 可能收缩成最小的宏观张力。
比表面gibbs函数和表面张力在数值上是相等的关于表面张力关于表面张力11表面张力是由于处于表面层的分子受到净吸力的作用而产生的与表面相切与表面张力是由于处于表面层的分子受到净吸力的作用而产生的与表面相切与净吸力相互垂直引起液体表面自动收缩的力净吸力相互垂直引起液体表面自动收缩的力22表面张力与表面吉布斯自由能是同一数值的二个不同概念前者从力学角度而后者表面张力与表面吉布斯自由能是同一数值的二个不同概念前者从力学角度而后者从能量角度讨论界面所存在现象从能量角度讨论界面所存在现象33表面张力是物质的自然属性与温度压力组成以及共存的另一相有关表面张力是物质的自然属性与温度压力组成以及共存的另一相有关物质本身的性质极性液体比非极性液体大固体比液体大正庚烷005020415纯液体的表面张力是指与饱和了其本身蒸汽的空气之间的界面张力
w 表面＝－dA
dG
(G A) T,p, n
第三章表面张力及表面能
• 2 × 0.01 m × 0.072 Jm−2 = 1.44 × 10−3N
That corresponds to a weight of 0.15 g.
How can we interpret the concept of surface tension on the molecular level?
For molecules it is energetically favorable to be surrounded by other molecules. Molecules attract each other by different interactions such as van der Waals forces or hydrogen bonds.
乙醚
甲醇 乙醇 硝基苯 苯 苯 甲苯 四氯化 碳
25
20 20 20 20 30 20 220.1422.50 22.39 43.35 28.22 27.56 28.52 26.76
一些油水界面张力（20℃）
界面 界面张力(mN/m) 界面 界面张力(mN/m)
苯－水
35.0
正辛醇－水
8.5
四氯化碳－水
一些液体的表面张力
液体 全氟戊 烷 温度／ ℃ 20 表面张力 (mN/m) 9.89 液体 三氟甲 烷 温度 /℃ 25 表面张力 (mN/m) 26.67
全氟庚 烷
全氟环 己烷 正己烷 正庚烷 正辛烷 水 水 水
20
20 20 20 20 20 25 30
13.19
15.70 18.43 20.30 21.8 72.8 72.0 71.2
AS 4 r 2 4 4 / 3 cm2 4.84 104 cm2
第三章热力学的基本知识(教学用)
第二节 液体的表面现象
树木为什么象抽水机一样， 能将地下的水运送到树冠？
肥皂膜收缩把线拉成一个弧形 线被绷紧
一、 表 面 张 力 和表面能
液体和气体的分界处, 液体表面分子受 液体内部分子的引力作用, 部分进入液体 内部, 使得表面层分子密度降低，间距增 大, 分子间相互表现为引力
这样就使得液体表面有一种收缩的趋势
A1
x z viy
vi vixi viy j viz k
它与器壁碰撞时受到器壁的作用力。 在此力的作用下，i 分子在x 轴上 的动量由mvix变为-mvix，x轴上的 动量的增量为：
vi
vix viz
－mvix－mvix 2mvix
所需的时间为2x/vix，在单位时间内，i分子作用在A1面的总冲量为
由于液滴处于稳定状态
所以这三个力应平衡 即 F1 F2 F3
2 2 x / vix mvix / x 2mvix /
由牛顿第二定律知道 i 分子对容器壁的作用力为
f i mv / x
2 ix
•大量分子对器壁的作用力
F
压强
v fi m x
2 ix
F m 2 p vix yz xyz
2 vix N N pm m xyz N V 2 vix
（一）分子平均平动动能
1、理想气体状态方程的分子形式
设一个分子的质量为m，质量为m’的理想气体的分子数为N， 1摩尔气体的质量为M，则m’=Nm, M=NAm。代入理想气体 的物态方程
m pV RT M
mN N pV RT RT mN A NA
