1、第一章第一章 表面活性劑概論表面活性劑概論 參考書：參考書：趙國璽等著，表面活性劑作用原理，中國輕工業(yè)出版社，趙國璽等著，表面活性劑作用原理，中國輕工業(yè)出版社，2003年版；年版； 梁自齊等編，功能性表面活性劑，中國輕工業(yè)出版社，梁自齊等編，功能性表面活性劑，中國輕工業(yè)出版社，2002年版；年版； 蔣慶哲編著，蔣慶哲編著， 表面活性劑科學(xué)與應(yīng)用，表面活性劑科學(xué)與應(yīng)用， 中國石化出版中國石化出版社，社，2006年版；年版；1.1 表面和界面現(xiàn)象表面和界面現(xiàn)象1.2 表面活性和表面活性劑表面活性和表面活性劑1.3 表面張力與表面自由能表面張力與表面自由能1.4 表面活性的產(chǎn)生和特勞貝規(guī)則表面活性的

2、產(chǎn)生和特勞貝規(guī)則1.5 表面活性劑分子結(jié)構(gòu)特點表面活性劑分子結(jié)構(gòu)特點1.6 表面活性劑的基本性能表面活性劑的基本性能1.7 彎曲表面上的附加壓力及彎曲表面上的附加壓力及Laplace方程方程1.8 液體表面張力的測定液體表面張力的測定我們經(jīng)?？吹降囊恍┍砻婊钚晕镔|(zhì)分散劑分散劑潤濕劑潤濕劑乳化劑乳化劑化工生產(chǎn)中的一些表面活性物質(zhì)絮凝劑絮凝劑發(fā)泡劑發(fā)泡劑消泡劑消泡劑增溶劑增溶劑施膠劑施膠劑滲透劑滲透劑脫墨劑脫墨劑脫模劑脫模劑柔軟劑柔軟劑殺菌劑殺菌劑去污劑去污劑消毒劑消毒劑表面化學(xué)與其他學(xué)科的聯(lián)系表面化學(xué)與其他學(xué)科的聯(lián)系表面化學(xué)表面化學(xué)生命科學(xué) 能源科學(xué) 材料科學(xué)信息科學(xué)界面化學(xué)的發(fā)展和現(xiàn)狀界面化學(xué)

3、的發(fā)展和現(xiàn)狀1805 T . Young 提出界面張力概念1806 P.S. Laplase 表面張力與曲率半徑關(guān)系1878 Gibbs 表面吸附方程1916 Langmuir 固體吸附等溫方程式1.1表面和界面現(xiàn)象界面是指兩相接觸的約幾個分子厚度的過渡區(qū)，若其中一相為氣體，這種界面通常稱為表面。 嚴格講表面應(yīng)是液體或固體與其飽和蒸氣之間的界面，但習慣上把液體或固體與空氣的界面稱為液體或固體的表面。一.表面和界面常見的界面有：(1)氣-液界面空氣空氣4CuSO溶液氣氣- -液液界面界面(2)氣-固界面氣氣- -固界面固界面(3)液-液界面2H OHg液-液界面玻璃板玻璃板Hg2H O液液- -

4、固界面固界面(4)液-固界面(5)固-固界面鐵管鐵管CrCr鍍層鍍層固固- -固界面固界面二.比表面 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)量的固體所具有的表面積；另一種是單位體積固體所具有的表面積。即：/ /mVAA mAA V或式中，m和V分別為固體的質(zhì)量和體積，A為其表面積。 把物質(zhì)分散成細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。邊長l/m 立方體數(shù) 比表面Av /（m2/m3）110-2 1 6 102 110-3 103 6 103 110-5 109 6 105 110-7 1015 6 107 110-9 10

5、21 6 109 達到nm級的超細微粒具有巨大的比表面積，因而具有許多獨特的表面效應(yīng)，成為新材料和多相催化方面的研究熱點。 由此可見，分割越細，比表面越大，表面效應(yīng)也由此可見，分割越細，比表面越大，表面效應(yīng)也愈明顯。在制劑學(xué)上常利用增大藥物的分散度來改善愈明顯。在制劑學(xué)上常利用增大藥物的分散度來改善藥物的性質(zhì)。藥物的性質(zhì)。具有巨大比表面的體系具有巨大的表面能，是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系。任何體系都有降低表面能的趨勢三.界面現(xiàn)象的本質(zhì) 表面層分子與內(nèi)部分子相比，它們所處的環(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

