《應(yīng)用膠體及界面化學(xué)》03 表面張力及潤濕作用

疏液膠體的穩(wěn)定性疏液膠體穩(wěn)定存在的原因電解質(zhì)對于溶膠聚沉作用的影響 臨界聚沉濃度Schulze-Hardy規(guī)則電解質(zhì)的聚沉值與膠粒的異電性離子的價數(shù)的6次方成反比感膠離子序膠體的聚沉理論-DLVO理論DLVO理論認(rèn)為疏液膠體粒子間既有因粒子帶電形成的擴(kuò)散雙電層交聯(lián)時產(chǎn)生的靜電斥力，又有粒子間范德華力相互吸引作用。四、聚合物對溶膠的穩(wěn)定和絮凝作用1.空間穩(wěn)定理論2.高分子化合物的敏化作用和保護(hù)作用五、分散劑&絮凝劑作用機(jī)理03表面張力與潤濕作用§3-1

液體的

表面張力§3-2Laplace公式.§3-4浮選§3-3潤濕接觸角θ與Young方程θ的影響因素§3-5液液界面張力§3-6界面張力的測定§3-7

固體的

表面能

及測定§3-8Kelvin公式σ的影響因素導(dǎo)出、應(yīng)用毛細(xì)升高法、吊片/拉環(huán)法、最大氣泡壓力法…l在s表面自發(fā)鋪展的基本條件物理意義、應(yīng)用

對于單組分系統(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；對于多組分系統(tǒng)，則特性來自于界面層的組成與任一相的組成均不相同。

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)部分子所受四周鄰近相同分子的作用力是對稱的，各個方向的力彼此抵銷；

但是處在界面層的分子，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，因此，界面層會顯示出一些獨(dú)特的性質(zhì)。§3-1液體的表面張力

最簡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小（因?yàn)闅庀嗝芏鹊停?，所以表面分子受到被拉入體相的作用力。

這種作用力使表面有自動收縮到最小的趨勢，并使表面層顯示出一些獨(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。

如果在活動邊框上掛一重物，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。液體表面的最基本的特性是趨向于收縮1液體表面自動縮小2欲擴(kuò)大表面積需外界對其做功力學(xué)定義：

這時

l是滑動邊的長度，因膜有兩個面，所以邊界總長度為2l，就是作用于單位邊界上的表面張力。把作用于單位邊界線上的這種力稱為表面張力，用g

或

表示。在兩相(特別是氣-液)界面上，處處存在著表面張力，表面張力垂直與表面的邊界，指向液體方向并與表面相切。表面張力的單位是：力學(xué)定義：

溫度、壓力和組成恒定時，可逆使表面積增加dA所需要對系統(tǒng)作的非體積功，稱為表面功。用公式表示為：能量角度：表面熱力學(xué)的基本公式根據(jù)多組分熱力學(xué)的基本公式

對需要考慮表面層的系統(tǒng)，由于多了一個表面相，在體積功之外，還要增加表面功，則基本公式為表面熱力學(xué)的基本公式所以考慮了表面功的熱力學(xué)基本公式為從這些熱力學(xué)基本公式可得表面自由能(surfacefreeenergy)

廣義的表面自由能定義：狹義的表面自由能定義：表面自由能的單位：γ：在等溫等壓且體系所含物質(zhì)的量不變的條件下，增加單位表(界)面積所引起體系Gibbs函數(shù)的增量——(比)表面Gibbs函數(shù)、(比)表面自由能思考§3-1表面張力思考為什么在參觀面粉廠時,不能穿帶鐵釘?shù)男?在煤粉或在面粉廠，因?yàn)榧?xì)小的煤粉或面粉懸浮在空中，形成巨大的表面，有著巨大的表面能。一個小小的火星，會加速煤粉或面粉表面上發(fā)生的氧化反應(yīng)，反應(yīng)中放出的熱量又加速了其它顆粒表面的氧化反應(yīng)……，因此，引起爆炸！一大塊煤燃燒為什么不爆炸？§3-1表面張力關(guān)于表面張力表面張力是由處于表面層的分子受到“凈吸力”的作用而產(chǎn)生的與表面相切、與“凈吸力”相互垂直、引起液體表面自動收縮的力。表面張力與表面吉布斯自由能是同一數(shù)值的二個不同概念，前者從力學(xué)角度，而后者從能量角度討論界面所存在現(xiàn)象。表面張力是物質(zhì)的自然屬性，與溫度、壓力、組成以及共存的另一相有關(guān)。二、γ的影響因素1.物質(zhì)本性§3-1表面張力不同液體表面張力值大體范圍液態(tài)金屬極性液體&非極性液體同系物2.溫度氣液差別減小，界面張力下降當(dāng)達(dá)到臨界溫度Tc時，界面張力趨向于零。Ramsay-Shields經(jīng)驗(yàn)式§3-1表面張力液體的表面張力與溫度的關(guān)系

