第二章-表面张力和润湿作用课件.ppt

1、上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21 第二章 表面张力与润湿作用上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21 2.1 液体的表面张力 2.2 弯曲液面的附加压力 2.3 润湿作用与接触角 2.4 液体表面张力的测定方法 2.5 弯曲液面的蒸气压开尔文公式第二章 表面张力与润湿作用上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21 对于单组分体系，这种特性主要来自于同一物质对于单组分体系，这种特性主要来自于同一物质在不同相中的在不同相中的密度不同密度不同；对于多组分体系，则特性来；对于多组分体系，则特性来自于界面层的组成与任一相的组成均不相同。自于界面层的组成与任一相的组成均不相同

2、。 表面层分子与内部分子相比，它们所处的环境不同。表面层分子与内部分子相比，它们所处的环境不同。 体相内部分子所受四周邻近相同分子的作用力是体相内部分子所受四周邻近相同分子的作用力是对对称的称的，各个方向的力彼此抵销，各个方向的力彼此抵销( (各向同性各向同性) )； 但是处在界面层的分子，一方面受到体相内相但是处在界面层的分子，一方面受到体相内相同物质分子的作用，另一方面受到性质不同的另一同物质分子的作用，另一方面受到性质不同的另一相中物质分子的作用，其相中物质分子的作用，其作用力不能相互抵销作用力不能相互抵销，因，因此，界面层分子由于其处在一不均匀对称的力场会此，界面层分子由于其处在一不均

3、匀对称的力场会显示出一些独特的性质。显示出一些独特的性质。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21界面现象的本质 最简单的例子是液体及其蒸气组成的表面。 液体内部分子所受的力可以彼此抵销，但表面分子受到体相分子的拉力大，受到气相分子的拉力小（因为气相密度低），所以表面分子受到被拉入体相的作用力。 这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势，并使表面层显示出一些独特性质，如表面张力、表面吸附、毛细现象、过饱和状态等。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21界面现象的本质上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21表面功（surface work）dWA式中 为比例系数，它在数值上

4、等于当T，P及组成恒定的条件下，增加单位表面积时所必须对体系做的可逆非膨胀功。 由于表面层分子的受力情况与本体中不同，因此如果要把分子从内部移到界面，或可逆的增加表面积，就必须克服体系内部分子之间的作用力，对体系做功。 温度、压力和组成恒定时，可逆使表面积增加dA所需要对体系作的功，称为表面功。用公式表示为：上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21表面自由能(surface free energy)BBBBBBBBBBBBdddddddddddddddddnAPVTSGdnAVPTSFdnAPVSTHdnAVPSTUB,)(nVSAUB,)(nPSAHB,)(nVTAFB,)(nPTA

5、G由此可得： 考虑了表面功，热力学基本公式中应相应增加 dA一项，即：上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21表面自由能(surface free energy) 广义的表面自由能定义： 狭义的表面自由能定义： 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Jm-2。B, ,()p T nGA 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。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21表面张力（surface tension） 在两相(特别是气-液)界面上，处处存在

6、着一种张力，它垂直于表面的边界，指向液体方向并与表面相切。 将一含有一个活动边框的金属线框架放在肥皂液中，然后取出悬挂，活动边在下面。由于金属框上的肥皂膜的表面张力作用，可滑动的边会被向上拉，直至顶部。 把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用 表示，单位是Nm-1。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21表面张力（surface tension） 如果在活动边框上挂一重物，使重物质量W2与边框质量W1所产生的重力F（F=（W1+W2）g）与总的表面张力大小相等方向相反，则金属丝不再滑动。 这时 2Fl l是滑动边的长度，因膜有两个面，所以边界总长度为2l， 就是作用于单位边界上的

7、表面张力。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21表面张力（surface tension）上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21表面张力（surface tension） 如果在金属线框中间系一线圈，一起浸入肥皂液中，然后取出，上面形成一液膜。 由于以线圈为边界的两边表面张力大小相等方向相反，所以线圈成任意形状可在液膜上移动，见(a)图。 如果刺破线圈中央的液膜，线圈内侧张力消失，外侧表面张力立即将线圈绷成一个圆形，见(b)图，清楚的显示出表面张力的存在。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21表面张力（surface tension）（a）（b）上一内容下一内容回