6、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特的性質(zhì)。氣氣相相液液相相液體的性質(zhì)與其微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)液體的性質(zhì)與其微觀結(jié)構(gòu)有關(guān) （1 1）液體分子間距小）液體分子間距小 液體分子間距較氣體小了一個數(shù)量級液體分子間距較氣體小了一個數(shù)量級 , ,為為1010-10-10 m，分子，分子排列較緊密，其熱運動主要在平衡位置附近作微小振動。排列較緊密，其熱運動主要在平衡位置附近作微小振動。（2）液體分子間作用力顯著加強液體分子間作用力顯著加強 液體分子間由于相互吸引，表現(xiàn)出氣體分子所沒有的液體分子間由于相互吸引，表現(xiàn)出氣體分子所沒有的內(nèi)聚力，由于

7、這些引力，使液體具有邊界明確的表面。內(nèi)聚力，由于這些引力，使液體具有邊界明確的表面。1.2 表面活性和表面活性劑表面活性和表面活性劑 1.1.吸附現(xiàn)象吸附現(xiàn)象 表面和溶液內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象。表面和溶液內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象。 正吸附和負吸附正吸附和負吸附 表面層濃度大于液體內(nèi)部濃度的作用表面層濃度大于液體內(nèi)部濃度的作用正吸正吸附。附。 表面層濃度小于液體內(nèi)部濃度的作用表面層濃度小于液體內(nèi)部濃度的作用負吸負吸附。附。 2.2.表面活性現(xiàn)象表面活性現(xiàn)象 也稱界面活性，是表面活性物質(zhì)通過改變界面也稱界面活性，是表面活性物質(zhì)通過改變界面張力發(fā)揮各種功能作用。張力發(fā)揮各種功能作用。 表面活性現(xiàn)象發(fā)生的原因表

8、面活性現(xiàn)象發(fā)生的原因 表面活性物質(zhì)由親水和親油基組成；表面活性物質(zhì)由親水和親油基組成； 親水基與水親和，親油基憎水，綜合結(jié)果造成親水基與水親和，親油基憎水，綜合結(jié)果造成親油基逃到水面上，水面上主要由親油基組成。親油基逃到水面上，水面上主要由親油基組成。 親油基與水的表面張力相差較大，水面的表面親油基與水的表面張力相差較大，水面的表面張力顯著下降。張力顯著下降。 3.3.表面活性劑與一般的表面活性物質(zhì)表面活性劑與一般的表面活性物質(zhì) 在低濃度下可以顯著降低表面張力的物質(zhì)為表在低濃度下可以顯著降低表面張力的物質(zhì)為表面活性劑。面活性劑。不是所有具有表面活性的物質(zhì)都是表面不是所有具有表面活性的物質(zhì)都是表

9、面活性劑?；钚詣?表面活性劑的定義表面活性劑的定義 能夠吸附于表（界）面上，加入很少量就能使能夠吸附于表（界）面上，加入很少量就能使表（界）面的物理化學(xué)性質(zhì)顯著改變的物質(zhì)。在濃表（界）面的物理化學(xué)性質(zhì)顯著改變的物質(zhì)。在濃度足夠大時能夠形成分子有序組合體，并且具有一度足夠大時能夠形成分子有序組合體，并且具有一系列表面功能的物質(zhì)。系列表面功能的物質(zhì)。 是物質(zhì)表面的一種作用力，來源于物質(zhì)分子或原子間的范德華力，物質(zhì)的表面性質(zhì)基本上都與其有關(guān)。 表面張力是分子間吸引力強弱的一種量度，引起分子間吸引力變化的因素都會引起表面張力的變化。 一一、表面張力表面張力1.3 表面張力和表面自由能表面張力和表面自

10、由能 表面張力的大小與溶液的濃度、溫度和壓力等因素有關(guān)。2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l 將一含有一個活動邊框的金屬線框架放在肥皂液中，然后取出懸掛，活動邊在下面。 由于金屬框上的肥皂膜的表面張力作用，可滑動的邊會被向上拉，直至頂部。2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2W1W 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。 l 是滑動邊的長度，因膜有兩個面，所以邊界總長

