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液-固界面现象

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10-4固-液界面

10-4固-液界面

dG
dAs Asd
1dn1 n1 d 1
2dn2 n2 d 2
与(1)式比较，可得表面吉布斯-杜亥姆方程：
Asd n As
n1 d 1 d
n2 d 2 0 1d 1
2d 2
溶剂 1 0，d 2
RT d ln a2
a2 d
2
RT da2
由吉布斯吸附等温式
d
0，
dc
d dc
0，
d 0， dc
0 ，负吸附 0 ，正吸附 0 ，无吸附
吸附等温线一般为到U型或S型，为固-气吸附类型
中没有的。
12
§10.5 溶液表面的吸附
恒温恒压下: dT,PG = d( ·A) = As·d + ·dAs
纯液体： 为定值，降低Gibbs函数的唯一途径是减少液
体表面积 ；
溶液： 与组成有关， 可自发进行溶质在溶液表面的 吸附而改变溶液
溶质在溶液表面层中的浓度与在溶液本体中浓度不同 的现象 —— 溶液表面的吸咐
26
胶束呈近似球状、层状或棒状，如图所示
球状
层状
棒状
（3） HLB法 HLB —— 亲水亲油平衡 (hydrophile-lipophile balance)
28
（4） 表面活性剂的实际应用 润湿、去污、助磨、乳化、破乳（消泡） 等等。
例: 去污作用
29
气

液
气
液
Gi
sl
s
Wi
Gi Wi 0 自动进行
浸湿功
固
固
当小液滴的表面积与铺展后的表面积相比可忽略不计时，
Gs
sl
l
s
铺展系数： S

第四章.液-固界面及现象

第四章.液-固界面及现象

Cosθ 随着浮选剂浓度的增 润湿角θ也增加 也增加， 加，润湿角 也增加， 疏水性增加。 疏水性增加。Cosθ减 减 小，将Cosθ对浮选剂 对浮选剂 浓度作图可得如图所 示的情况。 示的情况。这就是润 Ｃｎ 湿等温线。 湿等温线。
0
当Cosθ＝0时，浮选剂在矿苗表面上达到饱和吸附， ＝ 时 浮选剂在矿苗表面上达到饱和吸附， 其表面完全疏水化。 与其对应的浓度称为特征浓度。 其表面完全疏水化 。 与其对应的浓度称为特征浓度 。 这时气体产生气泡， 易与疏水的矿苗结合 ， 矿苗便 这时气体产生气泡 ， 易与疏水的矿苗结合， 浮于水面。 浮于水面。 Ｃｎ作为特征浓度 ， Ｃｎ 作为特征浓度， 该值减小表明相应的浮选剂越 作为特征浓度 好。
原理：浮选剂如磺原酸钠（ROCSSNa）为表面活性 原理：浮选剂如磺原酸钠（ ） 剂。分子一端是极性基，另一端为非极性基，它与 分子一端是极性基，另一端为非极性基， 矿苗（表面亲水）接触时，其亲水基便与矿苗表面 矿苗（表面亲水）接触时， 结合，被吸附在矿苗上，达到饱和时， 结合，被吸附在矿苗上，达到饱和时，矿苗表面被 包上了一层由表面活性剂组成的表面膜。 包上了一层由表面活性剂组成的表面膜。该膜的外 侧为憎水基团。 侧为憎水基团。于是整个矿苗就由亲水变成疏水的 了。
润湿的应用 极性大的固体表面容易被极性液体（ 水 ） 润湿， 习 极性大的固体表面容易被极性液体 （ 润湿 ， 惯上称为亲水。 非极性固体不能被水润湿（ 惯上称为亲水 。 非极性固体不能被水润湿 （ 也叫憎 水）。但润湿情况是可以被调节的。 但润湿情况是可以被调节的。 如玻璃易被水润湿， 如玻璃易被水润湿 ， 但却不易被逆性肥皂的稀水溶 液润湿， 液润湿 ， 这是因为玻璃表面吸附了反电荷的逆性肥 皂离子的缘故。 皂离子的缘故。

