物理化学 8章表面化学与胶体化学
第八章 土壤胶体化学和表面反应
（三）土壤胶体双电层结构和表面电位
胶体微粒
胶核 双电层
决定电位离子层（内） 非活性离子层
补偿离子层（外） 扩散层
当静电引力与热扩散相平衡时，在带电胶体表 面与溶液的界面上，形成了由一层固相表面电荷和 一层溶液中相反符号离子所组成的电荷非均匀分布 的空间结构，称为双电层***(图8-2)。
们都称为盐基离子。
（2）盐基饱和度(base saturation percentage)BSP
在土壤胶体所吸附的阳离子中，盐基离子的数量
占所有吸附的阳离子的百分比，叫盐基饱和度***。
盐基饱和的土壤具有中性或碱性反应； 而盐基不饱和的土壤则具有酸性反应，为酸性土壤；
盐基饱和交阳度换离性子盐交基换总量当量量（/量1/1（ 0毫 0克0克0毫克土土克当））100%
中
高
***影响土壤阳离子交换量的因素有：
（1）质地 质地越粘重，含粘粒越多的土壤， 其阳离子交换量也越大。
质地
砂土 砂壤土 壤土
粘土
CEC
1~5
7~8
（2）有机质 OM % CEC
15~18
25~30
（3）胶体的性质及构造
蒙脱石 ＞ 高岭石
（4）pH值 在一般情况下，随着pH的升高，土壤 的可变电荷增加，土壤的阳离子交换量也增加。
表8-3 不同类型土壤胶体的阳离子交换量
土壤胶体
CEC[cmol(+).kg-1]
腐殖质 蛭石 蒙脱石 伊利石 高岭石 倍半氧化物
200 100-150 70-95 10-40
3-15 2-4
4．影响阳离子交换能力的因素**
（1）电荷的影响；
表面与胶体化学表面吸附.pptx
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第Ⅳ和Ⅴ型等温线属于有毛细管凝聚作用的吸附，因此BET两常数或三常数公式均不能说明这两种类型 等温变化的规律。
BET理论没考虑到表面的不均匀和分子之间的相互作用。这就决定了它的局限性，有一定的适用范围。 许多结果表明，低压时实验吸附量较理论值偏高，而高压时又偏低。
一.物理吸附与化学吸附
按吸附作用力的不同，可将吸附区分 为物理吸附和化学吸附。
物理吸附的作用力是分子间力，如 范德华力和氢键。
化学吸附的作用力是化学键力。
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物理吸附和化学吸附的基本区别
物理吸附
吸附热 吸附力
近似液化热 （ <40kJ·mol-1）
范德华力，弱
吸附层数 单分子层或多分子层
这种发生于毛细孔中凹液面上的蒸汽凝结称为毛细凝结。
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吸附滞后
Zigmondy对吸附滞后的解释是吸附时液态吸附质润湿孔壁的过程，接触角是前进角；脱附是液体从 一润湿的表面上退出的过程，接触角是后退角。而前进角一般总是大于后退角。因而脱附时平衡相对压力 小于吸附时的。
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由Vm可算出呈单层饱和吸附时所需吸 附质的分子数，这时如果再知道每个吸附分 子的截面积，则可算出吸附剂的比表面。
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C exp( E1 EL ) RT
当n=1时，BET公式可用单分子层吸附等温式。 当n>1时，根据不同的C值BET可用来说明第Ⅱ和第Ⅲ 等温线。
C>1时，E1＞EL，即吸附剂与吸附质分子之间的 吸引力大于吸附质为液体时分子之间的引力，这时低 压下曲线是凸的，于是等温线呈S型，即第Ⅱ型。
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
物理化学课后习题解答
第8章 表面和胶体化学习题解答1. 若一球形液膜的直径为2×10-3m ，比表面自由能为0.7 J ·m -2，则其所受的附加压力是多少？ 解：球形液膜 3440.7 kPa 2.8 kPa 210/2p r γ-⨯∆===⨯ 2. 若水在293 K 时的表面力为72.75×10-3N ·m -1，则当把水分散成半径为10-5m 的小液滴时，曲面下的附加压力为多少？解：3452272.7510 Pa 1.4510 Pa 10p r γ--⨯⨯∆===⨯ 3. 在293 K 时把半径1 mm 的水滴分散成半径为1 µm 的小水滴，问比表面增加了多少倍？表面吉布斯函数增加了多少？完成该变化时，环境至少需做多少功？已知水的表面力为72.75×10-3 N ·m -1。