11、度為2l， 就是作用于單位邊界上的表面張力。2 l12=()FWWg= 這時 2Fl 在兩相(特別是氣-液)界面上，處處存在著一種張力，其方向是沿著相的表面與界面相切，并促使其表面積縮小的方向。 把作用于單位邊界線上的這種力稱為表面張力，用 表示。表面張力的單位是：Nm-1。 在金屬線框中間系一線圈，一起浸入肥皂液中，然后取出，上面形成一液膜。 若刺破線圈中央的液膜，線圈內(nèi)側(cè)張力消失，外側(cè)表面張力立即將線圈繃成一個圓形，如圖，清楚的顯示出表面張力的存在。 由于以線圈為邊界的兩邊表面張力大小相等方向相反，故線圈成任意形狀可在液膜上移動。BBBddddUT Sp Vn多組分熱力學(xué)的基本公式而對需要

12、考慮表面層的系統(tǒng)，由于多了一個表面相，還要增加表面功，則基本公式為 B, ,UU S V nsBBBdddddUT Sp VAnsB, ,UU S V A n二、表面自由能所以考慮了表面功的熱力學(xué)基本公式為sBBBdddddUT Sp VAnsBBBdddddHT SV pAnsBBBdddddAS Tp VAn sBBBdddddGS TV pAn 從這些熱力學(xué)基本公式可得BBBBss, , , , ,ssS V nS p nT V nT p nUHAGAAAA 廣義的表面自由能定義：B, ,s()S V nUAB, ,s()S P nHAB, ,s()T V nAAB, ,s()T P n

13、GA 狹義的表面自由能定義：B, ,s()T P nGA又可稱為表面Gibbs自由能 表面自由能的單位：2J m表面張力與表面自由能之間的關(guān)系：表面張力與表面自由能之間的關(guān)系： 表面自由能的單位為表面自由能的單位為J/m2。表面張力表面張力也可以稱為恒溫恒壓下增加表面積時體系自由能的增量；單位表面上分子比體系內(nèi)部同量分子所具有的自由能過剩值，即表面過剩自由能；表面自由能。表面張力與表面自由能之間的關(guān)系：表面張力與表面自由能之間的關(guān)系： 2.在數(shù)值上在數(shù)值上，表面張力等于表面自由能。，表面張力等于表面自由能。1.兩者有相同的量綱兩者有相同的量綱。1.與溫度的關(guān)系。溫度升高，界面張力下降，當達到臨

14、界溫度Tc時，界面張力趨向于零。這可用熱力學(xué)公式說明：BBBBBBddddddddddssAS TP VAnGS TV PAn 因為運用全微分的性質(zhì)，可得：sBB, ,s, ,A V nT V nSAT 因為表面積增加，熵總是增加的，所以等式左方為正值，所以等式左方為正值。所以得出 隨T的增加表面張力下降。sBB, ,s, ,A p nT p nSAT 三、界面張力的影響因素非表面活性物質(zhì) 水的表面張力因加入溶質(zhì)形成溶液而改變。 使水的表面張力升高的溶質(zhì)稱為非表面活性物質(zhì)。如無機鹽和不揮發(fā)的酸、堿等。 這些物質(zhì)的離子有較強的水合作用，趨向于被水分子拖入水中，非表面活性物質(zhì)在表面的濃度低于在本體

15、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. 與溶液濃度的關(guān)系表面活性物質(zhì) 加入后能使水的表面張力降低的溶質(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和憎水的非極性碳鏈或碳環(huán)有機化合物。親水基團進入水中，憎水基團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，增加單位面積所需的功較純水小，因此使水的表面張力降低。曲線 cO極性有機物 曲線 非表面活性物質(zhì) 曲線 表面活性劑 不同物質(zhì)溶液的表面張力隨濃度的變化 3.壓力對表面張力的影響 表面張力一般隨壓力的增加而下降。因為壓力增加，氣相密度增加，表面分子受力

16、不均勻性略有好轉(zhuǎn)。另外，若是氣相中有別的物質(zhì)，則壓力增加，促使表面吸附增加，氣體溶解度增加，也使表面張力下降。4.物質(zhì)的本性 表面張力取決于分子間的引力和分子結(jié)構(gòu)，隨著分子間的引力的增大而增大。（極性液體比非極性液體大，固體比液體大）5.相界面的性質(zhì) 與液體相接觸另一相物質(zhì)的性質(zhì)改變，表面張力會發(fā)生變化。 表面張力來源于范德華力，不同分子間的范德華力大小不同，對應(yīng)的表面張力也不同。 對于氣液平衡體系，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

