界面現(xiàn)象-第5節(jié)：溶液表面的吸附現(xiàn)象

1、溶液表面的吸附現(xiàn)象溶液表面的吸附: 溶質(zhì)在溶液表面層(表面相)中的濃度與在溶液本體(體相)中濃度不同的現(xiàn)象。 同固體一樣，液體表面也可以發(fā)生吸附，由于溶液表面吸附了其本體中的溶質(zhì)后，可以降低表面張力，即降低其吉布斯函數(shù)，因而吸附可以自動發(fā)生。 表面活性劑被稱為“工業(yè)味精”。它的作用原理就是溶液的表面吸附。生產(chǎn)生活中處處用到表面活性劑，例如皂、洗衣粉、洗潔精、洗手液、衣物柔順劑、金屬表面處理和潤滑、洗車劑、皮革處理、醫(yī)藥、化妝品等等。1溶液表面的吸附現(xiàn)象 溶液的表面張力與溶質(zhì)的濃度有關(guān) (見圖示 3 種情況).水溶液表面張力與溶質(zhì)濃度的關(guān)系cI 無機(jī)酸, 堿, 鹽等. 有機(jī)酸, 醇, 酯, 醚,

2、 酮等. 肥皂, 合成洗滌劑等.0 溶液表面吸附產(chǎn)生的原因是系統(tǒng)為盡可能降低表面吉布斯函數(shù)而自動調(diào)整溶質(zhì)在表面相和體相中的分布.正吸附: 若溶質(zhì)的加入使溶液表面張力降低, 則溶質(zhì)自動地從體相富集至表面, 增大其表面濃度.負(fù)吸附: 若溶質(zhì)的加入使溶液表面張力升高, 則溶質(zhì)表面濃度自動低于體相濃度.2溶液表面的吸附現(xiàn)象水溶液表面張力與溶質(zhì)濃度的關(guān)系cI 無機(jī)酸, 堿, 鹽等. 有機(jī)酸, 醇, 酯, 醚, 酮等. 肥皂, 合成洗滌劑等.0 能使水的表面張力明顯升高的溶質(zhì)稱為表面惰性物質(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)在表面的濃度低于在本

3、體的濃度。3溶液表面的吸附現(xiàn)象水溶液表面張力與溶質(zhì)濃度的關(guān)系cI 無機(jī)酸, 堿, 鹽等. 有機(jī)酸, 醇, 酯, 醚, 酮等. 肥皂, 合成洗滌劑等.0 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)。即： 型物質(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)有機(jī)化合物。種類繁多，應(yīng)用廣泛。4例3：用同一個(gè)滴管分別滴下1cm3 NaOH 水溶液、水、乙醇水溶液，各自的滴數(shù)為（ ） A NaOH 水溶液18滴，水15滴，乙醇水溶液25滴 B NaOH 水溶液25滴，水18滴，乙醇水溶液15滴 C NaOH 水溶液15滴，水18滴，乙醇水溶液25滴 D 都是18滴C5溶液表面的吸附現(xiàn)象表

4、面活性劑顯著降低水的表面張力. (左) 將硫(密度2.1g/cm3)小心地放到水面上, 水硫界面張力大而難以增大其界面積, 使硫不能浸濕. (右) 向水中滴入幾滴清潔劑, 水硫界面張力減小, 硫沉入水底.6吉布斯吸附等溫式吉布斯吸附等溫式對稀溶液，表面過程T可以這樣表示： 在單位面積的表面層中，所含溶質(zhì)的物質(zhì)的量與同量溶劑在溶液本體中所含物質(zhì)的量的差值，稱為溶質(zhì)的表面過?；虮砻嫖搅勘砻孢^剩 C是溶液中表面活性劑的濃度以實(shí)測的對c 作圖, 求出指定濃度下的斜率( / c ) ， 即可由吉布斯吸附等溫式求得該濃度 時(shí)溶質(zhì)吸附量 .7吉布斯吸附等溫式1.d/dc 0，增加溶質(zhì) 的濃度使表面張力升高