3.壓力實(shí)踐中無法測量

表面張力與分子間作用力密切相關(guān)1.極性物質(zhì)的γ>非極性物質(zhì)2.結(jié)構(gòu)相似時，分子量越大，γ越高3.芳環(huán)或共軛雙鍵一般>飽和碳?xì)浠衔?.一般有機(jī)液體的γ在20-50mN/m.水是常見液體中表面張力最高的約72mN/m.熔鹽及液體金屬γ最高。Hg486.520,Fe18801550,He0.3651K表面張力的一些規(guī)律§3-2彎曲液面內(nèi)外壓力差與曲率半徑的關(guān)系-Laplace公式

Laplace公式的簡單推導(dǎo)1.在平面上對一小面積AB，沿AB的四周每點(diǎn)的兩邊都存在表面張力，大小相等，方向相反，所以沒有附加壓力設(shè)向下的大氣壓力為po，向上的反作用力也為po

，附加壓力ps等于零。彎曲表面上的附加壓力2.在凸面上由于液面是彎曲的，則沿AB的周界上的表面張力不是水平的，作用于邊界的力將有一指向液體內(nèi)部的合力所有的點(diǎn)產(chǎn)生的合力和為ps

，稱為附加壓力凸面上受的總壓力為：彎曲表面上的附加壓力3.在凹面上由于液面是凹面，沿AB的周界上的表面張力不能抵消，作用于邊界的力有一指向凹面中心的合力所有的點(diǎn)產(chǎn)生的合力和為ps

，稱為附加壓力凹面上受的總壓力為：彎曲表面上的附加壓力由于表面張力的作用，在彎曲表面下的液體與平面不同，它受到一種附加的壓力，附加壓力的方向都指向曲面的圓心。凹面上受的總壓力小于平面上的壓力凸面上受的總壓力大于平面上的壓力附加壓力的大小與曲率半徑有關(guān)例如，在毛細(xì)管內(nèi)充滿液體，管端有半徑為r

的球狀液滴與之平衡。對活塞稍加壓力，將毛細(xì)管內(nèi)液體壓出少許相應(yīng)地其表面積增加dA使液滴體積增加dV克服附加壓力ps所作的功等于可逆增加表面積的Gibbs自由能Laplace公式討論：1.凸形液面(r＞0)Δp＞0,p液＞p氣

凹形液面(r＜0)Δp＜0,p液＜p氣平面r=∞Δp=0,p液=p氣Δp總是指向曲面的球心2.γ越大，r越小，Δp越大。 液滴愈小則所受附加壓力愈大3.空氣中的氣泡：

存在兩個氣液界面 氣泡內(nèi)壓力大于外部壓力§3-2Laplace公式Laplace公式的應(yīng)用舉例1.毛細(xì)上升及下降由于附加壓力而引起的液面與管外液面有高度差的現(xiàn)象稱為毛細(xì)管現(xiàn)象把毛細(xì)管插入水中，管中的水柱表面會呈凹形曲面，致使水柱上升到一定高度。當(dāng)插入汞中時，管內(nèi)汞面呈凸形，管內(nèi)汞面下降。1.毛細(xì)上升及下降毛細(xì)管內(nèi)液柱上升（或下降）的高度可近似用如下的方法計算當(dāng)1.毛細(xì)上升及下降

1。假若液滴具有不規(guī)則的形狀，則在表面上的不同部位曲面彎曲方向及其曲率不同，所具的附加壓力的方向和大小也不同，這種不平衡的力，必將迫使液滴呈現(xiàn)球形自由液滴或氣泡通常為何都呈球形？

