1、張 婉 萍,第四章 表面張力與潤濕作用,問 題,電動(dòng)現(xiàn)象是指溶膠粒子的運(yùn)動(dòng)與電性質(zhì)之間的關(guān)系，包括： 、 、 和 。 （電泳、電滲、流動(dòng)電勢和沉降電勢） 流動(dòng)電勢: 在外力作用下, 相對(duì)于帶電表面流動(dòng)而產(chǎn)生的電勢差，它是 的逆過程。 （液體介質(zhì)、電滲） 膠體粒子切動(dòng)面的位置在stern平面之外，切動(dòng)面與溶液內(nèi)部的電勢差稱為 。 （電動(dòng)勢（或電勢） ）,2,Colloid & Surface Chemistry,問 題,在等電點(diǎn)處，可使 為零，處于等電點(diǎn)的粒子是不帶電的, 、 的速度也必然為零。 （電勢、電泳、電滲） 流變性質(zhì)是指在外力作用下該體系的 與 性質(zhì)。 （流動(dòng)、形變） 不同的濃分散體系

2、按流型的不同，可以分為 和 ，* 又分為 、 、 ； （牛頓流體、非牛頓流體；非牛頓流體、塑流型 、 假塑流型 、 脹流型 ）,3,Colloid & Surface Chemistry,問 題,DLVO理論認(rèn)為膠體粒子之間的總作用能為 與 之和。 （排斥能、吸引能） 膠體體系的穩(wěn)定性一般從 、 與 三方面來表征。 （熱力學(xué)穩(wěn)定性、動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性、聚集穩(wěn)定性） 膠體體系的臨界聚沉濃度主要是由體系中無機(jī)鹽電解質(zhì)的 決定的，其價(jià)數(shù)越高，CCC越小。 （反粒子）,4,Colloid & Surface Chemistry,問 題,沾濕過程是指液體與固體從不接觸到接觸， 和 合為 的過程。 （液氣界面

3、lg 、固氣界面sg 、固液界面 sl ） 在潤濕過程中，當(dāng)液體在固體界面不潤濕時(shí)，其接觸角為（ ） A. 180 B. 0或不存在 C. 90 D. 90 在潤濕過程中，粘附功Wa、浸潤功Ws及鋪展系數(shù)S之間的大小關(guān)系是： 。 （ WaWsS ）,D,5,Colloid & Surface Chemistry,問 題,影響接觸角的因素主要有： 、 、 和 。 （物質(zhì)的本性、潤濕角的滯后現(xiàn)象、固體表面的粗糙性與不均勻性、環(huán)境的影響）,6,Colloid & Surface Chemistry,問 題,為什么針可以躺在水面上？ 為什么兩塊玻璃之間有水層，很難拉開？,7,Colloid & Sur

4、face Chemistry,問 題,小的氣泡與大的氣泡內(nèi)的氣體壓力哪個(gè)大？為什么？ Wa、Wi、S的含義是什么？大小關(guān)系？ 為0或不存在、90、90的潤濕情況分別是什么？,8,Colloid & Surface Chemistry,問 題,三個(gè)潤濕過程的內(nèi)能變化？ 衡量三個(gè)潤濕過程自發(fā)進(jìn)行的條件及含義是什么？,9,Colloid & Surface Chemistry,主 要 內(nèi) 容,第一節(jié) 表面張力和表面能 第二節(jié) 液-液界面張力 第三節(jié) 毛細(xì)作用與Laplace公式和Kelvin公式 第四節(jié) 潤濕作用和楊方程 第五節(jié) 固體表面能,10,Colloid & Surface Chemistr

