表面及界面化学一--2011
胶体与界面化学a答案
胶体与界⾯化学a答案天津⼯业⼤学2011-2012学年第⼀学期应化、化⼯《胶体与界⾯化学》课程期末试卷(A卷)⼀、选择题（25分）1. 空⽓中直径0.01m的球形肥皂泡（表⾯张⼒为0.025N/m）所受附加压⼒为( D )(A) 2.5Pa (B) 5Pa (C) 10Pa (D) 20Pa2. 液体在⽑细管中上升的⾼度正⽐于（C ）。
(A) 温度(B) 液体密度(C) 附加压⼒(D) 管的半径3. 在相同温度下，同⼀液体被分散成有不同曲率半径的分散体系时，将具有不同饱和蒸⽓压，以P平、P凹、P凸分别表⽰平⾯、凹⾯和凸⾯液体上的饱和蒸⽓压，则三者的关系是（B ）(A) P平＞P凹＞P凸(B) P凸＞P平＞P凹(C) P凹＞P平＞P凸(D) P凸＞P凹＞P平4. ⽤最⼤⽓泡法测定溶液表⾯张⼒，对实际操作的规定哪条不正确？（D ）(A) ⽑细管必须严格清洗保证⼲净(B) ⽑细管⼝必须平整(C) ⽑细管应垂直放置并刚好与液⾯相切(D) ⽑细管垂直深深插⼊液体内部，每次浸⼊浓度尽是保持不变5. 表⾯活性剂是针对某种特定的液体或溶液⽽⾔的，表⾯活性剂的实质性作⽤是（ C ）（A）乳化作⽤（B）增溶作⽤（C）降低表⾯张⼒（D）增加表⾯张⼒6. 电动现象产⽣的基本原因是（D ）（A）外电场或外压⼒的作⽤（B）电解质离⼦的作⽤（C）分散相粒⼦或多孔固体的⽐表⾯能⾼（D）固体粒⼦或多孔固体表⾯与液相界⾯间存在扩散双电层结构7. 区别溶胶与真溶液和悬浮液最简单⽽灵敏的⽅法是（C ）（A）乳光计测定粒⼦浓度（B）超显微镜测定粒⼦⼤⼩（C）观察丁达尔效应（D）测定ζ电势8. 江、河⽔中含的泥沙悬浮物在出海⼝附近都会沉淀下来，原因有多种，其中与胶体化学有关的是（B ）（A）乳化作⽤（B）电解质聚沉作⽤（C）溶胶互沉作⽤（D）破乳作⽤9.雾属于分散体系，其分散介质是（A ）（A）⽓体；（B）液体；（C）固体；（D）⽓体或固体。
江南大学化学与材料工程学院研究生招生专业及方向简介
3. 学科专业：070302分析化学： 曹玉华、高海燕、顾文秀、李在均、刘俊康、刘 湘、齐丽云、冉国侠、宋启军、 孙培冬、汪 云、王海军、魏慧贤、张海朗、张 珉、朱振中、郑昌戈、张革新
电 化 学 传 感 器 的 研 制 ， 如 ： 新型离子液体/多壁碳纳米管/壳聚糖修 饰电极、分子印迹电化学传感器的研制等；制备高性能锂电池、超级电容 器等先进储能器件用绿色电解质和电极材料；电化学仪器的研制。 3. 生物与食品分析环境分析
环境科学与工程（废水、废气的监测方法和资源化处理）；食品中重 金属及有害有机物的检测方法研究；通过化学、生物等绿色转化技术研究， 开发高级生物润滑剂、表面活性剂、食品添加剂、医药、包装材料等绿色 产品；表面活性剂分析方法以及表面活性剂在分析化学中的应用研究； 4. 分离技术
(一) 硕士生导师招生专业： 1. 学科专业：0817化学工程与技术、085216化学工程（专硕）：
曹光群、曹玉华、陈美玲、陈明清、储 鸿、崔正刚、丁玉强、方 云、高海燕、 顾 瑾、顾文秀、顾志国、江金强、蒋惠亮、蒋建中、蒋平平、李在均、刘俊康、 刘士荣、刘 湘、刘晓亚、刘学民、刘雪峰、陆 杰、罗世能、倪邦庆、彭奇均、 齐丽云、邱 玲、冉国霞、任春霞、宋启军、孙培冬、孙余凭、王海军、魏慧贤、 夏咏梅、许虎君、杨 成、姚伯龙、张海朗、张丽萍、张 珉、朱振中、郑昌戈、 张革新、邹文华
(三) 二级学科分析化学大致涵括以下具体的研究方向：
1. 光谱分析 开展对化学发光基础理论研究，研究发光和传感机理。原子吸收和光
谱发分析；分子光谱研究，化学发光及电致化学发光新体系的研究，电 致 化 学 发 光 器 件 的 研 究 等；光化学降解及过程监测；半导体光催化氧化 反应降解废水中有机污染物的研究；催化转化-生物降解法处理废水；计 算机在分析化学中的应用研究。 2. 电化学分析
表面和界面-Surfaces and Interfaces
8. Surfaces and Interfaces8.1 IntroductionThere exist differences in the important parameters describing interfaces and surfaces:Surfaces Interfacesroughness composition conformation chain ends width (roughness) profile conformation fluctuationssnapshot of a coarse-grained moleculardynamics simulation of a block co-polymer double bilayer in waterGoundla Srinivas, IBM Almaden Research Centerthermodynamic: To allow contact between two different phases, an interface with a free energy between them is needed. Across this interface the intensive properties of the systems are changing from one phase to the other.Free energy of the interface ΔG = ΔW = 2σAA change of the interface requires a free energy ΔG, meaning a work ΔW, proportional to the area A and interfacial tension σ, is needed.work of cohesion W c = 2σwork of adhesion W c= σ1+σ2-σ12The process is assumed to be fully reversible.8.2 Polymer Surfaceair / vacuumpolymer surfacepolymer volume (bulk)Simple microscopic view: attractive forces between the atoms (spring-bead model) with force equilibrium in the volume, but missing partners at the surface→ attraction oriented towards the bulk→ surface tension / surface energy→ change of the structure at surfacea) Chain conformation in the vicinity of the surfaceComputer simulation: Structural properties of a dense polymer melt confined between two hard walls are investigated over a wide range of temperatures by dynamic Monte Carlo simulation using the bondfluctuation lattice model.The effect is present in a region close to the polymer surface. Deviation of the chain conformation is found in a region with an extension of ≈2R g .Baschnagel, Binder, Macromolecules 28, 6808 (1995)As the wall is further approached, the ability of the chains to reorient is progressively hindered, leading to an increase of R g|| and to a decrease of R g ⊥. Therefore the main effect of the wall is to reduce the orientational entropy of the polymers and to align them preferentially parallel to it.Experiments (GISANS): The samples consist of blend films of protonated and deuterated polystyrene (PS) spin coated onto glass substrates. A variation of the thickness of the blend films in a range of about 41 down to 0.66 times the radius of gyration R g of the chains in the bulk enables the determination of film thickness and confinement effects with the advanced scattering technique grazing incidence small angle neutron scattering (GISANS).The effect of the breaking of the translation symmetry by the presence of a surface is found in a more extended region of ≈8R g .Kraus et al., Europhys. Lett. 49, 210 (2000)The polymer molecule is altered in its conformation from an isotropic Gaussian chain (sphere) into an ellipsoidal shapechain segments are oriented in parallel to surfaceb) Chain end distribution Theory:Density of chain ends at the surface (de Gennes, 1992):φφρee N 2=with N length of chainφe number of ends at surfaceφ number of monomers per volume→ chain ends from a region 2R g are enriched in a layer of thickness d (typically 1-2 nm):N dae 2=ρ with segmental length aenrichment of chain ends at the surface due to entropic effects Experiments (NR): Mono-terminated polystyrenes (PS) are synthesized anionically to include a short perdeuteriostyrene sequence adjacent to the end groups for the purpose of selective contrast labeling of the end groups for neutron reflectivity (NR).The location of deuterium serves as a marker to indicate the location of the adjacent end group. Damped oscillatory end group concentration depth profiles at both the air and substrate interfaces are found. The periods of these oscillations correspond approximately to the polymer chain dimensions.contrast density depth profileKoberstein et al; Macromolecules 27,5341 (1994)c) Segment distribution in the vicinity of surfaceComputer simulation: Strong orientation of segments due to the breaking of the translational symmetry of the system