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天津大学胶体与表面化学课件第二章-2012-3.ppt

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(推荐)《胶体与界面化学》PPT课件

(推荐)《胶体与界面化学》PPT课件

Fx(2lx) 往下运动的距离。在此过程中，表面
积增量为（2表示液膜有两个表面）。
环境对体系做功为 Fx ，这个功为
等于表面能增量：
• 这样比表面能又有了新的定义——表 面张力，即垂直作用在单位边长且与 液面相切的力，这个力力图使液面收
γ= F 2l
缩。
• 由定义可知，其单位为N/m 。
9
需要注意的几点：
• 1. 务必区分表面张力与界面张力。 • 2. 务必注意温度的影响。
• 3. 压力和体系运动情况等其他因素对γ的影响。
• 4.任何界面和表面，包括固体表面，固—液界面均存在 界面张力。 由于固体中分子间作用力远大于液体分子间作用力，因 此固体的界面张力大得多。
• γ的两个物理概念即比表面能和表面张力是一个实质
• 图1－4示出一个用金属丝弯 成的矩形框架，其中一个边 是可滑动的，且认为滑动时 不存在任何阻力，并蘸取肥 皂液形成具有前后两个表面 的膜。
图1－3 图1－4
8
从力的角度分析其γ物理意义
• 图1-4去掉下面的力F时，滑动边就因
液膜的收缩拉回一个距离，（以减少
表面能）。这个回缩力与F大小相等而 方向相反。现在假定加上力F，滑动边
•
dGWR
表面积增加越多，所消耗功也越多，表面能增量越大，故：
dGW RdA
写成等式：
dGdA
∂G (∂A)T.P.n
γ的物理意义：在恒温、恒压和恒组成时,每增加单位表面
积所引起的表面能增量。其单位是J/m2或N/m。
称为比表面过剩自由能或比表面能。
7
（二）表面张力
• 图1－3示出在铁丝圆框之中 有松散的当中封闭的连线， 并蘸上肥皂膜，当用烧热的 铁丝，将线中的膜刺破时， 发现连线当中的封闭线立即 紧绷起来成为环形线，仿佛 四周有均匀的力拉动这个线 似的。

天津大学胶体与表面化学课件第二章-2012-3

天津大学胶体与表面化学课件第二章-2012-3
某一方向得到的冲量即可发生位移，此即布朗运动。
布朗运动是分子热运动的必然结果。
2019/12/14
25
1905年，Einstein-Brown曾研究过布朗运动，提出了 粒子的平均位移与粒子半径、介质粘度、温度和时间 之间的关系式：
1
x


RTt
3N A
r

2
x : t 时间间隔内粒子的平均位移
（c）熔点低，比如，块状金（Au）熔点为1063 oC，若粒径 为2-5 nm，熔点为300 oC左右。
（d）磁性强 （e）光吸收强（几乎为黑色） （f）热导性能好（超细粒子在低温和超低温下几乎没 有热阻）
2019/12/14
15
(2)超细粒子的应用
例如：化学工业、催化剂、电子工业、磁记录材 料、传感器、医药和机械工业。

(c 1

c 2
)x
(1)
2
2x
2019/12/14
27
若 x 很小： 如 C1 > C2
c (c c )
dc
1
2
(2)
x
x
dx
所以：
m 1 ( dc ) x 2
(3)
2 dx
2019/12/14
28
m

1
(
dc 2 )x
(3)
2 dx
由：
m D dc t dx
dm m m1 t dt
t 对m微分：
dm dt

dm1 dt

dm dt
t
d 2m dt 2
所以：
2019/12/14
dm1 dt

t

胶体表面与化学PPT课件

胶体表面与化学PPT课件

动态润湿法
通过测量液体在固体表面的动态接触线移动 速度，评估表面的润湿性。
05
CATALOGUE
胶体表面化学未来展望
新材料开发
高性能材料
利用胶体表面化学技术，开发具有优异性能的新材料，如高强度 、高韧性、耐高温、耐腐蚀等。
功能材料
探索具有特殊功能的材料，如光电转换、传感、催化等，以满足不 同领域的需求。
通过红外光谱、核磁共振等技术手段鉴别 表面活性剂的类型。
表面活性剂浓度测定
表面活性剂界面行为研究
利用滴定法、分光光度法等方法测定表面 活性剂浓度。
利用显微镜、光谱等技术手段研究表面活 性剂在界面上的行为。
表面吸附研究方法
等温吸附法
在恒温条件下，研究物质在表面的吸附量与浓度之间的关系。
吸附动力学法
研究物质在表面的吸附速率和吸附机理。
03
CATALOGUE
胶体表面化学应用
石油工业
石油开采
利用胶体表面化学原理， 通过改变钻井液的流变性 、稳定性等性质，提高石 油开采效率。
油气分离
利用胶体表面化学原理， 通过改变油水乳液的稳定 性、界面张力等性质，实 现油气高效分离。
石油运输
利用胶体表面化学原理， 通过改变油品的流变性、 粘度等性质，提高石油运 输效率。
X射线光电子能谱法
利用X射线光电子能谱技术测定表面吸附物的组成和结构。
原子力显微镜法
利用原子力显微镜技术观察表面吸附物的形貌和分布。
表面润湿性研究方法
接触角法
通过测量液体在固体表面的接触角大小，评 估表面的润湿性。
滑移长度法
测量液体在固体表面滑动时的滑移长度，评 估表面的润湿性。
滴液法