5、y,第一節(jié) 表面張力和表面能,一、凈吸力和表面張力的概念 二、影響表面張力的因素 三、測定液體表面張力的方法,11,Colloid & Surface Chemistry,一、靜吸力和表面張力的概念,氣 泡,水 滴,氣 球,Why？,12,Colloid & Surface Chemistry,一、凈吸力和表面張力的概念,液體自動(dòng)收縮的表面現(xiàn)象表面一般表現(xiàn)出收縮其表面積的傾向，如橢圓球形的雨滴、毛細(xì)管口的水滴、露珠，是因?yàn)榈荣|(zhì)量的液體所呈現(xiàn)的各種形狀，以球體的表面積最小。,界面上存在界面張力,13,Colloid & Surface Chemistry,凈 吸 力,表面分子受到垂直于液體表面、

6、指向液體內(nèi)部的“合吸力”凈吸力。 凈吸力使得液體表面的分子有拉入液體內(nèi)部的傾向。若液體分子從液體相移到表面，必須有較高的能量，以克服此力的作用。,14,Colloid & Surface Chemistry,表面張力和表面自由能,表面張力是指在液面上垂直作用于液體表面上單位長度直線上的使表面積收縮的力，力的方向是與該直線垂直并與液面相切。 表面張力是溫度、壓力和液體組成的函數(shù)。 在溫度、壓力、溶液組成恒定時(shí)液體表面張力為恒定數(shù)值。,15,Colloid & Surface Chemistry,表面張力和表面自由能,表面張力是指在液面上垂直作用于液體表面上單位長度直線上的使表面積收縮的力，力的方

7、向是與該直線垂直并與液面相切。,16,Colloid & Surface Chemistry,表面自由能的微觀解釋,在液相內(nèi)部分子之間受到了短程吸引力范德華力，而在界面的分子受到上面的力小于下面受到的吸引力，合力不為零。若液體分子從液體相移到表面，必須有較高的能量，以克服此力的作用。,17,Colloid & Surface Chemistry,表面自由能的微觀解釋,因此，同量液體處于表面分子越多，表面積越大，體系的能量就越高，或者說增加表面積就是增加體系的能量，此能量的增加來自環(huán)境對(duì)體系做功，故稱為表面功： W= A 或W= dA,18,Colloid & Surface Chemistry

8、,表面張力和表面自由能, 為比表面自由能，簡稱表面自由能單位液面上的物質(zhì)比其在液體體相內(nèi)自由能的增量。,19,Colloid & Surface Chemistry,表面自由能的微觀解釋,液體（單位面積）總表面能的增量； 液體（單位面積）表面自由能或表面張力；,20,Colloid & Surface Chemistry,表面自由能的微觀解釋,在液相內(nèi)部分子之間受到了短程吸引力范德華力，而在界面的分子受到上面的力小于下面受到的吸引力，合理不為零。若液體分子從液體相移到表面，必須有較高的能量，以克服此力的作用。 表面張力產(chǎn)生的原因： 物質(zhì)分子之間都存在相互的吸引力； 表面層相鄰兩相的密度差；,2

9、1,Colloid & Surface Chemistry,表面張力與表面自由能的區(qū)別,符號(hào)相同，量綱相同，單位適宜時(shí)數(shù)值相同。 單位不同（mN/m, mJ/m） 物理意義不同：分別是力學(xué)/熱力學(xué)方法在表面現(xiàn)象中物理量。,22,Colloid & Surface Chemistry,Colloid & Surface Chemistry,23,分子間力可以引起凈吸力，凈吸力引起表面張力；表面張力永遠(yuǎn)與表面相切，而和凈吸力相互垂直。,二、影響表面張力的因素,物質(zhì)的本性 溫度的影響 壓力,24,Colloid & Surface Chemistry,物質(zhì)的本性,液體分子間相互作用力的性質(zhì)與大小有關(guān)

10、 液態(tài)金屬原子之間有金屬鍵，表面張力大 水分子間有氫鍵，表面張力較大 非極性液體分子間只有van der Waals 力，表面張力小,25,Colloid & Surface Chemistry,溫度的影響,由于溫度使得分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子間引力減弱，表面張力多隨溫度升高而減小。（隨著水體系溫度的提高，水分子間的氫鍵減弱）,26,Colloid & Surface Chemistry,壓力的影響,從氣液兩相密度差和凈吸力考慮，氣相壓力對(duì)表面張力有一定的影響一般情況表面張力隨壓力的增大而減小。,27,Colloid & Surface Chemistry,第二節(jié) 液-液界面張力,液液界面張力可以

