天津大学胶体与表面化学第四章界面现象和吸附ppt课件
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表界面现象和吸附PPT课件
4. 弯曲液面上的饱和蒸气压
Kelvin公式： ln pr 2 M p0 RT r
意义： 表示同种液体的液滴和平面液体( r →∞)的饱和蒸气压与其曲率半径的 关系。
适用条件：温度、液体种类、密度和表面张力均不变。 应用： 人工降雨原理； 暴沸现象
32
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液体沸腾时的过热现象
在 101.325 kPa、100℃的纯水中，离液面0．02 m的深 处，存在半径为10nm 的小气泡，此温度下纯水的表 面张力为 58.85mN·m－1，密度为 958.1kg·m－3，可算 出：
4πr2σ= 3.47×10-5J
： 将1g水分成半径为10－7 cm的小水滴时，小水滴的个数为
n
1
(4 r3 ) / 3
31 4 3.1416107
2.3871020
4πr2nσ=216 J
二者相差216J，即51.7cal
12
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dG = -SdT + VdP + σdA
• 复习一下物理化学里的热力学基本方程，麦克斯维关系式，导数关系。 • 看课本P10页公式1－10等。
3
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(b)气-固界面
4
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(c)液-液界面
5
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(d)液-固界面
6
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(e) 固-固界面
7
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(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。
σT ＝σ0[1－K(T－T0)]
[理学]天津大学胶体与表面化学课件TEM-surf Chem
![[理学]天津大学胶体与表面化学课件TEM-surf Chem](https://img.taocdn.com/s3/m/876c0e6a26fff705cd170a0c.png)
Electrons, which come from the
condenser system of the TEM, are
scattered by the sample, situated in
the object plane of the objective
lens. Electrons scattered in the
Phonons: Phonons are lattice vibrations, which are equal to heating the specimen. This effect may lead to a damage of the sample.
Plasmons: Plasmons are longitudinal oscillations of free electrons, which decay either in photons or phonons.
2. Inelastic Interactions Energy is transferred from the incident electrons to the sample:
(EDX analysis )
14.11.2020
h
2
1. Elastic Interactions
An electron penetrating into the electron cloud of an atom is attracted by the positive potential of the nucleus (Coulombic interaction), and its path is deflected towards the core as a result. The Coulombic force F is defined as:
