第三章表面活性剂的界面吸附
【胶体和界面化学】研究生课件3
H2COOCR
CH2OH 3RCOONa + CHOH
CH2OH
2. R-OSO3M硫酸酯盐 (烷基硫酸盐）R为8～22，M为Na、K ， （如十二烷基硫酸钠）
是润湿、乳化分散及去污最好的表面活性剂之一，是在肥 皂之后最老的阴离子表面活性剂，是以用高级醇经硫酸化、 碱中和后制成。由于高表面活性而得到广泛应用，但有两 方面缺点，一是在酸性条件下易水解还原为醇，二是碳原 子数为14-16时室温溶度很小。
第三章：表面活性剂作用原理
§第一节 表面活性剂的分类和化学结构 §第二节 表面活性剂在界面上的吸附 §第三节 表面活性剂在溶液中的状态 §第四节 表面活性剂有序结构 §第五节 表面活性剂的化学结构和性能
的关系
§第一节 表面活性剂的分类和化学结构
1.1 表面活性和表面活性剂 1.2 表面活性剂的分子结构特点 1.3 表面活性剂的分类和化学结构
纺织、印染、农药等工业中常用的调湿剂“拉开粉”即为 一
种烷基(二丁基或二异丙基)萘磺酸盐。萘和丁醇在浓硫酸 石油的磺作酸用盐下即生成二丁基萘磺酸，以碱中和即得萘磺酸盐。
石油磺酸过去常为提炼、纯化白矿油的副产品，与废酸一起 被抛弃。近年来应用越来越广泛。石油磺酸不再作为废品被 弃去，而是在市场上供不应求。实际应用的石油磺酸大部分 是油溶性的，其平均分子量大约在400与580之间(石油磺酸钠)
烷基苯磺酸盐，十二烷基苯磺酸钠，是大多数洗衣粉中的主要 成分，在硬水中一般不生成皂垢，耐酸碱。制造的主要原料是 石油,合成路线：
C10H24CH4 = CH2 +
[HF] C12H25
or[H2SO4]
C12H25
[H2SO4] [SO3]
表面活性剂在溶液表界面上的吸附
04
表面活性剂在溶液表界面 上的应用
乳化与破乳
乳化
表面活性剂能够降低油水界面张力， 使互不相溶的油和水形成稳定的乳浊 液。乳化作用在化妆品、食品、制药 等领域广泛应用。
破乳
在某些情况下，如油水分离、废水处 理等，需要将形成的乳浊液进行破乳 ，使油水分离。表面活性剂可以通过 改变界面性质实现破乳。
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表面活性剂分子在溶液表面上的定向 排列能够降低表面张力，使得液体更 容易润湿固体表面，提高液体的分散 性和乳化性。
表面活性剂的分类
根据分子结构，表面活性剂可分为阴离子型、阳离子型、非离子型和两性离子型 等。
阴离子型表面活性剂如肥皂、烷基硫酸盐等，阳离子型表面活性剂如季铵盐等， 非离子型表面活性剂如聚氧乙烯醚等，两性离子型表面活性剂如甜菜碱等。
润湿与反润湿
润湿
表面活性剂能够降低固体表面与气体 或液体间的界面张力，使固体表面容 易被液体润湿。在涂料、油墨、化妆 品等领域，润湿作用至关重要。
反润湿
与润湿相反，反润湿是指使已被润湿 的表面重新变得不润湿。在某些加工 过程中，如纸张涂层、玻璃镀膜等， 需要控制表面的润湿性，这时就需要 利用反润湿技术。
减阻与起泡
减阻
表面活性剂可以降低流体在管道中的流动阻力，从而提高流体输送的效率。在石油工业、化学工业等领域，减阻 作用具有重要的应用价值。
起泡
表面活性剂可以在液体中形成稳定的泡沫。起泡作用在食品工业（如啤酒、奶制品等）、制药工业（如泡沫灭火 器、泡沫硬化剂等）等领域有广泛应用。
05
表面活性剂在溶液表界面 上的研究进展
新型表面活性剂的开发
总结词
随着科技的发展，新型表面活性剂的开发已成为研究的热点。
《表面活性剂化学》题集