17、抵銷，因此，界面層會顯示出一些獨特的性質(zhì)。1.4 表面活性的產(chǎn)生和特勞貝規(guī)則表面活性的產(chǎn)生和特勞貝規(guī)則氣氣相相液液相相 這種不平衡的作用力使得液體表面分子有向液體內(nèi)部收縮的趨勢。 反之，將液體從溶液內(nèi)部移向表面就必須對其做功，這個功就是表面自由能，也叫做表面過剩自由能。 因此，增加液體表面必須做功。表面張力也是分子間吸引力的量度。 此外，表面活性是一種動力學(xué)現(xiàn)象，表面或界面的狀態(tài)表示朝向表（界）面吸附的趨勢和分子熱運動趨向完全混合的傾向之間的平衡。 表面活性劑分子在界面上吸附使得界面張力下降，下降值為 =0 - 特勞貝認為，在稀水溶液中可用/c衡量溶質(zhì)的表面活性。每增加一個-CH2-基團， /

18、c約為原來的三倍。1.5 表面活性劑分子結(jié)構(gòu)特點表面活性劑分子結(jié)構(gòu)特點十二烷基硫酸鈉的結(jié)構(gòu)圖十二烷基硫酸鈉的結(jié)構(gòu)圖表面活性劑的結(jié)構(gòu)分析表面活性劑的結(jié)構(gòu)分析：它是由兩部分組成，其一它是由兩部分組成，其一為親油的長鏈烷基，含為親油的長鏈烷基，含8個碳以上；其二為親水的個碳以上；其二為親水的無機鹽或極性有機物。也無機鹽或極性有機物。也稱為親水基和憎水基。稱為親水基和憎水基。這種結(jié)構(gòu)稱為兩親性結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)稱為兩親性結(jié)構(gòu)，表面活性劑也稱為兩親性表面活性劑也稱為兩親性化合物。化合物。表面活性劑分子結(jié)構(gòu)決定其親水基溶于水中，憎水基逃表面活性劑分子結(jié)構(gòu)決定其親水基溶于水中，憎水基逃離水溶液，最終吸附于界面上

19、，形成定向排列的單分子離水溶液，最終吸附于界面上，形成定向排列的單分子膜，使得表面活性劑具有特殊的表面活性功能。膜，使得表面活性劑具有特殊的表面活性功能。當表面活性劑濃度超過界當表面活性劑濃度超過界面吸附飽和濃度時，憎水面吸附飽和濃度時，憎水基會在溶液內(nèi)部形成膠團基會在溶液內(nèi)部形成膠團（膠束）。表面活性劑膠（膠束）。表面活性劑膠團溶液也稱為締合膠體，團溶液也稱為締合膠體，締合作用是自發(fā)進行的而締合作用是自發(fā)進行的而且具有可逆性。膠團是熱且具有可逆性。膠團是熱力學(xué)穩(wěn)定體系。力學(xué)穩(wěn)定體系。親水親油平衡值親水親油平衡值HLB表面活性劑除了具有親水和親油基團結(jié)構(gòu)以外，還需要表面活性劑除了具有親水和親油

20、基團結(jié)構(gòu)以外，還需要使兩種具有相互適宜的大小和強度，即親水親油處于平使兩種具有相互適宜的大小和強度，即親水親油處于平衡狀態(tài)。衡狀態(tài)。HLB是選擇不同功能表面活性劑的重要參數(shù)。是選擇不同功能表面活性劑的重要參數(shù)。1.6 表面活性劑的基本性能表面活性劑的基本性能表面活性劑最基本的兩個功能表面活性劑最基本的兩個功能：當表面活性劑濃度較低時，在界面處形成單分子層吸當表面活性劑濃度較低時，在界面處形成單分子層吸附膜；附膜；當濃度達到飽和吸附值以上，表面活性劑會在溶液中當濃度達到飽和吸附值以上，表面活性劑會在溶液中自聚形成分子有序組合體。最簡單的是膠團，形成膠自聚形成分子有序組合體。最簡單的是膠團，形成膠

