《09章 表面現(xiàn)象》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《09章 表面現(xiàn)象（153頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、2022-9-10 第九章第九章 表面現(xiàn)象表面現(xiàn)象（surface phenomena)2H OHg液-液界面 第九章第九章 表面現(xiàn)象表面現(xiàn)象9.1 表面自由能和表面張力表面自由能和表面張力9.2 彎曲液面的附加壓力彎曲液面的附加壓力9.3 彎曲液面的蒸氣壓彎曲液面的蒸氣壓9.4 溶液的表面吸附溶液的表面吸附9.5 表面膜表面膜9.6 鋪展與潤濕鋪展與潤濕9.7 表面活性劑及其應(yīng)用表面活性劑及其應(yīng)用9.8 固體表面的吸附固體表面的吸附 9.1 表面自由能和表面張力表面自由能和表面張力1.表面現(xiàn)象及其本質(zhì)表面現(xiàn)象及其本質(zhì)2.表面自由能表面自由能3.表面張力表面張力一、表面現(xiàn)象及其本質(zhì)一、表面現(xiàn)象

2、及其本質(zhì)表面表面(surface)凝聚態(tài)凝聚態(tài)(液態(tài)、固態(tài)液態(tài)、固態(tài))物質(zhì)與其飽和蒸氣達(dá)成平物質(zhì)與其飽和蒸氣達(dá)成平衡時(shí)，在兩相衡時(shí)，在兩相緊密接觸、約有幾個(gè)分子厚度的過渡緊密接觸、約有幾個(gè)分子厚度的過渡區(qū)區(qū)，稱為該凝聚態(tài)的表面。，稱為該凝聚態(tài)的表面。通常將通常將凝聚態(tài)物質(zhì)與空氣達(dá)成平衡凝聚態(tài)物質(zhì)與空氣達(dá)成平衡時(shí)，在兩相時(shí)，在兩相緊密接觸、約有幾個(gè)分子厚度的過渡區(qū)，也稱為該緊密接觸、約有幾個(gè)分子厚度的過渡區(qū)，也稱為該凝聚態(tài)的表面，嚴(yán)格講那是氣凝聚態(tài)的表面，嚴(yán)格講那是氣-液界面。液界面。常見的界面有：常見的界面有：氣氣-液界面液界面 但沒有氣但沒有氣-氣界面，不同氣體接觸總是很快就氣界面，不同氣體

3、接觸總是很快就混合均勻。混合均勻。氣氣-固界面固界面液液-液界面液界面界面界面（interface）不同相態(tài)之間，不同相態(tài)之間，兩相緊密接觸、約有幾個(gè)分子兩相緊密接觸、約有幾個(gè)分子厚度的過渡區(qū)厚度的過渡區(qū)，稱為該兩相的界面。，稱為該兩相的界面。液液-固界面固界面固固-固界面固界面氣氣-液界面液界面空氣空氣4CuSO溶液氣氣-液液界面界面氣氣-固界面固界面氣氣-固界面固界面液液-液界面液界面2H OHg液-液界面液液-固界面固界面玻璃板玻璃板Hg2H O液液-固界面固界面固固-固界面固界面鐵管鐵管Cr鍍層鍍層固-固界面研究表面現(xiàn)象的意義：研究表面現(xiàn)象的意義：在理論上，表面現(xiàn)象不僅是膠體化學(xué)、多相

4、催在理論上，表面現(xiàn)象不僅是膠體化學(xué)、多相催化和納米科學(xué)的重要理論基礎(chǔ)之一，而且還滲透到化和納米科學(xué)的重要理論基礎(chǔ)之一，而且還滲透到生命科學(xué)、藥物學(xué)、林學(xué)、農(nóng)學(xué)等其他學(xué)科。生命科學(xué)、藥物學(xué)、林學(xué)、農(nóng)學(xué)等其他學(xué)科。在實(shí)踐上，它對催化劑的制備、洗滌劑的合成、在實(shí)踐上，它對催化劑的制備、洗滌劑的合成、紡織印染工業(yè)、農(nóng)藥的使用、鋤地保墑和藥物的制備紡織印染工業(yè)、農(nóng)藥的使用、鋤地保墑和藥物的制備使用等都有指導(dǎo)意義，而且與人們的日常生活、飲食使用等都有指導(dǎo)意義，而且與人們的日常生活、飲食起居、治病保健等都有密切的關(guān)系。起居、治病保健等都有密切的關(guān)系。表面現(xiàn)象的本質(zhì)：表面現(xiàn)象的本質(zhì)：表面層分子與內(nèi)部分表面層分