第六章 液-液界面和固-液界面

第六章 液-液界面和固-液界面

占据的面积
1
6.1 液-液界面
6.1.2 铺展 两液体相接触可分为三种方式: 粘附 / 内聚 / 铺展
(1) 粘附
粘附功: b a (2) 内聚 a a a
2
WAab G
b a
G ab a b
WAab a b ab
内聚功:
Wca 2 a
• •
⑶ 表面活性剂的润湿作用 改变 θ
• • • • •
⑷ 应用 泡沫浮选 捕集剂 农药胶悬剂 洗涤
矿物表面变疏水，利于浮选
17
• • •
5.2.2 固液界面吸附 ⑴吸附量 表观吸附量
X V (C C0 ) m m
• • • • • •
Co，C分别为溶液的起始和平衡浓度； V 溶液的体积； m 固体吸附剂的质量； X 被吸附溶质的摩尔量；
•
• • •
直线式
c 1 c x x x b m m m m m
求固体吸附剂的比表面积
c
x m m
b
吸附平衡时溶液的浓度 单分子层的饱和吸附量 与吸附热有关的常数 mol/g
x S N A m m m
吸附分子的横截面积
⑵ 二元溶液中的吸附 ①等温方程
组分1 吸附前 组分2
0 n2
n10
x10
总摩尔数
0 n0 n10 n2
0 x2
摩尔分数 x
平衡
n1
n2 x2
s n2
x1
吸附量
n1s
单位质量上吸附的摩尔数 18
0 n1s m n1 n1
n0 x10 x1 n1 n2

第七章 固—液界面

第七章 固—液界面

接触角随平板倾斜角度的变化
（二）间接测量法：
• 1．Wilhelmy板法 • 此法就是将测定液体表面张力的板法应用于测角。如果 不将测量板的板面用砂纸打毛，则接触角不为零，则有： W cos 2l • 2．毛细管法 • 若液体不完全润湿管壁而是具有接触角，在表面张力已 知时可以通过下述公式计算角：
图6—18 （A）液体与固体相对静止和（B）液体运动时的接触角
• 相对运动的另一种方式是液体静止，而固面作相对运 动。
图6—19 （A）液体与固体相对静止 （B）固体运动时的接触角
图6—20 前进接触角θa随液固 界面移动速度的变化
二、 洗涤现象
S = Wa
Wa ≥ Wc
• 只有固液间黏附功大于或等于液体内聚功时铺展才有可 能。从分子间力考虑，只有当液固分子间力大于等于液 体分子间力时，液体才能在固面上铺展。
二、接触角与杨氏（Young）方程
ls gl cos gs
• cosθ值或θ值的大小可以用 来判断液体是否可润湿固 体。 • 若cosθ>0或θ<90°，即 gs ls 为润湿； 若cosθ<0或θ>90°，即 gs ls 为不润湿。 θ=180°为完全不润湿； 当θ=0°为完全润湿或铺展。
图6—17 玻璃片（A）插入与（B）拉出溶 液时，表面活性剂分子吸附示意图
第四节 与润湿有关的其他重要现象
• 一、动润湿 • 动润湿研究分为两类： • 一类是在除重力场之外，无外力作用情况下，液体在固 面上自动展开过程中，接触角会随界面形状发生变化。 它实际上研究的是接触角随时间的变化关系 f t ，
3．铺展（spreading）：
• 液体在固面上的铺展系数S定义及铺展条件为

液-固界面现象

液-固界面现象

液-固界面现象1.粘附功、浸湿功、铺展系数1）.粘附功：在恒温恒压可逆条件下，将气-液与气-固界面转变成液-固界面，如图所示：设当各个界面都是单位面积时，从热力学得角度，该过程的吉布斯自由能的变化值为：式中、和分别为气-固、气-液和液-固的表面吉布斯自由能。