by the presence of a surface. The effect is present in region close to surface only, with extension of ≈2R g.Experiments (Force balance): Strong modulation in the density in the vicinity of the surface (effect much more pronounced in case of a solid wall).transition region with significantly decreased densityd) Influence on the kineticsComputer simulation:At the polymer surface a very mobileand quasi-liquid layer is existing wellbelow a melting temperature T m. In thislayer the chain mobility is increased.at surface mobility in movement in parallel to the surface is increased in a thinlayer of thickness d (typically 2 nm)This behavior is similar to many crystal samples. The origin is the reduced number of entanglements at the surface.Experiments (FCS): Comparison of polymer diffusion, polyethyleneglycol (PEG), when adsorbed to a solid surface and in free solution(a) Flexible polymer chains that adsorb are nearly flat at dilute surface coverage (i.e., de Gennes pancake). The sticking energy for each segment is small, so no single segment is bound tightly, but the molecular sticking energy is large. (b) Diffusion coefficients (D) in dilute solution (blue circles) and at dilute coverage on a solid surface (red squares) plotted against the degree of polymerization (N) at 22°C.on surface: changed power law due to excluded volume statisticsDepending on the interaction between polymer and wall the mobility can by unchanged to bulk (neutral wall) or slowed down (attractive wall).How do polymer surfaces look in experiments?Examples:polystyrene machined titanium dual-acid-etched (DAE)titaniumSEMAFMNakamura et al, JDR 84, 515 (2005)Typically polymer surfaces are significantly smoother as compared to metal and metal oxide surfaces (independent of the surface treatment).PMDEGA after swelling in water vapor after 6 days storage in airZhong, PMB et al, Colloid. Polym. Sci. 289, 569 (2011)Homopolymer surfaces are only smooth with low surface roughness and good homogeneity if the homopolymer film is stable. If it is unstable the surface can roughen.If the polymer crystallizes a completely different polymer surface is observed. Due to the crystals present at the polymer surface, the surface roughness is significantly increased.8.3 Interface between polymerscase I: identical polymers A/A or compatible polymers A/B• interdiffusion of segments • adhesion • model of segment movementexample: PS/PS, PMMA/PMMA, PMMA/PVCcase II: incompatible polymers A/B• width of the interface in equilibrium • polymer-polymer interaction parameter (Flory-Huggins parameter) χexample: PS/PBrS, PS/PMMA, PS/PpMS, PS/PnBMAMathematical description of the interface:Rough interface j with mean z-coordinate set to zero and fluctuations in height z j (x)The rough interface can be replaced by an ensemble of smooth interfaces weighted by a probability density P j (φ)with a mean value ∫=dz z zP j j )(μand root-mean-square (rms) roughness ()∫−=dz z P z j j j )(22μσDifferent probability density function are possible and result in different interfaces: Normalized error-function (solid line) and hyperbolic-tangent (dashed line) have very similar refractive index profiles n j (z).Error function profile⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−−+=++j j j j j j j z z erf n n n n z n σ222)(11 results from Gaussian probability density (μi =0) ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=222exp 21)(j jj z z P σσπand hyperbolic-tangent profile ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−−+=++j j j j j j j z z n n n n z n σπ32tanh 22)(11results from probability density (μi =0) ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=−j jj z z P σπσπ32cosh 34)(2Both examples are based on symmetric probability functions, however, for real samples this symmetry is not ensured and thus asymmetric profiles can occur (e.g. polymer brush with exponential decay).a) Interface width of polymer interfacesComputer simulation (Monte-Carlo simulation by Binder, 1994):A symmetric binary mixture (polymer1, polymer2) below its critical temperature T c of unmixing is considered in a thin-film geometry confined between two parallel walls, where it is assumed that one wall prefers polymer1 and the other wall prefers polymer2. Then an interface between the coexisting unmixed phases is stabilized.with interface width χ6a L = yields rms-roughness πσ2L rms =only valid for smooth interfaces (σrmssmall) with qR g >1 and N →∞with segment length a scattering vector ()dq πλπ2sin 4=Θ=Not taking into account: - concentration dependence of χDifferent approximations in the framework of Mean Field theories:• Binder: expansion of free energy for φ=0.5 and N 1=N 2=N (with qR g >1 and χN>>1)()NaL 26−=χ• Brosetta: Integration of the quadratic gradient term in the vicinity of φ=0.5⎟⎠⎞⎜⎝⎛⎥⎦⎤⎢⎣⎡+−=21112ln 26N N aL χ• Stamm: minimization of the free energy using a "trial"-function⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⎥⎦⎤⎢⎣⎡+−=2121166N N aL πχ ⇒ It is possible to determine the polymer-polymer interaction parameter χ froma measurement of the interface width L, in case the degree of polymerization Nand the segment length a are known!