第四章-表面张力与润湿作用课件.ppt

1、张张 婉婉 萍萍问 题电动现象是指溶胶粒子的运动与电性质之间的关系，包括： 、 、 和 。 （电泳、电渗、流动电势和沉降电势）流动电势: 在外力作用下, 相对于带电表面流动而产生的电势差，它是 的逆过程。 （液体介质、电渗）胶体粒子切动面的位置在stern平面之外，切动面与溶液内部的电势差称为 。（电动势（或电势） ）2Colloid & Surface Chemistry 问 题在等电点处，可使 为零，处于等电点的粒子是不带电的, 、 的速度也必然为零。 （电势、电泳、电渗）流变性质是指在外力作用下该体系的 与 性质。（流动、形变）不同的浓分散体系按流型的不同，可以分为 和 ，* 又分为 、

2、 、 ；（牛顿流体、非牛顿流体；非牛顿流体、塑流型 、 假塑流型 、 胀流型 ）3Colloid & Surface Chemistry 问 题DLVO理论认为胶体粒子之间的总作用能为 与 之和。 （排斥能、吸引能）胶体体系的稳定性一般从 、 与 三方面来表征。（热力学稳定性、动力学稳定性、聚集稳定性）胶体体系的临界聚沉浓度主要是由体系中无机盐电解质的 决定的，其价数越高，CCC越小。 （反粒子）4Colloid & Surface Chemistry 问 题沾湿过程是指液体与固体从不接触到接触， 和 合为 的过程。 （液气界面 lg 、固气界面sg 、固液界面 sl ）在润湿过程中，当液体在

3、固体界面不润湿时，其接触角为（ ） A. 180 B. 0或不存在 C. 90 D. 90在润湿过程中，粘附功Wa、浸润功Ws及铺展系数S之间的大小关系是： 。 （ WaWsS ）D5Colloid & Surface Chemistry 问 题影响接触角的因素主要有： 、 、 和 。 （物质的本性、润湿角的滞后现象、固体表面的粗糙性与不均匀性、环境的影响）6Colloid & Surface Chemistry 问 题为什么针可以躺在水面上？为什么两块玻璃之间有水层，很难拉开？7Colloid & Surface Chemistry 问 题 p小的气泡与大的气泡内的气体压力小的气泡与大的气泡

4、内的气体压力哪个大？为什么？哪个大？为什么？pWa、Wi、S的含义是什么？大小关的含义是什么？大小关系？系？p为为0或不存在、或不存在、90、90的润湿情况分别是什么？的润湿情况分别是什么？8Colloid & Surface Chemistry 问 题 p三个润湿过程的内能变化？三个润湿过程的内能变化？p衡量三个润湿过程自发进行的条件及衡量三个润湿过程自发进行的条件及含义是什么？含义是什么？9Colloid & Surface Chemistry 主 要 内 容p第一节 表面张力和表面能p第二节 液-液界面张力p第三节 毛细作用与Laplace公式和Kelvin公式p第四节 润湿作用和杨方程

5、p第五节 固体表面能10Colloid & Surface Chemistry 11Colloid & Surface Chemistry 气气 泡泡水水 滴滴气气 球球Why？12Colloid & Surface Chemistry 界面上存在界面上存在界面张力界面张力13Colloid & Surface Chemistry 净 吸 力表面分子受到垂直于液体表面分子受到垂直于液体表面、指向液体内部的表面、指向液体内部的“合吸力合吸力”净吸力。净吸力。净吸力使得液体表面的分净吸力使得液体表面的分子有拉入液体内部的倾向子有拉入液体内部的倾向。若液体分子从液体相移到表面，必须有较高的能量，以克

6、服此力的作用。14Colloid & Surface Chemistry 表面张力和表面自由能表面张力和表面自由能15Colloid & Surface Chemistry 表面张力和表面自由能表面张力和表面自由能16Colloid & Surface Chemistry 表面自由能的微观解释在液相内部分子之间受到了在液相内部分子之间受到了短程吸引力短程吸引力范德华力，范德华力，而在界面的分子受到上面的而在界面的分子受到上面的力小于下面受到的吸引力，力小于下面受到的吸引力，合力不为零合力不为零。若液体分子从。若液体分子从液体相移到表面，必须有较液体相移到表面，必须有较高的能量，以克服此力的作高

7、的能量，以克服此力的作用。用。17Colloid & Surface Chemistry 表面自由能的微观解释因此，同量液体处于因此，同量液体处于表面分子表面分子越多，越多，表面积越表面积越大大，体系的能量体系的能量就越高，或者说增加表面积就就越高，或者说增加表面积就是增加体系的能量，此能量的增加来自环境对是增加体系的能量，此能量的增加来自环境对体系做功，故称为表面功：体系做功，故称为表面功： W= A 或或W= dA 如喷雾器撒农药、小麦磨成面粉、油通过如喷雾器撒农药、小麦磨成面粉、油通过搅拌分散到水中搅拌分散到水中18Colloid & Surface Chemistry 表面张力和表面自