《表面活性剂化学》题集第一章绪论一、选择题1. 关于界面与表面的定义，下列哪项是正确的？（）A. 界面是指不同物质相接触的线，表面是指液体与气体接触的面B. 界面是指不同物质相接触的面，表面是指液体与气体接触的线C. 界面是指不同物质相接触的面，表面是指液体与气体接触的面D. 界面和表面都是指液体与气体接触的面2. 表面张力是以下哪个现象的表现？（）A. 液体表面层的分子受到向内的吸引力大于向外的吸引力B. 液体表面层的分子受到向外的吸引力大于向内的吸引力C. 液体表面层的分子受到均匀的吸引力D. 液体表面层的分子受到均匀的排斥力3. 下列哪种物质不属于表面活性剂？（）A. 肥皂B. 洗发水中的活性成分C. 食盐D. 洗洁精4. 表面活性剂的HLB值代表的是：（）A. 氢键长度B. 氢键能量C. 亲水亲油平衡D. 氢键数量5. 关于表面活性剂的活性，以下哪项描述是正确的？（）A. 表面活性剂的活性与其分子量成正比B. 表面活性剂的活性与其分子量成反比C. 表面活性剂的活性与其分子结构无关D. 表面活性剂的活性取决于其在界面上的吸附能力二、填空题1. 界面是指两种不同______相互接触的区域，表面是指液体与气体接触时在液体表面形成的一个______薄层。
2. 表面张力是液体表面层的分子间作用力______液体内部，使液体表面具有______收缩的趋势。
3. 表面活性剂是一类能够显著降低液体表面张力的物质，其分子结构通常具有一个或多个______和一个或多个______。
4. 表面活性剂的HLB值反映了其分子的______程度，HLB值越高，亲水性越______，HLB值越低，亲油性越______。
5. 表面活性剂在生活和工业中有广泛的应用，如______、______、______等。
三、简答题1. 请简述界面张力与表面张力的区别。
2. 为什么液体表面层的分子会表现出比内部分子更大的相互作用力？3. 简述表面活性剂如何通过改变分子结构来降低液体表面张力。
表面活性剂在固液界面的吸附作用
研究不足与展望
需要进一步研究多种表面活性剂的相互作用
目前的研究主要集中在单一表面活性剂在固液界面的吸附，而实际应用中常常涉及到多种表面活性剂的共存和相互作 用。因此，未来研究需要深入探讨多种表面活性剂在界面上的竞争吸附、协同作用和相互影响。
表面活性剂吸附与界面流变学的关联
虽然我们已对表面活性剂吸附对界面性质的影响有了一定了解，但界面流变学行为与表面活性剂吸附之间的具体关系 仍不明确。未来研究应关注这一领域，以更好地理解界面流变性质与微观结构之间的关系。
选择了几种常见的表面活性剂，如阴离子 型、阳离子型和非离子型。
制备了不同浓度的表面活性剂溶液，以便 观察浓度对吸附效果的影响。
实验设备
实验步骤
采用了原子力显微镜（AFM）和表面张力仪 等设备，以测量表面活性剂在固液界面上的 吸附情况。
先对实验材料进行预处理，然后将表面活 性剂溶液与固体表面接触一定时间，最后 对实验结果进行分析。
吸附热力学参数
通过热力学实验测定，包括表面张力、吸附量、吸附热等。
表面活性剂在固液界面的吸附动力学
吸附速率
表面活性剂在固液界面上的吸附速度取决于扩散和反 应动力学过程。
动力学模型
描述吸附速率的数学模型，如扩散模型、反应模型等。
影响因素
包括表面活性剂的性质、溶液浓度、温度和界面结构 等。
表面活性剂在固液界面的吸附模型
降低表面张力
表面活性剂在固液界面吸附后，可以 降低液体表面张力，有助于润湿、乳 化、发泡等过程。
增强分散稳定性
在固液分散体系中，表面活性剂吸附 在固体颗粒表面，形成保护膜，防止 颗粒聚集，提高分散稳定性。
提高固体表面的润湿性
通过固液界面吸附，表面活性剂能够 改变固体表面的润湿性，使其易于被 液体润湿。
表面活性剂在界面的吸附
10-5
9.6×10-8 4.8×10-8
