膠體化學(xué)第三章第一節(jié)

1、表面和界面 (surface and interface) 界面是指兩相接觸的約幾個(gè)分子厚度的過渡區(qū)，若其中一相為氣體，這種界面通常稱為表面。 常見的界面有：氣-液界面，氣-固界面，液-液界面，液-固界面，固-固界面。 嚴(yán)格講表面應(yīng)是液體和固體與其飽和蒸氣之間的界面，但習(xí)慣上把液體或固體與空氣的界面稱為液體或固體的表面。3.1 3.1 表面及表面張力表面及表面張力1.1.氣氣- -液界面液界面空氣空氣4CuSO溶 液氣氣- -液液界面界面2. 氣氣-固界面固界面氣氣- -固界面固界面3.3.液液- -液界面液界面2H OHg液-液界面玻璃板玻璃板Hg2H O液液- -固界面固界面4.4.液液-

2、 -固界面固界面5.固固-固界面固界面鐵管鐵管CrCr鍍層鍍層固固- -固界面固界面界面現(xiàn)象的本質(zhì)界面現(xiàn)象的本質(zhì) 對(duì)于單組分系統(tǒng)單組分系統(tǒng)，這種特性主要來自于同一物質(zhì)在不同相中的密度不同密度不同；對(duì)于多組分多組分系統(tǒng)，則特性來自于界面層的組成與任一相的組成均不相同組成均不相同。 表面層分子與內(nèi)部分子相比所處的環(huán)境不同 體相內(nèi)部體相內(nèi)部分子所受四周鄰近相同分子的作用力作用力是對(duì)稱的是對(duì)稱的，各個(gè)方向的力彼此抵銷； 但是處在界面層界面層的分子，一方面受到體相內(nèi)相同物質(zhì)分子的作用，另一方面受到性質(zhì)不同的另一相中物質(zhì)分子的作用，其作用力未必能相互抵銷作用力未必能相互抵銷，因此，界面層會(huì)顯示出一些獨(dú)特的

3、性質(zhì)獨(dú)特的性質(zhì)。 最簡(jiǎn)單的例子是液體及其蒸氣組成的表面。最簡(jiǎn)單的例子是液體及其蒸氣組成的表面。 液體內(nèi)部分子所受的力可以彼此抵銷，但表面分子受到體相分子的拉力大，受到氣相分子的拉力?。ㄒ?yàn)闅庀嗝芏鹊停?，所以表面分所以表面分子受到被拉入體相的作用力子受到被拉入體相的作用力。 這種作用力使表面有自動(dòng)收縮到最小的趨勢(shì)，并使表面層顯示出一些獨(dú)特性質(zhì)獨(dú)特性質(zhì)，如表面張力、表面吸附、毛細(xì)現(xiàn)象、過飽和狀態(tài)等。界面現(xiàn)象的本質(zhì)界面現(xiàn)象的本質(zhì)比表面（specific surface area） 比表面通常用來表示物質(zhì)分散的程度比表面通常用來表示物質(zhì)分散的程度，有兩種常用的表示方法：一種是單位質(zhì)量單位質(zhì)量的固體所具

4、有的表面積；另一種是單位體積單位體積固體所具有的表面積。即：ss00 AAAAmV或式中，m 和 V 分別為固體的質(zhì)量和體積，As為其總表面積。目前常用的測(cè)定表面積的方法有BET法和色譜法。分散度與比表面 把物質(zhì)分散成細(xì)小微粒的程度稱為分散度。把一定大小的物質(zhì)分割得越小，則分散度越高，比表面也越大。 例如，把邊長(zhǎng)為1 cm的立方體1 cm3 ，逐漸分割成小立方體時(shí)，比表面將以幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。 分散程度越高，比表面越大，表面能也越高 可見達(dá)到nm級(jí)的超細(xì)微粒，具有巨大的比表面積，因而具有許多獨(dú)特的表面效應(yīng)，成為新材料和多相催化方面的研究熱點(diǎn)。表面張力（surface tension） 由于表面層分

5、子的受力不均衡，液滴趨向于液滴趨向于呈球形呈球形，水銀珠和荷葉上的水珠也收縮為球形。 液體表面的最基本的特性是趨向于收縮 將一含有一個(gè)活動(dòng)邊框的金屬線框架放在肥皂液中，然后取出懸掛，活動(dòng)邊在下面。 由于金屬框上的肥皂膜的表面張力作用，可滑動(dòng)的邊會(huì)被向上拉，直至頂部。 從液膜自動(dòng)收縮的實(shí)驗(yàn)，可以更好地認(rèn)識(shí)這一現(xiàn)象： 2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2W1W2 l12=()FWWg=2 l2W2 l2W2 l2