5、子與內(nèi)部分子相比，它們所處的環(huán)境子相比，它們所處的環(huán)境不同，受力不等。不同，受力不等。體相內(nèi)部的分子如紅體相內(nèi)部的分子如紅球所示。球所示。它受四周鄰近相同分子的作用力是它受四周鄰近相同分子的作用力是對稱的對稱的，各，各個(gè)方向的力彼此抵銷，沒有剩余的作用力。個(gè)方向的力彼此抵銷，沒有剩余的作用力。處在表面層的的分子處在表面層的的分子如藍(lán)球所示。如藍(lán)球所示。由于兩相密度不等，其由于兩相密度不等，其作用力不能相互抵消。作用力不能相互抵消。正由于這剩余價(jià)力正由于這剩余價(jià)力的存在，界面層顯示出的存在，界面層顯示出一些獨(dú)特的性質(zhì)。一些獨(dú)特的性質(zhì)。如表面張力如表面張力表面吸附表面吸附毛細(xì)現(xiàn)象毛細(xì)現(xiàn)象小氣泡和液

6、滴都呈球狀小氣泡和液滴都呈球狀 潤濕與鋪展等。潤濕與鋪展等。比表面比表面（specific surface area)比表面通常用來比表面通常用來表示物質(zhì)分散的程度表示物質(zhì)分散的程度，有兩，有兩種常用的表示方法：種常用的表示方法：s0ASm式中，式中，m 和和 V 分別為固體的質(zhì)量和體積，分別為固體的質(zhì)量和體積，As 為其為其總表面積。總表面積。一種是單位質(zhì)量的固體所具有的表面積一種是單位質(zhì)量的固體所具有的表面積另一種是單位體積固體所具有的表面積另一種是單位體積固體所具有的表面積單位是單位是21mgs0ASV單位是單位是23mm二、表面自由能二、表面自由能f,RsdWA表面功表面功式中式中 為

7、比例系數(shù)。為比例系數(shù)。在溫度、壓力和組成恒定時(shí)，可逆使表面積增在溫度、壓力和組成恒定時(shí)，可逆使表面積增加所需要對系統(tǒng)做的功，稱為表面功。加所需要對系統(tǒng)做的功，稱為表面功。用公式表示為：用公式表示為：在數(shù)值上等于在在數(shù)值上等于在等等溫、等壓溫、等壓及組成恒定及組成恒定的條件下，增加單位表面積時(shí)所必須對系統(tǒng)做的條件下，增加單位表面積時(shí)所必須對系統(tǒng)做的的可逆非膨脹功。可逆非膨脹功。f,RWG f,RsdWA 在等溫、等壓和組成不變的條件下，環(huán)境對系在等溫、等壓和組成不變的條件下，環(huán)境對系統(tǒng)做的統(tǒng)做的可逆表面功就等于系統(tǒng)可逆表面功就等于系統(tǒng)Gibbs自由能的增加值自由能的增加值Bs,T p nGA則則

8、單位為單位為2J msdGA 是是保持溫度、壓力和組成不變，每增加單位保持溫度、壓力和組成不變，每增加單位表面積時(shí)，表面積時(shí)，Gibbs自由能的增加值稱為表面自由能的增加值稱為表面Gibbs自自由能，由能，或簡稱表面自由能?；蚝喎Q表面自由能。在等溫、等壓和組成不變在等溫、等壓和組成不變的條件下，系統(tǒng)總的的條件下，系統(tǒng)總的表面自由能自發(fā)向減小的方向變化。表面自由能自發(fā)向減小的方向變化。所以液體表面有所以液體表面有自動(dòng)收縮的趨勢。自動(dòng)收縮的趨勢。這就是為什么小液滴、小氣泡都呈球形。這就是為什么小液滴、小氣泡都呈球形。因?yàn)橄嗤w積的物質(zhì)，構(gòu)成球形時(shí)表面積最小，因?yàn)橄嗤w積的物質(zhì)，構(gòu)成球形時(shí)表面積最小