Wa称为粘附功（Work of adhension),它是液、固粘附时，体系对外所做的最大功。

Wa值越大，液体愈容易润湿固体，液、固界面结合得愈牢固。

对于两个同样的液面转变成一个液柱的过程，吉布斯自由能变化为：Wc称为内聚功（Work of cohesion),是液体本身结合牢固程度的一种量度。

2）.浸湿功：在恒温恒压可逆条件下，将具有单位表面积的固体浸入液体中，气-固界面转变成液-固界面（在过程中液体的界面没有变化），如图所示：该过程的吉布斯自由能的变化值为：Wi称为浸湿功（Work of immersion),它是液体在固体表面上取代气体能力的一种量度，有时也被用来表示对抗液体表面收缩而产生的浸湿能力，故Wi又称为粘附张力。

Wi≥0是液体浸湿固体的条件。

3）.铺展系数：铺展过程是表示当液-固界面在取代气-固界面的同时，气-液界面也扩大了同样的面积，如图所示：在恒温恒压下可逆铺展一单位面积时，体系吉布斯自由能的变化值为：式中S称为铺展系数（Spreading coefficient），当S≤0时，液体可以在固体表面自动铺展。

2.接触角与润湿作用1）.接触角设液体在固体表面上形成液滴，形成如下图所示的液滴到达平衡时，在气、液、固三相交界处，气-液界面和固-液界面之间的夹角称为接触角（contact angle)，用θ表示。

它实际是液体表面张力和液-固界面张力间的夹角。

接触角的大小是由在气、液、固三相交界处，三种界面张力的相对大小所决定的。

从接触角的数值可看出液体对固体润湿的程度。

2）.润湿作用：当、和达平衡时以下关系：上述方程称为杨（Young)方程。

第4章 固-液界面

第4章 固-液界面

2018/8/17
4.5 接触角的测定方法
4.5.1 停滴法
将液滴视作球形的一部分，测 出液滴高度h和2r，由简单几何 分析求出θ：
2hr sinq = 2 2 h r 2hr tanq = 2 r h2
(4-13) (4-14)
2018/8/17
4.5 接触角的测定方法
4.5.2 吊片法
润湿过程有三种类型： 粘附润湿 浸湿 铺展润湿
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4.4 润湿过程的三种类型---粘附润湿
4.6.1 粘附润湿过程
这是液体直接接触固体，变气-液表面和气-固表面为液-固 界面的过程。 固-气 ＋ 液-气 固-液
Ga a( SL－ LG－ SG )
ΔGa≤0 ， 粘附浸润才能发生
或
cosq W
LG 式中θy为Young接触角，上式叫做Wentzel方程。它表明粗 糙表面的cosθw的绝对值总比平滑表面的cosθy大。 当θy>90°时，表面粗糙化将使接触角变大。 当θy<90°时，表面粗糙化将使接触角更小。 实验表明，表面粗糙度与接触角滞后有关。
2018/8/17
r ( SG SL )
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4.6 接触角的滞后现象
正常情况 实际情况
前进角θa 最大前进角θa,max 后退角θr 最小后退角θr,min
2018/8/17
引起接触角滞后的原因
1. 由于表面粗糙引起的滞后
如图4-13所示，在平衡状态下有
SL rdS＋ LG dS cosqW SG rdS 0
第4章 固-液界面
2018/8/17
4.1 Young 方程和接触角
接触角(contact angle)的示意图：

液-固界面现象

液-固界面现象1. 粘附功、浸湿功、铺展系数 1）.粘附功： 在恒温恒压可逆条件下，将气-液与气-固界面转变成液-固界面，如图所示：设当各个界面都是单位面积时，从热力学得角度，该过程的吉布斯自由能的变化值为：式中 、 和 分别为气-固、气-液和液-固的表面吉布斯自由能。

Wa称为粘附功（Work of adhension),它是液、固粘附时，体系对外所做的最大功。

Wa值越大，液体愈容易润湿固体，液、固 界面结合得愈牢固。

对于两个同样的液面转变成一个液柱的过程，吉布斯自由能变化为：Wc称为内聚功（Work of cohesion),是液体本身结合牢固程度的一种量度。

2）.浸湿功： 在恒温恒压可逆条件下，将具有单位表面积的固体浸入液体中，气-固界面转变成液-固界面（在 过程中液体的界面没有变化），如图所示：该过程的吉布斯自由能的变化值为：Wi称为浸湿功（Work of immersion),它是液体在固体表面上取代气体能力的一种量度，有时也被用来 表示对抗液体表面收缩而产生的浸湿能力，故Wi又称为粘附张力。