8、由能19Colloid & Surface Chemistry 表面自由能的微观解释20Colloid & Surface Chemistry 表面自由能的微观解释21Colloid & Surface Chemistry 表面张力与表面自由能的区别22Colloid & Surface Chemistry Colloid & Surface Chemistry 23分子间力可以引起净吸力，净吸力分子间力可以引起净吸力，净吸力引起表面张力；表面张力永远与引起表面张力；表面张力永远与表表面相切面相切，而和净吸力，而和净吸力相互垂直相互垂直。 二、影响表面张力的因素24Colloid & Surf

9、ace Chemistry 物质的本性25Colloid & Surface Chemistry 温度的影响26Colloid & Surface Chemistry 压力的影响27Colloid & Surface Chemistry 28Colloid & Surface Chemistry baab29Colloid & Surface Chemistry 2/12babaab30Colloid & Surface Chemistry 2/12dbdabaab31Colloid & Surface Chemistry 32Colloid & Surface Chemistry 问 题为什

10、么会有毛细现象？为什么会有毛细现象？毛细现象为什么有的液面上升，有的液毛细现象为什么有的液面上升，有的液面下降？面下降？为什么针可以躺在水面上？为什么苯滴到水的界面的界面上可以铺展？之后又是以球形液滴存在？33Colloid & Surface Chemistry 34Colloid & Surface Chemistry 35Colloid & Surface Chemistry 弯曲液面的表面现象不同于平面弯曲液面的表面现象不同于平面36Colloid & Surface Chemistry 37Colloid & Surface Chemistry )11(21rrp38Colloid

11、& Surface Chemistry glpppglppprrr21rp221rr0p39Colloid & Surface Chemistry rp41rrp40Colloid & Surface Chemistry 41Colloid & Surface Chemistry 42Colloid & Surface Chemistry 43Colloid & Surface Chemistry 毛细现象的应用实例44Colloid & Surface Chemistry 毛细现象的应用实例45Colloid & Surface Chemistry 毛细现象的应用实例两玻璃片间夹有（A）润湿

12、性液体水和（B）完全不润湿性液体汞所形成的（A）凹弯月面和（B）凸弯月面示意图0rpppglrppppggl46Colloid & Surface Chemistry 47Colloid & Surface Chemistry 48Colloid & Surface Chemistry 49Colloid & Surface Chemistry 50Colloid & Surface Chemistry 2/grh51Colloid & Surface Chemistry 毛细现象示意图2g hr 12g r h 52Colloid & Surface Chemistry 53Colloid

13、& Surface Chemistry 54Colloid & Surface Chemistry 55Colloid & Surface Chemistry 56Colloid & Surface Chemistry 57Colloid & Surface Chemistry 58Colloid & Surface Chemistry 59Colloid & Surface Chemistry 60Colloid & Surface Chemistry 61Colloid & Surface Chemistry 62Colloid & Surface Chemistry 物质的本性对于指定固

14、体，液体表面张力越小，接触角越小；对于同一液体，固体表面能越大， 越小。反映了液体分子与固体表面亲和作用的大小，亲和力越强，越易在固体表面铺开， 越小。63Colloid & Surface Chemistry 接触角的滞后现象前进角与后退角前进角前进角a固液界面取代固气界面后形成的固液界面取代固气界面后形成的接触角接触角后退角后退角r气固界面取代固液界面形成的接气固界面取代固液界面形成的接触角触角接触角滞后前进角与后退角不相等的现象；通常后退角小于前进角。64Colloid & Surface Chemistry 接触角的滞后现象接触角示意图。（接触角示意图。（A）液固相对静止，（液固相对静

15、止，（B）液固相对移动液固相对移动若液体与固体发生相对运动时，则会形成两个不同的若液体与固体发生相对运动时，则会形成两个不同的接触角。较大的接触角。较大的a称为称为前进接触角前进接触角（advancing contact angle），），较小的较小的r称为称为后退接触角后退接触角(receding contact angle)。这种这种ar的现象称为的现象称为接触角滞后接触角滞后。 65Colloid & Surface Chemistry 接触角的滞后现象r值表示表面粗糙的程度。90r越大，接触角越大；润湿性越差90r越大，接触角越小；润湿性越好。表表面面粗粗糙糙度度66Colloid &

16、 Surface Chemistry 接触角的滞后现象表面不均匀（污染）使得不同区域的表面能不同，导致接触角的变化67Colloid & Surface Chemistry 固体表面的粗糙性和不均匀性液体在粗糙表面与平滑表面的润湿角不同粗糙度使得润湿性差的更差，润湿性好的更好68Colloid & Surface Chemistry 环境的影响固体表面，尤其是高能表面从周围环境中吸附某些组分而降低表面能，同时改变了表面性质69Colloid & Surface Chemistry 70Colloid & Surface Chemistry 沾 湿指液体与固体从不接触到接触，液气界面指液体与固体