• Frisch: modification of the profile on different length scales: deviation from the simple tanh-shapeb) entanglement density at the interface between two immiscible polymers The variation of entanglement density with interface width at an interface between two polymers is calculated using the relationships between chain packing and entanglement. The chain packing is obtained by the use of self-consistent mean-field techniques to calculate the average chain conformations within the interface region.calculated number of segmentsbetween entanglements as a functionof χassuming a bulk value of N e,typical for polystyrene, of 130Oslanec and Brown, Macromolecules 36, 5839 (2003)b) time dependent evolution of the interface widthHowever, all these models describe a time average and the final equilibrium interface. With experimental techniques it is possible to prepare interface between polymers far from equilibrium and to follow changes with time resolution.covering a large range of time and length scales the crossover between 4different regimes is observedt < τe: Rouse regimeτe < t < τf: Reptation regimeτf < t < τd: Blob movementτd < t: Fick diffusioncharacteristic power laws: tαRouse regime: α = 0.5Reptation regime: α = 0.25Fick Diffusion: α= 1.08.4 Rouse Model(P.E.Rouse 1953, extension B. Zimm 1956)The Rouse model describes the conformational dynamics of ideal chains. The main assumptions are: 1. no excluded volume interaction2. no hydrodynamic interactionTherefore one expects this model to work at Θ-condition or polymer melt condition.Polymers are interconnected objects with a large conformational entropy. As a consequence, the universal entropy-driven Rouse dynamics prevails at intermediate scales, where local potentials have ceased to be important and entanglements are not yet active. Key signature of the Rouse motion is the sublinear evolution of the segmental mean-square displacement2)(t2/1tr≈neutron spin echo (NSE) results on the single-chain dynamic structure factor: dynamics of poly(vinyl ethylene) on length scales covering Rouse dynamicsMean-square displacementof the protons, the solid linerepresents Rouse dynamicsRicher et al., Europhys. Lett., 66, 239(2004)Both molecular-dynamics (MD) simulations and MCT calculations on coarse-grained polymer models (bead and spring models)Bead-spring modelIn this model of a polymer molecule it consists of beads and springs forming a chain. The beads are hydrodynamics resistance sites that are dragged on by the suspending fluid. They also experience random Brownian forces caused by the thermal fluctuations in the fluid which are significant on the molecular scale. The spring is an entropic force pulling the adjacent beads together. In fact, the spring represents many monomer units that can coil and uncoil in response to the forces. This model is a reasonable representation of the polymer chain dynamics that actual polymer molecules undergo.8.5 Reptation Model(de Gennes, Doi, Edwards, 1971 + 1978)Reptation is the snake-like thermal motion of very long linear, entangled macromolecules in polymer melts or concentrated polymer solutions. It comprises:• entanglements with other chains hinder diffusion• each polymer chain is envisioned as occupying a tube of length L • movement of polymer chain is only possible within this fictive tube• special type of movement: diffusion only via movement of chain ends,keeping chain conformation unchangedtube diameter ddifferent types of movement:t < τe : no hindering in movement by tube (Rouse type movement)t = τe : density fluctuations within the chain are extended up to the length scale of the tube diameterτe < t < τf : polymer chain moves along the tubeτf < t < τd : chain starts to escape the tubet = τd : chain left the original tubet > τd : completely free movement of the chain with no remembering of the tubeExample:PE M w = 190k d = 49Å or PE M w = 17k d = 54ÅPS d ≈ 50ÅN R e , density ρ und temperature TInfluence on the interface profile:shown for different relative diffusion times t/t f 0.1 s mall →0.9 largeThe jump in the concentration profile is caused by the movement of the chain ends across the interface in the framework of the Reptation model.Attention: the profile needs to be convoluted with the tube diameter d8.6 Fick diffusionTranslation of the complete polymer chain is described as diffusion of the centerof masswith diffusion coefficient D Attention: different diffusion coefficients are existing D S self-diffusion coefficient (A moves in a matrix of A) D I inter-diffusions coefficient (A und B move with respect to each other) D T tracer-diffusion coefficient (marker T moves in matrix A)a) self-diffusion:Movement of chains in the identical environment → very difficult to detect experimentally, because no contrast between chain and environmentPossibility of marking individual chains (by deuteration or with fluorescent end-groups), but strictly this is a tracer experiment already Example: PS volume D S ≈4*10-14 cm 2/s thin film (300Å) D S ≈1.5*10-15 cm 2/s surface D S ≈9.3*10-16 cm 2/s⇒ slowing down of the diffusion due to the spatial confinementb) inter-diffusion:An interface between two polymers, which was prepared out of equilibrium (e.g. with the floating technique) is annealed above the glass transition temperature of both polymers→ broadening of the interface following the above arguments → late stages are caused by diffusion (t > τd )Experiment: X-ray- or neutron reflectivity measurementshydrogenated and deuterated polystyrene has been measured at 115 °C in-situ and in real time using NRdiffusion coefficientD = (1.7±0.2) × 10-17 cm 2/sBucknall et al., Macromolecules 32, 5453 (1999)• "fast-mode" theory B T B A A T A B I D N D N D ,,φφ+= • "slow-mode" theoryB T B A A T A B I D N D N D ,,111φφ+=Examples:Low molecular weight liquids D ≈10-6 cm 2/s polymers D ≈10-12-10-17 cm 2/s depending on temperaturec) tracer-diffusionusing small markers, e.g gold atoms in a well defined layered approachAnnealing the sample above the glass transition temperature of the polymer and probing the distances which the