9、，具有的總表面自由能最低。具有的總表面自由能最低。三、表面張力三、表面張力 將一含有一個(gè)活動(dòng)邊框的將一含有一個(gè)活動(dòng)邊框的金屬線框架放在肥皂液中，然金屬線框架放在肥皂液中，然后取出懸掛，活動(dòng)邊在下面。后取出懸掛，活動(dòng)邊在下面。去掉活動(dòng)邊插銷，由于金去掉活動(dòng)邊插銷，由于金屬框上的肥皂膜的表面張力作屬框上的肥皂膜的表面張力作用，可滑動(dòng)的邊會被向上拉，用，可滑動(dòng)的邊會被向上拉，直至頂部。直至頂部。2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l在活動(dòng)邊框上掛一重物在活動(dòng)邊框上掛一重物 w這時(shí)這時(shí) 12()Fmm g l 是滑動(dòng)邊的長度，因膜有兩是滑

10、動(dòng)邊的長度，因膜有兩個(gè)面，所以邊界總長度為個(gè)面，所以邊界總長度為2l2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2m1m重物質(zhì)量重物質(zhì)量m2與邊框質(zhì)量與邊框質(zhì)量m1所產(chǎn)生所產(chǎn)生的重力的重力F與總的表面張力大小相等與總的表面張力大小相等方向相反，則金屬絲不再滑動(dòng)。方向相反，則金屬絲不再滑動(dòng)。2Fl表面張力表面張力 在表面上，表面張力無處不在，只是在液體表在表面上，表面張力無處不在，只是在液體表面上不與邊界接觸的部分，作用于任意邊界兩邊的面上不與邊界接觸的部分，作用于任意邊界兩邊的表面張力相互對消，看不出來而已。表面張力相互對

11、消，看不出來而已。表面張力的單位是表面張力的單位是：即在一定溫度和壓力下，在兩相即在一定溫度和壓力下，在兩相(特別是氣特別是氣-液液)界面上，處處存在著一種不平衡的力，這種力界面上，處處存在著一種不平衡的力，這種力垂直于垂直于單位長度的邊界，指向液體方向并與表面相切。單位長度的邊界，指向液體方向并與表面相切。1N m 就是作用于單位邊界上的力，稱為表面張力。就是作用于單位邊界上的力，稱為表面張力。表面張力相當(dāng)于使表面收縮的力表面張力相當(dāng)于使表面收縮的力 在金屬線框中間系一線圈，在金屬線框中間系一線圈，一起浸入肥皂液中，然后取出，一起浸入肥皂液中，然后取出，上面形成一液膜。上面形成一液膜。若刺破

12、線圈中央的液膜，線若刺破線圈中央的液膜，線圈內(nèi)側(cè)張力消失，外側(cè)表面張力圈內(nèi)側(cè)張力消失，外側(cè)表面張力立即將線圈繃成一個(gè)圓形，如立即將線圈繃成一個(gè)圓形，如圖圖清楚地顯示出表面張力的存在。清楚地顯示出表面張力的存在。由于以線圈為邊界的兩邊由于以線圈為邊界的兩邊表面張力大小相等方向相反，表面張力大小相等方向相反，故線圈成任意形狀可在液膜上故線圈成任意形狀可在液膜上移動(dòng)。移動(dòng)。表面張力是物質(zhì)本身的特性表面張力是物質(zhì)本身的特性 對純液體或純固體，表面張力的大小取決于分對純液體或純固體，表面張力的大小取決于分子間相互作用能的強(qiáng)弱。子間相互作用能的強(qiáng)弱。(金屬鍵)(離子鍵)(極性共價(jià)鍵)(非極性共價(jià)鍵)一般一