8、主目录O返回2022-6-21影响表面张力的因素（1）分子间相互作用力的影响 (2) 温度的影响 温度升高，表面张力下降。 对纯液体或纯固体，表面张力决定于分子间形成的化学键能的大小，一般化学键越强，表面张力越大。(金属键) (离子键) (极性共价键) (非极性共价键)两种液体间的界面张力，界于两种液体表面张力之间。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21 （3）压力的影响）压力的影响 表面张力一般随压力的增加而下降。因为压力增加，气相密度增加，表面分子受力不均匀性略有好转。另外，若是气相中有别的物质，则压力增加，促使表面吸附增加，气体溶解度增加，也使表面张力下降。上一内容下一内容回主

9、目录O返回2022-6-21压力与表面张力关系的实验研究不易进行，一般说来，压力对表面张力的影响可以从下面三个方面考虑 a.p增加，两相间密度差减少，减小b. p增加，气体在液体表面上的吸附使表面能降低（吸附放热），因此减小c.p增加，气体在液体中的溶解度增大，表面能降低以上三种情况均表明， p增加，减小但是也有第二种情况，即压力增大，表面张力增大。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21 压力对表面张力的影响相当复杂，这是因为增加压力必须引入第二组分（如惰性气体），而第二组分又往往会通过吸附或溶解来影响表面张力。当第二级分的吸附或溶解对表面张力的影响远远超过压力本身的作用则往往表现为

10、第一种情况，而当吸附或溶解的影响很小时，则又表现为第二种情况。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21 由于表面相分子处于一合力指向液体内部的不对称力场之中，因此，表面层分子有离开表面层进入体相的趋势。这一点可从液体表面的自动收缩得以证明。这也说明了处于表面层的分子具有比体相内部的分子更高的能量。 换言之，增加液体的表面积就必须把一定数量的内部分子迁移到表面上，要完成这个过程必须借助于外力做功。因此，体系获得的能量便是表面过剩自由能。可见，构成界面的两相性质不同及分子内存在着相互作用力是产生表面自由能的原因。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21 液体表面为什么会存在张力是一

11、个长期困扰表面化学家的问题，实际上，表面张力同样是分子间存在相互作用力的结果。 从液体表面的特性来看，表面上的分子比体相内部的分子能量更高，而按照分子分布的规律，表面上的分子的密度将小于内部分子。于是表面分子间的距离较大，因此，表面上的分子沿表面方向存在着侧向引力，距离较大时，吸引力占优势。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-212.2 弯曲表面的附加压力 1.弯曲表面下的附加压力1.在平面上2.在凸面上3.在凹面上 2. Young-Laplace公式3. 毛细管现象上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21 1.弯曲表面下的附加压力（1）在平面上剖面图液面正面图 研究以AB为

12、直径的一个环作为边界，由于环上每点的两边都存在表面张力，大小相等，方向相反，所以没有附加压力。 设向下的大气压力为Po，向上的反作用力也为Po ，附加压力Ps等于零。Ps = Po - Po =0上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21弯曲表面下的附加压力（2）在凸面上：剖面图附加压力示意图 研究以AB为弦长的一个球面上的环作为边界。由于环上每点两边的表面张力都与液面相切，大小相等，但不在同一平面上，所以会产生一个向下的合力。 所有的点产生的总压力为Ps ，称为附加压力。凸面上受的总压力为： Po+ PsPo为大气压力， Ps为附加压力。 上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-2

13、1弯曲表面下的附加压力（3）在凹面上：剖面图附加压力示意图 研究以AB为弦长的一个球形凹面上的环作为边界。由于环上每点两边的表面张力都与凹形的液面相切，大小相等，但不在同一平面上，所以会产生一个向上的合力。 所有的点产生的总压力为Ps ，称为附加压力。凹面上向下的总压力为：Po-Ps ，所以凹面上所受的压力比平面上小。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-212、杨-拉普拉斯公式 1805年Young-Laplace导出了附加压力与曲率半径之间的关系式：特殊式（对球面）：s2RP 根据数学上规定，凸面的曲率半径取正值，凹面的曲率半径取负值。所以，凸面的附加压力指向液体，凹面的附加压力指向