解：设半径1 mm 水滴的表面积为A 1，体积为：V 1，半径为：R 1；半径1 µm 水滴的表面积为A 2，体积为：V 2，半径为：R 2；N 为小水滴的个数。
33121244 , 33V NV R N R ππ== 33912 1 mm 101 μm R N R ⎛⎫⎛⎫=== ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ 229222114 1 μm 1010004 1 mm A N R A R ππ⨯⎛⎫=== ⎪⎝⎭ 12221440.07288 N m 4()=9.14510 N m 9.14510 JA G dA NR R γπ---∆==⋅⨯-⨯⋅=⨯49.14510 J A W G -=-∆=-⨯4. 在298 K ，101.325 kPa 下，将直径为1 µm 的毛细管插入水中，问管需加多大压力才能防止水面上升？若不加额外压力，让水面上升达平衡后，管液面上升多高？已知：该温度下水的表面力为0.072 N ·m -1，水的密度为1000 kg ·m -3，设接触角为0o ，重力加速度为9.8 m ·s -2。
物理化学中的表面现象与胶体化学
物理化学中的表面现象与胶体化学物理化学是一门探讨物质性质变化及相关规律的学科。
与之相关的表面现象和胶体化学则是物理化学领域中一项重要的分支。
本文将从表面现象和胶体化学两个方面入手，探讨它们的基本概念、相关应用和研究意义。
一、表面现象观察一个物体，我们会发现它的表面是与外界直接接触的部分。
因此，表面现象是物质研究中一种极其普遍和重要的现象。
表面现象是指两种或两种以上介质相接触时，有特殊性质的现象出现。
在物理化学中，表面现象主要包括表面张力、毛细现象和润湿现象。
表面张力是液体表面处由于分子间作用力而表现出来的一种现象。
表面张力较大的液体在容器中形成凸面或水滴状，这种现象称为毛细现象。
液体与固体相接触时，液体能否在固体表面上均匀分布并附着称为润湿现象。
表面现象在自然界和人类生活中都有广泛应用。
例如，水平稳定的大船只是因为水面的表面张力；高楼大厦的毛细管水系统则利用了毛细现象；润滑油、乳液、涂料等都运用了润湿性质。
二、胶体化学胶体化学是涉及无色透明的小粒子（胶体）和它所处的环境之间的相互作用的学科。
胶体是介于小分子和宏观物体之间的一种存在形式，其中粒子的平均大小在1至1000纳米之间。
胶体物理包括多种胶体类型，例如溶胶、凝胶和气溶胶等。
胶体学科研究中的主要问题是如何制备胶体，以及在胶体中所表现出的各种特殊性质。
胶体的制备方法包括溶胶法、凝胶法和胶体化合物分解法等。
在胶体中存在的各种特殊现象包括布朗运动、泡沫现象和重力分选等。
胶体的应用十分广泛，例如在涂料、油墨、胶水、陶瓷、橡胶等方面都得到了广泛的应用。
另外，人类生命活动中的一些基础物质，例如蛋白质、肌肉等，都是以胶体形式存在的。
三、物理化学中的表面现象与胶体化学的关联表面现象与胶体化学之间有着密不可分的联系。
在液态物质中，固液接触面所呈现的动态变化与胶体的形成和演化密切相关。
例如，胶体粒子表面的物理化学特征决定了胶体粒子的成长和聚集行为。
此外，表面现象和胶体化学之间也有着一些实际应用。
表面与胶体化学复习
3、微小液滴的饱和蒸汽压---开尔文公式
凸液面 RTln Pr P 2γM ρ r 2γVm r
凹液面 RTln P Pr 2γM ρ r 2γVm r
即：Pr（凸液面）>P(平液面)>Pr(凹液面)。
8．某水溶液发生负吸附后，在干净的毛吸管中的上升高度比 纯水在该毛吸管中上升的高度低。 （ ）
8. 答： ×
9．通常物理吸附的速率较小，而化学吸附的速率较大。（ ） 9. 答： ×
10．兰缪尔定温吸附理论只适用于单分子层吸附。（ ） 10. 答：
表面化学与胶体
一、分散系统的分类
1、分散系统,分散相,分散介质
斯特恩电势 ——Stern面 与溶液本体间的电势差 ；
电动电势称为 电势。带电
的固体或胶粒在移动时，滑 动面与液体本体之间的电位 差称为电动电势。（概念）
+ +++++++ +
固体表面
+ +
斯特恩面
滑动面
+ + +
--
-
-
-
-
-
-
-
-
+ +
+ +
--
-
-
-
-
-
扩散层 斯特恩层(紧密层)
表面化学与胶体
5．水在干净的玻璃毛细管中呈凹液面，因附加压力 p >0，
所以表面张力 0 是不可能的。（ ）