Wi≥0是液体浸湿固体的条件。

3）.铺展系数：铺展过程是表示当液-固界面在取代气-固界面的同时，气-液界面也扩大了同样的面积，如图所 示：在恒温恒压下可逆铺展一单位面积时，体系吉布斯自由能的变化值为：式中S称为铺展系数（Spreading coefficient），当S≤0时，液体可以在固体表面自动铺展。

2. 接触角与润湿作用 1）.接触角 设液体在固体表面上形成液滴，形成如下图所示的液滴到达平衡时，在气、液、固三相交界处，气-液界面和固-液界面之间的夹角称为接触角（contact angle)，用θ表示。

它实际是液体表面张力 和液-固界面张力 间的夹角。

接触角的大小是由在 气、液、固三相交界处，三种界面张力的相对大小所决定的。

从接触角的数值可看出液体对固体润湿 的程度。

2）.润湿作用： 当 、 和 达平衡时以下关系：上述方程称为杨（Young)方程。

第三章 固—液界面(润湿)


sl sv lv cos 0
著名的Young方程
cos
s - g l -s l-g
Wa G ( l s g l g-s )
粘附功计算：
Wa gl (1 cos )
7
3.2 接触角的测定
r ( gs ls ) gl cos '
它说明了表面粗糙化对接触角的影响。 由于r>1，粗糙表面的接触角余弦的绝对值总是大于在平滑表面上的。即
r
上式表明： ①θ＜90°时，θ’＜θ．即表面粗糙化使接触角变小，润湿性更好。 ②θ＞90°时，θ’＞θ，即表面粗糙化会使润湿的体系更不润湿。 ③粗糙的固体表面给准确测定真实接触角带来困难。
13
3.3 影响接触角测定的因素
（2）固体表面粗糙性 粗糙性常用粗糙因子（又称粗糙度）r 来度量粗糙程度。 r的定义：固体的真实表面积与相同体积固体假想的平滑表面积之比。 显然r≥l。r越大，表面越粗糙。 将Yaung润湿方程应用于粗糙表面的体系，若某种液体在粗糙表面上的表观接触 角为θ’，则有Wenzel方程
dh 2 r cos dt 2
此式称为Washburn方程，如果在粉末柱接触液体后立即测定h～t关系，以 h2～t作图，则从直线斜率得 r cos ， 代入已知的η（粘度），r（平均半径），γ可得θ。 2
11
3.3 影响接触角测定的因素
前面介绍了一些常用的测定接触角的方法，实施时应注意以下两个问题：平衡 时间和体系温度的恒定，当体系未达平衡时，接触角会变化，这时的接触角称为动 接触角，动接触角研究对于一些粘度较大的液体在固体平面上的流动或铺展有重要 意义（因粘度大，平衡时间长）。同时，对于温度变化较大的体系，由于表面张力 的变化，接触角也会变化，因此，若一已基平达平衡的体系，接触角的变化，可能 与温度变化有关，简单判断影响因素的方法是，平衡时间的影响一般是单方向的， 而温度的波动可能造成γ的升高或降低。除平衡时间和温度外，影响接触角稳定的 因素还有接触角滞后和吸附作用。 （1）接触角滞后 ①前进接触角和后退接触角 前进接触角，以液固界面取代固气界面后形成的接触角为前进接触角θA，如将 固体板插入液体中；后退接触角则相反，即以固气界面取代固液界面后形成的 接触角叫后退接触角，用θR表示，如水滴在斜玻璃板上，流动可形成前进接触 角和后退接触角。 ②接触角滞后及原因 接触角滞后指前进接触角与后退接触角之差（θA-θR）