11、根據(jù)一定的模型由形成界面的兩種液體的表面張力進(jìn)行估算 一、 Antonoff 規(guī)則 二、Good-Girifalco公式 三、 Fowkes的理論 四、液-液界面張力的測定,28,Colloid & Surface Chemistry,一、 Antonoff 規(guī)則,兩互相飽和液體所形成的界面之界面張力等于兩液體表面張力之差，即：,29,Colloid & Surface Chemistry,二、 Good-Girifalco公式,兩種液體分子間vanderwaals作用是永遠(yuǎn)存在的啟發(fā)，表征兩種液體a,b間黏附過程（形成界面）自由能降低的黏附功Wa與表征同種液體a或b相互作用的內(nèi)聚功 間也有幾

12、何平均關(guān)系：,30,Colloid & Surface Chemistry,三、 Fowkes的理論,分子間各種作用力可以分為兩大類：極性作用力和非極性作用力（色散力）。當(dāng)液體分子之間只存在色散力時(shí)，混合液體與兩液體表面張力的關(guān)系有：,31,Colloid & Surface Chemistry,第三節(jié) 毛細(xì)作用與Laplace公式和Kelvin公式,一、毛細(xì)作用 二、彎曲界面的內(nèi)外壓力差 Laplace公式 三、彎曲界面上的飽和蒸汽壓 Kelvin公式,32,Colloid & Surface Chemistry,問 題,為什么會(huì)有毛細(xì)現(xiàn)象？ 毛細(xì)現(xiàn)象為什么有的液面上升，有的液面下降？ 為什

13、么針可以躺在水面上？ 為什么苯滴到水的界面的界面上可以鋪展？之后又是以球形液滴存在？,33,Colloid & Surface Chemistry,一、毛細(xì)現(xiàn)象,液體表面張力的存在而引起的液體表面形態(tài)、性質(zhì)變化的各種現(xiàn)象。,34,Colloid & Surface Chemistry,二、彎曲界面的內(nèi)外壓差laplace公式,35,Colloid & Surface Chemistry,彎曲液面的表面現(xiàn)象不同于平面,二、彎曲界面的內(nèi)外壓差laplace公式,在液體中形成一半徑為r的液滴，體系平衡時(shí)，液滴半徑發(fā)生無限小的變化時(shí)體系的自由能不變，即dG/dr=0 在發(fā)生無限小變化中，液滴體系增加d

14、V，表面積增加dA，相應(yīng)的能量變化相等。,36,Colloid & Surface Chemistry,二、彎曲界面的內(nèi)外壓差laplace公式,37,Colloid & Surface Chemistry,描述彎曲液面上的壓力差與表面張力和曲率半徑的關(guān)系式就是Laplace公式,二、彎曲界面的內(nèi)外壓差laplace公式,38,Colloid & Surface Chemistry,1. 平面 ，則 ，即平面液面上下不存在壓力差。 2. 球面 ，則 r0，故 0；凹液面 r0，故 0；凸液面,二、彎曲界面的內(nèi)外壓差laplace公式,39,Colloid & Surface Chemistry

15、,對(duì)肥皂泡，由于有內(nèi)外兩個(gè)表面， 則 3. 圓柱面： ，則 ，其中r是柱面的圓形底面的半徑。,二、Laplace公式,p指彎曲液面內(nèi)外壓力差，即p=p內(nèi) p外，p內(nèi)通常指曲率半徑為正值一側(cè)的壓力； 根據(jù)Laplace公式， r越小，p越大。,40,Colloid & Surface Chemistry,二、Laplace公式,液滴越小，液滴內(nèi)外壓差越大，即凸液面下方液相的壓力大于液面上方氣相的壓力； 若液面是凹的，此時(shí)凹液面下方液相的壓力小于液面上方壓力； 若液面是平的，壓差為零。,41,Colloid & Surface Chemistry,二、Laplace公式,對(duì)于彎曲液面，若將液相作為