5. 答：
6．在相同温度下，纯汞在玻璃毛吸管中呈凸液面，所以与之 平衡的饱和蒸气压必大于其平液面的蒸气压。（ ）
表面及胶体化学知识点归纳
胶体: 指具有高度分散的分散体系（亦是研究对象），分散相可以是一相和多相，粒子大小通常为10－7～10－9m之间.胶体的研究内容：表面现象、分散体系、高分子溶液。
表面能δ：恒温恒压下，可逆地增加单位表面积，环境对体系所做的功，单位J·m-2。
表面张力δ：单位长度液体表面的收缩力，单位N·m-1（或mN·m-1）l aplace方程：球面，则R1=R2=R，ΔP=2σR 柱面，则R1=R，R2=∞，ΔP=σ/R 球形气泡，且R1=R2=RΔP=4σ/R表面过剩：界面相与体相的浓度差。
接触角：固液气三相交点处作气液界面的切线，此切线与固液交界线之间的夹角θ。
Gibbs吸附公式：（双组分体系）固体表面张力：新产生的两个固体表面的表面应力之和的一半。
固体表面能：指产生一平方厘米新表面所消耗的等温可逆功。
Laugmuir理论：假设被吸附分子间无作用力，因而分子脱附不受周围分子的影响。
只有碰撞在空间表面的分子才有可能被吸附（单分子层吸附）。
固体表面是均匀的，各处吸附能相同。
BET理论的基本假设：①固体表面是均匀的，同层分子（横向）间没有相互作用，分子在吸附和脱附时不受周围同层分子的影响。
②物理吸附中，固体表面与吸附质之间有范德华力，被吸附分子间也有范德华力，即吸附是多分子层的。
影响溶液中吸附的因素：吸附剂：溶质、溶剂三者极性的影响；温度：溶液吸附也是放热过程，一般T上升，吸附下降；溶解度：吸附与溶解相反，溶解度越小，越易被吸附；同系物的吸附规律一般随C-H链的增长吸附有规律的增加和减少。
Trube规则；吸附剂的孔隙大小；吸附剂的表面化学性质，同一类吸附剂由于制备条件不同，表面活性相差很大，吸附性能也会有很大差异；混合溶剂的影响，色谱法中使用混合溶剂，洗提效果比单纯溶剂好，若自极性相同的混合溶剂中吸附第三组份，等温线界于两单等温线之间；若自极性不相同的混合溶剂中吸附第三组份，吸附量比任何单一溶剂中少，混合溶剂极性一致或不一致情况不同；多种溶质的混合溶液；9、盐的影响，盐的存在通过影响溶质的活度系数、溶解度、溶质的电离平衡而影响吸附。
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。
物理化学第八章表面
第八章 《表面现象与分散系统》一、选择题1．在一般情况下不考虑表面的存在对系统性质的影响是因为（ ）。
A. 表面状态复杂；B. 表面不重要；C. 表面分子数比内部分子少得多，表面效应不明显；D. 表面分子与内部分子状态一样。
2． 在一支水平放置的洁净的玻璃毛细管中有一可自由移动的水柱，今在水柱右端微微加热，则毛细管内的水柱将（ ）。
A. 向右移动；B. 向左移动；C. 不移动；D. 条件不足，无法判断。
3．等温等压条件下的润湿过程是：（ ）。
A. 表面吉布斯自由能降低的过程；B. 表面吉布斯自由能增加的过程；C. 表面吉布斯自由能不变的过程；D. 表面积缩小的过程。
4．若某液体在毛细管内呈凹液面，则该液体在该毛细管中将（ ）。
A. 沿毛细管上升；B. 沿毛细管下降；C. 不上升也不下降。
D. 条件不足，无法判断5．液体在能被它完全润湿的毛细管中上升的高度反比于（ ）。
A. 空气压力；B. 毛细管半径；C. 液体表面张力；D. 液体粘度。
6．当表面活性剂加入溶剂中后, 产生的效果是（ ）。
A. /0d dc σ< 正吸附；B. /0d dc σ> 正吸附；C. /0d dc σ< 负吸附； D . /0d dc σ> 负吸附。
7．在影响物质表面张力的因素中，下列说法哪个不对?（ ）。
A. 与压力有关；B. 与温度有关；C. 与共存相有关；D. 与表面积有关。
8． 空气中有一肥皂泡, 直径为2mm, 若其表面张力为0.06 N· m -1, 则泡内附加压力为（ ）。
A. 0.06×103 Pa ；B. 0.24×103 Pa ；C. 0.12 ×103 Pa ；D. 0.48×103 Pa 。
9．对于一理想的水平液面，下列各量中，何者为零？（ ）。
A. 表面张力；B. 表面能；C. 附加压力；D. 比表面能。
10．对于化学吸附的描述, 以下说法中不正确的是（ ）。
第八章表面化学及胶体化学课后习题答案
第八章 表面化学与胶体化学习 题1．在293 K 时，把半径为1×10-3m 的水滴分散成半径为1×10-6m 的小水滴，比表面增加多少倍?表面吉布斯自由能增加多少?环境至少需做功多少?已知293 K 时-1O H m mN 75.722⋅=σ。