13、般化學(xué)鍵越強(qiáng)，表面張力越大化學(xué)鍵越強(qiáng)，表面張力越大。液體中，汞的表面張力最大，因?yàn)槭墙饘冁I液體中，汞的表面張力最大，因?yàn)槭墙饘冁I水的表面張力也很大，因?yàn)橛袣滏I水的表面張力也很大，因?yàn)橛袣滏I非極性有機(jī)液態(tài)化合物的表面張力很小非極性有機(jī)液態(tài)化合物的表面張力很小溫度升高，表面張力下降溫度升高，表面張力下降表面張力與溫度的關(guān)系表面張力與溫度的關(guān)系當(dāng)達(dá)到臨界溫度當(dāng)達(dá)到臨界溫度Tc時(shí)，表面張力趨向于零。時(shí)，表面張力趨向于零。這是因?yàn)闇囟壬吆筮@是因?yàn)闇囟壬吆螅? 1）分子振動(dòng)加劇，彼此作用力減弱。）分子振動(dòng)加劇，彼此作用力減弱。（2 2）氣相與液相的密度差下降，表面層分子）氣相與液相的密度差下降，表面層

14、分子的剩余價(jià)力變小。的剩余價(jià)力變小。到達(dá)到達(dá)臨界溫度時(shí)臨界溫度時(shí)氣相與液相的密度相同，氣氣相與液相的密度相同，氣-液界面消失，液界面消失，表面張力趨向于零表面張力趨向于零。表面自由能與表面張力有哪些共同點(diǎn)和不同點(diǎn)？表面自由能與表面張力有哪些共同點(diǎn)和不同點(diǎn)？它們的共同點(diǎn)是：它們的共同點(diǎn)是：(1)(1)都反映了表面分子受力不均勻的情況；都反映了表面分子受力不均勻的情況；(2)(2)兩者的數(shù)值相同，通常用同一符號表示。兩者的數(shù)值相同，通常用同一符號表示。它們的不同點(diǎn)是：它們的不同點(diǎn)是：(1)(1)兩者的物理意義不同，表面自由能是指等溫、等壓、兩者的物理意義不同，表面自由能是指等溫、等壓、保持組成不變

15、的條件下，可逆地增加單位表面積時(shí)，系保持組成不變的條件下，可逆地增加單位表面積時(shí)，系統(tǒng)統(tǒng)GibbsGibbs自由能的增值。表面張力是指垂直作用于單位自由能的增值。表面張力是指垂直作用于單位長度的邊界上且與表面相切的收縮力。長度的邊界上且與表面相切的收縮力。(2)(2)兩者的單位不同，表面自由能的單位是兩者的單位不同，表面自由能的單位是J Jm m-2-2，而表面，而表面張力的單位是張力的單位是N Nm m-1-1。9.2 彎曲液面的附加壓力彎曲液面的附加壓力1.彎曲液面的附加壓力彎曲液面的附加壓力2.Laplace 公式公式3.毛細(xì)管現(xiàn)象毛細(xì)管現(xiàn)象一、彎曲液面的附加壓力一、彎曲液面的附加壓力

16、研究液面任意小圓圈研究液面任意小圓圈A周圍周圍的受力情況的受力情況，由于邊界上每點(diǎn)，由于邊界上每點(diǎn)的兩邊都存在表面張力，大小的兩邊都存在表面張力，大小相等，方向相反，所以沒有附相等，方向相反，所以沒有附加壓力。加壓力。設(shè)向下的大氣壓力為設(shè)向下的大氣壓力為po，向上的反作用力也為向上的反作用力也為po，附加，附加壓力壓力ps等于零。等于零。s000ppp液面正面圖0p1.1.在平面上在平面上A0spp2.2.在凸面上在凸面上 在液滴球面上在液滴球面上A小圈小圈周圍的周圍的受力情況，受力情況，由于每點(diǎn)兩邊的表面由于每點(diǎn)兩邊的表面張力都與液面相切，大小相等，張力都與液面相切，大小相等，但但不在同一平