6、W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W 如果在活動(dòng)邊框上掛一重物，使重物質(zhì)量W2與邊框質(zhì)量W1所產(chǎn)生的重力F與總的表面張力大小相等方向相反，則金屬絲不再滑動(dòng)。 這時(shí) 2Fl l 是滑動(dòng)邊的長(zhǎng)度，因膜有兩個(gè)面，所以邊界總長(zhǎng)度為2l， 就是作用于單位邊界上的表面張力。2W1W2 l12=()FWWg=表面張力 在兩相(特別是氣-液)界面上，處處存在著一種張力，這種力垂直于表面的邊界，指向液體方向并與表面相切。 把作用于單位邊界線上的這種力稱為表面張力，用 或 表示。表面張力的單位是：1N m表面張力影響表面張力的因素 表面張力是由凈吸力引起的，

7、所以凡能影響凈吸力大小的因素皆影響表面張力。 1、物質(zhì)的本性、物質(zhì)的本性物質(zhì)的本性決定了表觀張力的大小。極性分子(或內(nèi)聚力大的)物質(zhì)的表面張力比非極性分子(或內(nèi)聚力小的)物質(zhì)的大，如20時(shí)，水的高達(dá)72.75 mNm-1，而正己烷僅為18.4mNm-1。不同類型液體的表面張力的大致范圍見表21。 2、溫度、溫度溫度升高，物質(zhì)膨脹，分子間距增大，分子間吸引力下降的同時(shí)，氣相的分子密度增加，因而使凈吸力減小，所以表面張力降低。表面張力影響表面張力的因素影響表面張力的因素 3 3、壓力、壓力 壓力對(duì)的影響原因比較復(fù)雜，綜合效應(yīng)是壓力增大，界面張力下降，一般每增加10atm，表面張力約降低1mNm-1

8、。 4 4、相界面性質(zhì)、相界面性質(zhì) 通常所說的某種液體的表面張力，是指該液體與含有本身蒸氣的空氣相接觸時(shí)的測(cè)定值。當(dāng)與液相接觸的另一相物質(zhì)的性質(zhì)改變時(shí)，表面張力也會(huì)發(fā)生變化。兩個(gè)液相之間的兩個(gè)液相之間的界面張力，是兩液體已相互飽和時(shí)兩液體的表面張力之差，界面張力，是兩液體已相互飽和時(shí)兩液體的表面張力之差，即12 1一2，12是液液界面張力1和2分別為兩個(gè)相互飽和的液體的表面張力。在液液界面上，分子的受力不平衡狀態(tài)得到改善，降低了每種液體的凈吸力，所以使界面界面張力比原有兩個(gè)表面張力中較大的那個(gè)小。張力比原有兩個(gè)表面張力中較大的那個(gè)小。 表面張力不同類型液體液體的表面張力值的大致范圍如下表1 1

9、、毛細(xì)管上升法、毛細(xì)管上升法 這是一種簡(jiǎn)單也是最準(zhǔn)確的方法。當(dāng)一支干凈的玻璃毛細(xì)管插入液體時(shí)，若液體能潤(rùn)濕毛細(xì)管壁，則在表面張力的作用下液體沿毛細(xì)管壁上升，平衡時(shí)的液柱高度為h，可由下式計(jì)算表面張力：式中，r為毛細(xì)管半徑；為毛細(xì)管半徑；g為重力加速度；為重力加速度；為接觸角；為接觸角；為液體密度。為液體密度。毛細(xì)管上升法毛細(xì)管上升法示意圖示意圖 液體表面張力的測(cè)定方法液體表面張力的測(cè)定方法液體表面張力的測(cè)定方法液體表面張力的測(cè)定方法2、掛環(huán)法掛環(huán)法 將一鉑制圓環(huán)連在扭力秤上，并使圓環(huán)平置在液面上，然后測(cè)定使環(huán)脫離表面所需之力F(見右圖)，由下式求表面張力：掛環(huán)法示意圖掛環(huán)法示意圖 式中，R為環(huán)