14、气体，即附加压力总是指向球面的球心。一般式：)11(21sRRP上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-213.毛细管现象-附加压力与毛细管中液面高度的关系上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21 液体靠近器壁的液面分子，同时受有內聚力和附著力的作用，其合力垂直于液面，使得液体表面张紧，产生表面张力。作用力沿着液面的切线方向，作用于液体器壁的交界线。因此它。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21 由液柱所受表面张力的综合与液柱的重量达到力平衡。mgFcosghrdr2cos2dgrhcos2上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21 毛细管插入水槽中，内聚力小于附着

15、力，则管內的水银柱上升，水柱的液面呈现周边向上弯曲的弧面。 毛细管插入水槽中，内聚力大于附着力，则管內的水银柱上升，水柱的液面呈现周边向下弯曲的弧面。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21 酒精灯的灯芯是用棉线捻成一束，棉线间的空隙相当于毛细管，酒精经由这些间隙上升至芯头； 毛巾的一端浸入水中，则整条毛巾会润湿； 方糖的一角沾上水渍，则整块方糖会逐渐潮湿； 植物內的微管束也充当毛细管的角色，根部的水分和养分得以输送至枝叶。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-211）液体在地层和纺织品中的流动 原油和水在地层中的流动属液体在不均匀孔径的毛细管中的流动，当忽略重力作用时，由于不同

16、管径的曲率半径不同，造成两部分液面的附加压力不同（毛细压差）。因此，液体将往附加压力大的方向流动。 若要改变其流动方向，必须施加一克服此压力差的力，若采用表面化学方法改变体系表面张力和液面曲率，可以改变体系毛细压差以利于实现所要求的流动。这是三次采油的关键问题之一。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-212）关于泡沫和乳状液的稳定性 泡沫和乳状液是由两种不相混溶的流体相形成的分散体系。泡沫是大量气体分散在少量液体中构成的，而乳状液是一种液体以微小液滴状态分散在另一液相中。泡沫的片膜与片膜之间构成具有不同曲率的连续液体，由于附加压力不同，液体从曲率小、压力大的片膜流向曲率大、压力小的片膜

17、边界，最后导致泡沫排液、泡膜变薄而破裂。这是影响泡膜稳定的重要原因。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-213）压汞法测孔径 水银在一般固体的孔中形成凸液面，欲使水银进入固体孔中须克服毛细压差。即 当、已知，通过测定毛细压差可计算固体的孔径。如催化剂的孔径测定。2 cospr上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21 凝聚态物体表面一种流体被另外一种流体取代的过程称为润湿。 根据润湿程度不同，又分为沾湿，铺展，浸湿。2.3 润湿作用与接触角上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21 在等温等压条件下，单位面积的液面与固体表面粘附时对外所作的最大功称为粘附功，它是液体能否润湿

18、固体的一种量度。粘附功越大，液体越能润湿固体，液-固结合得越牢。 在粘附过程中，消失了单位液体表面和固体表面，产生了单位液-固界面。粘附功就等于这个过程表面吉布斯自由能变化值的负值。al sg lg-s()WG 沾湿上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21粘附功(work of adhesion)上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21浸湿功(work of immersion) 等温、等压条件下，将具有单位表面积的固体可逆地浸入液体中所作的最大功称为浸湿功，它是液体在固体表面取代气体能力的一种量度。 只有浸湿功大于或等于零，液体才能浸湿固体。在浸湿过程中，消失了单位面积的气、

19、固表面，产生了单位面积的液、固界面，所以浸湿功等于该变化过程表面自由能变化值的负值。il sg-si()0WGW 能浸湿。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21浸湿功(work of immersion)上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21铺展系数(spreading coefficient)上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21铺展系数(spreading coefficient) 等温、等压条件下，单位面积的液固界面取代了单位面积的气固界面并产生了单位面积的气液界面，这过程表面自由能变化值的负值称为铺展系数，用S表示。若S0，说明液体可以在固体表面自动铺展。

20、l-sl-gs-g()SG 上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21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，通常用表示。g- ls - lg- scos 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。 接触角的大小可以用实验测量，也可以用公式计算：上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21接触角(contact angle)接触角的示意图：上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21接触角的测定1、角度测量法角度测量法 是一类应用最广、较方便简