10-3
9.6×10-9 4.8×10-9
10-1
9.6×10-10 4.8×10-10
4．滑移面和ζ电位 是stern面外侧的固-液界面的液体滞留层，即固-液先相对 位移时滑移面，而由滑移面至溶液本体相的电位差即固液界面的动电位，又称为ζ电位。
4、离子强度的影响
增加水溶液的离子强度，则会压缩离子型表面活性剂的 离子氛半径，直接减少其在相反电荷表面的吸附作用，同 时，又会增加其在相同电荷表面的吸附作用。
此外，多价金属离子如Ca 2+的存在将有利于阴离子表面 活性剂的吸附。
三、固体吸附剂的影响
常见的固体吸附剂有三大类：
1、表面带强电荷的固体吸附剂
3、化学吸附
4、π二、固-液界面吸附量及其影响因素
评价固-液界面吸附性能的重要参数是吸附量ns，即单位质
量吸附剂吸附吸附质的物质量。
吸附量Г
ns x C0－C V （mol/Kg）
mm
ns as
C0－C ma s
V
（mol/m2）
1、表面活性剂的类型对吸附的影响
在低pH值时表面为正电荷，而在高pH值时表面为负电荷， 而许多表面活性剂是pH敏感的，一旦吸附剂和吸附质的 电荷确定，则其吸附性能与前述相似。不同的是两性离子 型表面活性剂在任何带电固体表面的吸附都不会形成疏水 膜。
2、疏水非极性固体吸附剂 这类吸附剂有炭黑、聚
乙烯或聚丙烯等，其吸 附等温线为L型吸附，这 种吸附主要依靠色散力。
H3+N-R-COOH+OH-
第三章 表面活性剂的界面吸附
时溶质的表面过剩，单位是mol/cm2。
α β 分别为溶剂（ ）和溶质（ ） 上式中， c1 , cα , c1β , c2 分别为溶剂（1）和溶质（2） 2 相中的浓度， 在α、β相中的浓度，均为实验可测量 而V， n1 , n2 相中的浓度 均为实验可测量, 1 也是已知量，因此可求得 Γ 2 。 也是已知量，
离子交换吸附
离子对吸附
The interaction of an ionic surfactant with a surface of opposite charge will lead to charge neutralization (a) followed, in many cases, by charge reversal (b).Counterions are omitted for clarity.
此值与麦克拜因（Mcbain）直接自实验测出的数值 Γ＝ 2.77x10-6mol·m-2 相当接近。
3.吉布斯吸附等温式的讨论和应用
(1)吉布斯吸附等温线 吉布斯吸附等温线
dγ = B （常数） 当浓度极稀时，对2、3类型曲线 dC 2
代入吉布斯吸附等温式得
Γ
即 Γ (1) 与 C 2
2
(1) 2
而式 可改写成： 可改写成： 其中 Γ2(1) 的上标表示 Γ1＝0，如以 1 代表溶剂而 2 代 表溶质， 表溶质，并应用公式 则
此式为吉布斯吸附等温式应用于双组 分体系稀溶液中的特殊形式。 分体系稀溶液中的特殊形式。
从上式可看出，吸附量 Γ2(1) 的符号取决于表面张力随 浓度的变化率 dγ/dc： 若 dγ/dc<0 ，则 Γ>0 ，溶质发生正吸附；这时溶质在 表面上的浓度比溶液内部的大；反之， 当 dγ/dc>0 ，溶质发生负吸附，这时溶质在表面上的 浓度比溶液内部的小，即溶剂在表面上的含量更多。 根据吉布斯吸附等温式亦可定量的计算表面过剩 Γ。 例如在 293K 时测得 0.05mol·Kg-1 和 0.127mol·Kg-1 酚的水 溶液的表面张力分别为 0.0677 和 0.0601N·m-1
表面活性剂在溶液表界面上的吸附
线，用任意溶质的浓度或总浓度作γ- lgc曲线， 再用前述方法算出体系的总吸附量。