5、，為負(fù)值，是負(fù)吸附。表面層中溶質(zhì)濃度低于本體濃度。非表面活性物質(zhì)屬于這種情況。(型曲線 )c0I 無機(jī)酸, 堿, 鹽等. 有機(jī)酸, 醇, 酯 肥皂, 合成洗滌劑等.8表面活性物質(zhì)在吸附層的定向排列一般情況下, 表面活性物質(zhì)的 - c 曲線如下圖所示. 類似于朗謬爾單分子層吸附, 有溶液吸附等溫線c m式中m為單分子層飽和吸附量. 由m的實(shí)測值可算出每個(gè)表面活性分子所占面積Am, Am = 1 /m L CnH2n+1X化合物在單分子膜中每個(gè)分子所占面積化合物種類XAm /nm2脂肪酸COOH0.205二元酯類COOC2H50.205酰胺類CONH20.205甲基酮類COCH30.205甘油三酸

6、脂類(每鏈面積)COOCH20.205飽和酸的酯類COOR0.220醇類CH2OH0.2169表面活性物質(zhì)在吸附層的定向排列 不同的長碳鏈有機(jī)化合物在水溶液表面飽和吸附時(shí)占據(jù)幾乎相同的面積, 該面積實(shí)際上是碳?xì)滏湹臋M截面積, 可見這些活性劑分子是定向緊密在排列在表面層中的. 當(dāng)吸附量達(dá)到最大，這時(shí)，表面吸附已達(dá)到飽和，脂肪酸分子合理的排列是羧基向水，碳?xì)滏溝蚩諝狻?0表面活性物質(zhì)在吸附層的定向排列一般表面活性劑分子都是由親水性的極性基團(tuán)和憎水(親油) 性的非極性基團(tuán)兩部分所構(gòu)成 (見圖示).油酸分子模型圖COOCH3(CH2)7=CH(CH2)7H+表面活性物質(zhì)的親水基團(tuán)X受到極性很強(qiáng)的水分子

7、的吸引而有竭力鉆入水面的趨勢, 同時(shí)非極性的碳鏈傾向于翹出水面或鉆入非極性的有機(jī)溶劑或油類的另一相中, 從而在界面上形成單分子膜.油酸單分子膜示意圖固定的障片可移動的障片11表面活性物質(zhì)在吸附層的定向排列請大家思考幾個(gè)問題：（1）為什么泉水，井水都有比較大的表面張力？將泉水小心注入干燥的杯子，泉水會高出杯面，這時(shí)加一滴肥皂液將會發(fā)生什么現(xiàn)象？ （2）既然表面吸附達(dá)到飽和，活性劑在溶液表面排列滿了以后，就不再吸附到表面，那么多余的表面活性劑都到哪里去了呢？它們呈什么形式排列呢？（3）洗衣粉、洗潔精的基本工作原理是什么呢？結(jié)合表面活性劑在溶液表面排列的方式來考慮。（4）為什么說洗衣粉和洗潔精等不能

8、放太多,否則對身體有害？12表面活性物質(zhì)的分類表面活性物質(zhì)分類離子型表面活性劑兩性表面活性劑陽離子表面活性劑陰離子表面活性劑如肥皂 RCOONa如胺鹽 C18H37NH3+Cl如氨基酸型R-NH-H2COOH非離子型 表面活性劑如聚乙二醇類 HOCOH2CH2OCH2nCH2OH陰離子型和陽離子型表面活性劑不可混用.13表面活性物質(zhì)膠束表面活性物質(zhì)的基本性質(zhì): 溶入少量就可使溶液的表面張力急劇降低; 當(dāng)濃度達(dá)到一定值后, 濃度幾乎不影響表面張力.表面張力與濃度關(guān)系c0上述性質(zhì)是由表面活性分子在溶液中的存在形態(tài)和分布引起的(見圖示).表面活性物質(zhì)的分子在溶液本體及表面層中的分布小型膠束(a) 稀

9、溶液(c)大于臨界膠束濃度的溶液(b)開始形成膠束的溶液球狀膠團(tuán)單分子膜14表面活性物質(zhì)膠束15表面活性物質(zhì)膠束膠束: 分散在水中的表面活性分子以其非極性部位自相結(jié)合, 形成憎水基向里、親水基朝外的多分子聚集體.臨界膠束濃度(C.M.C): 表面活性劑分子開始形成締合膠體的最低濃度. 膠束的形狀除球狀外, 還有層狀或棒狀(見圖示).各種締合膠束的形狀球狀層狀棒狀16 臨界膠束濃度簡稱CMC 表面活性劑在水中隨著濃度增大，表面上聚集的活性劑分子形成定向排列的緊密單分子層，多余的分子在體相內(nèi)部也三三兩兩的以憎水基互相靠攏，聚集在一起形成膠束，這開始形成膠束的最低濃度稱為臨界膠束濃度。 這時(shí)溶液性質(zhì)