2。相同體積的物質(zhì)，球形的表面積最小，則表面總的Gibbs自由能最低，所以變成球狀就最穩(wěn)定

在一管徑不均勻的毛細(xì)管中有一些可潤濕管壁的液體存在。平衡時，液體所在位置？

4.毛細(xì)現(xiàn)象毛細(xì)吸力下雨后泥土塌陷玻璃板之間夾水毛細(xì)阻力氣阻現(xiàn)象：打針和輸液時嚴(yán)禁帶入氣泡油滴阻力（輸水），水滴阻力（輸油）

有人建議由測定同一液體在兩個管徑不同的毛細(xì)管中的上升高度來求出液體的表面張力。請導(dǎo)出計算公式，并說明此法的優(yōu)點(diǎn)。

§3-3潤濕作用潤濕狀況與界面性質(zhì)有關(guān)：

一、接觸角θ與楊氏方程潤濕過程——固氣表面被固液界面取代的過程在干凈的玻璃上滴一滴水...

將水滴在棉布上...

將水滴在荷葉上...潤濕：沾濕、鋪展及浸濕討論：1.凸形液面(r＞0)Δp＞0,p液＞p氣

凹形液面(r＜0)Δp＜0,p液＜p氣平面r=∞Δp=0,p液=p氣Δp總是指向曲面的球心2.γ越大，r越小，Δp越大。 液滴愈小則所受附加壓力愈大3.空氣中的氣泡：

存在兩個氣液界面 氣泡內(nèi)壓力大于外部壓力§3-2Laplace公式復(fù)習(xí)：Laplace公式的應(yīng)用舉例1.毛細(xì)上升及下降

有人建議由測定同一液體在兩個管徑不同的毛細(xì)管中的上升高度來求出液體的表面張力。請導(dǎo)出計算公式，并說明此法的優(yōu)點(diǎn)。

與之相關(guān)的現(xiàn)象和應(yīng)用:

(1)植物靠著毛細(xì)現(xiàn)象輸運(yùn)養(yǎng)料和水分。(2)利用棉花來吸水。(3)外科手術(shù)中用的縫線經(jīng)過蠟處理的絲線。沾濕(adhesion)：液體與固體由不接觸到接觸，變液氣界面和固氣界面為固液界面的過程WA>0沾濕過程自發(fā)WI>0浸濕過程自發(fā)浸濕(immersion)：固體浸入液體的過程。（洗衣時泡衣服）固氣界面為固液界面替代。鋪展(spreading)：以固液界面取代固氣界面同時，液體表面擴(kuò)展的過程。鋪展過程自發(fā)鋪展：浸濕：沾濕：A稱為黏附張力，A越大越有利于上述三種潤濕過程的進(jìn)行將液體滴于固體表面上，液體或鋪展或覆蓋于表面，或形成一液滴停于其上，此時在三相交界處，自固液界面經(jīng)液體內(nèi)部到氣液界面的夾角就叫做接觸角接觸角與Yong方程§3-3潤濕作用三相交界處存在三個界面張力液滴平衡時：接觸角(潤濕角)θ——三相交界處，g-l界面與s-l界面間夾角液體對固體表面的潤濕性能可以用接觸角來衡量θ>90°θ<90°θ=180°完全不潤濕潤濕不潤濕液體對固體表面的潤濕性能可以用界面張力分析鋪展：浸濕：沾濕：θ越小，cosθ越大，越有利于上述三種潤濕過程的進(jìn)行§3-3潤濕作用三、θ的影響因素1.物質(zhì)本性2.固體表面狀況粗糙度均一性

γl-g↓

γs-g↑

3.吸附、溫度等因素θ↓（文策爾方程）（卡西方程）前進(jìn)角與后退角固液界面取代固氣界面后形成的接觸角叫做前進(jìn)角θa;而氣固界面取代固液界面形成的接觸角叫做后退角θR液滴前進(jìn)角后退角三、θ的測量如：觀察測量法(顯微量角法、攝影法)、斜板法、光反射法1.角度測量法——用量角器直接量出三相交界處l.與s.平面的夾角應(yīng)用最廣、方便簡單，但切線不易作準(zhǔn)將固體板插入液體中，當(dāng)板面與液面的夾角恰為接觸角時，液面一直延伸至三相交界處而不出現(xiàn)彎曲，此夾角即為接觸角。2.長度測量法3.力測量滴高法§3-3潤濕作用吊片法潤濕的應(yīng)用舉例冶金傳熱焊接采油礦物的泡沫浮選防水農(nóng)藥對植物葉有良好的潤濕作用機(jī)器用的潤滑油油漆的使用采油油層存在于地層的毛細(xì)孔中，油與土壤的接觸角大于土壤與水的接觸角在水中加入潤濕劑，通過井外注水，可增加水對地層的潤濕性，將油從毛細(xì)孔中頂出，然后從井內(nèi)采出。缺點(diǎn)：表面活性劑用量太大，可能毀壞油田礦物的泡沫浮選固體顆粒能否懸浮在液面，取決與接觸角的大小。通過加入表面活性劑，可控制固體浮游的條件。