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3.1 表面活性剂在气-液界面的吸附
3.1.2 Gibbs公式在表面活性剂溶液中的应用 2.表面吸附量的计算 (2)混合体系 ② 单组分吸附量 欲求一种表面活性剂(i)的吸附量Γi，可固定其
(γ)，由γ- c曲线(常用γ- lgc)得某一浓度(c) 时的曲线斜率dγ/dc 应用吉布斯公式，即可求出某一浓度(c)时的表面 吸附量Γ。
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3.1 表面活性剂在气-液界面的吸附
3.1.2 Gibbs公式在表面活性剂溶液中的应用 2.表面吸附量的计算 (2)混合体系 对于表面活性剂混合物，可利用Gibbs吸附公式计
2
引言
例如：活性炭给液体脱色，分子筛催化剂起催化作用，肥 皂有乳化作用。
表面活性剂在溶液表面、油水界面或固体表面上的吸附， 会改变表面或界面状态，影响界面性质，从而产生一系列 在应用中很重要的现象，如润湿、乳化、起泡、洗涤作用。
对表面活性剂在界面上的吸附作溶液研究，是非常重要的。 吸附现象发生在各种界面上，溶液的吸附量不像固体的吸
第3章 表面活性剂在溶液表 (界)面上的吸附
1
引言
吸附 溶质从水溶液内部迁至表(界)面，在表(界)面富集的过程叫吸附。 广义地讲，凡是组分在界面上的浓度出现差异的现象统称为吸附。 若组分在界面浓度高于体相中的，称为正吸附，反之为负吸附。 一般无特别说明，均为正吸附。 吸附可发生在各种界面上。
相同的物理化学性质。而实际上，溶液从液相到气相的界 面部分，存在一个平均密度连续变化区。 也就是说，两种完全不混溶物两相在接触时，交界处并非 有一个界限分明的几何面将两相分开，而是存在一个界线 不很清楚的薄薄一层，其成分和性质皆不均匀。 我们将此与体相不同的且组成不断变化的只有几个分子厚 度的区域称为表(界)面相，通常以σ表示。 组分在表面和体相内部浓度的差异用表面过剩来表示。
《表面活性剂化学》第三章习题
第三章表面活性剂在界面上的吸附一、选择题1. 表面活性剂在界面上的吸附主要是由于其分子结构中的哪两部分之间的相互作用？（）A. 亲水头部和疏水尾部B. 疏水头部和亲水尾部C. 两个亲水头部D. 两个疏水尾部2. Gibb吸附公式中，ΔG代表什么？（）A. 吸附过程中的吉布斯自由能变化B. 吸附过程中的焓变C. 吸附过程中的熵变D. 吸附过程中的活化能3. 在气-液界面上，表面活性剂的吸附通常导致以下哪种现象？（）A. 表面张力降低B. 表面张力增加C. 溶液粘度降低D. 溶液粘度增加4. 下列哪种因素不影响表面活性剂在固-液界面上的吸附？（）A. 固体表面的性质B. 溶液的pH值C. 溶液的温度D. 溶液的体积5. 表面活性剂在界面上吸附达到平衡时，以下哪个描述是正确的？（）A. 吸附速率等于脱附速率B. 吸附速率大于脱附速率C. 吸附速率小于脱附速率D. 吸附速率和脱附速率都不变二、填空题1. 表面活性剂在界面上的吸附是由于其分子结构中的______和______两部分之间的相互作用，这种相互作用使得表面活性剂分子在界面上形成______排列。
2. Gibb吸附公式是______，其中ΔG是______，R是______，T是______，π是______，c是______。
3. 在气-液界面上，表面活性剂的吸附会导致表面张力______，这是由于表面活性剂的______部分覆盖了液体表面，减少了表面分子的______。
4. 表面活性剂在固-液界面上的吸附受到多种因素的影响，包括______、______和______，这些因素共同决定了吸附的______和______。