17、面上，不在同一平面上，不能相消，不能相消，會產(chǎn)生一個(gè)會產(chǎn)生一個(gè)向下的合力向下的合力。A0psp這合力稱為這合力稱為附加壓力，指向圓心附加壓力，指向圓心所有點(diǎn)產(chǎn)生的合力之和為所有點(diǎn)產(chǎn)生的合力之和為sp球面上受的總壓力為球面上受的總壓力為sp3.3.在凹面上在凹面上0spp這合力稱為這合力稱為附加壓力，指向圓心附加壓力，指向圓心所有點(diǎn)產(chǎn)生的合力之和為所有點(diǎn)產(chǎn)生的合力之和為sp氣泡內(nèi)壁受的總壓力為氣泡內(nèi)壁受的總壓力為Asp0p 在在氣泡內(nèi)壁氣泡內(nèi)壁上上A小圈小圈周圍的周圍的受力情況，受力情況，由于每點(diǎn)兩邊的表由于每點(diǎn)兩邊的表面張力都與面張力都與內(nèi)壁內(nèi)壁相切，大小相相切，大小相等，但等，但不在同一平面

18、上，不在同一平面上，不能不能相消，會產(chǎn)生一個(gè)相消，會產(chǎn)生一個(gè)向圓心的合向圓心的合力力。溶液sp二、Laplace 公式 Laplace公式給出了附加壓力、表面張力與曲率公式給出了附加壓力、表面張力與曲率半徑之間的定量關(guān)系。半徑之間的定量關(guān)系。為簡便起見，只考慮球形為簡便起見，只考慮球形 在毛細(xì)管內(nèi)充滿液體，在毛細(xì)管內(nèi)充滿液體，管端有半徑為管端有半徑為R 的球狀液的球狀液滴與之平衡。滴與之平衡。外壓為外壓為 p0，附加壓力，附加壓力為為 ps ，液滴所受總壓為，液滴所受總壓為0sppR0psp0p0sppR0psp0p 對活塞稍加壓力，將毛對活塞稍加壓力，將毛細(xì)管內(nèi)液體壓出少許細(xì)管內(nèi)液體壓出少許

19、相應(yīng)地其相應(yīng)地其表面積增加表面積增加dA使液滴體積增加使液滴體積增加dV 克服附加壓力克服附加壓力ps所做的所做的功等于可逆增加表面積的功等于可逆增加表面積的Gibbs自由能自由能ssddp VA0sppR0psp0pssddp VAs2pR34 3VR代入24AR2 d4dVRRd8dAR Rssddp VA得這就是這就是Laplace 公式的特殊公式的特殊形式形式s2pR附加壓力附加壓力與液體的表面張力成與液體的表面張力成正比正比為了體現(xiàn)附加壓力的方向?yàn)榱梭w現(xiàn)附加壓力的方向附加壓力附加壓力與球面的曲率半徑成與球面的曲率半徑成反比反比規(guī)定規(guī)定:凸面的曲率半徑取正值凸面的曲率半徑取正值凹面的曲

20、率半徑取負(fù)值凹面的曲率半徑取負(fù)值所以，凸面的附加壓力指向液體，凹面的附加壓力所以，凸面的附加壓力指向液體，凹面的附加壓力指向氣體，指向氣體，即附加壓力總是指向曲面的球心。即附加壓力總是指向曲面的球心。三、毛細(xì)現(xiàn)象三、毛細(xì)現(xiàn)象什么是毛細(xì)現(xiàn)象什么是毛細(xì)現(xiàn)象?當(dāng)把毛細(xì)管插入液體中，管中液面會當(dāng)把毛細(xì)管插入液體中，管中液面會高于或高于或低于管外的平面低于管外的平面 植物依賴毛細(xì)管吸取土壤中的水分和養(yǎng)料植物依賴毛細(xì)管吸取土壤中的水分和養(yǎng)料 在低于飽和蒸氣壓力下，毛細(xì)管中就有液體在低于飽和蒸氣壓力下，毛細(xì)管中就有液體凝聚等凝聚等產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象的原因產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象的原因?在彎曲表面上有附加壓力存在，使彎曲表面在