gold atoms had moved after defined times tReiter et al. Macromolecules 24, 1179 (1991)Dependence on molecular weight:Stamm et al., Macromolecules, 26, 2134 (1993)tracer-diffusions constant2−∝W T M D8.7 additional contributions to the interface widthIn addition to the width of the interface between two polymers which results from interdiffusion, contribution from other sources have to be taken into account. They arise from preparation: thickness variation of the filmwrinkles, dust particles, holes, impuritiesintrinsic: capillary wavesA capillary wave is a wave traveling along the phase boundary of a fluid, whose dynamics are dominated by the effects of surface tension. These waves are of thermal origin .Assuming a semi-infinite liquid with surface tension γLV a complex movement of the atoms makes a surface wavehaving a dispersion relation()g q q q LV rr r +=ργω32with ρ liquid density g Earth's accelerationSo thermal fluctuations cause a deviation from the ideal flat surface with an excess free energy density()()()()()Ζ⎥⎦⎤⎢⎣⎡ΖΔ+⎟⎠⎞⎜⎝⎛−Ζ∇+=Ζ∫∫22111d l P h A h fA L LV L exr r r γ ()()()()()Ζ⎥⎦⎤⎢⎣⎡Ζ+Ζ∇≈Ζ∫∫221d h P h A h f A L L LV L ex r r r γ yielding the height-height-autocorrelation function and power spectral density()Ζ=Ζr r c LV B q K Tk C 02)(πγ and 22214)(c LV LV B q q T k q L γγπ+=rwith K 0 modified Bessel function of zero ordercapillary waves can only be excited in an interval between λmin and λc for T>>0KA gravitation cut-off of the larges possible wavelength being excited isc c q πλ2=with LVc g q γρ=2 with the capillary length gLVργξ=being the lateral correlation length characteristic for the liquid (on the order of mm)and a short-range cut-off on the scale of the molecule diameter a is needed to avoid divergence of C(Ζ)a q 22maxmin ==πλ with a q π=maxExample: ethanol-vapor interface, σ=6.9 Åx-ray reflectivity and longitudinal diffuse scattering x-ray transverse diffuse scatteringSanyal et al.; Phys. Rev. Lett. 66, 628 (1991)Attention: in case of interfaces instead of surfaces the surface tension γLV is replaced by the interface tension γLL which is orders of magnitude smaller than the surface tension→ contribution of capillary waves to rms-roughness of interface increasedExample: Direct visual observation of thermal capillary waves at the free liquid-gas interface in a phase-separated colloid-polymer mixture imaged with laser scanning confocal microscopy (LSCM) at four different state points approaching the critical point(2004) each image is 17.5 μm by 85 μmAarts et al. Science 304,847Simple liquid → polymer:For highly viscous liquids and polymer melts the capillary waves are overdamped, their amplitude reduced.While, in general, both damped and propagating modes exist, for highly viscous polymers all modes are overdamped, which can be characterized solely by relaxation times τ.physical meaning of the over-damped relaxation timeconstantSinha, University of CaliforniaRoughness measurements are time averaged and cannot reveal the dynamic behavior of the waves.→ Need to probe the dynamics!Experiments: XPCSExample: capillary wave dynamics on glycerol surfaces investigated with XPCS performed at grazing anglesnormalized time correlation function22)()()()(ttt I t I t I g ττ+=described by exponential behavior1exp )(002+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=τττg g→ relaxation times τSeydel et al., Phys. Rev. B 63, 073409 (2001)The capillary wave is identified by its wave vector q and complex frequencyΓ+=i f p ωwhere the real part reflects the propagation frequency and the imaginary part the damping.At the transition from propagating to overdamped behavior f becomes purely imaginary; i.e., ωp =0.The transition from propagating (inelastic) to overdamped (quasielastic) behavior takes place at critical wave vector254ηργLV c q =with surface tension γLV , the dynamic viscosity η, and the density ρ of the polymerExample: Mixture of water and glycerol with 65% weight concentration of glycerolMadsen et al., Phys. Rev. Lett. 92, 096104 (2004)propagation frequency ωp (circles) and the dampingconstant Γ (squares) for the water -glycerol mixture at (a)30 °C and (b) 12 °C.8.8 Thin Film Preparation Techniques a) Solution-castingpreparation of thick polymer films (thickness from 100 nm to several μm)• polymer solution deposited on top of a horizontally oriented substrate• cover full substrate to have chance for uniform film if liquid is not spreading • solvent evaporates under controlled condition (T, p, atmosphere) → a solid film remains on the substrate→ allows for slow drying: films close to equilibrium can be preparedOn the scale of the capillary length the film at the substrate edges differs from the average film.Problems occur in case of pinning effects. If the contact line gets pinned during drying, no homogenous film is formed.Example: ternary blend PS, P αMS and PI cast from toluenePanagiotou, PhD Thesis TU Munich (2004)For complex fluids (highly viscous polymer solutions), the morphology is not determined by the evaporation process, the "coffee stain" effect but essentially by the capillary instabilities.Using the appropriate couple of polymer/solvent, a outward, inward or a lack of Marangoni flow in the droplets, leading to the formation of a rim, a drop or a uniform film, respectively, occurs.b) Spin-coatingpreparation of thin polymer films with thicknesses from 1 to 1000 nm• prepare polymer solution with desired concentration c • cover substrate entirely with polymer solution• select acceleration profile and spinning parameters (time, rotational speed) • start spin-coater after defined wait time → a solid film remains