21、團的表面活性劑濃度為臨界膠團濃度，簡稱團的表面活性劑濃度為臨界膠團濃度，簡稱cmc。（b b）濃度相對升高，很快地）濃度相對升高，很快地聚集到水表面上，即聚集到水表面上，即表面表面吸附量大為增加吸附量大為增加、空氣和、空氣和水的接觸相對減少，水表水的接觸相對減少，水表面張力下降。面張力下降。 （a a）是極稀溶液，界面上）是極稀溶液，界面上沒聚集很多的表面活性劑，沒聚集很多的表面活性劑，空氣和水直接接觸，水的表空氣和水直接接觸，水的表面張力下降不多，面張力下降不多，接近于純接近于純水的狀態(tài)水的狀態(tài)。（c）表面活性劑濃度逐漸升高，表面活性劑分子間沒有空隙，密集于液面上，表面吸附達飽和，形成了單分

22、子吸附膜?？諝馀c水處于完全隔離狀態(tài)。水表面張力急劇下降。在溶液內(nèi)部，以疏水基互相靠攏，形成球形膠束。表面活性劑的主要功能和有序組合體表面活性劑的主要功能和有序組合體：主要功能有乳化、起泡、增溶、潤濕、破乳、抗靜電、主要功能有乳化、起泡、增溶、潤濕、破乳、抗靜電、殺菌等；殺菌等；主要的有序組合體包括膠團、反膠團、囊泡、液晶、主要的有序組合體包括膠團、反膠團、囊泡、液晶、乳狀液、微乳液等。乳狀液、微乳液等。1.在平面上 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。s000ppp0pABff0p一、彎曲表面上的附加壓力1.7 彎曲表面上的附加壓力及彎曲表面上的附加壓力及La

23、place方程方程2. 在凸面上0sppp總0pABff0sppsp 所有的點產(chǎn)生的合力和為 ps ，稱為附加壓力凸面上受的總壓力為：3. 在凹面上0sppp總0pABff0sppsp 所有的點產(chǎn)生的合力和為 ps ，稱為附加壓力凹面上受的總壓力為： 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4 4、附加壓力的大小與曲率半徑有關(guān)、附加壓力的大小與曲率半徑有關(guān) 例如，在毛細管內(nèi)充滿液體，管端有半徑為R 的球狀液滴與之平衡。 外壓為 p0 ，附加壓力為 ps ，液滴所受總

24、壓為：0sppp總0pspRssddp VAs2pR34 3VR2s4AR2 d4dVRRsd8dAR R 克服附加壓力ps所作的功等于可逆增加表面積的Gibbs自由能使液滴體積增加dV相應(yīng)地其表面積增加dA 凸面上因外壓與附加壓力的方向一致，液體所受的總壓等于外壓和附加壓力之和，總壓比平面上大。相當于曲率半徑取了正值。曲率半徑越小，附加壓力越大 s2pR0sppp總 凹面上因外壓與附加壓力的方向相反，液體所受的總壓等于外壓和附加壓力之差，總壓比平面上小。相當于曲率半徑取了負值。0sppp總 由于附加壓力而引起的液面與管外液面有高度差的現(xiàn)象稱為毛細管現(xiàn)象 把毛細管插入水中，管中的水柱表面會呈凹

25、形曲面，致使水柱上升到一定高度。當插入汞中時，管內(nèi)汞面呈凸形，管內(nèi)汞面下降。 MN0ppp2H OHg5、毛細管現(xiàn)象 毛細管內(nèi)液柱上升（或下降）的高度可近似用如下的方法計算 2sppghR 1g12hRg（1）曲率半徑 R 與毛細管半徑R的關(guān)系：cosRR（2）2()slgpghR2ghR 2 cosspghR 拉普拉斯（拉普拉斯（Pierre Simon de Laplace，17491827年），法國年），法國數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家。生前頗負盛名，被譽為數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家。生前頗負盛名，被譽為法國的牛頓法國的牛頓。拉。拉普拉斯家境貧寒普拉斯家境貧寒,靠鄰居的周濟才得到讀書的機會靠鄰居的周濟才得到讀