21、彎曲表面上有附加壓力存在，使彎曲表面的飽和蒸氣壓與平面不同的飽和蒸氣壓與平面不同毛細(xì)現(xiàn)象與哪些因素有關(guān)毛細(xì)現(xiàn)象與哪些因素有關(guān)?主要與液體和毛細(xì)管的性質(zhì)有關(guān)主要與液體和毛細(xì)管的性質(zhì)有關(guān)AHgh0p將潔凈玻璃毛細(xì)管插入汞中將潔凈玻璃毛細(xì)管插入汞中管內(nèi)液面管內(nèi)液面呈凸面呈凸面因?yàn)橥姑嬉驗(yàn)橥姑鍭點(diǎn)處有向下點(diǎn)處有向下的附加壓力，使管內(nèi)汞的附加壓力，使管內(nèi)汞面下降面下降管內(nèi)液面下降后又達(dá)成管內(nèi)液面下降后又達(dá)成了新的平衡了新的平衡h高度的汞柱壓力就等于高度的汞柱壓力就等于附加壓力附加壓力汞液體與管壁的接觸角汞液體與管壁的接觸角大于大于90AHgh0ps2pRgl()ghlgh 忽略管內(nèi)氣體的密度，忽略管內(nèi)氣

22、體的密度，得得l2ghR 代表管內(nèi)氣體代表管內(nèi)氣體和管外液體的密度差和管外液體的密度差gl()當(dāng)把潔凈的玻璃毛細(xì)管插入純水中時(shí)，液面呈凹面當(dāng)把潔凈的玻璃毛細(xì)管插入純水中時(shí)，液面呈凹面并并高于高于管外的水平面管外的水平面凹面凹面B點(diǎn)處有向上的附點(diǎn)處有向上的附加壓力，使加壓力，使B點(diǎn)處壓力點(diǎn)處壓力比平面上小比平面上小管內(nèi)液面上升后又達(dá)成管內(nèi)液面上升后又達(dá)成了新的平衡了新的平衡h高度的水柱壓力就等于高度的水柱壓力就等于附加壓力附加壓力2H O0phB純水與管壁的接觸角小純水與管壁的接觸角小于于902H O0phBs2pRlg()ghlgh忽略管外氣體的密度，忽略管外氣體的密度，得得l2ghR若管外是

23、另一種液體，若管外是另一種液體，則則l,l,2()ghR外內(nèi)gh 代表管內(nèi)液代表管內(nèi)液體和管外氣體的密度差體和管外氣體的密度差lg()2()ghR外內(nèi)gh 根據(jù)這個(gè)公式，從實(shí)驗(yàn)測定毛細(xì)管中液面上根據(jù)這個(gè)公式，從實(shí)驗(yàn)測定毛細(xì)管中液面上升或下降的高度，可以升或下降的高度，可以計(jì)算液體的表面張力計(jì)算液體的表面張力 如果已知表面張力和毛細(xì)管半徑，可以如果已知表面張力和毛細(xì)管半徑，可以預(yù)測預(yù)測液面上升的高度液面上升的高度 植物就是利用這種毛細(xì)管現(xiàn)象，源源不斷地植物就是利用這種毛細(xì)管現(xiàn)象，源源不斷地從土壤中吸取水分和營養(yǎng)從土壤中吸取水分和營養(yǎng) 人們也可利用這種毛細(xì)管現(xiàn)象，人們也可利用這種毛細(xì)管現(xiàn)象，給植物