10、的平均半徑；f是校正因子，主要是由環(huán)拉起的液體不是圓柱形而引起的（f 可在專用表中查到）；F為測(cè)定的拉力。 液體表面張力的測(cè)定方法液體表面張力的測(cè)定方法3 3、氣泡最大壓力法、氣泡最大壓力法本法裝置如圖，測(cè)定時(shí)將毛細(xì)管口剛好觸及液面，然后從瓶放水抽氣，隨著毛細(xì)管內(nèi)外壓差的增大，毛細(xì)管口的氣泡慢慢長(zhǎng)大，泡的曲率半徑R開始由大變小直到形成半球形(這時(shí)R與毛細(xì)管半徑r相等 (b)，這時(shí)R最小。泡內(nèi)外壓差最大；而后氣泡的曲率半徑又變大(c) ，測(cè)出泡內(nèi)外壓差最大時(shí)壓差計(jì)上的最大液柱差h可計(jì)算表面張力：液體表面張力的測(cè)定方法液體表面張力的測(cè)定方法4、滴重或滴體積法滴重或滴體積法這是一種簡(jiǎn)便而又準(zhǔn)確的方法

11、，裝置如圖3.7所示，將液體在磨平了的毛細(xì)管口慢慢形成液滴并滴下，測(cè)出一個(gè)液滴的平均重量m或體積V，由下式計(jì)算表面張力：式中，r 為毛細(xì)管口的外半徑；f 為校正因子，可在一些專著中查到。滴重法或滴體積滴重法或滴體積法示意圖法示意圖 表面能與表面張力表面能與表面張力1 1、表面能：、表面能： 由于表面分子受到凈吸力作用，所以當(dāng)把體相分子拉到表面時(shí)必須克服凈吸力而消耗功。外界所消耗的功將儲(chǔ)存于表面，成為表面分子所具有的一種額外勢(shì)能。在恒溫恒壓條件下，可逆地增加體系的表面積dA，對(duì)體系所做的功W為：-WdA . 式中為比例系數(shù)，是使液體增加單位面積時(shí)所做的可逆功。因-dGW,式中，G為表面自由能。則

12、所以 也是增加單位表面積時(shí)自由能的改變量，也是增加單位表面積時(shí)自由能的改變量，因而稱為比表面自由能稱為比表面自由能，簡(jiǎn)稱表面能表面能，其單位為mJ/m2。 表面能與表面張力2、表面張力：、表面張力：從力學(xué)的角度講，比表面自由能也可看作是引起液體表面自動(dòng)收縮的力，稱為表面張力，它是作用于單位長(zhǎng)度上的力。此過程環(huán)境所消耗的功為：-W=Fdx dA2ldx 或 = F/2l所以， 是引起液體表面收縮的單位長(zhǎng)度上的力單位長(zhǎng)度上的力，單位以mNm-1表示，表面張力和表面能表面張力和表面能，從兩個(gè)不同的角度得出的兩個(gè)具有不同物理意義具有不同物理意義(或概念)的參數(shù)，其數(shù)值是一樣的數(shù)值是一樣的，只是單位不同

13、。界面張力的方向永遠(yuǎn)和表面相切，而與凈吸力相互垂直。溶液的表面張力與溶液濃度的關(guān)系1、加入非表面活性物質(zhì)使水的表面張力升高、加入非表面活性物質(zhì)使水的表面張力升高 水的表面張力因加入溶質(zhì)形成溶液而改變水的表面張力因加入溶質(zhì)形成溶液而改變。 能使水的表面張力明顯升高的溶質(zhì)稱為非表面活性物質(zhì)。如無機(jī)鹽和不揮發(fā)的酸、堿等。 這些物質(zhì)的離子有較強(qiáng)的水合作用，趨向于把水分子拖入水中，非表面活性物質(zhì)在表面的濃表面的濃度低于在本體的濃度。度低于在本體的濃度。 如果要增加單位表面積，所作的功中還必須包括克服靜電引力所消耗的功，所以表面張力升高。2、加入表面活性物質(zhì)使水的表面張力降低、加入表面活性物質(zhì)使水的表面張力降低 加入后能使水的表面張力明顯降低的溶質(zhì)稱為表面活性物質(zhì)。 這種物質(zhì)通常含有親水的極性基團(tuán)和憎水的非極性碳鏈或碳環(huán)的有機(jī)化合物。親水基團(tuán)進(jìn)入水中，憎水基團(tuán)企圖離開水而指向空氣，在界面定向排列。 表面活性物質(zhì)的表面濃度大于本體濃度表面濃度大于本體濃度，增加單位面積所需的功較純水小。非極性成分愈大，非極性成分愈大，表面活性也愈大。表面活性也愈大。水的表面張力因加入溶質(zhì)形成溶液而改變水的表面張力因加入溶質(zhì)形成溶液而改變。 Traube 規(guī)則 Traube研究發(fā)現(xiàn):（1）同一種溶質(zhì)在低濃度時(shí)表面張力的降