26、書的機會. 1773年被選年被選為法國科學(xué)院副院士為法國科學(xué)院副院士;1783年任軍事考試委員年任軍事考試委員,并于并于1785年主持年主持對一個對一個16歲的惟一考生進行考試。歲的惟一考生進行考試。他的代表作有他的代表作有:宇宙體系論宇宙體系論、分析概率論分析概率論、天體天體力學(xué)力學(xué).二、Laplace 公式公式ABCDABCDxy 在任意彎曲液面上取小矩形ABCD(紅色面)，其面積為xy。 曲面邊緣AB和BC弧的曲率半徑分別為 和1R2R 作曲面的兩個相互垂直的正截面，交線Oz為O點的法線。 令曲面沿法線方向移動dz，使曲面擴大到ABCD(藍色面)，則x與y各增加dx和dy 。1R2Rzo

27、y+dydxx odzABCDABCDxy1R2Rzoy+dydxx odz 移動后曲面面積增量為：sd(d )(d )Axxyyxydd (d d0)x yy xy xfddWx yy x 增加這額外表面所需功為sdWp V 克服附加壓力所作的功為ddVxy zsdWp xy z 這兩種功應(yīng)該相等ABCDABCDxy1R2Rzoy+dydxx odzsdddx yy xp xy z22ddRzxxxR由相似三角形的比較得 2ddx zxR11ddRzyyyR1ddy zyR代入上式得 s1211pRR若 s2pR12RRR這兩個都稱為 Laplace 公式 三、拉普拉斯公式的應(yīng)用1.肥皂泡實

28、驗結(jié)果肥皂泡實驗結(jié)果 在三通活塞的兩端涂上肥皂液，關(guān)閉左端通路，在右端吹在三通活塞的兩端涂上肥皂液，關(guān)閉左端通路，在右端吹一個一個大泡，然后關(guān)閉右端，在左端吹一個小泡。最后讓左右兩大泡，然后關(guān)閉右端，在左端吹一個小泡。最后讓左右兩端相通，端相通，試問接通后兩泡的大小有何變化？試問接通后兩泡的大小有何變化？ 假若自由液滴或氣泡首先呈圖中所示的不規(guī)假若自由液滴或氣泡首先呈圖中所示的不規(guī)則的形態(tài)，在該形狀的不同曲面處，其彎曲則的形態(tài)，在該形狀的不同曲面處，其彎曲方向與曲率均不同，產(chǎn)生的附加壓力的大小方向與曲率均不同，產(chǎn)生的附加壓力的大小和方向也就不同，凸面處附加壓力指向液滴和方向也就不同，凸面處附加

29、壓力指向液滴內(nèi)部，凹面處附加壓力指向液滴外側(cè)，這種不平衡的力必然迫使內(nèi)部，凹面處附加壓力指向液滴外側(cè)，這種不平衡的力必然迫使其自動調(diào)整形狀，在這種合力的作用下，使曲面每處的曲率、附其自動調(diào)整形狀，在這種合力的作用下，使曲面每處的曲率、附加壓力相同，直到穩(wěn)定為止，所以必然呈球形。加壓力相同，直到穩(wěn)定為止，所以必然呈球形。2.2.自由液滴或氣泡均呈球形的原因？自由液滴或氣泡均呈球形的原因？ 1.8 液體表面張力的測定液體表面張力的測定一、一、毛細管法毛細管法 當毛細管浸在液體中，若液體能完全浸潤管壁，則會發(fā)生毛細上升現(xiàn)象，當毛細管浸在液體中，若液體能完全浸潤管壁，則會發(fā)生毛細上升現(xiàn)象，液面呈凹月形

30、。反之，若液體完全不浸潤管壁，則液面下降呈凸液面。液面呈凹月形。反之，若液體完全不浸潤管壁，則液面下降呈凸液面。 假定毛細管截面是圓周形，且管徑不太大，并假定凹月面可近似看作半球假定毛細管截面是圓周形，且管徑不太大，并假定凹月面可近似看作半球形，此時不僅兩個曲率半徑相等，而且都等于毛細管半徑形，此時不僅兩個曲率半徑相等，而且都等于毛細管半徑r r。 由由Laplace公式公式 P附附 = 2 /r 若定義若定義h為凹月面底部距平液面的高度，則為凹月面底部距平液面的高度，則P附附應(yīng)等于毛細管內(nèi)液柱應(yīng)等于毛細管內(nèi)液柱的靜壓強的靜壓強gh， 即即 gh =2 r 式中式中為液氣兩相密度差，為液氣兩相