17、从不接触到接触，液气界面 lg和固气界面和固气界面 sg 合为固液界面合为固液界面 sl的过程的过程。slsglgWa称为称为粘附功粘附功71Colloid & Surface Chemistry 沾 湿Wa称为粘附功，是沾湿过程体系对外所称为粘附功，是沾湿过程体系对外所能做的最大功，也是将接触的固体和液体能做的最大功，也是将接触的固体和液体自交界处拉开，外界所需做的最小功。自交界处拉开，外界所需做的最小功。slsglg72Colloid & Surface Chemistry 浸 湿固气界面固气界面 sg 被固液界面被固液界面 sl所取代；所取代；+Wi称为称为浸润功浸润功73Colloid

18、 & Surface Chemistry 浸 湿Wi为浸润功，反映了液体在固体表面取为浸润功，反映了液体在固体表面取代气体的能力（代气体的能力（ sg sl）。）。+74Colloid & Surface Chemistry 铺 展铺展过程的实质是以固液界面铺展过程的实质是以固液界面 sl代替固气代替固气界面界面 sg的同时还扩展了气液界面的同时还扩展了气液界面 lgS为为铺铺展系数展系数75Colloid & Surface Chemistry 铺 展S0时，液体可以在固体表面自动展时，液体可以在固体表面自动展开，连续的从固体表面取代气体。开，连续的从固体表面取代气体。76Colloid &

19、 Surface Chemistry 77Colloid & Surface Chemistry 78Colloid & Surface Chemistry 79Colloid & Surface Chemistry 80Colloid & Surface Chemistry 81Colloid & Surface Chemistry 82Colloid & Surface Chemistry 固液界面固液界面 sll气液界面气液界面 lg83Colloid & Surface Chemistry l降低固气界面降低固气界面 sgp使得使得Wa0slsglg84Colloid & Surfac

20、e Chemistry 85Colloid & Surface Chemistry 固液界面固液界面 slp使得使得Wi0+86Colloid & Surface Chemistry 87Colloid & Surface Chemistry 88Colloid & Surface Chemistry 89Colloid & Surface Chemistry 90Colloid & Surface Chemistry 91Colloid & Surface Chemistry 92Colloid & Surface Chemistry 93Colloid & Surface Chemistr

21、y Q实际体系例子的解释实际体系例子的解释QLaplace公式与公式与Kelvin公式的应用公式的应用Q不同接触角的润湿情况不同接触角的润湿情况Q三个润湿过程内能的变化三个润湿过程内能的变化Q粘附功、浸润功及铺展系数的意义粘附功、浸润功及铺展系数的意义Q高能表面高能表面94Colloid & Surface Chemistry Stern双电层模型斯斯特恩双电层特恩双电层模型模型（1924年年Stern 提出）提出）: 该模型认该模型认为溶液一侧的带电层应分为溶液一侧的带电层应分为紧密层和扩散层两为紧密层和扩散层两部分部分。95Colloid & Surface Chemistry Stern

22、双电层模型紧密紧密层层: 溶液中反离子及溶剂溶液中反离子及溶剂分子受到足够大的静电力分子受到足够大的静电力, 范范德华力或特性吸附力德华力或特性吸附力, 而紧密而紧密吸附在固体表面吸附在固体表面上。上。其余其余反离子则构成扩散反离子则构成扩散层。层。96Colloid & Surface Chemistry Stern 双电层模型双电层模型表面电势表面电势 0Stern电势电势电动势（或电动势（或 电势电势）带电粒子表面带电粒子表面与液体内部的与液体内部的电势差称为粒电势差称为粒子的表面电势子的表面电势 0Stern平面与平面与液体内部的电液体内部的电势差为势差为Stern电势电势切动面的位置

23、切动面的位置在在stern平面平面之外，切动面之外，切动面与溶液内部的与溶液内部的电势差称为电电势差称为电动势（或动势（或 电电势）势）97Colloid & Surface Chemistry DLVO理论总位能总位能E 总位能总位能E=EA+ER，即粒子之，即粒子之间的总位能为间的总位能为引力位能引力位能和和斥力位能斥力位能之和。之和。98Colloid & Surface Chemistry DLVO理论当当 x 缩小缩小, 先出现一极先出现一极小值小值a, 则发生粒子的聚则发生粒子的聚集称为集称为絮凝絮凝（可逆）。（可逆）。x 继续缩小继续缩小, 则出现极大则出现极大值值Emax（势垒

24、）。一（势垒）。一般粒子的热运动无法克般粒子的热运动无法克服它服它, 使溶胶处于相对使溶胶处于相对稳定状态。稳定状态。 斥力势能斥力势能, 吸力势能及总势能曲线吸力势能及总势能曲线99Colloid & Surface Chemistry DLVO理论当当两胶粒通过热运动两胶粒通过热运动积聚的动能超过积聚的动能超过15kT时才有可能超过此能时才有可能超过此能量值量值, 进而出现极小进而出现极小值值 b, 在此处发生粒子在此处发生粒子间的间的聚沉（永久性）聚沉（永久性）。 斥力势能斥力势能, 吸力势能及总势能曲线吸力势能及总势能曲线100Colloid & Surface Chemistry 下节课讲授内容101Colloid & Surface Chemistry 102Colloid & Surface Chemistry