胶体与表面化学-第四章--界面现象与吸附2
p
r
第二节 弯曲界面的现象
几点说明
拉 普 拉 斯 方 程
第二节 弯曲界面的现象
拉 普 拉 斯 方 程
曲率半径越小小，附加压力越大 曲率半径r永为正值， ΔP也总为正值 ΔP的方向总是指向球面的球心（或曲面的 曲心） ΔP是表面张力在曲面上的合力（不是） ，表面张力是产生附加压力的根源，附加压 力是表面张力存在的必然结果。
相同点：
描述系统的同一个性质，是系统的同一个热力 学变量 量纲相同，数值相同
第一节 表面张力与表面能
关于表面张力和表面自由能的讨论
dx
肥皂膜
F
l
W= - G= σ自由能 A = -σ自由能·2l·dx W=- F·dx= -2σ表面张力·l·dx
第一节 表面张力与表面能
关于表面张力和表面自由能的讨论
毛 细 现 象
第二节 弯曲界面的现象
毛 细 现 象
第二节 弯曲界面的现象
开 尔 文 公 式
小液滴与平液面的挥发性能
•现象 小水滴不见了，它们“跑回”到杯中去了。 •说明 微小液滴比平面液体更容易挥发，或者说 微小液滴比平面液体上的饱和蒸气压高。
第二节 弯曲界面的现象
开 尔 文 公 式
第二节 弯曲界面的现象
第二节 弯曲界面的现象
毛 细 现 象 毛细 液面 现象
由于附加压力而引起的毛细管管内液面与 管外液面有高度差的现象称为毛细现象
第二节 弯曲界面的现象
将毛细管插入液体后, 若液体能 润湿毛细管壁, 两者的接触角θ< 90°, 形成凹液面, 导致管内液 面上升; 反之液面下降
毛 细 现 象
第二节 弯曲界面的现象
p pg pl
胶体表面与化学PPT课件
动态润湿法
通过测量液体在固体表面的动态接触线移动 速度，评估表面的润湿性。
05
CATALOGUE
胶体表面化学未来展望
新材料开发
高性能材料
利用胶体表面化学技术，开发具有优异性能的新材料，如高强度 、高韧性、耐高温、耐腐蚀等。
功能材料
探索具有特殊功能的材料，如光电转换、传感、催化等，以满足不 同领域的需求。
通过红外光谱、核磁共振等技术手段鉴别 表面活性剂的类型。
表面活性剂浓度测定
表面活性剂界面行为研究
利用滴定法、分光光度法等方法测定表面 活性剂浓度。
利用显微镜、光谱等技术手段研究表面活 性剂在界面上的行为。
表面吸附研究方法
等温吸附法
在恒温条件下，研究物质在表面的吸附量与浓度之间的关系。
吸附动力学法
研究物质在表面的吸附速率和吸附机理。
03
CATALOGUE
胶体表面化学应用
石油工业
石油开采
利用胶体表面化学原理， 通过改变钻井液的流变性 、稳定性等性质，提高石 油开采效率。
油气分离
利用胶体表面化学原理， 通过改变油水乳液的稳定 性、界面张力等性质，实 现油气高效分离。
石油运输
利用胶体表面化学原理， 通过改变油品的流变性、 粘度等性质，提高石油运 输效率。
X射线光电子能谱法
利用X射线光电子能谱技术测定表面吸附物的组成和结构。
原子力显微镜法
利用原子力显微镜技术观察表面吸附物的形貌和分布。
表面润湿性研究方法
接触角法
通过测量液体在固体表面的接触角大小，评 估表面的润湿性。
滑移长度法
测量液体在固体表面滑动时的滑移长度，评 估表面的润湿性。
滴液法
天津大学胶体与表面化学课件第四章界面现象和吸附
所以也称为增加单位表面积时增加的Gibbs函数， 单位 J.m-2。
2013-8-18 4
注：表面张力:
F / 2l
单位面积表面功:
wr
dAs G ( )T . P As
单位面积表面Gibbs函数:
三者虽为不同的物理量，但三者单位均可 化为 N.m-1 。
因为: N.m-1 = N.m/m2 = J/m2
2 cos 2 0 h g r g r
0
2013-8-18
12
3、测定液体表面张力的方法：
（1）毛细管上升法 ( capillary rise )
液体沿毛细管上升的力与液体的重力平衡。
2r cos r gh
2
所以：
ghr 2 cos
定义铺展系数为： S
2013-8-18
Gs s l ls
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第四节 固体表面的吸附作用
Adsorption on the surface of solid
一、物理吸附和化学吸附