24、輸液給植物輸液鋤地時(shí)將地表的毛細(xì)管切斷，鋤地時(shí)將地表的毛細(xì)管切斷，達(dá)到保墑的目的達(dá)到保墑的目的曲率半徑與毛細(xì)管半徑的關(guān)系曲率半徑與毛細(xì)管半徑的關(guān)系cosrRcosrR是接觸角，是接觸角，可用實(shí)可用實(shí)驗(yàn)測量驗(yàn)測量0180或時(shí)Rr 考慮到接觸角可以在考慮到接觸角可以在0180變動(dòng)，為了體現(xiàn)附變動(dòng)，為了體現(xiàn)附加壓力的方向，則加壓力的方向，則R與與r之間的一般關(guān)系式為之間的一般關(guān)系式為cosrR s22 cospRr o90當(dāng)s0p cos0 液面在毛細(xì)管中液面在毛細(xì)管中必須下降必須下降h高度高度，系統(tǒng)才能達(dá)，系統(tǒng)才能達(dá)到新的平衡。到新的平衡。毛細(xì)壓力毛細(xì)壓力 當(dāng)毛細(xì)管的半徑很小時(shí)，這種毛細(xì)壓力將是十

25、當(dāng)毛細(xì)管的半徑很小時(shí)，這種毛細(xì)壓力將是十分可觀的。分可觀的。當(dāng)兩片玻璃板之間存在很小的狹縫時(shí)，當(dāng)纖維當(dāng)兩片玻璃板之間存在很小的狹縫時(shí)，當(dāng)纖維之間、土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)之間或潔凈的沙子之間存在之間、土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)之間或潔凈的沙子之間存在狹縫時(shí)，都會產(chǎn)生很大的毛細(xì)壓力。狹縫時(shí)，都會產(chǎn)生很大的毛細(xì)壓力。在毛細(xì)管中產(chǎn)生的這種附加壓力稱為毛細(xì)壓力在毛細(xì)管中產(chǎn)生的這種附加壓力稱為毛細(xì)壓力 用毛細(xì)壓力可以解釋用毛細(xì)壓力可以解釋:受潮的平板玻璃為何很難分開受潮的平板玻璃為何很難分開有的織物用水洗滌后為何會縮水，而有的卻不會有的織物用水洗滌后為何會縮水，而有的卻不會為何細(xì)沙在加少量水后可以做沙雕等為何細(xì)沙在加少量水后

26、可以做沙雕等 9.3 彎曲液面的蒸氣壓彎曲液面的蒸氣壓1.彎曲液面的蒸氣壓彎曲液面的蒸氣壓2.Kelvin 公式的應(yīng)用公式的應(yīng)用一、彎曲液面的蒸氣壓一、彎曲液面的蒸氣壓彎曲液面的蒸氣壓彎曲液面的蒸氣壓當(dāng)該液體分成小液滴時(shí)該液體分成小液滴時(shí),與蒸氣也達(dá)成平衡與蒸氣也達(dá)成平衡,則有則有B0B0(l,)(g,)pp00B(l,)B(g,)p Tp T當(dāng)純液體當(dāng)純液體B的平面液體與蒸氣達(dá)成平衡時(shí)的平面液體與蒸氣達(dá)成平衡時(shí)為平面液體的飽和蒸氣壓為平面液體的飽和蒸氣壓0plrB(l,)B(g,)p Tp Tl0spppBlBr(l,)(g,)pp為小液滴表面所受的壓力為小液滴表面所受的壓力lp為小液滴表面

27、上的飽和蒸氣壓為小液滴表面上的飽和蒸氣壓rp設(shè)氣體為理想氣體，則有設(shè)氣體為理想氣體，則有 在等溫情況下，由于將平面液體分散成小液滴在等溫情況下，由于將平面液體分散成小液滴所引起的壓力改變導(dǎo)致化學(xué)勢的改變?yōu)樗鸬膲毫Ω淖儗?dǎo)致化學(xué)勢的改變?yōu)?BlBrlglg(l,)(g,)dd TTpppppp表示液體表面的壓力表示液體表面的壓力 lprBlBrB(l,)(g,)(g)lnpppRTpgp表示表示與液體平衡的氣體壓力表示表示與液體平衡的氣體壓力 Blmllmlll(l,)(B,l)dd(B,l)dTTpGppVpppBlml(l,)(B,l,)pGp對純液體對純液體B有有 等溫下，摩爾等溫下，摩