第3章 固液界面


34
4

润湿过程的比较
以上三种润湿发生的条件可归纳如下：
粘附润湿：
浸湿：
铺展润湿是：
35
三种润湿依次表示为：Wa>A>SL/S。 换言之若SL/S≥0，必有Wa>A>0,即凡能铺 展的必定能粘附润湿与浸湿，铺展湿润是程 度最高的一种润湿。
36

三种润湿发生的条件：
粘附润湿：
浸湿：
铺展润湿是：
37
17
测定两种互不相溶液体之间的界面张力和界面
接触角。
图3-9 界面张力和界面接触角的测试
18
若完全浸润
若界面张力σL1L2已知，液体与纤维之间存在接 触角θL1/L2，则：
因此，测定ΔP可求出纤维在L1/L2界面的接触角
θL1/L2。
19
局限性

对仪器精密度要求高，操作难度大； 测试的是单根纤维，误差大。
29
2、浸湿
V S
L
浸湿过程
30
浸湿过程引起的体系自由能的变化为
G SL SV
如果用浸润功Wi来表示，则是
Wi G SV SL
是浸润功，若Wi≥0，则ΔG≤0，过程可自发进 行。浸湿过程与粘湿过程不同，不是所有液体和 固体均可自发发生浸湿，而只有固体的表面自由
S L / S G SV SL LV
若S≥0，则ΔG≤0，液体 LV SL 2 LV Wa Wc
Wc是液体的内聚功。从上式可以看出，只要液体对固 体的粘附功大于液体的内聚功，液体即可在固体表面自 发展开。
第3章 固-液界面
授课人：李立华 材料科学与工程系
1
复习

《液-固界面现象》课件


3
界面活性药物
界面活性药物在液-固界面上吸附，可影响其物理化学性质，被广泛应用于肿瘤治疗、 先天性肺部疾病的治疗等领域。
问题与探讨
• 液-固界面在其他领域中有什么应用？ • 表面活性剂的分子结构对于液-固界面的影响？ • 液滴和泡沫的形成与液体和固体性质的关系是什么？
总结
液-固界面现象是一项综合性的交叉学科，对于研究材料表面性质的变化、 纳米材料、涂层、医学等有着重要的应用价值。通过本次课件的学习，我 们可以更深入地了解液-固界面现象的概念和特点、液-固界面的三种基本 现象、液-固界面在不同领域中的应用，同时也有助于我们拓宽知识面和 思考思维。
《液-固界面现象》PPT课 件
本课件旨在介绍液-固界面现象的基本概念、现象和应用，帮助观众更深入了 解这一重要领域，拓展实践应用。
液-固界面概述
什么是液-固界面
液物体和固体接触的界面，是化学、物理和生物 学等多个领域的交叉研究领域。液-固Fra bibliotek面的性质和特点
液-固界面的形态、结构和性质与液体、固体性质 密切相关，对于理解和掌握材料表面性质的变化 和特殊领域如纳米材料等有着重要作用。
液-固界面应用
1
表面活性剂在洗涤剂中的应用
液体与固体表面张力不同，表面活性剂的分子可在液-固界面降低液面张力，使洗涤剂 中的污垢更容易从衣物表面卸下。
2
液滴和泡沫的形成与应用
通过液-固界面和气-液界面的相互作用，可形成不同大小的液滴和泡沫，可以应用于表 面涂层、纳米粒子制备、生物医学、冶金等多个领域。
液-固界面的现象
吸附现象
液滴与固体表面发生作用，使液滴中的分子与固体表面结合，吸附现象的研究在材料科学中 有着重要作用。
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搅拌并从池底鼓气，带有有效矿粉的气泡聚集表 面，收集并灭泡浓缩，从而达到了富集的目的。
不含矿石的泥砂、岩石留在池底，定时清除。
浮游选矿
浮游选矿的原理图 当矿砂表面有5%被捕
集剂覆盖时，就使表面产 生憎水性，它会附在气泡 上一起升到液面，便于收 集。
选择合适的捕集剂， 使它的亲水基团只吸在矿 砂的表面，憎水基朝向水。
固体能为液体所润湿；
接触角(contact angle)
Young方程
cos sg sl lg
（3）不润湿 sg sl时，cos 0,90 180
固体不能为液体所润湿；
注：1. 接触角为平衡接触角；
2. sg sv
接触角的测定
用表示。
若接触角大于90°，说明液体不能润 湿固体，如汞在玻璃表面；
若接触角小于90°，液体能润湿固体， 如水在洁净的玻璃表面。
接触角(contact angle)
l-g M
g