按吸附质与吸附剂间作用力本质的不同， 可将吸附分 为物理吸附与化学吸附。物理吸附时，两者分子间以范德 华引力相互作用；在化学吸附中，两者分子间发生部分或 全部的电子转移，是以化学键相结合。
（1）沾湿（ adhensional wetting ）
（2）浸湿（immersional wetting）
（3）铺展 （spreading
2013-8-18
wetting）
22
沾湿：气-固，气-液界面消失，形成液-固界面的过程。
气 液 固
液
固
对单位面积沾湿过程：
G ls l s l (1 cos )
胶体与表面化学4-2
LOGO
第四章 界面现象与吸附
东北石油大学石油工程学院
第四章 界面现象与吸附
第一节 表面张力和表面能
第二节 弯曲界面的一些现象
第三节 润湿和铺展
第四节 固体表面的吸附作用
第五节 吸附等温方程式
LOGO
第二节 弯曲界面的一些现象
东北石油大学石油工程学院
弯曲界面的一些现象
很好地润湿时，毛细管内液面就呈现凹
半球面。此时：R=r/cosθ
2 p gh R
2 gR
h
h
R r / cos
2 cos gr
四、弯曲液面上的饱和蒸汽压
pa
p0
平 面 液 面
Px
弯 曲 液 面
如图：设液面为平面时，液体内所受的压力为px(与外压相等)，
而气相中平衡的蒸气压力为po，即正常蒸气压。当外压不变，把液体
W pdV dA
由于
A 4R ;
2
dA 8RdR
V
dV 4R 2 dR
代入得：
2 p R
此式即为球形液滴的附加压力与曲率半径和表面张力间的定量关系。
2、Young-Laplace方程推导
2、（任意形状曲液面）如图：在任意弯 曲液面上取小矩形曲面ABCD(红色面)，其 面积为xy。曲面边缘AB和BC弧的曲率半径 分别为R1和R2 。作曲面的两个相互垂直的 正截面，交线Oz为O点的法线。令曲面沿法 线方向移动dz ，使曲面扩大到A’B’C’D’(蓝色 面)，则x与y各增加dx和dy。移动后曲面面 积增加dA和dV为：
' 化简得dy xdz/R21 1 p ( ' ' ) R1 R2
第四章 界面现象与吸附
东北石油大学石油工程学院
第四章 界面现象与吸附
第一节 表面张力和表面能
第二节 弯曲界面的一些现象
第三节 润湿和铺展
第四节 固体表面的吸附作用
第五节 吸附等温方程式
LOGO
第二节 弯曲界面的一些现象
东北石油大学石油工程学院
弯曲界面的一些现象
很好地润湿时，毛细管内液面就呈现凹
半球面。此时：R=r/cosθ
2 p gh R
2 gR
h
h
R r / cos
2 cos gr
四、弯曲液面上的饱和蒸汽压
pa
p0
平 面 液 面
Px
弯 曲 液 面
如图：设液面为平面时，液体内所受的压力为px(与外压相等)，
而气相中平衡的蒸气压力为po，即正常蒸气压。当外压不变，把液体
W pdV dA
由于
A 4R ;
2
dA 8RdR
V
dV 4R 2 dR
代入得：
2 p R
此式即为球形液滴的附加压力与曲率半径和表面张力间的定量关系。
2、Young-Laplace方程推导
2、（任意形状曲液面）如图：在任意弯 曲液面上取小矩形曲面ABCD(红色面)，其 面积为xy。曲面边缘AB和BC弧的曲率半径 分别为R1和R2 。作曲面的两个相互垂直的 正截面，交线Oz为O点的法线。令曲面沿法 线方向移动dz ，使曲面扩大到A’B’C’D’(蓝色 面)，则x与y各增加dx和dy。移动后曲面面 积增加dA和dV为：
' 化简得dy xdz/R21 1 p ( ' ' ) R1 R2
天津大学胶体与表面化学第四章界面现象和吸附 ppt课件
04.09.2020
18
GrRlTnp p0 r
lnpr p0
2液气M RTr
Kelvin公式
举例分析：
04.09.2020
19
第三节 润湿和铺展（wetting and spreading）
一、接触角（Contact）和杨氏方式（Young T） 接触角（Contact angle)：在气、液、
w rFd 2 lx d xdsA
所以： w r
dA s
- 表面张力， 表示液体增加单位表面 积时，环境所做的可逆功，单位 J. m-2。
04.09.2020
3
由于恒T、P下，可逆非体积功等于系统的Gibbs函数变
w r dG T.P dA
所以：
(
G As
)T
.P
所以也称为增加单位表面积时增加的Gibbs函数， 单位 J.m-2。
固 气液
气Байду номын сангаас