21、单、最直接的方法。其是一类应用最广、较方便简单、最直接的方法。其原理是用量角器直接量出三相交界处流动界面与固体平原理是用量角器直接量出三相交界处流动界面与固体平面的夹角。主要做法有投影法、摄影法、显微量角法、面的夹角。主要做法有投影法、摄影法、显微量角法、斜板法和光点反射法。斜板法和光点反射法。 （1）投影和摄影法投影和摄影法 （2）显微量角法显微量角法 用一安装有量角器和叉丝的低倍显微镜观察液面，直接用一安装有量角器和叉丝的低倍显微镜观察液面，直接读出角度。读出角度。 （3）斜板法斜板法 原理是将固体板插入液体中，当板面与液原理是将固体板插入液体中，当板面与液面的夹角恰为接触角时，液面一直延

22、伸至三相交界处而不面的夹角恰为接触角时，液面一直延伸至三相交界处而不出现弯曲，此夹角即为接触角。出现弯曲，此夹角即为接触角。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21接触角的测定（4）光点反射法光点反射法 原理是利用一个点光源照射到小液滴上，并在光源原理是利用一个点光源照射到小液滴上，并在光源 处观察反射光，当入射光与液面垂直时，才能在液面处观察反射光，当入射光与液面垂直时，才能在液面看到反射光。测定时，使光点落在三相点位，并以此为看到反射光。测定时，使光点落在三相点位，并以此为中心，改变入射光角度，使之在固体表面的法平面中作中心，改变入射光角度，使之在固体表面的法平面中作圆周运动，当光

23、线在某位置突然变亮时，入射光与固体圆周运动，当光线在某位置突然变亮时，入射光与固体平面法线的夹角即为接触角，此方法有较好的测量精平面法线的夹角即为接触角，此方法有较好的测量精度，可用于测定纤维的接触角，缺点是只能测定小于度，可用于测定纤维的接触角，缺点是只能测定小于90的接触角。的接触角。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21接触角的测定2、长度测量法长度测量法（1）小滴法小滴法 测量在固体平面上小液滴的高度和宽度，根据测量在固体平面上小液滴的高度和宽度，根据 可求出可求出，此法假设液滴是球形的一部分。因此，只有在液滴很小，重力此法假设液滴是球形的一部分。因此，只有在液滴很小，重力的

24、影响可略时才能应用。的影响可略时才能应用。（2）液饼法液饼法 将液体加于平固体表面使之成为液滴，不断增加液体量至滴高将液体加于平固体表面使之成为液滴，不断增加液体量至滴高达最大（即高度不变）此时若再加入液体则往两边扩展（达最大（即高度不变）此时若再加入液体则往两边扩展（r变变大），设平衡液滴是半径为大），设平衡液滴是半径为r，体积为体积为V的圆形液饼，当外界给的圆形液饼，当外界给予液饼予液饼微扰微扰，在保持体积不变的情况下，其高度下降在保持体积不变的情况下，其高度下降h，半径扩大半径扩大r，最后体系又达平衡，由于此过程中，体系势能最后体系又达平衡，由于此过程中，体系势能减少，但表面自由能增加，

25、且两者数值相等。减少，但表面自由能增加，且两者数值相等。 tan()2hr上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21接触角的测定（3）垂片法垂片法 将一固体片垂直插入液体中液体沿片上升的高将一固体片垂直插入液体中液体沿片上升的高度与度与之间有如下关系。之间有如下关系。 此关系可根据此关系可根据B-A方程推导得到方程推导得到 。当。当、l-g已已知，只要测出知，只要测出h，便可得便可得。2sin12lggh上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21接触角的测定3、力测量法力测量法 应用吊片法装置亦可测应用吊片法装置亦可测，当吊片正好接触液面时，液体当吊片正好接触液面时，液体作用于吊片

26、的力作用于吊片的力 f为为 4、透过测量法透过测量法 主要用于固体粉末接触角的测量，其基本原理是，固体粒主要用于固体粉末接触角的测量，其基本原理是，固体粒子间的空隙，相当于一束毛细管，毛细作用使液体透入粉子间的空隙，相当于一束毛细管，毛细作用使液体透入粉末中，由于毛细作用与液体的表面张力和对固体的接触角末中，由于毛细作用与液体的表面张力和对固体的接触角有关，故通过测定某种已知表面张力的液体在固体粉末中有关，故通过测定某种已知表面张力的液体在固体粉末中的透过，可得到接触角的透过，可得到接触角。 cos coslglgffPP上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21接触角的测定（1）透过高

