物化第11章 胶体与表面化学
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绪论一、概述胶体化学是胶体与界面化学的简称,是物理化学的一个分支科学,或者说是一个专业方向。
既涉及物理,又覆盖着化学,因此其应用非常广泛。
注:物理化学的五个专业方向—热力学、动力学、电化学、量子化学、胶体与界面化学,前四者理论性很强,后者则理论与应用并重。
胶体化学:它强调理论,但并不排斥应用,应用与理论的紧密结合、浑然一体是这门课最鲜明的特点。
应用领域:生物、纳米材料、石油开发、陶瓷、造纸、涂料、催化、医药、食品、海洋产业、粘合剂等。
但是,许多人在碰到胶体与界面化学问题时,由于缺乏这门课程的基本知识而变得束手无策,从而限制了发展。
胶体化学涉及的理论面:1、运动理论2、光学理论3、电学理论4、稳定理论5、流变理论6、界面理论二、胶体概念1、分散体系自然界没有绝对纯的物质,所谓纯都是相对的。
从广义上讲,整个地球都是由各种分散体系构成的。
分散体系:所谓分散体系,是指一种或几种物质以一定的分散度分散在另一种物质中形成的体系。
分散相:以分散状态存在的不连续相称为分散相。
分散介质:连续相则称为分散介质。
2、胶体按分散相粒径大小:粗分散体系:颗粒某一线度>1000nm(10-6m,)胶体:颗粒某一线度1~1000nm(10~10m)真溶液:分散相称分子状态,粒径一般<1nm(国际纯粹和应用化学联合会IUPAC分类法)三、胶体化学的研究对象研究胶体分散体系和粗分散体系性质的一门科学。
1、分子胶体一般指高分子聚合物(高聚物)的溶液,也叫亲液胶体。
如:PAM、高分子在溶液中以无规线团状态存在,线团尺寸再胶体尺度范围内。
分散相与分散介质之间没有清晰的界面(均相)高聚物分散相在分散介质中溶解分散,熵增大,自由焓减小。
(热力学稳定)2、缔合胶体当表面活性剂的浓度高于临界胶束浓度(CMC)时,许多个表面活性剂分子会在溶液中聚集成一定形状的胶束(按照一定的排列组合方式)。
如果在这些胶束中溶进一些特定性质的物质,则形成所谓的微乳液或液晶。
物理化学中的表面现象与胶体化学物理化学是一门探讨物质性质变化及相关规律的学科。
与之相关的表面现象和胶体化学则是物理化学领域中一项重要的分支。
本文将从表面现象和胶体化学两个方面入手,探讨它们的基本概念、相关应用和研究意义。
一、表面现象观察一个物体,我们会发现它的表面是与外界直接接触的部分。
因此,表面现象是物质研究中一种极其普遍和重要的现象。
表面现象是指两种或两种以上介质相接触时,有特殊性质的现象出现。
在物理化学中,表面现象主要包括表面张力、毛细现象和润湿现象。
表面张力是液体表面处由于分子间作用力而表现出来的一种现象。
表面张力较大的液体在容器中形成凸面或水滴状,这种现象称为毛细现象。
液体与固体相接触时,液体能否在固体表面上均匀分布并附着称为润湿现象。
表面现象在自然界和人类生活中都有广泛应用。
例如,水平稳定的大船只是因为水面的表面张力;高楼大厦的毛细管水系统则利用了毛细现象;润滑油、乳液、涂料等都运用了润湿性质。
二、胶体化学胶体化学是涉及无色透明的小粒子(胶体)和它所处的环境之间的相互作用的学科。
胶体是介于小分子和宏观物体之间的一种存在形式,其中粒子的平均大小在1至1000纳米之间。
胶体物理包括多种胶体类型,例如溶胶、凝胶和气溶胶等。
胶体学科研究中的主要问题是如何制备胶体,以及在胶体中所表现出的各种特殊性质。
胶体的制备方法包括溶胶法、凝胶法和胶体化合物分解法等。
在胶体中存在的各种特殊现象包括布朗运动、泡沫现象和重力分选等。
胶体的应用十分广泛,例如在涂料、油墨、胶水、陶瓷、橡胶等方面都得到了广泛的应用。
另外,人类生命活动中的一些基础物质,例如蛋白质、肌肉等,都是以胶体形式存在的。
三、物理化学中的表面现象与胶体化学的关联表面现象与胶体化学之间有着密不可分的联系。
在液态物质中,固液接触面所呈现的动态变化与胶体的形成和演化密切相关。
例如,胶体粒子表面的物理化学特征决定了胶体粒子的成长和聚集行为。
此外,表面现象和胶体化学之间也有着一些实际应用。
物理化学十一、十二章问答题(界面现象和胶体)第十一章界面现象1.表面能、表面自由能、比表面自由能、表面张力是否是一个概念?相同否?答:总的说来四者都是描述表面的过剩能量,但概念上有区别,表面能为物质表面较其内部多余的能量;若在T,p恒定时,这部分能量称为表面自由能(表面吉布斯自由能);若在T,p恒定时,单位表面的自由能,便称为比表面自由能,其单位为J·m-2,因J =N·m,故J·m-2也可化为N·m-1,这样表面自由能又转变为另一概念,成为垂直作用于单位长度相表面上沿着相表面的切面方向的力,称为表面张力。
虽然比表面自由能和表面张力的数值相同,也可混用,但概念有差别,前者是标量,后者是矢量。