固 液
G V ~ p V ~ （ p r ' p ） V ~2rl gM 2 r
Pr’ 和 P分别为小液滴凹面的压力和外压。
此处因为： G
r
0
04.09.2020
小液滴
平面液体
17
根据气液平衡： 液 气
r0 R lp n T r;0 R lp n T 0
小液滴化学势
大块水化学势
Pr 和 Po 分别为小液滴和平面液体的饱和蒸汽压
（Antonoff 规则 34.4 ）
1，2分别为两个相互饱和的液体的表面张力。
（例：苯层28.8, 水层63.2) 。不是液体(苯28.4)与含有本 身蒸气的空气相接触时测量值。
04.09.2020
《胶体与表面化学》课件
展望
展望胶体与表面化学的未来发展趋势和潜在应用。
2 不稳定性现象
探讨胶体不稳定性的原因和影响，如聚集、沉淀和相分离。
胶体凝聚和稳定性机制
1
稳定性机制
2
介绍胶体稳定性的不同机制，如扩散、电化学和ຫໍສະໝຸດ 面改性。3胶体凝聚
描述胶体凝聚的过程和机制，如吸附、 糖胶体和复合胶体。
应用案例
通过实际应用案例展示胶体凝聚和稳定 性机制的重要性。
界面化学概述
1 界面定义
解释界面化学中界面的定义和特性。
2 界面分析
介绍界面分析的各种技术和方法。
界面化学的重要性和应用
1 应用领域
探讨界面化学在实际应用领域的重要性，如 材料科学和生物医学。
2 界面控制
解释如何利用界面化学来控制物质的性质和 相互作用。
总结与展望
结论
总结胶体与表面化学的关键概念和应用领域，并强 调其重要性。
《胶体与表面化学》PPT 课件
本课程将介绍胶体和表面化学的关键概念和应用，从概述到实际应用领域， 帮助您深入了解这个令人着迷的领域。
胶体和表面化学概述
1 胶体
介绍胶体的定义和特性，以及胶体与其他化 学领域的关联。
2 表面化学
介绍表面化学的基本概念和研究领域。
参与者和机制
1 溶剂、溶质和溶剂剂量
讨论溶剂、溶质和溶剂剂量在胶体和表面化学中的作用。
2 表面张力和界面张力
展示表面张力和界面张力的关系，以及它们对界面性质的影响。
胶体状态和特性
1 分散系统
探讨各种胶体分散系统，如溶液、凝胶和乳液等。
2 分散相和连续相
解释分散相和连续相对胶体稳定性和性质的影响。
稳定性和不稳定性
《界面现象》课件
界面现象在其他领域的应用
界面现象在其他领域也具有广泛的应 用，如能源、材料和电子等。在能源 领域中，利用界面现象可以提高燃料 的燃烧效率和减少污染物排放。
VS
在材料领域中，利用界面现象可以制 备功能材料和复合材料，提高材料的 性能和功能。在电子领域中，利用界 面现象可以制备电子器件和集成电路 ，实现电子设备的微型化和高效化。
分子模拟方法
总结词
利用计算机模拟分子间的相互作用和运动， 预测界面现象。
详细描述
分子模拟方法是利用计算机模拟分子间的相 互作用和运动，从而预测界面现象的一种方 法。这种方法可以对分子间的相互作用进行 详细的模拟，从而深入理解界面现象的微观 机制。分子模拟方法需要具备较高的计算机 编程和数值计算能力，并且需要选择合适的 模拟算法和力场参数。
表面能
表面能是表面分子所具有的能量 ，它反映了表面分子间的相互吸
引力。
表面能的大小决定了物质表面的 稳定性，如液体的蒸发速度、晶
体表面的生长速度等。
表面能的应用包括表面改性、涂 层技术、纳米材料制备等领域。
表面活性剂
表面活性剂是一种能够显著降低 表面张力或界面张力的物质。
表面活性剂分子通常具有亲水基 团和疏水基团，能够在界面上形
计算机仿真方法
总结词
通过模拟系统整体行为，预测界面现象。
详细描述
计算机仿真方法是利用计算机模拟系统的整体行为，从而预测界面现象的一种方法。这 种方法可以对系统整体行为进行模拟，从而提供对界面现象的整体认识。计算机仿真方 法需要建立合理的仿真模型，选择合适的仿真算法和参数，并对仿真结果进行科学分析
。
交叉学科
此外，界面现象还与生物学、医学、环境科学等交叉学科密切相关。通 过跨学科的研究，可以拓展界面现象的应用领域，推动相关领域的发展 。
化学天津大学胶体与表面化学表面活性剂PPT教案
5
（3）两性表面活性剂
特性：杀菌，但对人体毒性或激性 小。
RR-NN+H(CCHH32)C2—HC2CHO2COOHO-
氨基酸型 甜菜酸型
2021/6/13
第56页/共52页
6
2、非离子型表面活性剂
特征：洗涤、乳化、增溶剂。
1）聚乙二醇
( CH2 CH2 O )n
第表二面节膜的应表用面吸附层及状单态分方子程层