5. 当表面活性剂在界面上吸附达到平衡时，吸附层中的表面活性剂分子会形成一种______结构，这种结构称为______，它对界面的性质有显著影响。
三、简答题1. 简述表面活性剂在界面上的吸附过程，包括吸附的初始阶段、中间阶段和平衡阶段的特点。
第三章表面活性剂
a M
2RTA d ln aA
(1) 2
1 2RT
(d
d
ln
a)T
2RT形式
0.059 z z
I
1 2
式中a f c;lg f
1
1 0.33I 2
z :离子强度 :离子间距离
若在溶液中加入过量的，与表面活性离子具有共 同反离子的中性无机盐。如：Na+A-中加入NaCl， 并使其浓度远远大于SAa浓度
形成浊点的原因： 非离子型表面活性剂的 极性基团易与水形成氢键而提高其溶解能 力。温度升高至一定程度时，SAa与水间 的氢键作用削弱而不足以维持其溶解状态。
④在cmc以上表现出可以溶油的特性（加溶作用）
上述特性可归结为表面活性剂的两大特点： 即易在表面发生吸附和在一定浓度形成胶团 等分子有序组合体有关。
(3)聚氧乙烯烷基酰胺 O
CR
H(OC2H4)x O
O(C2H4O)zH
OH
OH
R-CONH(C2H4O)nH
常用作起泡剂、增粘剂
O(C2H4O)yH
OH
(4)多元醇型 主要是失水山梨醇的脂肪酸酯及其聚氧乙烯加成物
Span类 及 Tween类表面活性剂即属此类
具有低毒的特点，广泛用于医药工业、食品工业以及生化实验
极性基团：大的基团γcmc也大（一般） ②决定降低表面张力的因素是最外层基团（吸附层） 的结构、组成
－CF3>－CF2>－CH3>－CH2－>－CH=CH－ ③链长对γcmc影响不大，一般CH链增长，γcmc↓ ④具有分枝结构的γcmc小（CH3变多，CH2减少）
C：表面活性剂溶液表面吸附之效用
表面活性剂在固液界面的吸附解读
表面活性剂在固液界面的吸附方式
（1）离子交换吸附
固体表面的反离子被同电荷符号的表面活性剂离子取代而引起的吸附。
（2）离子配对吸附 固体表面未被反离子占据的部位与表面活性剂离子因电性作用而引 起的吸附。
（3）形成氢键引起的吸附 固体表面和表面活性剂的某些基团间形成氢键而引起的吸附。
（4）疏水作用引起的吸附 疏水作用引起的吸附表面活性剂的疏水基间相互作用以及逃离水 的趋势，使得表面活性剂达到一定浓度后会以相互缔合状态吸附。
a) 如果表面活性剂在溶液中的浓度达不到疏水缔合的浓度范围， 即只发生单体吸附，则吸附等温线为L型。
b) 如果表面活性剂的疏水效应强，在低浓度时就可疏水缔合，则单 体吸附和疏水效应在同一浓度区发生，吸附等温线也将是L型。
c) 如果表面活性剂与固体表面的相互作用较弱，或固体的表面吸附 位少，则第一阶段的单体吸附量少，吸附等温线第一平台几乎不出 现，则等温线呈S型。
（5）π电子极化引起的吸附 表面活性剂分子中富电子芳环与固体表面强正电子位之间的作用而引 起的吸附。 （6）色散力引起的吸附 固体与表面活性剂之间因范德华力引起的吸附。这类机制的吸附量 随表面活性剂分子量增加而增加。 （7）化学键力引起的吸附 如果被吸附物中含具有孤对电子的原子，例如N、O、P、S等， 它们可与某些金属原子形成共价键，即发生化学吸附。
（5）无机盐的影响
a ) 无机盐溶液中加入中性无机盐，会使离子型表面活性剂在固 体上更易吸附，最大吸附量也会有所增加。这是因为：一方面 无机盐的存在压缩双电层，被吸附的表面活性剂离子间斥力减 小，可排列更紧密；另一方面是可以降低表面活性剂的CMC， 利于吸附进行。
b ) 阴、阳离子型表面活性剂混合后，吸附量比单个表面活性剂 明显增加。