16、內(nèi)側(cè)，液面的曲率半徑可能是正的也可能是負(fù)的： 形成凸液面時(shí)，曲率中心在液體內(nèi)部，r為正值，p0； 形成凹液面時(shí)，曲率中心在液體外部，r為負(fù)值，p0.,42,Colloid & Surface Chemistry,毛細(xì)管上升與下降現(xiàn)象,p0,p0,43,Colloid & Surface Chemistry,毛細(xì)現(xiàn)象的應(yīng)用實(shí)例,利用毛細(xì)現(xiàn)象測定液體的表面張力,44,Colloid & Surface Chemistry,毛細(xì)現(xiàn)象的應(yīng)用實(shí)例,親液固體片間液體凹液面引起的附加壓力的作用,45,Colloid & Surface Chemistry,毛細(xì)現(xiàn)象的應(yīng)用實(shí)例,彎曲液面上壓力差可以解釋夾一薄水

17、層的兩塊玻璃片難于垂直方向分開的現(xiàn)象。 液體水是可以完全潤濕玻璃的，因此水形成的柱面是凹彎月面，那么：,兩玻璃片間夾有（A）潤濕性液體水和（B）完全不潤濕性液體汞所形成的（A）凹彎月面和（B）凸彎月面示意圖,46,Colloid & Surface Chemistry,三、彎曲液面上的飽和蒸氣壓，Kelvin公式,飽和蒸氣壓 液滴大小對(duì)液面飽和蒸氣壓的影響 小液滴表面的飽和蒸氣壓大于大液滴 凹液面上方小于平面飽和蒸氣壓，氣泡內(nèi)飽和蒸氣壓較低,47,Colloid & Surface Chemistry,三、彎曲液面上的飽和蒸氣壓，Kelvin公式,1. 對(duì)于凸液面，如液滴，r0，那么prp0而

18、且液滴半徑越小，則對(duì)應(yīng)的pr蒸氣壓越高，這正是過飽和蒸氣產(chǎn)生的根本原因。 2. 對(duì)于平液面，由于p=0，故pr=p0 3. 對(duì)于凹液面，r0，則prp0，也就是說在凹液面上對(duì)應(yīng)的蒸氣壓低于通常的蒸氣壓。,48,Colloid & Surface Chemistry,三、彎曲液面上的飽和蒸氣壓，Kelvin公式,液滴大小對(duì)液面飽和蒸氣壓的影響 小液滴表面的飽和蒸氣壓大于大液滴 凹液面上方小于平面飽和蒸氣壓，氣泡內(nèi)飽和蒸氣壓較低,49,Colloid & Surface Chemistry,第一節(jié) 三、測定液體表面張力的方法,毛細(xì)管升高法 吊片法和脫環(huán)法 最大氣泡壓力法 滴體積法 滴外形法,50,

19、Colloid & Surface Chemistry,毛細(xì)管升高法,當(dāng)一毛細(xì)管下端插入能使管壁完全潤濕的液體中（=0o）,液體沿毛細(xì)管上升，上升高度與由Laplace公式所決定的毛細(xì)壓力相等的靜壓力對(duì)應(yīng)之高度決定，從而得到：,51,Colloid & Surface Chemistry,毛細(xì)管升高法,如圖所示的彎月面的曲率半徑r一般不等于毛細(xì)管內(nèi)徑R，除非彎月面是半球面，即接觸角=0。那么在彎月面頂點(diǎn)O處應(yīng)存在如下平衡： 以（p）0=O為頂點(diǎn)的液柱壓強(qiáng)p0,毛細(xì)現(xiàn)象示意圖,52,Colloid & Surface Chemistry,吊片法和脫環(huán)法,吊片法將一薄片（玻璃、云母、鉑片等）懸吊在