on the substrate→ due to non-equilibrium the film can have enrichment or lateral structuresDepending on rotational speed ω, concentration c, molecular weight Mw and apersonal parameter (wait time, person, machine)Attention: change in slope at entanglement concentration of solutionRuderer, PMB, Chem.Phys.Chem. 10, 664 (2009)Spin-coating is a complicated non-equilibrium processTheoretical description in the framework of a 3-step model (Lawrence, 1988) 1. step – start phasedeposition of solution with C 0 → strong height variationsacceleration of the substrate → most of the solution is flung-off the substrate → film thickness ≈100 μmEnd: Homogeneous film with thickness h 0 with concentration C 0 2. step – mass reduction by conventionevaporation can be neglected in comparison with the flow of solution towards to substrate edges → change of film thickness by convection2/102020341)(−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=t h h t h ηρω 3. step – evaporation of solvent through film surfaceevaporation rate of solvent larger than change in thickness by convection at a film thickness h w → mass reduction only by solvent evaporation, no polymer can leave the substrate anymore → dry, solid film remains()0,1s w f h h φ−=With the initial amount of solvent φs,0Polymer surface depends on the used solvent and on the spin-coating parameters:I: problems with solvents which have very high evaporation rate: → formation of skin on solution surface→ elastic film surface has a changed flow field of the confined polymer solution → hydrodynamic instabilities→ resulting lateral structures which have a star-shape with the center in the center of rotationII: problems with solvents which are hygroscopic and attract water from the surrounding, but are non miscible with water:→ demixing of both components (solvent and water) gives rise to lateral structuresMüller-Buschbaum et al.; Macromolecules 31, 3686 (1998)c) Floating-techniquepreparation of single and multiple polymer films (on non-wetable substrates)Schindler, Diploma Thesis TU Munich (2010)• scratch film with scalpel at 2 mm from substrate edge • put substrate into float box (tilt angle optimal at 10-15°) • add 2-3 drops of deionized water per second • remove substrate after film had decoupled• put second substrate with larger tilt angle into the water • fix polymer film on upper edge of this second substrate • remove water with 2-3 drops/sec • dry films (e.g. 4 h at 50°C)→ typically the needed time is 3-6 hours depending on the M w and film thickness→ not possible for all film thickness (thinner films are more difficult, integer number of R g can work), not possible for heat treated filmsProblems occur in case of wrinkle formation, incorporation of dust particles or trapping of water.Example: freely floating polymer film, tens of nanometers in thickness, wrinkles under the capillary force exerted by a drop of water placed on its surfaceThe wrinkling pattern is characterized by the number and length of the wrinkles.The PS film thickness h was varied from 31 to 233 nm. As the film is made thicker, the number of wrinkles N decreases (there are 111, 68, 49, and 31 wrinkles in these images).Huang et al.; Science 317, 650 (2007)d) Adsorption from solutiondeposition of single molecules, thin layers or thick films from solution with a controlled concentrationSketch:Adsorption is usually described through isotherms, that is, the amount of adsorbate on the adsorbent as a function of its pressure (if gas) or concentration (if liquid) at constant temperature.Isotherms are described bydifferent models:Langmuir isotherm (red) andBET isotherm (green)Computer simulation:Adsorption and self-assembly of linear polymers on smooth surfaces are studied using coarse-grained, bead-spring molecular models and Langevin dynamics computer simulations. The aim is to gain insight on atomic-force microscopy images of polymer films on mica surfaces, adsorbed from dilute solution following a good-solvent to bad-solvent quenching procedure.Chremos et al., Soft Matter5, 637 (2009)Molecular Weight Competition: Upon initial mixing of a formulation, all chains attempt to adsorb on a surface. For adsorbing homopolymers, thermodynamics dictates a preference for adsorption of long chains, and so short chains, originally adsorbed, are displaced form the surface at longer times.Santore+ Fu, Macromolecules 30, 8516 (1997)Fu + Santore, Macromolecules 31, 7014 (1998) Large scale industrial applications involving substantial quantities of complex fluids such as paints, inks, and coatings employ water soluble polymers with a broad distribution of molecular weights: The likelihood that some fraction of the added chains impart the desired interfacial properties means that changes in molecular weight distribution from batch to batch can dramatically impact the properties of a formulation.Experiments: Adsorption of polymers is very common in case of polyeletrolytes and used to build up multi-layers.Layer-by-Layer (LBL) assembly: fabrication of multilayers by consecutive adsorption of polyanions and polycationsDecher et al.; Science 277, 1232 (1997)Fine-tuning the film thickness by ionic strength (addition of salt yields thicker layers; polyanion from salt, polycation from pure water)Decher + Schmitt, Progr. Colloid Polym. Sci. 89, 160 (1992) A small list of polyions already used for multilayer fabrication:e) Spray coatingdeposition of thick films from solution with a controlled concentration, depending on deposition conditions (wet droplets = spraying, dry polymer = airbrush)control parameters: number of depositions, deposition time, solvent, polymer concentration, distance nozzle-surface。