（答案：9.15×10-4J ）解： 一滴大水滴可分散成N 个小水滴：323132313434r r r r N ==ππ小水滴的面积为： 2312244r r r N ππ=⨯，大水滴的面积为： 4π21r面积增加倍数为：9991444212121231=-=-r r r r r r πππ J 10133.9)101101101(41075.72)44(4669321231s s -----⨯=⨯-⨯⨯⨯⨯⨯⨯=-=∆⋅=∆πππσσr r r A G2．在298 K 时，1,2—二硝基苯(NB)在水中所形成的饱和溶液的浓度为5.9×10-3mol·L -1，计算直径为1×10-8m 的NB 微球在水中的溶解度。
已知298 K 时NB ／水的表面张力为25.7 mN·m -1，NB 的密度为1 566 kg·m -3。
（答案：2.625×10-3 mol ·dm -3）解：根据开尔文公式 ：rRT M c c 12ln0⋅=ρσ，将数值代入，得： -1338330L mol 10625.2109.54449.04449.0105.0115.298314.8156610168107.252ln ⋅⨯=⨯⨯=∴=⨯⋅⨯⨯⨯⨯⨯⨯=-----c c c3．373 K 时，水的表面张力为58.9 mN·m -1，密度为958.4 kg·m -3，在373 K 时直径为 1×10-7m 的气泡内的水蒸气压为多少?在101.325 kPa 外压下，能否从373 K 的水中蒸发出直径为1×10-7m 的气泡? （答案：99.89kPa ）解：气泡为凹面，且r = 0.5×10-7mkPa89.999858.0325.101)01427.0exp(01427.0105.01373314.84.9581018109.58212ln 0r 7330r =⨯=-⋅=∴-=⎪⎭⎫⎝⎛⨯-⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⋅=---p p r RT M p p ρσ 因p r < p 外，故不能蒸发出直径为1×10-7m 的气泡。
《表面与胶体化学》课件
胶体在食品工业中的应用
胶体在食品工业中广泛应用于增稠、 稳定和乳化等方面。
胶体还可以作为食品的稳定剂，保持 食品的稳定性和一致性，如冰淇淋、 奶昔和饮料等。
胶体可以作为食品的增稠剂，提供更 好的口感和质地，如酸奶、果酱和调 味酱等。
胶体的稳定性
取决于胶体粒子间的相互作用力，包 括静电作用、范德华力、空间位阻等 。
聚沉现象
当胶体粒子间的相互作用力减弱或消 除时，胶体将失去稳定性，发生聚沉 ，出现沉淀或凝胶现象。
影响因素
电解质浓度、温度、pH值等对胶体 稳定性产生影响，可引发聚沉。
胶体的光学性质
总结词 丁达尔效应
瑞利散射 实验方法
物理吸附
由于范德华力引起的吸附，吸附力较弱，吸 附热较小。
表面吸附的应用
催化剂、电极材料、光电子器件等。
表面润湿性
表面润湿性定义
液体在固体表面铺展的能力称为润湿性。
润湿性的影响因素
表面张力、接触角和表面粗糙度等。
润湿性的应用
涂料、油墨、农药等。
2023
PART 03
胶体化学基础
REPORTING
2023
REPORTING
《表面与胶体化学》 PPT课件
2023
目录
• 表面与胶体化学概述 • 表面化学基础 • 胶体化学基础 • 表面与胶体化学在生活中的应用 • 表面与胶体化学的未来发展
2023
PART 01
表面与胶体化学概述
REPORTING
表面与胶体化学的定义
表面与胶体化学是一门研究物 质表面现象和胶体分散体系的 科学。
第八章土壤胶体表面化学
B. 土壤胶体的种类 土壤质地完全相同的两种土壤， 它们所带的电荷数量可以完全不同。这是有胶体 类型不同所致。 C. pH值 主要影响可变电荷的数量。
三、土壤胶体表面电位
当静电引力与热扩散相平衡时，在带电胶体表面 与溶液的界面上，形成了由一层固相表面电荷和一层 溶液中相反符号离子所组成的电荷非均匀分布的空间 结构，称为双电层。
双电层模型
胶核 胶体微粒
胶粒
决定电位离子层（内） 双电层 非活性离子层 补偿离子层（外） 扩散层
Boltzmann方程
Cx=Coexp( )
Gouy（1910）和Chapman（1913）提出的双电层模型
x=o exp(-Kx)