表面和胶体化学课件二

表面和胶体化学课件二

66
§8-3 固体表面
固体表面上的原子或分子与液体一样，受力也 是不均匀的，而且不像液体表面分子可以移动，通 常它们是定位的。
固体表面是不均匀的，即使从宏观上看似乎很 光滑，但从原子水平上看是凹凸不平的。
同种晶体由于制备、加工不同，会具有不同的 表面性质，而且实际晶体的晶面是不完整的，会有 晶格缺陷、空位和位错等。
2. 做校正。
二、化学吸附
特点：
1.吸附力是由吸附剂与吸附质分子之间产生的化学 键力，一般较强。
2.吸附热较高，接近于化学反应热，一般在 40kJ/mol 以上。
3.吸附有选择性，固体表面的活性位只吸附与之可 发生反应的气体分子，如酸位吸附碱性分子，反之 亦然。
4.吸附很稳定，一旦吸附，就不易解吸。
o点，s, l, g三相相交处
l-g ， s-l ， s-g作用于o点
当液滴的展开或收缩达平衡时，合力为0
为定值，形状一定
sg sl lg cos 0
cos sg ls lg
杨氏方程
用衡量液体对固体润湿程度，以90为分界线
若 < 90 润湿
若 > 90 不润湿
当 s-g - l-s > l-g，直到=00 仍未达到平衡，
气泡中的水蒸汽压至少等于pθ＋△p，应用克劳修斯 －克拉贝龙方程可求出蒸汽压为 pθ＋△p 时的平衡 温度，此即沸腾温度。
p p p p 2 105 2 0.0589
r
1.00 106
2.18105 Pa
ln
p p
vap Hm R
1
T0
1 T
2.18 105 ln
1.01105
p V ( ps p)
p ps

《表面与胶体化学》课件

《表面与胶体化学》课件
表面活性剂的种类繁多，不同的清洁产品会选择不同类型的表面活性剂，以满足不 同的清洁需求。
胶体在食品工业中的应用
胶体在食品工业中广泛应用于增稠、 稳定和乳化等方面。
胶体还可以作为食品的稳定剂，保持 食品的稳定性和一致性，如冰淇淋、 奶昔和饮料等。
胶体可以作为食品的增稠剂，提供更 好的口感和质地，如酸奶、果酱和调 味酱等。
胶体的稳定性
取决于胶体粒子间的相互作用力，包 括静电作用、范德华力、空间位阻等 。
聚沉现象
当胶体粒子间的相互作用力减弱或消 除时，胶体将失去稳定性，发生聚沉 ，出现沉淀或凝胶现象。
影响因素
电解质浓度、温度、pH值等对胶体 稳定性产生影响，可引发聚沉。
胶体的光学性质
总结词 丁达尔效应
瑞利散射 实验方法
物理吸附
由于范德华力引起的吸附，吸附力较弱，吸 附热较小。
表面吸附的应用
催化剂、电极材料、光电子器件等。
表面润湿性
表面润湿性定义
液体在固体表面铺展的能力称为润湿性。
润湿性的影响因素
表面张力、接触角和表面粗糙度等。
润湿性的应用
涂料、油墨、农药等。
2023
PART 03
胶体化学基础
REPORTING
2023
REPORTING
《表面与胶体化学》 PPT课件
2023
目录
• 表面与胶体化学概述 • 表面化学基础 • 胶体化学基础 • 表面与胶体化学在生活中的应用 • 表面与胶体化学的未来发展
2023
PART 01
表面与胶体化学概述
REPORTING
表面与胶体化学的定义
表面与胶体化学是一门研究物 质表面现象和胶体分散体系的 科学。

胶体与界面化学课件第二章(2)

胶体与界面化学课件第二章(2)