表面活性剂化学期末考试题完整版
表面活性剂化学期末考试题HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】（2011—2012）学年08C班第Ⅰ学期表面活性剂期末考试题A 姓名：班级：学号：成绩：1. 表面活性剂2. 临界胶束浓度3. 浊点4. 两性表面活性剂二、选择题. (15×3分)A.非离子型的毒性大于离子型，两性型毒性最小值越小，亲水性越强C.做乳化剂使用时，浓度应大于CMCD.做O/W型乳化剂使用，HLB值应大于82. 对表面活性剂的叙述正确的是（）A.根据经验，表面活性剂的HLB值范围限定在0-20之间B.表面活性剂不能混合使用C.聚氧乙烯基团的比值增加，亲水性降低D.杀精避孕套中起杀精作用的主成分壬基酚聚氧乙烯醚可作洗涤剂3.等量的Span -80与吐温-80混合后的HLB值是（）A.4.34.表面活性剂性质不包括（）A.亲水亲油平衡值值 C. 适宜的粘稠度 D. Krafft点5. 下列说法正确的是（）A. krafft点越低，该表面活性剂低温水溶性越好B.非离子表面活性剂应该在浊点以上使用C.疏水基为直链的比带支链的难于降解D.含有芳香基的表面活性剂比仅含有脂肪基的表面活性剂易于降解，故洗衣粉中主成分为十二烷基苯磺酸钠6. 下列说法不正确的是（）A.胶束越大，对于增溶到胶束内部的物质增溶量越大B.乳状液类型通常有O/W,W/O,套圈型三种。
C. 阳离子表面活性剂不能做破乳剂D. 玻璃器皿中易得到O/W型乳状液7. 下列叙述不正确的是（）A.聚乙烯醇，聚丙烯酰胺为高分子表面活性剂B.非离子型表面活性剂的性能都优于离子型表面活性剂C.离子型表面活性剂存在Krafft点，非离子表面活性剂存在浊点D.一般分子量较大的表面活性剂洗涤、分散、乳化性能好，分子量小的润湿、渗透性能好8.下列说法不正确的是（）A.液体油污的去除主要是靠表面活性剂的增容作用而实现的B.非离子表面活性剂不宜用于洗涤天然棉纤维C.烷基苯磺酰二乙醇胺可做稳泡剂D.纯十二烷基苯磺酸钠是很好的起泡剂9.下列说法正确的是（）A.餐具洗涤剂可以用来洗涤瓜、果、蔬菜、肉B.洗发香波的主要成分为十八烷基苯磺酸钠及烷基酰醇胺C.重垢液体洗涤剂表面活性剂含量一般在80%以上D.粉状洗涤剂和液体洗涤剂中表面活性剂主成分完全不同10.下列说法中不正确的是（）A.只有阳离子表面活性剂具有良好的杀菌消毒作用B.分子结构中含有苄基的季胺盐具有较强的杀菌性C.药物中引入磺酸基后易被人体吸收，并提高水溶性，而药理作用改变不大D.烷基苯磺酸钠通常为黄色油状液体11.下列说法正确的是（）A.阳离子表面活性剂主要是含氮的有机胺衍生物B.阳离子表面活性剂不存在Krafft点C.阳离子表面活性剂不可做相转移催化剂D.两性表面活性剂没有等电点12.下列关于两性表面活性剂性质不正确的是（）A.具有等电点B.临界胶束浓度随着溶液pH值的增加而增大C.两性表面活性剂没有Krafft点，但有浊点。
表面与界面物理思考题答案
表⾯与界⾯物理思考题答案邓⽼师部分 (2)1，原⼦间的键合⽅式及性能特点。
(2)2，原⼦的外层电⼦结构，晶体的能带结构。
(2)3，晶体（单晶体，多晶体）的基本概念，晶体与⾮晶体的区别。
(2)4，空间点阵与晶胞、晶⾯指数、晶⾯间距的概念，原⼦的堆积⽅式和典型的晶体结构。
(2)5，表⾯信息获取的主要⽅式及基本原理。
(3)6，为什么XPS可获得表⾯信息，⽽X射线衍射只能获得体信息？ (3)7，利⽤光电⼦能谱（XPS）和俄歇（A UGER）电⼦能谱（AES）进⾏表⾯分析的基本原理和应⽤范围。
(4)8，透射电⼦显微镜有哪⼏种⼯作模式，它们可获得材料的什么信息？ (4)9，扫描电⼦显微镜的⼆次电⼦像和背反射电⼦像的成像原理。
(4)10，说明电⼦束的基本特征，举出⼏种利⽤电⼦束的波动性和粒⼦性的分析技术。
(5)11，什么是电⼦结合能的位移？价带能态密度可采⽤什么⽅法测试，简述其原理。
(5)12，表⾯的定义，什么是清洁表⾯和实际表⾯？ (5)13，什么是表⾯的TLK模型？表⾯缺陷产⽣的原因是什么？ (5)14，什么是表⾯弛豫和表⾯重构？画出表⾯弛豫和表⾯重构的原⼦排列图。
(5)15，为什么表⾯原⼦排列与体内不同，请⽐较重构与弛豫的异同，并解释S I（111）2×1重构的成因。
(6)16，纳⽶材料有哪些效应？ (6)17，说明表⾯张⼒和表⾯⾃由能分别⽤于什么情况。
解释表⾯吸附对表⾯⾃由能的影响。
如何测试材料的表⾯⾃由能，简述其基本原理。
(6)18，什么是晶体材料的易⽣长晶⾯，它与什么因素有关？N A C L为简单⽴⽅晶体，它的易⽣长晶⾯是什么？ (7)陶⽼师部分 (8)1，表⾯态的产⽣原因和种类，它对材料性能有何影响？ (8)2，形成空间电荷区的原因和表⾯空间电荷区的类型。
(8)3，什么是准费⽶能级？ (8)4，有⼀半导体材料，其体费⽶能级在导带下1/3E G处，表⾯费⽶能级距导带2/3E G处，E G 为禁带宽度。
粘土――水系统的双电 层实验 - 东南大学材料科学与工程学院
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THE
END
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各种阳离子饱和的高岭土的Ζ电位值
泥浆絮凝或增稠：
泥浆的胶溶或泥浆稀释：泥浆中加入减水剂，
适当时可使泥浆粘度下降，粘土在水介质中
充分分散；
继续加入电解质，泥浆内粘土粒子相互聚集， 粘度增加
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泥浆胶溶必须具备三个条件： ①介质呈碱性； ②必须有一价碱金属阳离子交换粘土原来吸附 的高价离子； ③阴离子的作用。
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粘土
典型粘土： ① 高岭石Al4[Si4O10](OH)8 ② 蒙脱石(MxnH2O)(Al2-XMgx)[Si4O10](0H)2 ③ 伊利石K1-1.5Al4[Si7-6.5Al1-1.5O20](OH)4 特征 ① 层状结构、铝硅酸盐矿物 ② 粒度细:(0.1～100)μm，80~90%在2μm范 围内，比表面积很大。 蒙脱石：100m2/g；高岭石：20m2/g ③ 某些粘土加水后，劈裂成微小薄片，厚度 尺寸符合胶体粒子范围(0.001～0.1μm)
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粘土胶团结构示意图
自由水
粘土 胶团
牢固结合水
疏松结合水
影响结合水量的因素
① 粘土矿物种类，蒙脱石>伊利石>高岭石； ② 粘土分散度，细度越大，结合水量越高； ③ 吸附离子种类，不同价：M+>M2+>M3+,同 价:Li+>Na+>K+。
离子半径增大
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双电层
带负电荷，吸附符号相反阳离子到颗粒表面附 近，形成颗粒表面的一层负电荷与反离子的正 电荷相对应的电层，以保持电中性（平衡）。 由于分子热运动和浓度差→阳离子脱离界面的 扩散运动。 吸附及扩散运动共同作用，颗粒与水的界面周 围阳离子呈扩散状态分布→扩散双电层。 ① 吸附层 ② 扩散层
胶体与表面化学第一章绪论
有序组合体
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第四节
胶体与表面化学的发展
胶体与表面化学是一门应用性极强的学 科。近百年来，它的发展同步于工农业生产 的发展，有些方面甚至是超前的，究其原因 有二：一是整体自然科学水平的提高，带动 胶体与表面化学素质增幅： (1)前期物理与化学理论解决胶体与表画化 学中的基本理论问题。如用量子化学研究吸 附与催化、用分形理论研究胶粒形貌、用统 计力学研究高分子等；
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胶体体系是多种多样的。胶体是物质 存在的一种特殊状态，而不是一种特殊的 物质，不是物质的本性。
由于胶体体系首先是以分散相颗粒有一定 的大小为其特征的，故胶粒本身与分散介质 之间必有一明显的物理分界面。这意味着胶 体体系必然是两相或多相的不均匀分散体系。
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另外有一大类物质(如纤维素、蛋白质、橡胶 以及许多合成高聚物)在适当的溶剂中溶解虽可形 成真溶液，但它们的分子量很大(常在一万或几十 万以上，故称为高分子物质)，因此表现在许多性 质(如溶液的依数性、粘度、电导等)上与低分子真 溶液有所不同，而在某些方面(例如分子大小)却有 类似于胶体的性质，所以在历史上高分子溶液一直 被纳入胶体化学进行讨论。近30多年来，由于科 学迅速地发展。 它实际上已成为一个新的科学分支 高分子物理化学 一般不再过多地讨论这方 面的内容。 7
形成、破坏以及它们的物理化学性质等问题， 所以都是胶体化学研究的对象。
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胶体化学和许多科学领域、国民经济的各 个部门以及日常生活都密切相关。如下列举了 一些涉及胶体和表面化学的实例：
(1)分析化学中的吸附指示剂、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；
北京化工大学20112012学年度第2学期研究生课程表(终稿)机电
高级统计学与SPSS（2-9） 供应链管理（2-9）
资源与环境管理（2-9）
教331 教331 教331
财务管理（2-9）
科学研究方法论（2-9） 数值分析（1-16周）
应用数理统计 （1-13周）
教331 教331 见分班通知
时间
星 1-4节
期 一
6-9节
晚
1-2节
星 3-4节 期 二 6-9节
超分子材料分析测试方法（1-9周）
见附表 教309 教315
数值分析 （1-16周） 应用数理统计 （1-13周）
见分班通知
时间
星 1-4节
期 一
6-9节
晚
1-2节
星 3-4节 期 二 6-9节
晚
星 1-4节
期 三
6-9节
晚
星 1-4节
期 四
6-9节
晚
星 1-4节
期 五
6-9节
晚
1-2节
星 3-4节 期 六 6-9节
期 四
6-9节
晚
第一外语：英语、俄语、日语 (1-19周) 化工系统工程（1-11周）
煤炭转化的化学基础（1-11周）
见附表 教321 教321
星 2-5节
期 五
6-9节
晚
1-2节
星 3-4节 期 六 6-9节
晚
大型应用软件（1-11周） 特殊蒸馏与液液萃取（1-9周）
数值分析 （1-16周） 应用数理统计 （1-13周）
期 四
6-9节
材料保护学(1-8周) / 先进结构陶瓷材料(1-8) 感光高分子与感光材料化学（1－13周）
晚
高性能聚合物(9-16) / 弹性体科学与工程(1－8周)
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。
2013M-07胶体与界面化学-乳状液和泡沫
高。故O/W型乳状液中的油珠多数是带负电的，而
W/O型乳状液中的水珠则往往带正电。反离子形成
扩散双电层，热力学电势及较厚的双电层使乳状液
稳定。
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乳状液的制备
转相乳化法
（1）将乳化剂先溶于油中加热，在剧烈搅拌下慢慢加入温
水，加入的水开始以细小的粒子分散在油中，是W/O型乳状
液，再继续加水，随着水的增加，乳状液变稠，最后转相变
理 向分散相，截面积大的一头留在
论 分散介质中。
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影响乳状液类型的因素
乳化剂分子构型
一价碱金属皂类，形状是：
水
亲水端为大头，作为乳化剂时，
油
容易形成O/W型乳状液。
二价碱金属皂类，极性基团 为：
亲水端为小头，作为乳化剂， 容易形成W/O型乳状液
油 水
例外：一价银肥皂，作为乳化剂形成W/O型乳状液12
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乳状液的转型与破坏
乳状液的破坏
1.加热破乳
升温加速乳状液液珠的布朗运动使絮凝速率加快， 同时使界面粘度迅速降低，使聚结速率加快，有利于 膜的破裂。
2.高压电破乳
高压电场的破乳较复杂不能只看作扩散双电层
的破坏，在电场下液珠质点可排成一行，呈珍珠项
链式，当电压升到某一值时，聚结过程在瞬间完成。
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因为反应物分散成小液滴后，在每个液滴中反 应物数量较少，产生热量也少，并且乳状液对象界 面面积大，散热快，容易控制温度。
高分子化学中常使用乳液聚合反应，以制得较 高质量的反应物。