27、度法透过高度法 固体粉末装在一以多孔板为底的玻管中，液面在固体粉末装在一以多孔板为底的玻管中，液面在毛细作用下沿管中粉末柱上升毛细作用下沿管中粉末柱上升h。 由上式可见，只要测得粉末间孔隙的平均半径由上式可见，只要测得粉末间孔隙的平均半径r及及透过高度透过高度h，即可结合已知的即可结合已知的 求求。但由于但由于r值无值无法直接测定，故常用一已知表面张力，密度和对法直接测定，故常用一已知表面张力，密度和对粉末接触角粉末接触角为为0的液体来标定。的液体来标定。2cos cos2lglgghrghrl g上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21接触角的测定0000002 cos =l gl

28、gl ghrghh通过测定通过测定h h、h h0 0可求得可求得。使用此方法应注意粒子的使用此方法应注意粒子的均匀性及装填情况均匀性及装填情况。（2 2）透过速度法透过速度法 可润湿粉末的液体在粉末中上升可称为液体在毛可润湿粉末的液体在粉末中上升可称为液体在毛细管中的流动，其流动速度根据细管中的流动，其流动速度根据PoiseullePoiseulle方程可得方程可得上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21接触角的测定222coscos 82cos2dhrdhrdthdtrht 此式称为此式称为WashburnWashburn方程，如果在粉末柱接触液体后立方程，如果在粉末柱接触液体后立

29、即测定即测定h ht t关系，以关系，以h h2 2t t作图，则从直线斜率得作图，则从直线斜率得 ， 代入已知的代入已知的 （粘度），（粘度），r r（平均平均半径），半径），可得可得。c o s2r上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21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接触角称为动接触角，动接触角

30、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（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，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波动可能造成的升高或降低。的升高或降低。 上

31、一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21影响接触角测定的因素 除平衡时间和温度外，影响接触角稳定的因素还有接触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。角滞后和吸附作用。（1）接触角滞后接触角滞后 前进接触角和后退接触角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为前进接触角A，如将固体板插入液体中；后退接触角则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，用接触角，用R表示，如水滴

32、在斜玻璃板上，流动可形成前表示，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。进接触角和后退接触角。 接触角滞后及原因接触角滞后及原因 指前进接触角与后退接触角之差称为接触角滞后（指前进接触角与后退接触角之差称为接触角滞后（A-R）上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21影响接触角测定的因素造成接触角滞后的主要原因有：造成接触角滞后的主要原因有：a.表面不均匀表面不均匀 表面不均匀是造成接触角滞后的一个重要原因表面不均匀是造成接触角滞后的一个重要原因若固体表面由与液体亲合力不同的两部分若固体表面由与液体亲合力不同的两部分a、b组组成，则液体对复合表面的接触角与对两种纯固体成，则

33、液体对复合表面的接触角与对两种纯固体表面成分自身的接触角的关系是：表面成分自身的接触角的关系是：COS=XaCOSa+XbCOSb Xa、Xb指指a、b的的摩尔分数，摩尔分数，a、b指液体在指液体在a固体和固体和b固体上的固体上的接触角。接触角。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21影响接触角测定的因素 实践表明，前进角一般反映与液体亲合力较弱的那实践表明，前进角一般反映与液体亲合力较弱的那部分固体表面的润湿性，因此，部分固体表面的润湿性，因此，A较大（较大（COS小），而后退角反映与液体亲合力较强的那部分固小），而后退角反映与液体亲合力较强的那部分固体表面的性质，因此，体表面的性质

34、，因此，R较小。对于一些无机固体，较小。对于一些无机固体，由于表面能较高，固而极易吸附一些低表面能的物质由于表面能较高，固而极易吸附一些低表面能的物质而形成复合表面，因此，造成液体对这种复合表面形而形成复合表面，因此，造成液体对这种复合表面形成的接触角滞后现象，可见，欲准确测定一种固体的成的接触角滞后现象，可见，欲准确测定一种固体的接触角，必须保证固体表面不受污染。接触角，必须保证固体表面不受污染。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21影响接触角测定的因素 b.表面不平表面不平 表面不平也是造成接触角滞后的主要因素，若将一表面不平也是造成接触角滞后的主要因素，若将一玻璃粗化后，将一水