31、密度差，g為重力加速度。為重力加速度。 上式也可以改寫成：上式也可以改寫成： a= 2 g = rh 式中式中a為毛細常數(shù)，它是液體的特性常數(shù)。為毛細常數(shù)，它是液體的特性常數(shù)。當液體完全不浸潤管壁時，上式仍適用。若毛細下降，則當液體完全不浸潤管壁時，上式仍適用。若毛細下降，則h h表示下表示下降深度。降深度。 更普遍的情況是液體與管壁之間的接觸角更普遍的情況是液體與管壁之間的接觸角 介于介于0 0 -180-180 之間，若彎之間，若彎月面仍為球面，則有：月面仍為球面，則有： gh = 2gh = 2 cos cos r r 由上式可以從毛細升高或下降的高度由上式可以從毛細升高或下降的高度h

32、h，即可求出液體的表面張力。，即可求出液體的表面張力。 毛細上升法是表面張力測試方法中最準確的絕對方法。毛細上升法是表面張力測試方法中最準確的絕對方法。實驗條件比較簡單，數(shù)據(jù)容易測準，要求毛細管最好能被所測液體完全浸實驗條件比較簡單，數(shù)據(jù)容易測準，要求毛細管最好能被所測液體完全浸潤，使接觸角為零。潤，使接觸角為零。最常用的是玻璃毛細管，不僅透明，還能為多數(shù)液體潤濕，其橫截面應(yīng)是最常用的是玻璃毛細管，不僅透明，還能為多數(shù)液體潤濕，其橫截面應(yīng)是圓形而且上下均勻一致。圓形而且上下均勻一致。 二、二、最大氣泡壓力法最大氣泡壓力法將一根毛細管插入待測液體中，緩緩?fù)ㄈ攵栊詺怏w，使其在管端形成將一根毛細管插

33、入待測液體中，緩緩?fù)ㄈ攵栊詺怏w，使其在管端形成氣泡逸出。當毛細管很細時，可假設(shè)氣泡在生成過程中始終是球體的氣泡逸出。當毛細管很細時，可假設(shè)氣泡在生成過程中始終是球體的一部分。一部分。 氣泡在發(fā)展過程中半徑由大變小，當氣泡形狀恰為半球時，氣泡的半氣泡在發(fā)展過程中半徑由大變小，當氣泡形狀恰為半球時，氣泡的半徑最小，正好等于毛細管半徑，徑最小，正好等于毛細管半徑，P P附附也相應(yīng)達到最大值。也相應(yīng)達到最大值。 在形成氣泡的過程中，液面在形成氣泡的過程中，液面半徑經(jīng)歷：大半徑經(jīng)歷：大小小大，即大，即中間有一極小值中間有一極小值rminr毛毛，此，此時氣泡的曲率半徑最小，實時氣泡的曲率半徑最小，實驗過程

34、中用連接在毛細管上驗過程中用連接在毛細管上的的U形壓力計測出最大氣泡壓形壓力計測出最大氣泡壓力，則力，則 P附附max = gh = 2 r 三、三、滴重法滴重法 在恒溫的條件下，在恒溫的條件下，當液體在當液體在滴重計滴重計(滴重計市售商品名屈氏滴重計市售商品名屈氏粘力管粘力管)口懸掛尚未下滴時：口懸掛尚未下滴時： W = mg = 2W = mg = 2 r r r：若液體潤濕毛細管時為外：若液體潤濕毛細管時為外半徑，若不潤濕時應(yīng)使用內(nèi)半半徑，若不潤濕時應(yīng)使用內(nèi)半徑。徑。 : 液體的表面張力。液體的表面張力。 m：液滴質(zhì)量：液滴質(zhì)量(一滴液體一滴液體)。 g；重力加速度。；重力加速度。 由于

35、形成的細長液柱在力學(xué)上不穩(wěn)定，一由于形成的細長液柱在力學(xué)上不穩(wěn)定，一部分半徑縮小，另一部分半徑擴大，最后部分半徑縮小，另一部分半徑擴大，最后形成液滴落下。因此真正落入容器的只是形成液滴落下。因此真正落入容器的只是一部分液體。一般認為，多至一部分液體。一般認為，多至40質(zhì)量的質(zhì)量的液滴仍與滴尖相連，當與下落部分分離后，液滴仍與滴尖相連，當與下落部分分離后，又縮了回去，成為下一個液滴的一部分，又縮了回去，成為下一個液滴的一部分，因此因此測量時液滴并未全部落下，有部分收測量時液滴并未全部落下，有部分收縮回去，故需對上式進行校正：縮回去，故需對上式進行校正： m為滴下的每滴液體質(zhì)量。為滴下的每滴液體質(zhì)