s-g

A
l
s
N s-l
sg dl sl dl lg dl cos Young方程: cos sg sl
ls
S>0时，铺展过程可以自发进行
粘附功、浸湿功、铺展系数
Wa gl gs ls
Wi gs ls
S gs ls gl Wa Wi S
粘附功、浸湿功、铺展系数
根据Young方程： sg sl lg cos
三相接界点: g1,g和g1,2 企图维持液体1不铺展； g2,g的作用是使液体铺展，
如果g2,g>(g1,g+g1,2)，则液体1能在液体2上铺展。
润湿作用应用
1.增加润湿作用 2.降低润湿作用 3.矿物浮选
1 农药喷洒.由于大多农药水溶性差,对植物的茎叶润湿
不好,一是滚落浪费,二是不能展开而杀虫效果差,此时 就要用到表面活性剂surface active agent--SAA,加入表 面活性剂SAA,提高润湿程度,即可大大提高药效.
l
c 面完全铺展
液体的铺展
一种液体能否在另一种不互溶的液体上铺展，取 决于两种液体本身的表面张力和两种液体之间的 界面张力。
一般说，铺展后，表面自由能下降，则这种铺 展是自发的。
大多数表面自由能较低的有机物可以在表面自 由能较高的水面上铺展。
液体的铺展
2, g
气相
1, g
液相1
1, 2
液相2
lg
接触角(contact angle)
Young方程
cos sg sl lg
（1）完全润湿
sg
sl


l
时
g
cos 1, 0
sg sl lg 时，Young方程不成立，
但液体仍然可以在固体表面完全铺展开来；
（2）润湿 0 sg sl lg时，1> cos 0, 90
液-固界面现象
接触角(contact angle)
接触角的示意图：
l-g M
g

s-g
A
l
s
N s-l
润湿 亲液性固体
接触角(contact angle)
l-g
M
g

s-g
A
l
s
不润湿 憎液性固体
N s-l
接触角(contact angle)
在气、液、固三相交界点，气-液与气 -固界面张力之间的夹角称为接触角，通常
Wa gl gs ls lg (1 cos ) Wi gs ls lg cos S gs ls gl lg (cos 1)
临界界面张力
临界界面张力 只与固体表面 性质有关。
液体即可在固体表
1. 斜板法
2. Neumann法
粘附过程
S
S-g界面
L－g界 面 L
S
L－S界 面
L
粘附功(work of adhesion)
G ( ls gl gs ) As
当G<0时，粘附过程可以自发进行。
定义粘附功 Wa
Wa
G

G As
gl
gs
2另一类也是利用表面活性剂,但作用正相反,使某些物 质本是润湿的变成不润湿——去润湿作用.原理是用表 面活性物质的极性部分选择性吸附,非极性部分向外呈 憎水性.典型的就是矿石的浮选,富集矿物.
一次性抽血器中盛血的玻璃管(定量的),内壁要疏 水化,使用的是硅偶联剂,使血液在管内不残留.
浮游选矿
首先将粗矿磨碎，倾入浮选池中。在池水中加入 捕集剂和起泡剂等表面活性剂。
铺展过程
s
铺展过程
L-g界面可忽略
S－g界面 S
L－g界面 S－L界面
S
铺展系数(spreading coefficient)
G ( ls gl gs ) As
当G<0时，铺展过程可以自发进行。 定义铺展系数 S
S
G

G As
gs
gl
ls
Wa>0时，粘附过程可以自发进行
固体浸润过程
s gas liquid
浸湿功(work of immersion)
G ( ls gs ) As
当G<0时，浸湿过程可以自发进行。
定义浸湿功 Wi
Wi
G

G As
gs
ls
Wi>0时，浸湿过程可以自发进行