由于U、H、A、G、S、V均为广度量，因此
d U U U s Td S S S s pd V V V s id n n ns dA dU TdS pdV idn dU TdS pdV idn dU s TdS s pdV s idns dA
(
G A
)T
,
P
,
nB
保持相应的特征变量不变，每增加单位表面积时，相应热力学函数的增值， 这就是广义的表面自由能
表面自由能定义


(
G A
)
p,T
,nB
保持温度、压力和组成不变，每增加单位表面积时，Gibbs自由能的增加值称为表
面Gibbs自由能，或简称表面自由能或表面能，用符号 或 表示，单位为J·m-2。
B
dH TdS VdP dA BdnB
B
dF SdT PdV dA BdnB
B
dG SdT VdP dA BdnB
B
由此可得：


(
U A
) S ,V ,nB

(
H A
) S ,P,nB

(
F A
)T
,V
,nB

R1' R2' ,则 :
Ps

2
R'
(1)在毛细管内充满液体，管端有半径为R’ 的球状液滴与之平衡。 外压为
p0 ，附加压力为 ps ,液滴所受总压为： p0 + ps （2） 对活塞稍加压力，将毛细管内液体压出少许，使液滴体积增加dV， 相应地其表面积增加dA。克服附加压力ps环境所作的功与可逆增加表面 积的吉布斯自由能增加应该相等。

胶体与界面化学 第2章 渗透、扩散与沉降

胶体与界面化学 第2章 渗透、扩散与沉降
2 渗透、扩散与沉降
讨论：什么是布朗运动？粒子直径约大于5µm时， 为什么通常不会出现布朗运动？
直径约小于4µm的粒子在分散介质中连续不 断的、无规则的运动，称为布郎运动。粒子直径 约大于5µm时，通常不会出现布朗运动，原因是： （1）热运动对粒子的撞击可以互相抵消；（2） 质量较大，难以发生位移。
爱因斯坦布朗位移公式推导
净移入量：
m
=
1 2
x
(c1
c2
)
=
1 2
(c1
c2 x
)
x
2
=
1 dc x 2 2 dx
据费克第一扩散定律：
m = D dc t dx
x = 2Dt
据爱因斯坦扩散定律: D RT 1
NA 6r
可得爱因斯坦布朗位移公式：
RTt x
N A 3 r
爱因斯坦的理论成果为证实分子的真实性找 到了一种方法，同时也圆满地阐明了布朗运动的 根源及其规律性。
由于分子运动的无规则性和分子速度有一分布， 在液体或气体中的微观尺度上存在密度和压力的 涨落。这种涨落在宏观尺度上抵消掉了，但是如 果微粒足够微小，这种不均匀性就不能抵消，液 体中的相应的扰动就能表现出来。因此悬浮在液 体中的微粒只要足够小，就会不停地振荡下去。 卡蓬内尔：明确地指出唯一影响此效应的因素是 微粒的大小，不过他把这种运动主要看成振荡。 德耳索：根据克劳修斯把分子运动归结为平动和 转动的观点，认为微粒的运动是无规则位移，这 是德耳索的主要贡献。
（2）胶粒或高分子电离
如： PX Z PZ ZX
(Z 1)cRT
2-2 渗透压与唐南平衡 （3）有唐南平衡
2-2 渗透压与唐南平衡
1 2 : v1 k(Za x)x 2 1: v2 k(b x)2 平衡：v1 v2 k(Za x)x k(b x)2 x b2