20、天平一臂上，使其底邊與液面平行，測定底邊剛接觸液面時(shí)所受的拉力f。 最好選擇=0o,53,Colloid & Surface Chemistry,最大氣泡壓力法,將空氣經(jīng)半徑為r的毛細(xì)管通入液體中，根據(jù)氣泡破裂時(shí)之壓力值依Laplace公式計(jì)算液體表面張力：,54,Colloid & Surface Chemistry,第四節(jié) 潤濕作用和楊方程,一、潤濕現(xiàn)象和潤濕角 二、潤濕角的測量方法 三、影響潤濕角大小的一些因素 四、鋪展 五、潤濕熱,55,Colloid & Surface Chemistry,一、潤濕現(xiàn)象和潤濕角,在固、液、氣三相交界處，自固液界面經(jīng)液體內(nèi)部到氣液界面的夾角叫 接觸角,

21、56,Colloid & Surface Chemistry,一、潤濕現(xiàn)象和潤濕角,潤濕作用按接觸角的不同可以分為四種情況： 完全不潤濕 完全潤濕 不潤濕 部分潤濕,57,Colloid & Surface Chemistry,58,Colloid & Surface Chemistry,59,Colloid & Surface Chemistry,二、潤濕角的測量方法,角度測量法 長度測量法 用動(dòng)態(tài)法測定粉末-液體體系的潤濕角,60,Colloid & Surface Chemistry,三、影響潤濕角大小的一些因素,固體的界面特性 液體的界面特性,61,Colloid & Surface

22、Chemistry,決定和影響接觸角大小的因素,物質(zhì)的本性 接觸角的滯后現(xiàn)象 固體表面的粗糙性和不均勻性 環(huán)境的影響,62,Colloid & Surface Chemistry,物質(zhì)的本性,對(duì)于指定固體，液體表面張力越小，接觸角越?。?對(duì)于同一液體，固體表面能越大， 越小。 反映了液體分子與固體表面親和作用的大小，親和力越強(qiáng)，越易在固體表面鋪開， 越小。,63,Colloid & Surface Chemistry,接觸角的滯后現(xiàn)象,前進(jìn)角與后退角 前進(jìn)角a固液界面取代固氣界面后形成的接觸角 后退角r氣固界面取代固液界面形成的接觸角 接觸角滯后前進(jìn)角與后退角不相等的現(xiàn)象；通常后退角小于前進(jìn)角

23、。,64,Colloid & Surface Chemistry,接觸角的滯后現(xiàn)象,接觸角示意圖。（A）液固相對(duì)靜止，（B）液固相對(duì)移動(dòng),若液體與固體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，則會(huì)形成兩個(gè)不同的接觸角。較大的a稱為前進(jìn)接觸角（advancing contact angle），較小的r稱為后退接觸角(receding contact angle)。這種ar的現(xiàn)象稱為接觸角滯后。,65,Colloid & Surface Chemistry,接觸角的滯后現(xiàn)象,r值表示表面粗糙的程度。 90r越大，接觸角越大；潤濕性越差 90r越大，接觸角越??；潤濕性越好。,表面粗糙度,66,Colloid & Surfac

24、e Chemistry,接觸角的滯后現(xiàn)象,表面不均勻（污染）使得不同區(qū)域的表面能不同，導(dǎo)致接觸角的變化,67,Colloid & Surface Chemistry,固體表面的粗糙性和不均勻性,液體在粗糙表面與平滑表面的潤濕角不同 粗糙度使得潤濕性差的更差，潤濕性好的更好,68,Colloid & Surface Chemistry,環(huán)境的影響,固體表面，尤其是高能表面從周圍環(huán)境中吸附某些組分而降低表面能，同時(shí)改變了表面性質(zhì),69,Colloid & Surface Chemistry,四、潤濕過程,潤濕過程可以分為三類： 沾濕 浸濕 鋪展,70,Colloid & Surface Chemi