10、與理想性質(zhì)發(fā)生偏離，在表面張力對濃度繪制的曲線上會出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。繼續(xù)增加活性劑濃度，表面張力不再降低，而體相中的膠束不斷增多、增大。表面活性物質(zhì)17表面活性物質(zhì)在臨界膠束濃度前后, 除表面張力外, 電導(dǎo)率, 滲透壓, 蒸氣壓, 光學(xué)性質(zhì), 去污能力及增溶作用等皆有很大差異.表面活性劑溶液的性質(zhì)與濃度關(guān)系示意圖性 質(zhì)濃度去污能力電導(dǎo)率增溶作用滲透壓表面張力摩爾電導(dǎo)C.M.C18 表面活性劑的用途極廣，主要有五個(gè)方面：1.潤濕作用 表面活性劑可以降低液體表面張力，改變接觸角的大小，從而達(dá)到所需的目的。 例如，要農(nóng)藥潤濕帶蠟的植物表面，要在農(nóng)藥中加表面活性劑；如果要制造防水材料，就要在表面涂憎水的表面活

11、性劑，使接觸角大于90。 助磨作用也是生產(chǎn)生活中最常見的潤濕現(xiàn)象。其中起到表面活性劑作用的往往是水。表面活性劑的作用19表面活性物質(zhì) 助磨作用表面活性物質(zhì)(助磨劑)能增加粉碎程度, 提高粉碎效率.物料粉碎過程是相界面顯著增大的過程, 當(dāng)物料顆粒很小時(shí), 比表面很大. 若采用干磨, 增大的表面是表面張力很大的固氣界面, 系統(tǒng)吉布斯函數(shù)急劇增大, 須消耗很大的表面功. 而濕磨時(shí)增大的是界面張力小得多的固-液(表面活性劑溶液)界面, 因此得到同樣分散度的粉末消耗的能量要小得多. 分散后的顆粒也因表面活性物質(zhì)吸附在表面而不易粘聚.同時(shí), 表面活性物質(zhì)還發(fā)揮“劈裂”作用和助滑作用.滑動面 表面活性物質(zhì)的

12、助磨作用20 也有時(shí)要使用消泡劑，在制糖、制中藥過程中泡沫太多，要加入適當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣┙档捅∧?qiáng)度，消除氣泡，防止事故。表面活性物質(zhì)2.起泡作用 “泡”就是由液體薄膜包圍著氣體。有的表面活性劑和水可以形成一定強(qiáng)度的薄膜，包圍著空氣而形成泡沫，用于浮游選礦、泡沫滅火和洗滌去污等，這種活性劑稱為起泡劑。213.乳化作用 一種或幾種液體以大于10-7m直徑的液珠分散在另一不相混溶的液體之中形成的粗分散體系稱為乳狀液。 要使它穩(wěn)定存在必須加乳化劑。根據(jù)乳化劑結(jié)構(gòu)的不同可以形成以水為連續(xù)相的水包油乳狀液(O/W)，或以油為連續(xù)相的油包水乳狀液(W/O)。 有時(shí)為了破壞乳狀液需加入另一種表面活性劑，稱為破乳劑，將乳狀液中的分散相和分散介質(zhì)分開。例如原油中需要加入破乳劑將油與水分開。表面活性物質(zhì)224.增溶作用 非極性有機(jī)物如苯在水中溶解度很小，加入油酸鈉等表面活性劑后，苯在水中的溶解度大大增加，這稱為增溶作用。 增溶作用與普通的溶解概念是不同的，增溶的苯不是均勻分散在水中，而是分散在油酸根分子形成的膠束中。 經(jīng)X射線衍射證實(shí)，增溶后各種膠束都有不同程度的增大，而整個(gè)溶液的的依數(shù)性變化不大。表面活性物質(zhì)