式中o为表面电位，k是与离子浓度、价数、 介电常数和温度有关的常数。在室温下：k ＝3×107 Z Co 1/K称为扩散双电层的厚度 。 离子价数越高，离子浓度越大，K值越大，双电层 的厚度越小，因此，增加离子的价数和浓度，可使 双电层压缩 。
***影响土壤阳离子交换量的因素有：
（1）质地 质地越粘重，含粘粒越多的土壤， 其阳离子交换量也越大。
质地 CEC 砂土 1~5 砂壤土 7~8 壤土 15~18 粘土 25~30
（2）有机质 OM % CEC
（3）胶体的性质及构造
蒙脱石 ＞ 高岭石
（4）pH值 在一般情况下，随着pH的升高，土壤 的可变电荷增加，土壤的阳离子交换量也增加。
（三）土壤电荷数量
土壤电荷的数量一般用每千克物质吸附离 子的厘摩尔数表示。CEC即为pH7时土壤净负电 荷的数量。
土壤电荷主要集中在胶体部分。
表面化学-胶体化学
表面化学-胶体化学表面化学-胶体化学表面化学是研究物质表面的性质和现象的一门学科，而胶体化学则是表面化学的一个重要分支，研究胶体溶液中物质的性质和行为。
胶体化学的研究内容涉及到胶体的形成、稳定性、表面性质、胶体颗粒的相互作用以及胶体溶液的性质等。
本文将介绍表面化学和胶体化学的基本概念、研究方法以及应用领域。
表面化学最早起源于对溶液表面现象的研究，如水的表面张力、液滴的形成和液体的湿润性等。
表面化学研究的对象是固体和液体的界面以及液体和气体的界面，主要涉及到界面上的吸附现象、界面能和界面活性物质等。
固体-液体界面上的吸附现象包括离子吸附、分子吸附和表面电荷等，而液体-气体界面上的吸附现象则涉及到液滴形成和表面张力等。
胶体化学研究的是胶体溶液中胶体颗粒的性质和行为。
胶体是一种介于溶液和悬浮液之间的物质，其特点是颗粒很小，约为1纳米到1微米大小，并且能够在溶液中均匀分散。
胶体的稳定性是胶体化学研究的重要内容，稳定性的源于胶体颗粒表面的电荷，正负电荷的平衡使得颗粒之间相互排斥，从而保持胶体溶液的稳定性。
此外，胶体溶液中还包含着胶体的吸附、吸附剂的选择、界面张力、胶体性质的测定以及胶体与其他物质的相互作用等方面的研究内容。
表面化学和胶体化学的研究方法主要包括物理化学方法和化学方法两种。
物理化学方法包括表面张力测定、界面能测定、电化学方法、X射线衍射、电子显微镜等。
而化学方法包括有机合成、溶胶-凝胶法、聚合法、共沉淀法等多种方法。
表面化学和胶体化学在许多领域中都有重要的应用。
在光学领域中，胶体颗粒可以通过改变其尺寸和组成来调控其光学性质，从而应用于光学传感器、太阳能电池、红外吸收材料等。
在材料科学领域中，胶体颗粒可以通过自组装形成多孔材料和有序结构，具有较大的比表面积和孔径，被广泛用于催化剂、分离膜和储能材料等。
此外，表面化学和胶体化学还在生物医学、环境污染治理、油水分离、食品加工等领域发挥着重要的作用。
综上所述，表面化学和胶体化学是研究物质表面性质和胶体溶液行为的学科，涉及到物质界面的吸附现象、界面能、表面张力等。
材料物理化学教案中的材料的表面活性与胶体性质
材料物理化学教案中的材料的表面活性与胶体性质在材料物理化学教案中，材料的表面活性与胶体性质是非常重要的概念。
本文将探讨这两个概念，并且分析它们在材料科学中的应用。
一、材料的表面活性表面活性是指材料在其界面上的吸附和反应能力。
在材料的原子、分子尺度上，表面与体相之间存在着巨大的差异，这就导致了材料在表面的活性。
材料的表面活性可以通过表面张力和界面张力来表征。
1. 表面张力表面张力是指液体表面分子间的相互作用力。
液体的分子内部存在着强相互吸引的力，而表面上的分子只能和周围的分子发生相互作用，所以表面分子受到的吸引力比内部的分子受到的力要大，这就导致了液体表面上的分子比内部分子更加紧密，形成了一个薄膜。
这个现象被称为表面张力。
表面张力的大小与液体的种类、温度等因素有关。
通常来说，表面张力越大，液体越难于扩展和湿润其他物体的表面，如水滴在蜷曲的薄玻璃管内。
而表面张力越小，液体越容易扩展和湿润其他物体的表面，如水滴在平面玻璃上的形态。
2. 界面张力界面张力是指两种物质接触面上的分子间相互作用力。
当两种不相溶的物质接触在一起时，它们的分子间的相互作用力很弱，所以两种物质的界面上的分子之间会存在着不平衡的力，导致它们趋向于减小接触面积，形成一个临时的界面张力。
界面张力的存在使得液滴能够成球状，如水滴在空气中的形态，因为球形能够最小化液体与气体界面的接触面积，进而减小界面张力。
二、材料的胶体性质胶体是指由两种或两种以上的物质组成，其中一种物质以微细粒子（分散相）悬浮于另一种物质（分散介质）中。
在胶体中，分散相的粒子通常具有纳米级或亚微米级的尺寸。