35、滴滴在倾斜玻璃上，则出现接玻璃粗化后，将一水滴滴在倾斜玻璃上，则出现接触角滞后。触角滞后。 上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21（1）表面张力大于）表面张力大于100mN/m者称为高能固体，这者称为高能固体，这些固体易被液体所润湿，如无机固体、金属及其些固体易被液体所润湿，如无机固体、金属及其氧化物等。氧化物等。（2）表面张力低于）表面张力低于100mN/m者称为低能固体，这者称为低能固体，这类固体不易被液体所润湿，如有机固体、高聚类固体不易被液体所润湿，如有机固体、高聚 物固体。物固体。 一般的无机物固体（陶瓷、金属等）的表面一般的无机物固体（陶瓷、金属等）的表面能约在能约在50

36、05000mN/ /m，其数值远远大于一般其数值远远大于一般液体的表面张力，因此，液体与这类固体接触后，液体的表面张力，因此，液体与这类固体接触后，使固体表面能显著降低。使固体表面能显著降低。 上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21浮游选矿浮游选矿的原理图 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。 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。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21 这时，矿物表面的外层为碳氢基，其润湿性大大下降，这时，矿物表面的外层为碳氢基，其润湿性大大下降，并附着于鼓入的气泡中被浮选到液

37、体表面，又如用甲基氯并附着于鼓入的气泡中被浮选到液体表面，又如用甲基氯硅烷处理玻璃或带有表面羟基的固体表面，甲基氯硅烷与硅烷处理玻璃或带有表面羟基的固体表面，甲基氯硅烷与固体表面上的羟基作用，释出氯化氢，形成化学键固体表面上的羟基作用，释出氯化氢，形成化学键Si-0键，键，这使原来亲水的固体表面被甲基所覆盖而具有憎液性强和这使原来亲水的固体表面被甲基所覆盖而具有憎液性强和长期有效的特点，可通过此方法改性长期有效的特点，可通过此方法改性 玻璃表面从而使其玻璃表面从而使其 防水（如汽车玻璃，玻璃镜片等）。防水（如汽车玻璃，玻璃镜片等）。 再如普通的棉布因纤维中有醇羟基团而呈亲水性，所再如普通的棉布

38、因纤维中有醇羟基团而呈亲水性，所以很易被水沾湿，不能防雨，若采用季胺盐类活性剂与氟以很易被水沾湿，不能防雨，若采用季胺盐类活性剂与氟氢化合物混合处理后，表面活性剂的极性基与纤维的醇羟氢化合物混合处理后，表面活性剂的极性基与纤维的醇羟基结合基结合; 上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21而憎水基朝向空气，从而使棉布表面从润湿变为不润湿，而憎水基朝向空气，从而使棉布表面从润湿变为不润湿，由此方法可做成雨衣或防水布。由此方法可做成雨衣或防水布。 以上讨论的是极性固体的表面改性以上讨论的是极性固体的表面改性 ，若为非极性固体，若为非极性固体表面，若通过表面活性剂的吸附形成亲水基向外的吸附表面

39、，若通过表面活性剂的吸附形成亲水基向外的吸附层则可使憎水表面变为亲水表面，即使其润湿性提高，如层则可使憎水表面变为亲水表面，即使其润湿性提高，如将聚乙烯，聚四氟乙烯，石蜡等典型的低能固体浸在氢将聚乙烯，聚四氟乙烯，石蜡等典型的低能固体浸在氢氧化铁或氢氧化锡溶胶中，经过一段时间，水合金属氧化氧化铁或氢氧化锡溶胶中，经过一段时间，水合金属氧化物在低能表面产生较物在低能表面产生较 强的吸附，干燥后可使表面润湿性发强的吸附，干燥后可使表面润湿性发生永久性的变化，即从憎水变为亲水。生永久性的变化，即从憎水变为亲水。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21 （一）洗涤作用的基本过程（一）洗涤作用的