懸浮——疏水化——接觸、附著——上浮——回收防水纖維織物用防濕劑處理，

增加水布之間的接觸角，使水不能透過布，

而空氣可以透過。常見的防水材料：石蠟、硅油、多價金屬皂等

織物防水

交通道路防水

例如，柏油路面的防水一、接觸角θ與楊氏方程§3-3潤濕作用潤濕：沾濕、鋪展及浸濕A稱為黏附功，A越大越有利于上述三種潤濕過程的進(jìn)行鋪展：浸濕：沾濕：§3-5l-l界面張力兩種不混溶的或不完全混溶的液體互相接觸的物理界面即液液界面。由于界面兩邊分子性質(zhì)不同，界面上分子所處力場不是各向同性的，也存在界面張力——垂直通過液液界面上任一單位長度，與界面相切的收縮界面的力。（一）Antonoff規(guī)則（1907年）γa被b飽和的a表面張力γb被a飽和的b表面張力§3-6液體表面張力的測定方法毛細(xì)上升法測定表面張力一般公認(rèn)表面張力的測定方法中，以毛細(xì)上升法最為準(zhǔn)確，主要是因?yàn)槠溆斜容^健全的理論，但實(shí)驗(yàn)條件要求苛刻。最準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)工作要求液體必須能潤濕管壁，這樣才能避免接觸角的不確定性引起的誤差。最常采用的是玻璃毛細(xì)管，不僅因其透明，而且也因?yàn)槎鄶?shù)液體都能潤濕玻璃。玻璃表面必須極其干凈，毛細(xì)管必須精確地垂直，精確地知其半徑，而且要求毛細(xì)管的半徑是均勻的，其橫截面與圓形的偏差應(yīng)不超過百分之幾。另外，對于玻璃毛細(xì)管，對溶液堿度有一定的限制。環(huán)法

(Theringmethod)RW總γ在此法中，環(huán)一般由鉑制成，以確保環(huán)可以被液體完全潤濕，接觸角為零或接近于零。實(shí)驗(yàn)前應(yīng)將環(huán)放在火焰上燒過，以除去表面上有機(jī)類污染物。在測量表面活性物質(zhì)的溶液以及測量液-液界面張力時，由于表面活性物質(zhì)在環(huán)上的吸附作用改變了環(huán)的潤濕性質(zhì)，使得測量誤差較大，此時，可用聚四氟乙烯或聚乙烯制成的環(huán)來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（表面活性物質(zhì)的吸附會使環(huán)由憎水性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性質(zhì)）。最大氣泡壓力法

(Themaximumbubblepressuremethod)使惰性氣體緩慢地通過浸在待測液體表面下的管子，使其吹泡。當(dāng)氣泡恰為半球時，半徑最小，等于管的內(nèi)半徑，因而ΔP最大。惰性氣體hr滴重法

(Thedropweightmethod)Tate定律(1864年)：r表面張力（

）和液滴（W）的重力達(dá)到平衡落滴高速攝影滴重法校正因子從實(shí)驗(yàn)中測得液滴的質(zhì)量（m），再由液體的密度求得液滴的體積（V），可求出r/V1/3，查表可得相應(yīng)的f值。滴重法也可用于測定液-液界面張力。此時，一種液體在另一種液體之中形成液滴，所用公式相同，但需記住此時的W’是液滴的重量減去被排出液體的重量。第七節(jié)固體表面能及測定第七節(jié)固體表面能及測定固體表面的表面能SolidNaAgNaClMgO石蠟聚乙烯云母γ/(mJm-2)200800190120025.433.1

2400大多數(shù)固體比液體具有更高的表面能