胶体的粒子尺寸介于溶液和悬浮液之间，这使得胶体具有独特的物理和化学性质。
根据分散相和分散介质的性质，胶体可以分为固体胶体、液体胶体和气体胶体。
胶体的性质与其表面积有关。
胶体的粒子越小，其表面积就越大，这使得胶体具有较高的活性和较强的吸附能力。
因此，胶体在多个领域有着广泛的应用，例如生物医学、材料科学、环境工程等。
物理化学 8章表面化学与胶体化学
p大气
在液面处达力平衡
rm
ps= 2σ/r p静压=ρgh
r
cosθ=rm/r
p大气
∵2σ/r =ρgh
pS
h
∴2σcosθ/rm=ρgh
h = 2σcosθ/rmρg rm ↘, ρ↘, h↗
rm：毛细管半径 r：凹液面曲率半径
θ＜90o，h＞0； θ＞90o ，h＜0；rm→∞，h →0
2020/1/31
只有降低熔点，才能使 r,B减小，故有：
Tf（微小）＜ Tf（大块）
2020/1/31
物理化学
▲ 微小固体物质的溶解度大 溶解度：恒T﹑p下，溶质在溶剂中达到溶解
平衡时的（饱和）浓度。 将开尔文公式与亨利定律结合，推导得：
ln c2 2M ( 1 1 ) c1 RT r2 r1
和
ln cr 2M 1 c0 RT r
δW ' ∝ dAs 2ldx
δW ' dAs fdx
——表面张力
f
2l
l
σ
m1
m2
f
2020/1/31
物理化学
表面张力：垂直作用于单位长度相界面上，与表 面平行（平面）或相切（曲面）的收 缩力。
力的方向：与液面相切，与单位线段垂直。 力的类型：表面收缩力。 力的单位量纲：N·m-1 表面层分子受力不均匀 内压力 表面张力 体系的一种强度性质，受到多种因素的影响。
如何表示？
固体表面有过剩的Gibbs自由能吗？它与
液体的有何不同？
2020/1/31
物理化学
§3 弯曲表面的特性
一、弯曲液面下的附加压强
1.液面的曲率
2.弯曲液面的附加压强
第八章土壤胶体表面化学
***影响土壤阳离子交换量的因素有：
（1）质地 质地越粘重，含粘粒越多的土壤， 其阳离子交换量也越大。
质地
砂土 砂壤土 壤土
粘土
CEC
1~5
7~8
（2）有机质 OM % CEC
15~18
25~30
（3）胶体的性质及构造
蒙脱石 ＞ 高岭石
（4）pH值 在一般情况下，随着pH的升高，土壤 的可变电荷增加，土壤的阳离子交换量也增加。
土壤胶体的大小、形状、表面积、表面 电荷密度以及表面电荷变化等是理解土壤中 离子和分子的吸附与解吸、养分离子和污染 物质活性与生物有效性。絮凝、分散、传输 过程及产生的土壤水力特征和化学迁移的基 础。
根据表面结构，分 为3种类型：
一、硅氧烷型表面
土壤无机胶体（矿质胶体） 1、层状硅酸盐粘土矿物（2：1型和1：1型 等粘土矿物） 2、氧化物及其水合物
（一）阳离子专性吸附的机理
➢能够产生专性吸附的土壤胶体是铁、铝、锰等的氧化物及其水 合物。土壤中氧化物属于配位化合物，在氧化物-水体系中，处 于表面的中心离子（Fe、Al、Mn、和Si等）因为配位数未能满 足，而从水中缔合质子或羟基构成氧化物配位壳的一部分，导 致表面羟基化。中心离子周围的氧原子的较强的亲核性，决定 其对质子和金属离子（M2+）都有较强的亲合力，并与之形成羟 桥键合和环状结构。水合氧化物的这些特点就为专性吸附提供 了可能。
强
Rb+>NH4+>K+>Na+>Li+
三、阳离子交换
在土壤中，被胶体静电吸附的阳离子，一般都可以 被溶液中另一种阳离子交换而从胶体表面解吸。对这种
能相互交换的阳离子叫做交换性阳离子，而把发生在 土壤胶体表面的阳离子交换反应称之为阳离子交换作 用***。
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附加压强ps：由表面张力的合力产生，指向“球心”的压 强
其大小与表面的弯曲程度、表面张力的大小相关 p 4 3 2 p p0 ps As 4r V r
3
p dp
δW ' ps dV 2 ps r
dAs 8rdr
dV 4r 2dr
δW ' dAs
l σ m2 f m1
2018/10/25
物理化学
表面张力：垂直作用于单位长度相界面上，与表
面平行（平面）或相切（曲面）的收 缩力。 力的方向：与液面相切，与单位线段垂直。 力的类型：表面收缩力。 力的单位量纲：N· m-1 表面层分子受力不均匀 内压力 表面张力 体系的一种强度性质，受到多种因素的影响。
σ
相等
σ
量纲
单位 J.m-2
相通
N.m-1
标量
强度性质
2018/10/25 物理化学
矢量