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乳状液的应用
沥青乳状液
沥青的黏度很大，不便于在室温下直
接用于铺路面。若用阳离子型乳化剂将其
制成O/W型乳状液，则表观黏度大大降低，
黑龙江省专业技术人员继续教育知识更新培训专业课程函授学习材料
黑龙江省专业技术人员继续教育知识更新培训化工专业2011年函授学习材料应用表面化学与技术主讲教师：哈尔滨工业大学姜兆华姚忠平教授绪论一、界面化学的研究对象任何自然科学都是以物质(实物粒子及其场)为研究对象，而化学热力学则是以大量的实物粒子组成的宏观体系为研究对象。
把体相与表面相的成分、性质、结构看成是没有差别的均一体，这在表面现象影响不太大时还基本正确。
而当把研究对象之线性尺寸缩小至几个分子的量级时，构成表面质点数占整个体系质点具有相当的比例，在这种情况表面因素不能忽略，这就是界面化学的任务。
它是以不均匀体系内相与相的界面上发生的物理化学变化规律及体相与表面相的相互影响关系为研究对象。
从体相与表面相的联系人手，研究体相变化时所引起界面性质的变化规律。
要注意这里所说的相界面不是真正的二维平面，而是一个准三维的区域、其广度是无限的，而厚度约为几个分子（线性尺寸为10-9-10-7m）。
在此，有几个概念要首先弄清楚。
1．界面相(表面相)与体相界面是相与相之间的交界所形成的物理区域。
相据相的概念，在界面的两侧必然存在着物理性质或化学性质的不均匀。
考虑到分子的线度，这种不均匀体相间的界面应该是准三维的界面区域——界面相(表面相)γ。
那么，与界面相相邻的相就称之为体相，如图0-1所示。
可以这样看，体系性质保持常数的区域为体相，是相对局部而言。
某一性质发生变化的过渡区为界面相，是相对原来体相的表面而言的，所以又叫表面相γ。
2．界面的分类根据物质的聚集状态，所组成的界面通常可分为五类：固—气(S-g)、固—液(S-L)、固—固(S1-S2)、液-液(L1- L2)、液—气(L-g)。
习惯上把凝聚态物质相对于其纯气相的界面称为表面(严格讲，应该是物质相对于真空才是表面)。
若按上述表面的定义，S-g、L-g才可算作表面。
但许多文献中常常把两个不同体相问的界面也称为表面，正因如此，表面化学这一术语也被大家接受了(严格说为界面化学)。
2011胶体与界面化学1 第六章 表面活性剂
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EO加成数约在10~12mol的范围内润湿力最高
按憎水链碳原子数N和环氧乙烷加 成数n间的关系，聚氧乙烯化合物 在水中的溶解性有如下经验规则：
最小溶解性：n = N/3 ； 中等溶 解性：n = N/2 优良溶解性：n = 1～1.5N
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(1)脂肪醇聚氧乙烯醚 RO(C2H4O)nH
(2)聚氧乙烯烷基酚醚 R-C6H5-O(C2H4O)nH
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(6)低毒性和对皮肤、眼睛的低刺激性。 (7)极好的耐硬水性，甚至在海水中也可 以有效地使用。 (8)良好的生物降解性。 因此在日用化工、纺织工业、染料、颜料、 食品、制药、机械、冶金、洗涤等方面的 应用日益扩大。
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一般按整体化学结构分类： 甜菜碱型
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甜菜碱生产车间
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1.多元醇型
如：脂肪酸山梨坦，亦称脱水山梨醇脂肪酸 酯类（司盘类，Span）通式：
O CH2OOCR
OH OH
OH
该表面活性剂为脂肪酸与山梨醇脱水而环合。
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其系列品种：
span 20（脱水山梨醇单月桂酸酯）
span 40 (脱水山梨醇单棕榈酸酯)
span 60（脱水山梨醇单硬脂酸酯）
span 65（脱水山梨醇三硬脂酸酯）
(3)聚氧乙烯脂肪酸酯 RCOO(CH2CH2Ｏ)ｎH
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(4)聚氧乙烯烷基胺
聚氧乙烯烷基胺具有非离子与阳离子的 性质．随着聚氧乙烯链的增长，逐渐由 阳离子型向非离子性转化。当用无机酸 中和时，它们会增加水溶性。
还可以以分子量、功能等分类。
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一．阴离子型表面活性剂
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材料表面与界面-3
• 若纤维的半径r和液体表面张力σ L已 知，则用电子天平法测出∆P后，由上 式可求出接触角θ 。
界面张力和界面接触角的测试
两种互不相溶液体之间
若完全浸润（如采用铂丝）
Δ P=2πrσL1/L2
若界面张力σ L1/L2已知，液体与纤维之间存在 接触角θ L1/L2，则：
Δ P=2π rσ L1/L2cosθ L1/L2 因此，测定Δ P可求出纤维在L1/L2界面的接触 角θ L1/L2。
（1.9.3）
令A=σSG-σSL为粘附张力，由热力学平衡准则可知，只有A>0的过程才能 发生浸湿。A<0为不能浸湿。
铺展润湿过程
铺展润湿是液体与固体表面接触后，在固体表面上 排除空气而自行铺展的过程，亦即一个以液/固界 面取代气/固界面同时液体表面也随之扩展的过程。
• 液体从C自发铺展至B，覆盖面积为a，则相应的 自由焓变化为：
电子天平法的局限性
对仪器精密度要求高，操作难度大； 测试的是单根纤维，误差大。
以对水完全润湿的r＝20微米的纤维为例：
用纤维束测接触角示意图
在管中充填一束纤维，充填率ξ=0.47~0.53。使纤 维束与液面接触，因毛细现象，液体沿纤维间空 隙上升，用电子天平测出增重量m随浸润时间变化
以一束纤维代 替一根纤维
文献数
201 2011 201 201 201 201 2016
0
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4
5
Super/Ultra 568 671 782 932 101 116 1302
hydrophobi
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Lotus Effect 141 150 135 160 167 193 173
m2 Wl3 l cos t
分析化学教学研讨会会议纪要浙江大学
析化学教学研讨会会议纪要日期：2012-01-13 20:08辞旧迎新之际，在分析化学课程组全体老师的共同努力下，分析化学年度教学研讨会于2012年1月12日顺利召开。
课程组殷学锋、陈恒武、郭伟强、汤谷平、徐光明、方群、沈宏、邬建敏、姚波、苏彬、王敏等老师参加了会议。
2011年分析化学课程组成功举办了第六届大学化学化工课程报告论坛分析化学分论坛，并有数位老师代表课程组分别参加了在开封举办的第十四届全国普通高等院校分析化学教学研讨会和在天津举办的第六届化学化工课程报告论坛，并作大会发言和主题发言。
会上，首先由郭伟强老师和邬建敏老师分别向大家通报了两次会议的基本情况。
2011年春夏学期，新课程设置中的‘分析化学(乙)’课程首次开课，主讲教师邬建敏老师对课程进行了总结，并作了‘分析化学课程中如何加强知识的系统性和关联性’的报告，使与会老师受益匪浅。
徐光明老师对‘仪器分析’课程中新教材的使用、教学中如何加强与学生的互动、与实验课程的衔接、试题库建设等问题进行了总结与探讨，引起大家的热烈讨论。
陈恒武老师还向大家通报了与课程组编写的《分析化学简明教程》的配套的学习指导书及课件的编写进度。
王敏老师向大家汇报了2011年教学大纲重新修订，以及浙江大学本科教育教学方法改革项目理论课重点项目‘第一课堂结合第二课堂的研究本人食品科学在读学生，现遇到棘手问题：大米淀粉通过挤压糊化变为半固态凝胶，通过成型机头变为“熔融态”粉丝，两根或者若干根一接触很容易发生粘附现象，成为一团。
高温状态下淀粉凝胶为胶态，降温后变为固态。
为了解决此问题。
我从表面张力，表面能方面入手，希望可以得到我想要结果。
可是对于胶体（固体）表面性质，我看了几本表面、界面化学的书，但是还是不知道该怎么测定淀粉凝胶的表面黏性，表面张力、表面能。
有没有高人给我些指点，不胜感激。
能帮忙提出有价值意见的可额外增分。
Jenkins和Donald（1998）的理论，水分首先进入轮纹结构的非定型区，在一定程度的膨胀下，分解张力通过连接非定型区和结晶区的分子来传递。
摩擦学材料研究方法高分子材料摩擦学 第2章 表面和接触
轮廓峰的平均曲率 为取样长度!内全部轮廓峰顶处 半径（代号"#$%） 的曲率半径平均值
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2.1表面形貌-典型测量方法
测量方法 光学显微镜 光轮廓 斜剖面 干涉显微镜 复光束干涉 反射电子显微镜 电子显微镜 表面轮廓仪 分辨率μm 横向 0.25~0.35 0.25 0.25 0.25 5 0.03~0.04 0.005 1.3~2.5 纵向 0.18~0.35 0.25 0.025 0.025 0.005 0.002~0.008 0.0025 0.005~0.25
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第2章 表面和接触
表面：指两相间的边界物质，其中相的定义是“具有明 确的物理边界、区别于其他物质系的均一部分”。 实际存在的固体表面并不是象镜面一样简单的平面, 它具有复杂的形状和表面性质。 2.1 表面形貌 2.2 表面结构 2.3 接触和变形
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illustration of a regular wavy surface texture
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2.1表面形貌-轮廓曲线的高度特征
Ra、Ry、Rq比较 Ra和Ry是加工中直接用于控制表面质量的参数，Rq在 工程中很少用，但在轮廓的理论分析中有很重要的应用价 值。上图为两种支承表面的微观形貌，这两种表面的Ra相 同，而Rq值却能把好与差的表面差异反映出来，在塑性材 料磨损，特别是磨合过程中，这种表面形貌的变化是常遇 到的。
界面化学
界面化学1前言界面就是任何两个互不相溶物体(两个相)的接触区域。
物质界面上的性质往往与物质内部的性质不同，特别是在分散体系界面很大的情况下，这种界面性质或现象,就表现得愈为突出。
改变界面结构，不一定涉及到物质内部的性质，也往往能使物质产生截然不同的表现和结果，因此，研究界面已成为当前科学发展和生产需要的重要课题。
界面化学就是处于这样的时代要求下，在早期胶体化学的基础上，由物理化学派生出来的一门分支学科。
它的主要任务是研究物质相界面或多相界面上的物理化学性质及通过改造界面性质解决各方面有关的实际技术问题。
所以，界面化学既是一门理论性很强的学科，也是实用性很强的一门科学。
2界面化学2.1界面化学的内容界面化学的内容，主要包括:研究气—固、气—液、液—液、液—固等各相之间的界面性质，如界面能、界面结构和界面电性质等;多分散系统的稳定理论、动力学、光散射现象；吸附理论、湿润、起泡、乳化以及表面活性剂等问题。
这些内容已广泛应用于工农业生产的各个部门，渗透到各个兄弟学科，如各种化学工业、建筑科学、选矿、环境保护、石油工业、微电子学、医药工业、日用化工、冶铸、航天、原子能、农业科学、海洋科学等等。
近年来各种界面化学的理论及应用研究报导剧增，已由各类化学文献总数的第二十多位上升到第三、四位，可见其发展之迅速。
近年来，界面化学的主要发展集中在：由表面能理论研究发展起来的表面活性剂，分散体系的稳定理论，吸附理论及它们的应用。
这些研究成就已在各学科及工农业生产领域中发挥着巨大的作用，为技术改造和革新作出了很大贡献。
2.2表界面化学在无机材料中的应用表界面化学可概括许多表面或界面现象，其在人们的日常生活中非常普遍。
本文首先研究表界面在单一无机材料中的应用[2]。
（1）金属材料的腐蚀：将Cr镀在不锈钢表面，由于Cr对空气或氧以及酸类有很大的惰性，可使钢材防腐蚀。
（2）表面活性剂的开发：人们熟悉的如肥皂、洗表界面化学在材料研究中的应用涤剂、清洁剂等，都是表面有活性的物质。
第四章 表面现象2011
/mN m-1
51.1 50.8 32.8 45 8.5
界 面
水 – 乙醚 水–苯 水 – 硝基苯 水–汞 苯–汞
/mN m-1
10.7 35.0 25.66 375. 357.