40、基本过程 洗涤过程可以用如下关系式表示：洗涤过程可以用如下关系式表示： 洗涤作用的关键是洗涤液必须润湿被洗涤物质的基洗涤作用的关键是洗涤液必须润湿被洗涤物质的基体表面，只有如此才能将污垢从基体上被顶替下来，体表面，只有如此才能将污垢从基体上被顶替下来，也就是污垢的去除；防止基体表面被污垢的再污染也就是污垢的去除；防止基体表面被污垢的再污染也是保证洗涤过程完整的重要问题。也是保证洗涤过程完整的重要问题。 洗涤液中的表面活性剂和机械搅拌不但促使基体表洗涤液中的表面活性剂和机械搅拌不但促使基体表面污物被顶替，而且将污物以乳状液或者悬浮分散面污物被顶替，而且将污物以乳状液或者悬浮分散状态存在，在静电排

41、斥作用下使它们远离基体表面状态存在，在静电排斥作用下使它们远离基体表面。 物品污垢 洗涤剂 物品洗涤剂 污垢洗涤剂机械作用上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21 附着在固面上的油污平衡时有如下表达式： coswowsos图6-21 （A）附着在固面上的油污 （B）油膜卷缩成油滴上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21 固体污物黏附在固面上机理与油污不同，主要靠分子间力与基体粘连。因此固体污物（d）在固面（s）上的去除可以用表面能变化解释。 图622 固体污垢去除的黏附功降低示意图dsswdwsdW上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21 1污垢的种类。 2基体与污物的

42、性质。 3表面化学因素： 表面张力 增溶作用 吸附作用 乳化和起泡 上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21 在织物的润湿过程中，溶液沿着纤维迅速展开，渗在织物的润湿过程中，溶液沿着纤维迅速展开，渗入纤维的空隙，把空气驱逐出去，将空气入纤维的空隙，把空气驱逐出去，将空气- -纤维表面纤维表面( (气气- -固界面固界面) )代之以液体代之以液体- -纤维纤维( (液液- -固界面固界面) )表面，因表面，因此织物的润湿是固此织物的润湿是固- -液界面取代固液界面取代固- -气界面的浸湿过气界面的浸湿过程。程。 从纺织物的结构上分析，润湿过程应属于毛细管体从纺织物的结构上分析，润湿过程应

43、属于毛细管体系的润湿，因为织物是由纤维编织而成，纺织物中系的润湿，因为织物是由纤维编织而成，纺织物中存在着无数毛细管，对于孔径均匀的毛细管体系，存在着无数毛细管，对于孔径均匀的毛细管体系，液体对孔内壁的润湿就是毛细管上升过程。因而只液体对孔内壁的润湿就是毛细管上升过程。因而只要接触角要接触角9090，液体就会在曲面压差的驱动下液体就会在曲面压差的驱动下渗入毛细孔。渗入毛细孔。 上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21 润湿作用的其他应用举例润湿作用的其他应用举例 1、金属焊接金属焊接 金属焊接时，应选择粘附功大的焊剂，除此之外，还金属焊接时，应选择粘附功大的焊剂，除此之外，还应选择一些

44、配合溶剂以除去金属表面的氧化膜，这种溶剂应应选择一些配合溶剂以除去金属表面的氧化膜，这种溶剂应既能溶解氧化膜又能润湿金属，同时，又要能被焊剂从金属既能溶解氧化膜又能润湿金属，同时，又要能被焊剂从金属表面顶替出来，从而使焊剂在金属表面铺展，如松香就具备表面顶替出来，从而使焊剂在金属表面铺展，如松香就具备上述性能而作为常用的焊接溶剂。上述性能而作为常用的焊接溶剂。 2、滴状冷凝滴状冷凝 若将一般暖气管内壁改为憎水表面，则水蒸气在管内若将一般暖气管内壁改为憎水表面，则水蒸气在管内凝成液滴并沿管壁流下，而不会铺展成水膜，这样，在提高凝成液滴并沿管壁流下，而不会铺展成水膜，这样，在提高热交换率的同时又延