要点： 1） 表面分子所受到不对称力场 ——表面张力 2） 一切减小 σ，As 的过程为自动过程
提问：表面Gibbs自由能、比表面Gibbs自由能、 表面张力三者的概念、单位是否相同？ 如何表示？ 固体表面有过剩的Gibbs自由能吗？它与 液体的有何不同？
§1
引
言
一、几个概念 表面化学：研究物质相界面上发生的现象的规律。 1. 界面和表面 界面（interface）：密切接触的两相间的过渡区， 约10-9—10 -8 m， 有几个分子层厚。 五类界面：气(g)-液(l) ，气(g)- 固(s)， 液(l)- 固(s) ，液(l1)-液(l2) ，固(s1)- 固(s2) 表面（surface）： 若其中的一相为气相（习惯）。如l-g，s-g。
s
σ= 58.85×10-3N.m-1， ps= 2 /r =11.77×103kPa
2018/10/25 物理化学
h = 0.02m，ρ=958.1kg· m-3
p静=gh = 958.1×9.8×0.02=0.1878kPa p大气=100kPa
p =100 + 0.1878 + 11.77×103 = 11.87×103kPa pr 2M 1 007127 根据开尔文公式 ln 得： p0 RT r
2018/10/25 物理化学
注意：表面自由能与表面张力的代表符相同，均 为σ，量纲相通，但两者的概念不同！！ 表面自由能是单位表面积的能量，标量；
表面张力是单位长度上的力，矢量。 讨论：dU =TdS – pdV +σdAs+Σidni dH =TdS + Vdp +σdAs+Σidni
dA =-SdT –pdV +σdAs+Σidni
r1
s s r2
l
r2= 8×10-5 m 1 1 ps ( ) 2730 Pa r 1 r2
2018/10/25
物理化学
毛细现象：毛细管插入液相中，毛细管内液体 上升或下降的现象。 p大气 原因：附加压强 ps=p静压时， rm 在液面处达力平衡 r ps= 2σ/r p静压=ρgh cosθ=rm/r p大气 pS h ∵2σ/r =ρgh ∴2σcosθ/rm=ρgh h = 2σcosθ/rmρg rm：毛细管半径 r：凹液面曲率半径 rm ↘, ρ↘, h↗ θ＜90o，h＞0； θ＞90o ，h＜0；rm→∞，h →0
将开尔文公式与亨利定律结合，推导得： c2 2M 1 1 cr 2M 1 ln ( ) 和 ln c1 RT r2 r1 c0 RT r
若r2＜r1，则c2 > c1，
即：物质颗粒越小，其溶解度越大；
因为固体颗粒的r＞0，所以微小物质的溶解度 (c r)大于正常条件下物质的溶解度(c 0)
2018/10/25 物理化学
2. 界面现象和表面现象： 在相的界面上发生的行为 。 如： 露珠为球形 微小液滴易蒸发 水在毛细管中会自动上升 3. 比表面A0
A 或 Ao 单位（量纲）：面积· 质量-1 m 6l2 6 例如：有边长为 l 的立方体， A0 3 l l 60 l 分割成边长为 的小立方体，A0 ' 10 A0 l 10
微小物质化学势
r,B RT ln
pr,B
r,B B(l) 微物熔融应满足：
只有降低熔点，才能使 r,B减小，故有： Tf（微小）＜ Tf（大块）
2018/10/25 物理化学
▲ 微小固体物质的溶解度大 溶解度：恒T﹑p下，溶质在溶剂中达到溶解 平衡时的（饱和）浓度。
2018/10/25 物理化学
公式应用：测表面张力 —— 最大气泡压力法
p大气
p控
pS
ps+p控=p大气 减小p控 ：气泡长大，最终逸出 气泡半径r 变化： 大→小→大 ps变化：小→大→小 ps,max= 2σ/r (r曲率=r毛细管) ps,max = p大气 - p控
2018/10/25
物理化学
dG =-SdT +Vdp +σdAs+Σidni
G A s U A T , p ,ni s H A S ,V ,ni s
物理化学
A A S , p ,ni s
2018/10/25 物理化学
2. 影响表面张力的因素 ★ 与物质本性有关 分子间的作用力越大，σ越大： σ金属键＞σ离子键＞σ极性键＞σ非极性键, ★ 与温度有关 一般：温度升高,σ↓；教材P544 式（11-3） 温度升高到临界温度Tc时，σ→0 ★ 与接触相的性质有关（见教材P543表11-2） 接触相相同， σ固体 ＞ σ液体 ★ 与压强有关 一般：压强升高,σ↓；见教材P544图11-5 ★ 其它：分散度 ,运动情况等
表 面 层 粒 子 受 力 分 析
1.