N R P T V NA
p nkT
总自由度
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从能量角度推导曲界面两侧压差公式：
对于液体下的一个气泡，半径为r，我们 试图使其半径增加dr，则 dV=4r2dr ， 体积增加 表面积增加 dA= 8rdr ， 此过程作功： W=pdV=p 4r2dr
膨胀功
曲界面两侧压差公式推导 按照表面能的概念，表面能增加 dA= 8rdr 因此 p 4r2dr= 8rdr
沿气液固三相交点对液滴表面所作
切线与液固界面所夹的角。
1、接触角
空气
空气
玻璃表面
玻璃表面
1、接触角
定义：接触角（润湿角）
沿气液固三相交点对液滴表面所作 切线与液固界面所夹的角。 <90°,润湿好
>90°,润湿不好 =0°,完全润湿 =180°,完全不润湿
空气 空气
玻璃表面
玻璃表面
找接触角步骤
主要内容
一、气液界面上的吸附 二、液液界面上的吸附 三、固体从溶液中吸附
一、气液界面上的吸附
吸附量：单位面积上吸附的物质的量。 脂肪酸的吸附规律 甲酸 HCOOH 乙酸 CH3COOH 丙酸 丁酸 CH3CH2COOH
CH3CH2CH2COOH
一、气液界面上的吸附
HCOOH
第三章
表面现象
界面与表面：
密切接触的两相的过渡区，称为界面，如果其中 一相为气相，称为表面。 气液、气固、液液、液固、固固界面
界面现象： 指发生在界面上的一切物理现象（如吸附、 润湿） 和化学现象（如在固体催化剂表面上 发生催化反应）。
本章内容
1 表面张力
2 曲界面两侧的压力差
3 吸附
4 润湿
W粘= Us =气液（1+cos）
说 明
1、粘附功意义 2、改变粘附功的方式 3、第三相也可以指液相
W粘= 气液（1+cos）
从粘附功分析驱油效率(洗油效率)
W粘= 油水（1+cos）
水
油滴 砂粒
三、润湿程度的决定因素与润湿反转现象
1、液体和固体的性质是润湿程度的决定 因素 2、第三种物质的物质加入（表面活性物 质）
c
1 n
1 lg lg c lg n
1、经验公式
(2)Langmuir吸附等温式
饱和吸附 量
bc 1 bc
Байду номын сангаас
Г -每千克固体所吸附溶质的物质的量， mol/kg C-溶液中溶质的浓度，mol/l b-吸附系数，mol/l,与温度、溶质、溶剂和固 体性质有关的常数
1、液体和固体的性质是润湿程度的 决定因素
液体的分类
极性液体 非极性液体 极性固体，硅酸盐、碳酸盐、硫酸盐 非极性固体，有机固体、硫化物
固体的分类
液体与固体的润湿性关系
2、表面活性物质对润湿性的影 响与润湿反转
水
水
亲水表面反转为亲油表面
2、表面活性物质对润湿性的影 响与润湿反转
固液
固体
σ 气固 σ液固 arc cos σ 气液
2 粘附功
液 固
做功
液 固
将单位面积（如1m2）固液界面在第三相 中拉开所作之功。
液 固
做功
液 固
Us= 气液 1m2 + 气固 1m2 - 液固 1m2 =（ 气液+ 气固-液固） 1m2 W粘= Us
σ气固 σ液固 σ气液 cosθ
例2
2 pa p1 r 2 pa p 2 R
上两式相减 2 2 p2 p1 r R 由 于p2 p1 gh
2 2 gh r R 2 R r h gRr
练 习
104页7题
3
1 2
练 习：推导肥皂泡内外压差计算公式
R2
单位表面所具有的表面能（能量） 增加单位表面所需要做的功（功） 作用在单位长度表面的力（力）
从力角度理解表面（界面）张力
（1）作用在表面的边界线上； （2）垂直于边界线； （3）指向表面的中心并与表面相切
二、影响表面张力大小的因素
表 面 张 力
净 吸 引 力
二、影响表面张力大小的因素
（2）极性固体从非极性溶剂中吸附带烃链的表
面活性物质时，烃链越长，吸附量越小； 非极性固体从极性溶剂中吸附带烃链的表面 活性物质时，烃链越长，吸附量越大
代表脂肪酸
（3）若溶质在不同的溶剂 中有不同的溶解度，则
溶解度越小的溶质在固
体表面的吸附量越大。 苯甲酸在四氯化碳和苯 中的溶解度之比为 4.18:12.43，若用硅胶
第四节 润湿
一、润湿概念