25、stry,沾 濕,指液體與固體從不接觸到接觸，液氣界面lg和固氣界面sg 合為固液界面sl的過程。,Wa稱為粘附功,71,Colloid & Surface Chemistry,沾 濕,Wa稱為粘附功，是沾濕過程體系對(duì)外所能做的最大功，也是將接觸的固體和液體自交界處拉開，外界所需做的最小功。,72,Colloid & Surface Chemistry,浸 濕,固氣界面sg 被固液界面sl所取代；,Wi稱為浸潤功,73,Colloid & Surface Chemistry,浸 濕,Wi為浸潤功，反映了液體在固體表面取代氣體的能力（ sg sl）。,74,Colloid & Surface C

26、hemistry,鋪 展,鋪展過程的實(shí)質(zhì)是以固液界面sl代替固氣界面sg的同時(shí)還擴(kuò)展了氣液界面lg,S為鋪展系數(shù),75,Colloid & Surface Chemistry,鋪 展,S0時(shí)，液體可以在固體表面自動(dòng)展開，連續(xù)的從固體表面取代氣體。,76,Colloid & Surface Chemistry,對(duì)同一個(gè)體系，WaWiS，凡能自行鋪展的體系，其他過程均能自動(dòng)進(jìn)行。,77,Colloid & Surface Chemistry,78,Colloid & Surface Chemistry,四、潤濕過程,79,Colloid & Surface Chemistry,80,Colloid

27、 & Surface Chemistry,四、潤濕過程,81,Colloid & Surface Chemistry,為0或不存在 -G最大 液體完全潤濕即鋪展 為180 -G最小 完全不潤濕 90為 潤濕/浸潤 90為 不潤濕/沾濕,潤濕作用的應(yīng)用,礦物的泡沫浮選 金屬的防銹與緩蝕 織物的防水防油處理 在農(nóng)藥中的應(yīng)用 ,82,Colloid & Surface Chemistry,潤濕作用的應(yīng)用,通過液體的界面特性 減小固液界面sl 氣液界面lg 使得S0,83,Colloid & Surface Chemistry,潤濕作用的應(yīng)用,通過改變固體的表面特性 降低固氣界面sg 使得Wa0,84

28、,Colloid & Surface Chemistry,85,Colloid & Surface Chemistry,潤濕作用的應(yīng)用,通過固體的表面特性 減小固液界面sl 使得Wi0,86,Colloid & Surface Chemistry,五、潤濕熱,潤濕熱即浸潤熱 由于固液分子間的相互作用必然要釋放出熱量 反映了固液分子間相互作用的強(qiáng)弱 潤濕熱大小與固體的粒子大小及比表面積有關(guān),87,Colloid & Surface Chemistry,第五節(jié) 固體表面能,一、固體的表面 二、固體的表面張力與表面能 三、固體表面能的實(shí)驗(yàn)估測,88,Colloid & Surface Chemist

29、ry,一、固體的表面,固體表面特點(diǎn)特點(diǎn)： 表面原子活動(dòng)小 固體表面勢能的不均一性,89,Colloid & Surface Chemistry,二、固體的表面張力與表面能,固體可能存在各向異性，形成不同晶面時(shí)表面張力不同； 表面區(qū)域原子間距離的改變可引起表面積改變，不需體相中原子做功而使其成為表面原子； 表面不均勻使處于不同區(qū)域的微環(huán)境不同，受到周圍原子的作用力不同。,90,Colloid & Surface Chemistry,二、固體的表面張力與表面能,固體表面性質(zhì) 高能表面干凈的玻璃上 低能表面聚合物復(fù)合材料,91,Colloid & Surface Chemistry,二、固體的表面張力與表面能,固體表面能的大小決定了其可潤濕性質(zhì)。液體在固體表面能自發(fā)鋪展的基本條件是液體表面張力小于固體的表面能。液體表面張力越低，越有利于鋪展進(jìn)行。 臨界表面張力c，表面張力低于c的液體方能在低能表