表面张力 表面层粒子受力不均匀，产生内压力。 表面有自动缩小的趋势，产生表面收缩力。
2018/10/25 物理化学
例：记 f g (m1 m2 )，金属丝移动 到一定位置时，可以保持不再滑动 δW ' ∝ dAs 2ldx f δW ' dAs fdx 2l ——表面张力
★ 微小物质的饱和蒸气压 pr 增大，
其化学势增高
2018/10/25 物理化学
▲ 微小物质的熔点低（凸面） 微小物质的饱和蒸气压＞大块物质饱和蒸气压
p pB B RT ln 大块物质化学势 p r,B＞ B ，熔融时， B B(l) 则： r,B＞B(l)
表面能达到 220J，是原有表面能的6.3×106倍。 恒T、P、恒组成、可逆过程，生成dAs新表面 需环境作功：dGT，p=δWr’=σdAs
2018/10/25 物理化学
积分：
GT ,P ,ni
0
dGT , P,ni dAs Wr '
0
As
得： Wr ' GT , p,ni As Gs 则：σ= Gs/As= W ’ / A r s σ：（比）表面Gibbs自由能，表面自由能。 也表示恒T，p，ni下，增加单位面积所必须 对体系作的非体积功，又称比表面功。 单位量纲：J· m-2 J· m-2 = N· m· m-2 = N· m-1
物理化学
Kelvin公式化为：
pr 2M 1 ln p0 p凹＜ p0，
且|r|越小，p凹越小；
★ 凸液面，r＞0，则：pr= p凸＞ p0，
r/m
pr / p0
10-6
10-7
10-8
10-9
1.001 1.011 1.114 2.95
★ 物质要小到一定程度，表面效应才显著
1 1 ps ( ) r 1 r2
球面 任意曲面 Young-Laplace公式
2018/10/25 物理化学
r
ps p0
适用范围： 1)适用毛细管直径＜0.5mm情形 2)适用于r为定值的小液滴或液体中小气泡。 注意： 1) r 的符号： 凸液面，r＞0，ps＞0， r 指向液相(固相)内部 凹液面，r ＜0，ps＜0， r 指向气相 气 平液面，r→∞,ps→0， 气 2）气泡的附加压强： ps,1 r1 肥皂泡两个l-g界面，r1≈r2 r2 p s,2 ps=ps,1+ ps,2= 4σ/r
二、微小物质的特性 微小物质：比表面积大，Gs=σAs大 1.弯曲液面的饱和蒸气压与表面曲率半径的关系
p2 2M 1 1 ln ( ) p1 RT r2 r1
Kelvin公式
★ r1＞ r2，p2 ＞ p1； ★ r1→∞， p1 → p0， r2取为r， p2= pr
Kelvin 公式化为： 2018/10/25
2018/10/25 物理化学
A 单位（量纲）：长度-1 A0 V
可见：体系的分散程度越高，比表面积越大。
二、表面化学和胶体化学的关系 胶体： 粒子粒径在1nm—100nm间的高度分散的多 相体系。 胶体粒子的比表面积极大，表面效应极为显著。
2018/10/25 物理化学
§2 表 面 热 力 学 性 质 一、表面张力及其影响
2018/10/25 物理化学
◆ 过饱和蒸气
降温过程：
p
微小
pB
A：不能凝出微小液滴 pA B：凝出微小液滴 AB：过饱和蒸气 pB＞ pA
l
B 大块
A
g TA T
消除：如人工降雨，加AgI颗粒
◆ 过冷液体
原因：凝固点下降。如纯净水可到-40℃不结冰。
2018/10/25
物理化学
◆过热液体 液体在正常沸腾温度不沸腾，要温度超过正 常沸腾温度才沸腾。 原因：液体表面气化，液体内部的极微小气泡 （新相）不能长大逸出（气泡内为凹液面）。 小气泡受到的压力为： p大气 p = p大气+ ps+ p静 p静=ρgh ps = 2σ/r h 如 r =-10-8m，T = 373.15K时， p