45、长管道寿命。对热电厂的冷凝管同样存热交换率的同时又延长管道寿命。对热电厂的冷凝管同样存在以上问题。在以上问题。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21 3、阳极效应、阳极效应 阳极效应是指在电解熔融盐的过程中，槽压突然急剧升阳极效应是指在电解熔融盐的过程中，槽压突然急剧升高，而电流强度则急剧下降，阳极周围出现细微火花放电光高，而电流强度则急剧下降，阳极周围出现细微火花放电光圈，阳极停止析出气泡，这时，电解质和阳极间好像被一层气圈，阳极停止析出气泡，这时，电解质和阳极间好像被一层气体膜隔开似的。体膜隔开似的。 关于阳极效应的一种解释是：当电解质的浓度较大时，关于阳极效应的一种解释是：当电

46、解质的浓度较大时，电解质对阳极的润湿性较好，能顺利地把阳极上产生的气泡排电解质对阳极的润湿性较好，能顺利地把阳极上产生的气泡排挤掉，因此，不致发生阳极效应，但当电解质浓度较低时，电挤掉，因此，不致发生阳极效应，但当电解质浓度较低时，电解质对阳极的润湿性下降，阳极上产生的气泡不能及时被电解解质对阳极的润湿性下降，阳极上产生的气泡不能及时被电解质排挤掉，于是小气泡逐渐长大粘附在阳极上并成一层气质排挤掉，于是小气泡逐渐长大粘附在阳极上并成一层气膜。膜。 上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-212.4 液体表面张力的测定方法一、毛细管上升法一、毛细管上升法如图，将一洁净的半径为如图，将一洁净的

47、半径为 r 的均匀的均匀毛细管插入能润湿该毛细管的液体毛细管插入能润湿该毛细管的液体中，则由于表面张力所引起的附加中，则由于表面张力所引起的附加压力，压力， 将使液柱上升，达平衡时，将使液柱上升，达平衡时，附加压力与液柱所形成的压力大小附加压力与液柱所形成的压力大小相等，方向相反：相等，方向相反： 上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21表面张力的测定方法式中式中 h 为达平衡时液柱高度，为达平衡时液柱高度，g 为重力加速度，为重力加速度，液液气气（ 为密度）。由图中可以看出，曲率半径为密度）。由图中可以看出，曲率半径 r 与毛细管半径与毛细管半径 R 以及接触角以及接触角 之间存在着

48、如下关系，之间存在着如下关系， 上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21表面张力的测定方法 若接触角若接触角 0，Cos1， 液液 则则 从上式可见，若从上式可见，若 R 已知，由平衡液柱上升高度已知，由平衡液柱上升高度可测出液体表面张力。若接触角不为零，则应可测出液体表面张力。若接触角不为零，则应用与接触角有关的公式。但由于目前接触角用与接触角有关的公式。但由于目前接触角的测量准确度还难以满足准确测定表面张力的的测量准确度还难以满足准确测定表面张力的要求，因此，该法一般不用于测定接触角不为要求，因此，该法一般不用于测定接触角不为零的液体表面张力。零的液体表面张力。 上一内容下一内容回

49、主目录O返回2022-6-21表面张力的测定方法 若考虑到对弯液面的修正，常用公式为若考虑到对弯液面的修正，常用公式为： 毛细管上升法理论完整，方法简单，毛细管上升法理论完整，方法简单，有足够的测量精度。应用此法时除了要有有足够的测量精度。应用此法时除了要有足够的恒温精度和有足够精度的测高仪外，足够的恒温精度和有足够精度的测高仪外，还须注意选择还须注意选择内径均匀内径均匀的毛细管。的毛细管。(/3)2cosRg hRr上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21表面张力的测定方法二、脱环法 上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-21表面张力的测定方法 在图中，水平接触面的圆环（通常用

50、铂在图中，水平接触面的圆环（通常用铂环）被提拉时将带起一些液体，形成液柱环）被提拉时将带起一些液体，形成液柱(b)。环对天平所施之力由两个部分组成：环本身的环对天平所施之力由两个部分组成：环本身的重力重力 mg 和带起液体的重力和带起液体的重力 p。p 随提起高度增随提起高度增加而增加，但有一极限，超过此值环与液面脱加而增加，但有一极限，超过此值环与液面脱开，此极限值取决于液体的表面张力和环的尺开，此极限值取决于液体的表面张力和环的尺寸。这是因为外力提起液柱是通过液体表面张寸。这是因为外力提起液柱是通过液体表面张力实现的。因此，最大液柱重力力实现的。因此，最大液柱重力 mg 应与环受应与环受到