36、量。 f稱為哈金斯校正因子稱為哈金斯校正因子 。 2rfm g 四、四、吊環(huán)法吊環(huán)法根據(jù)表面張力的基本概念可知，欲將一個物體從液根據(jù)表面張力的基本概念可知，欲將一個物體從液面上分離，所需的最大拉力應(yīng)等于該物體的質(zhì)量加面上分離，所需的最大拉力應(yīng)等于該物體的質(zhì)量加上表面張力與被分離表面周長的乘積。上表面張力與被分離表面周長的乘積。 將環(huán)放在液面上，然后測定將環(huán)向上拉起時所需的將環(huán)放在液面上，然后測定將環(huán)向上拉起時所需的力力P P。設(shè)環(huán)的內(nèi)徑為。設(shè)環(huán)的內(nèi)徑為RR，環(huán)由半徑為，環(huán)由半徑為r r的鉑絲制成。的鉑絲制成。 則則 P = WP = W環(huán)環(huán) + 2+ 2R + 2R + 2 (R+2r) (R

37、+2r) 式中式中W W環(huán)環(huán)為鉑環(huán)質(zhì)量，后面兩項為二圓柱形液膜對環(huán)施加的表面作用力。為鉑環(huán)質(zhì)量，后面兩項為二圓柱形液膜對環(huán)施加的表面作用力。 令令 F=PF=P W W環(huán)環(huán)，R=R+rR=R+r，則可得，則可得 F = 4F = 4 (R+r) (R+r) = 4 = 4 R R 由于拉起的液柱不是圓柱形，需要乘上校正因子由于拉起的液柱不是圓柱形，需要乘上校正因子f， F = 4 fR 五、五、吊板法吊板法吊板法是將一塊平板，如顯微鏡蓋玻片部分浸到液體中，平板另一端掛吊板法是將一塊平板，如顯微鏡蓋玻片部分浸到液體中，平板另一端掛在天平上，測定吊板脫離液面時所需的最大拉力在天平上，測定吊板脫離液

38、面時所需的最大拉力P P，則有，則有 P = WP = W總總 W W板板 = 2(L+d)= 2(L+d) 式中式中L L為吊板寬度，為吊板寬度，d d為厚度，為厚度，2(L+d)2(L+d)為平板周長，測為平板周長，測出出P P后，可由上式求出表面張力后，可由上式求出表面張力 。 若液體與吊板之間存在接觸角若液體與吊板之間存在接觸角 ，則相應(yīng)的公式為：，則相應(yīng)的公式為： P = 2(L+d)P = 2(L+d) coscos 測定前必須注意以下幾點測定前必須注意以下幾點:首先，必須在液面首先，必須在液面不振動不振動的的清凈清凈環(huán)境中操作。環(huán)境中操作。例如，水面因例如，水面因易與塵埃、油氣接

39、觸而污染瞬間約可變化易與塵埃、油氣接觸而污染瞬間約可變化10mN/m。其次，要精確控制其次，要精確控制溫度溫度，測定體系盡可能，測定體系盡可能密閉密閉。這樣，可將這樣，可將因因蒸發(fā)蒸發(fā)而引起的液面而引起的液面濃縮濃縮和和溫度不穩(wěn)溫度不穩(wěn)抑制到最小范圍。抑制到最小范圍。再者再者，應(yīng)該注意，應(yīng)該注意水的精制水的精制。除去活性劑所含的微量。除去活性劑所含的微量雜質(zhì)雜質(zhì)等，等，以達到表面研究所必要的以達到表面研究所必要的試劑純度試劑純度。此外，此外，活性劑溶液的表面張力達到活性劑溶液的表面張力達到平衡的時間平衡的時間可從數(shù)分鐘到可從數(shù)分鐘到數(shù)小時，因此必須根據(jù)實驗的目的選擇數(shù)小時，因此必須根據(jù)實驗的目的選擇合適的測定方法。合適的測定方法。第一章習題一、概念：1.界面2.表面3.吸附現(xiàn)象4.表面活性劑5.表面張力6.臨界角束