化学天津大学胶体与表面化学表面活性剂PPT教案

化学天津大学胶体与表面化学表面活性剂PPT教案

5
（3）两性表面活性剂
特性：杀菌，但对人体毒性或激性 小。
RR-NN+H(CCHH32)C2—HC2CHO2COOHO-
氨基酸型 甜菜酸型
2021/6/13
第56页/共52页
6
2、非离子型表面活性剂
特征：洗涤、乳化、增溶剂。
1）聚乙二醇
( CH2 CH2 O )n
第表二面节膜的应表用面吸附层及状单态分方子程层
例：聚氧乙烯（10）壬基苯酚醚 (OP-10) C9H19-C6H4- O-(CH2CH2O)-10H
203
457
2021/6/13
第334页/共52页
34
注：HLB值的几个问题
（1）混合表面活性剂HLB值的加和性。
HLBAB HLBA A(30)% HLBB B(70)%
（2）转相温度( Phase Inversion Temperature )
这是稀溶液中液面吸附膜所遵循的状态方程, 既两维空 间理想气体状态方程。
2021/6/13
第第190页页/共/共5522页页
10
2、单分子膜的各种
状态 （1）若温度(T)一定，A 增大， 减小。
（2）表面膜也有气体、液体、固体。
A KT
a
液 态
b膜
理想气 态膜
气液平衡 C
态
A/nm2
气 态
d
硬脂酸乙脂两度空间的 -A
2021/6/13
第156页/共52页
16
三、胶束(Micelle)的形成、结构和 CMC的概念
1、形成： （1）表面活性剂首先占据液体表面。 （2）达到饱和后，浓度继续增加（亲油基自身抱成团
）即形成一种聚集体 — 胶束(micelle，缔合的胶体质点
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2020/4/13
12
6、超细颗粒 (Ultra-fines，1-100 nm)
人们把肉眼看的见的物质体系叫宏观体 系(macro-scopic system)，将原子与分子甚 至更小的体系叫做微观体系（micro-scopic system），将宏观与微观之间的体系叫介 观体系（meso-scopic system）。
ln
c2 c1
[ N A RT
4 r3(1
3
0
)](
x2
x1)g
式中： o = 介质的密度， = 胶粒的密度
注：粒子的半径越大，浓度随高度的变化越明显。
2020/4/13
35
下面介绍不同外力作用下的沉降情况：
（一）在重力作用下的沉降 1：沉降速度 (V)（与胶粒的大小有关） 在重力作用下，介质中粒子所受的总重力为：
F1
V0
(
0
)g
球形
4 3
r 3 (
0
)g
式中： o = 介质的密度， = 胶粒的密度
2020/4/13
36
按stokes定律：粒子沉降所受的阻力：
F2 6 rV
当 F1=F2 时:
4 r 3 (
3
0 )g
6 rV
2020/4/13
37
所以: V 2r 2 ( 0 )g h
9
t
9V
9
（c）熔点低，比如，块状金（Au）熔点为1063 oC，若粒径 为2-5 nm，熔点为300 oC左右。
（d）磁性强 （e）光吸收强（几乎为黑色） （f）热导性能好（超细粒子在低温和超低温下几乎没 有热阻）
2020/4/13
15
(2)超细粒子的应用
例如：化学工业、催化剂、电子工业、磁记录材 料、传感器、医药和机械工业。
2020/4/13
42
将
dr r dt 2t
和
dm1 dt
t
d 2m dt 2
代入（2）式得：
dm1 dr
2t 2 r
d 2m dt 2
（4）
这就是粒子分布基本公式。实验中，随时记录 小盘中的重量m，将m~t作图。如果在不同时间 t，得不同得m1 ， m1 dm1
t dt
2020/4/13
43
（1）在t时间内，沉入盘内的重量：
m
m1
t
dm dt
t
对m微分：
dm dt
dm1 dt
dm dt
t
d 2m dt 2
所以：
2020/4/13
dm1 dt
t
d 2m dt 2
(1)
40
欲求粒子大小分布曲线：必须求 dm1 ， dr
以 dm1 ~ r 作图就是粒子分布曲线，dm1 可由下式
dr
dr
变换 dm1 dm1 / dt （2）
3
m
4 3
r 3
162
2
RT
N AD
2020/4/13
31
而1mol胶体粒子的摩尔质量为：
注意：
M
mN A
162(N A )2
RT
D
3
1)当胶体粒子为多级分散时，求得的为粒子平均半径；
2）若粒子非球形，则算得半径为表观半径；
3）若粒子有溶剂化，算出半径为溶剂化粒子半径。
2020/4/13
将
dm1 代入(1)式,求
dt
d 2m dt 2
,再将 d 2m
dt 2
代
入(4)式得 dm1 ,同时以不同时间的 t 代入
dr
(3)式,可算出相应的 r。
2020/4/13
44
不同半径范围内的粒子占全部粒子的质量分数
2020/4/13
45
二：在离心场中的沉降
在离心场中，沉降公式仍可应用，只要
以CdS胶粒为例：
A: Cd(ClO4)2 B: (NH4)2S
2020/4/13
11