例：聚氧乙烯（10）壬基苯酚醚 (OP-10) C9H19-C6H4- O-(CH2CH2O)-10H
203
457
2021/6/13
第334页/共52页
34
注：HLB值的几个问题
（1）混合表面活性剂HLB值的加和性。
HLBAB HLBA A(30)% HLBB B(70)%
（2）转相温度( Phase Inversion Temperature )
这是稀溶液中液面吸附膜所遵循的状态方程, 既两维空 间理想气体状态方程。
2021/6/13
第第190页页/共/共5522页页
10
2、单分子膜的各种
状态 （1）若温度(T)一定，A 增大， 减小。
（2）表面膜也有气体、液体、固体。
A KT
a
液 态
b膜
理想气 态膜
气液平衡 C
态
A/nm2
气 态
d
硬脂酸乙脂两度空间的 -A
2021/6/13
第156页/共52页
16
三、胶束(Micelle)的形成、结构和 CMC的概念
1、形成： （1）表面活性剂首先占据液体表面。 （2）达到饱和后，浓度继续增加（亲油基自身抱成团
）即形成一种聚集体 — 胶束(micelle，缔合的胶体质点
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F2rco s
05.08.2020
.
10
因为：
co sr/R
球缺底面积 r 2。
P 2 r r2 co s2 r r2 R r2 R
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.
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2、毛细管上升和下降
当液柱的静压为 .g到平衡。
P2 gh
R
h 2 gR
，又毛细管半径 r cos
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.
18
GrRlTnp p0 r
lnpr p0
2液气M RTr
Kelvin公式
举例分析：
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.
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第三节 润湿和铺展（wetting and spreading）
一、接触角（Contact）和杨氏方式（Young T） 接触角（Contact angle)：在气、液、
w rFd 2 lx d xdsA
所以： w r
dA s
- 表面张力， 表示液体增加单位表面 积时，环境所做的可逆功，单位 J. m-2。
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.
3
由于恒T、P下，可逆非体积功等于系统的Gibbs函数变
w r dG T.P dA
所以：
(
G As
)T
.P
所以也称为增加单位表面积时增加的Gibbs函数， 单位 J.m-2。
Liu:
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.
1
第一节 表面(界面)张力 surface tension
一、液体的表面张力，表面功和表面Gibbs函数。
由物化可知，例如铁丝做一框架
所以F ： 2l
即： F/2l
引起液体表面收缩单位长度上的力，单位 N . m-1 。
05.08.2020
.
2
另一角度分析:若膜面积增加dAs,则抵抗力F’ 向右移动dx，环境对体系所做表面功（非体积 功）, 则：
R
h2 g cr o s 00 2 gr
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.
12
3、测定液体表面张力的方法：
（1）毛细管上升法 ( capillary rise ) 液体沿毛细管上升的力与液体的重力平衡。
2rcosr2gh
所以：
ghr
2cos
当完全润湿时，θ=00 。
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.
13
（2）环法 (Ring)：
所以： R（ Pmaxg） hRP
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2.