2.若在容器内只是油与水在一起,虽然用力振荡,但静止后仍自动分层,这是为什么?答:油与水是互不相溶的,当二者剧烈振荡时,可以相互分散成小液滴,这样一来,表面能增大,这时又没有能降低表面能的第三种物质存在,因此这时为不稳定体系,体系有自动降低能量的倾向,分层后,体系能量降低,因此会自动分层。
3.铅酸蓄电池的两个电极,一个是活性铅电极,另一个是活性氧化铅电极,你是怎样理解这理解这“活性”两字?答:这里活性是指铅或氧化铅处于多孔性,即具有大的比表面积,具有较高比表面自由能,处于化学活性状态。
这是在制备电极时经过特殊活化工序而形成的高分散状态,根据热力学理论及表面性质,若铅蓄电池长期使用或者长期放置而未能及时充电,电极的高分散状态会逐渐减低,这种活性也就消失。
4.在化工生产中,固体原料的焙烧,目前很多采用沸腾焙烧,依表面现象来分析有哪些优点?答:沸腾焙烧是将固体原料碎成小颗粒,通入预热的空气或其它气体,使炉内固体颗粒在气体中悬浮,状如沸腾,这样就增大了固气间的接触界面,增强了传质与传热,使体系处于较高的化学活性状态。
5. 在滴管内的液体为什么必须给橡胶乳头加压时液体才能滴出,并呈球形?答:因在滴管下端的液面呈凹形,即液面的附加力是向上的,液体不易从滴管滴出,因此若要使液滴从管端滴下,必须在橡胶乳头加以压力,使这压力大于附加压力,此压力通过液柱而传至管下端液面而超过凹形表面的附加压力,使凹形表面变成凸形表面,最终使液滴滴下,刚滴下的一瞬间,液滴不成球形,上端呈尖形,这时液面各部位的曲率半径都不一样,不同部位的曲面上所产生附加压力也不同,这种不平衡的压力便迫使液滴自动调整成球形,降低能量使液滴具有最小的表面积。
第11章表面化学与胶体化学1.在293 K时,把半径为1×10st1:chmetcnv TCSC="0" NumberType="1" Negative="True" HasSpace="False" SourceValue="3" UnitName="m">-3m的水滴分散成半径为1×10-6m的小水滴,比表面增加多少倍?表面吉布斯自由能增加多少?环境至少需做功多少?已知293 K时。
(答案:9.15×10-4 J)解:一滴大水滴可分散成N个小水滴:小水滴的面积为:,大水滴的面积为:4π面积增加倍数为:2.在298 K时,1,2—二硝基苯(NB)在水中所形成的饱和溶液的浓度为5.9×10-3mol·L-1,计算直径为1×10-8m的NB微球在水中的溶解度。
已知298 K时NB/水的表面张力为25.7 mN·m-1,NB 的密度为1 566 kg·m-3。
(答案:2.625×10-3 mol·dm-3)解:根据开尔文公式:,将数值代入,得:3.373 K时,水的表面张力为58.9 mN·m-1,密度为958.4 kg·m-3,在373 K时直径为1×10-7m的气泡内的水蒸气压为多少?在101.325 kPa外压下,能否从373 K的水中蒸发出直径为1×10-7m的气泡?(答案:99.89kPa)解:气泡为凹面,且r = 0.5×10-7m因p r p外,故不能蒸发出直径为1×10-7m的气泡。
4.水蒸气骤冷会发生过饱和现象。
在夏天的乌云中,用干冰微粒撒于乌云中使气温骤降至293 K,此时水气的过饱和度(p/ps)达4,已知293 K时,ρ(H2O)=997 kg·m-3。
第11章表面化学与胶体化学1.在293 K时,把半径为1×10st1:chmetcnv TCSC="0" NumberType="1" Negative="True" HasSpace="False" SourceValue="3" UnitName="m">-3m的水滴分散成半径为1×10-6m的小水滴,比表面增加多少倍?表面吉布斯自由能增加多少?环境至少需做功多少?已知293 K时。
(答案:9.15×10-4 J)解:一滴大水滴可分散成N个小水滴:小水滴的面积为:,大水滴的面积为:4π面积增加倍数为:2.在298 K时,1,2—二硝基苯(NB)在水中所形成的饱和溶液的浓度为5.9×10-3mol·L-1,计算直径为1×10-8m的NB微球在水中的溶解度。
已知298 K时NB/水的表面张力为25.7 mN·m-1,NB 的密度为1 566 kg·m-3。
(答案:2.625×10-3 mol·dm-3)解:根据开尔文公式:,将数值代入,得:3.373 K时,水的表面张力为58.9 mN·m-1,密度为958.4 kg·m-3,在373 K时直径为1×10-7m的气泡内的水蒸气压为多少?在101.325 kPa外压下,能否从373 K的水中蒸发出直径为1×10-7m的气泡?(答案:99.89kPa)解:气泡为凹面,且r = 0.5×10-7m因p r p外,故不能蒸发出直径为1×10-7m的气泡。
4.水蒸气骤冷会发生过饱和现象。
在夏天的乌云中,用干冰微粒撒于乌云中使气温骤降至293 K,此时水气的过饱和度(p/ps)达4,已知293 K时,ρ(H2O)=997 kg·m-3。