(4)溶胶—凝胶转变法（Sol-gel）
FeSO4+KOH溶液混合得到Fe(OH)2凝胶,然 后加入KNO3溶液(Fe2+温和氧化剂)，可以得到非 常小的Fe3O4粒子。
另外，r—Al2O3的制备：
Al(OC3H7 )3 H2O AlOOH (sol)
32
三. 沉降与沉降平衡(Sedimentation equilibrium)
多相分散系统中的粒子，因受重力作用而下沉的过程， 称为沉降。 沉降与布朗运动所产生的扩散为一对矛盾的两 个方面。
大气压随高度的分布:
P
P emgh/ RT 0
或: ln P mgh / RT P0
Po-地面的大气压， m-大气的平均分子量
dr dr / dt
由 th
9
h k9h / 2 ( 0) g k / r 2
v 2r 2 ( 0 )g
所以: r 2 k t
(3)（3）
2020/4/13
41
（3）式对 t 微分： dr 2r dr k
dt
dt
t2
所以：
dr dt
k 2rt
2
，
代入：
t
k r2
得 ： dr r dt 2t
27
若 x 很小： 如 C1 > C2
c (c c )
dc
1
2
(2)
x
x
dx
所以：
m 1 ( dc 0/4/13
28
m
1
(
dc 2 )x
(3)
2 dx
由：
m D dc t dx
x 2Dt
（Fick定律） （4）
将扩散系数代入(4)得:
1
x
RT t
3N A r
2020/4/13
21
D 扩散系数 单位浓度梯度下，单位时间通过单位面积的物质
的量。单位：m2 s --1
D 可用来衡量扩散速率。 下表给出不同半径金溶胶的扩散系数。
2020/4/13
22
可见，粒子越小，扩散系数越大，扩散能力越强。胶 体粒子扩散速率要比真溶液小几百倍。
注：扩散系数D与质点在介质中运动时阻力系数f
2020/4/13
33
因胶体的粒子分布跟大气压分布相似：压力比 P/P0 即为不同 高度处的胶粒的浓度比 C2/C1 。
M相应于胶粒的“摩尔质量”，数值上等于
NA
4 r 3
3
，然h后为考胶虑粒到浓胶度粒为的C浮1和力校C2正两:层(间1 的距0离)（
x2-x1） 。
2020/4/13
34
故: 胶粒的浓度随高度的变化关系：
溶胶 pH 混和物 温度
凝 胶 成型 混 合 干燥 物
纤维 块材 粉末
2020/4/13
纳米级的复合材料
18
(d）溶剂蒸发法 • 喷雾干燥法; • 喷雾热分解法; • 冷冻干燥法：
2020/4/13
19
第二节 溶胶的运动性质
一、扩散 （Diffusion) 定义：在有浓度梯度存在时，物质
粒子因热运动而发生宏观上的定向迁移， 称为扩散。
2020/4/13
2
2）凝聚法 (Aggregation)
用化学或物理方法使分子或离子凝集成胶体粒子的方 法叫凝聚法。
(1) 物理凝聚法： a.蒸气凝聚法；例：固态苯与钠,在真空下气化, 到冷 却的器壁上冷凝。 b.过饱和法： 改变溶剂法；例 硫的酒精溶液倒入水中， 形成硫在水中的溶胶
冷却法：用冰骤冷苯在水中的饱和溶液，
和组成皆相同的溶胶。
2020/4/13
8
注：单分散溶胶制备方式
(1)金属盐水溶液高温水解法： (0.8~4.0)*10-4 mol dm-3 的KCr(SO4)2溶液在75oC
下恒温老化26 h,若溶液中存在SO42-与PO43-,则形 成Cr(OH)3溶胶。
2020/4/13
9
(2)金属络合物高温水解法
2020/4/13
24
以后发现，线度小于4000 nm的粒子，在分散介质中都 有这种运动。（胶体尺度 1 - 1000 nm)
这种现象产生的原因是，分散介质分子处于不断的热运 动中，从四面八方不断的撞击分散相粒子。对于大小在胶 体尺度下的分散介质粒子，粒子受到撞击次数较小,从各个 方向受到的撞击力不能完全互相抵消,.在某一时刻,粒子从
(3)超细材料的制备 （a）化学气相沉积 （CVD）
Chemical Vaporization Deposition
2020/4/13
16
（b）共沉淀法 (Co-precipitation)
2020/4/13
17
（c）溶胶 ---- 凝胶的转变方法 (Sol-gel)
溶液1 溶胶1 溶液2 溶胶2
2
(Einstein-Brown平均位移公式)
2020/4/13
29
将上式平方可得：
2
RTt
RT
x
2t 2Dt
3N A r 6N A r
2
x D
2t
由测量一定时间间隔t内的粒子平均位移 ，
可求出 D 。
2020/4/13
30
由球形粒子扩散系数公式改写:
r RT
6N A D
由D，、，可求出一个球形胶体粒子的质量：
浓度梯度的存在，是扩散的推动力
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20
胶体系统的扩散与溶液中溶质扩散一样， 可用Fick 扩散第一定律来描述：
dm dt
DAs
dc dx
单位时间通过某一截面的物质的量 (dm/dt) 与该处的浓度梯度(dc/dx)及面积(As)成正比，其 比例系数D 称为扩散系数，负号是因为扩散方向 与浓梯方向相反。