水 – 正己烷 水 – 正辛烷 水 – 氯仿 水 – 四氯化碳 水 – 正辛醇
憎水固体表面现象——植物
ห้องสมุดไป่ตู้
第四章 表面现象
4、液体和气体对固体表面润湿之间的关系——气浮。
气浮原理： 悬浮物表面有亲水和憎水之分。憎水性颗粒表 面容易附着气泡，因而可用气浮法。亲水性颗粒用 适当的化学药品处理后可以转为憎水性。
第四章 表面现象
气浮是一种固－液和液－液分离的方法。 具体过程： 通入空气→产生微细气泡→S附着在气泡上→上浮。 对于亲水性颗粒的气浮，表面需改性为疏水性 → 投加浮选剂。 常用的浮选剂：松香油、煤油、脂肪酸，起连接 颗粒和气泡之间作用
由表面热力学公式： dG总 dA Ad Gibbs函数降低越多，越易润湿。
第四章 表面现象
3、润湿与不润湿
1）当润湿角 0< <90º 时,为润湿; 90º< <180º 为不润湿.
2）亲水性固体和憎水性固体的区别,仍按润湿角大小 进行区分. 常见亲水性固体：玻璃，石英、硫酸盐、金属氧化物、 矿物等等。 常见憎水性固体：石蜡、石墨、有机物质、花瓣、树 叶等等
第四章 表面现象
§4.4 气体在固体表面上的吸附。
固体表面与液体表面的共同点是表面层分子受力的不对 称，因此固体表面也有表面张力及表面吉布斯函数存在。 其不同点是，固体表面分子几乎是不能移动的，所以，固 体不能用收缩表面积的方式来降低表面吉布斯函数。 但固体可用从外部空间吸引气体分子到表面，来减小表 面分子受力不对称程度，以降低表面张力及表面吉布斯函数。 在恒温恒压下，吉布斯函数降低的过程是自发过程。所以固 体表面能自发将气体富集到其表面，使它在表面的浓度与气 相中浓度不同。（吸附过程是自发过程） 这种在相界面上，某种物质的浓度与体相浓度不同的现象 称为吸附。
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表面与界面化学
表面与界面化学
参考教材： • 颜肖慈, 罗道明编著.界面化学,化学工业出版社,2005. • 朱步瑶, 赵振国主编.界面化学基础,化学工业出版社.1996. • 顾惕人 主编.表面化学,科学出版社, 2003. • 沈钟等.《胶体与表面化学》
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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。
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；
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，其作用力往往不能相互抵销，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。
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界面（Interface）
界面是相与相之间的交界 所形成的物理区域
界面相是一个准三维区 域，其广度无限，而厚 度约为几个分子的线度
体系性质在体相为常数， 表面相是体系性质连续变 化的一个过渡区域
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表面和界面(surface and interface)
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0 绪 论 界面现象
0.1 表面吉布斯自由能和表面张力 0.２ 液体的界面现象 0.３ 表面活性剂及其作用 0.４ 固体表面的吸附
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0.1 表面吉布斯自由能和表面张力
❖表面和界面 ❖界面现象的本质 ❖分散度与表面功 ❖表面自由能 ❖表面张力 ❖界面张力与温度的关系
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。
按物质聚集状态，界面可分为五类： 固－气 （S-g）、固－液（S-l）、固－固（S-S）、液－ 气（l-g）、液－液（l-l）
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绪论
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表面现象
水滴为什么是圆形 而不是方形
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表面现象
它们为什么可以 漂在水面上
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大气
毛细玻璃管
ps
水
水在毛细管中为 什么会上升
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思考题：与界面现象相关的几个问题
• 为什么自然界中液滴、气泡总是圆形的？为什么 气泡比液滴更容易破裂？
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界面现象的本质
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分散度与比表面功
比表面（specific surface area）
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。即：
A m A S/m或 A V A S/V
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。
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Av/（m2/m3） 6 ×102 6 ×103 6 ×105 6 ×107 6 ×109
a）液体表面有自动收缩的趋势； b）界面层分子有自发与外来分子发生化学或物理结合 的趋势。
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分散度与比表面功
表面功（surface work）
由于表面层分 子的受力情况与本 体中不同，因此如 果要把分子从内部 移到界面，或可逆 的增加表面积，就 必须克服体系内部 分子之间的作用力， 对体系做功。
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分散度与比表面功
其结果导致：
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表面和界面(surface and interface)
常见的界面有： 1.气-液界面
上一内容界面(surface and interface)
2.气-固界面
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表面和界面(surface and interface)
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。
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分散度与比表面功
把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。
把一定大小的物质分割得越小，则分散度越高， 比表面也越大。
例如，把边长为1cm的立方体1cm3逐渐分割 成小立方体时，比表面增长情况列于下表：
3.液-液界面
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表面和界面(surface and interface)
4.液-固界面
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表面和界面(surface and interface)
5.固-固界面
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界面现象的本质
表面层分子与内部分子相比，所处的环境不同。
• 毛细现象为什么会产生？ • 天空为什么会下雨？人工降雨依据什么原理？ • 为什么会产生液体过热现象？加入沸石为什么能
消除过热现象？
• 水在玻璃上能铺展，水银在玻璃上却形成液滴？ 为什么？
• 活性碳为什么可以做防毒面具？冰箱除臭剂？ • 什么是表面活性剂？选择性的加入一些表面活性
剂，为什么起到净化水质的作用？
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Av/（m2/m3） 6 ×102 6 ×103 6 ×105 6 ×107 6 ×109
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分散度与比表面功
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。