二、润湿程度的衡量标准
三、润湿程度的决定因素与润湿 反转现象
一、润湿概念
润湿定义
固体表面上一种流体被另一种流体取代 引起表面能下降的过程。
可理解为： 固体表面的A流体能自发取代B流体，认 为A在固体表面是润湿的。
二、润湿程度的衡量标准
1、接触角
2、粘附功
1、接触角 定义
1、经验公式
(2) Langmuir吸附等温式
bc 1 bc
1 1 1 bc
2、经验规律
（1）溶质为非电解质或弱电解质，固 液界面的吸附规律 （2）溶质为电解质时的吸附规律 （法扬斯法则，Fajans' rule）
（1）极性固体易于吸附极性溶质，非 极性固体易于吸附非极性溶质 （极性相近规则）
说 明
1、注意单位的使用 2、d/dc的含义及求法 3、d/dc与吸附量的符号 4、由热力学导出，适应于气液界面和液液 界面（稀溶液）
c d 1 d RT dc RT d ln c
c d 1 d RT dc RT d ln c
练 习
苯内部
气体内部
水内部
水内部
二、影响表面张力大小的因素
3 相界面性质
(1) 液气与液液
(2) 界面上吸附的物质 表面活性物质
表面活性剂
三、表面能自动趋于减少的规律
在净吸引力的作用下，表面有自动收缩 的倾向（液体表面就如同一层绷紧了的富于 弹性的橡皮膜，不是很贴切的类比）。 在等温条件下，表面能自动趋于减少。 曲界面压力差、吸附、润湿和毛细管现 象都是该规律起作用的表现。
吸附苯甲酸，则在四氯
化碳的吸附量大。
（4）温度对吸附量的影响
温度升高，固体对溶质的吸引力减
少;
温度升高，溶质在溶剂中的溶解度 会发生变化（增加或减少）.
溶质为电解质时的吸附规律 （法扬斯法则，Fajans' rule）
当离子键固体从溶液中吸附离子时， 若溶液中的离子能和固体中的异号离子形 成难溶盐，则该离子优先被吸附。
1、温度越高，表面张力越低
二、影响表面张力大小的因素
2 压力变高，表面张力变低; 压力对液液界面 张力影响小
二、影响表面张力大小的因素
3 相界面性质 (1) 取决于物质本性
二、影响表面张力大小的因素
3 相界面性质 (2) 取决于相界面性质 (水-空气)=72.0mN/m (水-苯)=32.6mN/m
在25C时，乙醇的水溶液的表面张力与其浓 度的关系为（Cb为乙醇的浓度）： σ=72 – 0.5Cb + 0.2 Cb2 式中，σ的单位为mN· -1，Cb的单位为 m mol· -1。计算乙醇的浓度在0.5 mol· -1的 L L 吸附量。
二、液液界面上的吸附
液液界面与气液界面的相同点：
油
油
亲水表面反转为亲油表面
第五节
毛细管现象
一、毛细管上升或下降现象
6 1
r
5
h 4 2
球型曲 界面
3
表面物理化学，谈慕华
6 1
r
r
2 p6 p1 r
5
p3 p4 p2
p5 p6
p2 p1 w gh p4 p5 o gh p5 p1 ( w o ) gh
第二节 曲界面两侧的压力差
曲界面压差的实验证明
p2 p1
p2
P1> P2
p1
p2
从能量的角度阐述曲界面两侧压差产生原因： 气泡能否自发形成？ 不会
内侧压力
外侧压力
气泡形成的过程，是表面能增大的过程。 要形成气泡，必须对体系做功。 保持p = p1 – p2 ,使气泡膨胀——膨胀功
最终膨胀功 等于表面能的变化 表面能自动趋于减少的规律起作用的结果
· ·· C
B
R1
· A
练 习：推导肥皂泡内外压差计算公式
4 P大内 P0 R大 4 P小内 P0 R小
第三节
吸 附
基本概念
吸附：相表面浓度与相内部浓度不同的现象。 正吸附：相表面浓度大于相内部浓度的现象。 负吸附：相表面浓度小于相内部浓度的现象。
基本概念
表面活性物质：产生正吸附从而使表面张力 降低的现象。有机酸、醇、 醛、酮等。 表面惰性物质：产生负吸附从而使表面张力 升高的现象。无机酸、碱、 盐等。
5 毛细管现象
第一节 表面能与表面张力
一、表面张力
1 净吸引力。 2 净吸引力指向液体 内部。 3 克服净吸引力做功。 4 表面能。
Us A U s A U s A Us U s 比表面能 A A J Nm N 单 位 2 2 m m m 因 此 ， 比 表 面 能 又 叫面 张 力 表