2
15
4、微小液滴的饱和蒸气压--开尔文（Kelvin）公式
如果将平面液体分散成半径为r的小液滴：
PPr' P2液 r气
p
p
p
小液滴凹面的压力
平面液体的压力
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.
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如变化1mol液体为小液滴，则Gibbs函数变：
d G Sd V T d..P .
（Antonoff 规则 34.4 ）
1，2分别为两个相互饱和的液体的表面张力。
（例：苯层28.8, 水层63.2) 。不是液体(苯28.4)与含有本 身蒸气的空气相接触时测量值。
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.
8
（2）温度：
T升高， 下降。
温度系数
经验公式： T0[1k(TT0)]
当 T T0时， T 0 （表面张力为零）
Fm g22R
所以：
F
4 R
实际上，拉起的液柱并不是圆柱体，加校 正因子“f”，得：
F f 4R
05.08.2020
.
14
（3）最大压力气泡法：
当气泡的半径等于毛细管半径时：
P内 P大气 Pmax
P外 P大气 gh
半径为r的凹面对小气泡的附加压力：
由Laplace 方程得：
PP 内 P 外 P maxg h2R
05.08.2020
.
4
注：表面张力:
F/2l
单位面积表面功:
wr
dA s
单位面积表面Gibbs函数:
(
G As
)T .P
三者虽为不同的物理量，但三者单位均可
化为 N.m-1 。
因为: N.m-1 = N.m/m2 = J/m2
05.08.2020
.
5
二、热力学公式：（先考虑系统内只有一个相界面）
固三相会合点，固-液界面水平线与气-液界
面切线之间通过液体内部的夹角（θ）。
05.08.2020
.
20
接触角的两个例子:
三种力平衡状态： s ls lcos（杨氏方程）
05.08.2020
.
21
二、润湿现象(wetting)：
润湿——是固体表面上的气体被液体取代过程。
润湿分类：
（1）沾湿（ adhensional wetting ） （2）浸湿（immersional wetting） （3）铺展 （spreading wetting）
05.08.2020
.
6
在恒 T、P、nB()，dG= dAs ，
积分：Gs = As
若系统内有多个界面（i），所以：
Gs iASi
i
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.
7
三、影响表面张力的因素（强度性质）
（1）相界面性质与物质本性有关 通常：极性分子：大；非极性分子： 小。
如果：两液相之间的界面张力：
1212
（3）压力：
即：P升高，下降。当压力改变不大时， 压力对影响很小。
05.08.2020
.
9
第二节 弯曲界面的一些现象
phenomena at curved interface
1、弯曲液面的附加压力—拉普拉斯（Laplace）方程
PP内P外
垂直分力：cos ，圆球缺底面，圆周长为2r。
所以垂直分力在圆周上合力：
d G S d VT d Bp B ( )dB ( )n dA d T u d Ps d B V B ( )dB ( )n dA
式中： ( G ) ( u)
....
ATP nB ()
ASV nB ()
表明界面张力在T、P和各相中各物质的量不变时， 增加单位界面积时所增加的Gibbs函数。
G V ~ p V ~ （ p r ' p ） V ~2rl gM 2 r
Pr’ 和 P分别为小液滴凹面的压力和外压。
此处因为： G
r
0
05.08.2020
小液滴
.
平面液体
17
根据气液平衡： 液 气
r0 R lp n T r;0 R lp n T 0
小液滴化学势
大块水化学势
Pr 和 Po 分别为小液滴和平面液体的饱和蒸汽压
05.08.2020
.
22
沾湿：气-固，气-液界面消失，形成液-固界面的过程。
气液 固
液
固
对单位面积沾湿过程：
G ls l s l(1 c o )
若沾湿过程为自发，则：△G<0，所以 180o。
它的逆过程需要的功，称为沾湿功。
G aw a 0 ,沾湿功
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.
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浸湿： 气-固 界面完全被 液-固 界面取代的过程。