28、爾Gibbs自由能隨壓力的變化就等自由能隨壓力的變化就等于液體的摩爾體積，則等式左邊等于于液體的摩爾體積，則等式左邊等于 等式右邊，將氣體（設(shè)為理想氣體）的化學(xué)勢表示等式右邊，將氣體（設(shè)為理想氣體）的化學(xué)勢表示式代入，得式代入，得Bggggg(g,)ddTpRTppppmlgg(B,l)ddRTVppp于是得到于是得到 設(shè)液體的摩爾體積在平面液體分散為小液滴設(shè)液體的摩爾體積在平面液體分散為小液滴的過程中不發(fā)生改變，將上式積分的過程中不發(fā)生改變，將上式積分 rl00mgl(B,l)ddlnppppVpRTp得得rl00m(B,l)()lnppppVRT因?yàn)橐驗(yàn)閘0s2()ppRpm(B,l)(B

29、,l)MV代入上式，整理得代入上式，整理得Kelvin公式公式 r0m2 B,lB,l2()()lnpMpRRVRT 比較同一液體不同曲率半徑的彎曲液面的蒸氣比較同一液體不同曲率半徑的彎曲液面的蒸氣壓的大小，其公式為壓的大小，其公式為 2121211B,l()lnpMpRRRT 對于相同的液體對于相同的液體B，在同一溫度下，影響蒸氣，在同一溫度下，影響蒸氣壓的關(guān)鍵因素是曲率半徑壓的關(guān)鍵因素是曲率半徑 R，液滴半徑越小，其，液滴半徑越小，其蒸氣壓就越大蒸氣壓就越大。這就是這就是KelvinKelvin公式。它指出了彎曲液面的飽和公式。它指出了彎曲液面的飽和蒸氣壓蒸氣壓 與平面上飽和蒸氣壓與平面上

30、飽和蒸氣壓 之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。rp0p21212 (B,l)11lnpMRTpRR Kelvin 公式的這個(gè)形式用得更普遍公式的這個(gè)形式用得更普遍 因?yàn)楫?dāng)因?yàn)楫?dāng)R 0pp 對于小液滴等凸面液體，其附加壓力與蒸氣壓對于小液滴等凸面液體，其附加壓力與蒸氣壓力方向相同，總壓力是兩者加和。力方向相同，總壓力是兩者加和。蒸氣壓與曲率半徑成反比蒸氣壓與曲率半徑成反比 所以，小液滴或小顆粒的蒸氣壓所以，小液滴或小顆粒的蒸氣壓隨曲率半徑的隨曲率半徑的變小而升高。變小而升高。對于凹面液體，由于附加壓力的方向與蒸氣壓對于凹面液體，由于附加壓力的方向與蒸氣壓剛好相反，這樣使得凹面上的總壓力小于平面液體剛好相反

31、，這樣使得凹面上的總壓力小于平面液體上的壓力，即附加壓力為負(fù)值上的壓力，即附加壓力為負(fù)值 則表示凹面液體與平面液體蒸氣壓的定量關(guān)系則表示凹面液體與平面液體蒸氣壓的定量關(guān)系的的Kelvin公式為公式為 l0s2()ppRp r0m22(B,l)(B,l)lnpMpRRVRT 蒸氣泡的半徑越小，或毛細(xì)管中彎月面的曲率蒸氣泡的半徑越小，或毛細(xì)管中彎月面的曲率半徑越小，則凹面上的蒸氣壓就越低。半徑越小，則凹面上的蒸氣壓就越低。二、Kelvin 公式的應(yīng)用(1)過飽和蒸氣過飽和蒸氣 如果將半徑不等的液滴置于同一真空的玻璃鐘如果將半徑不等的液滴置于同一真空的玻璃鐘罩內(nèi)，若干時(shí)間后，就會發(fā)現(xiàn)小液滴不見了。罩

32、內(nèi)，若干時(shí)間后，就會發(fā)現(xiàn)小液滴不見了。當(dāng)云層中有充沛的水蒸氣，水的飽和蒸氣壓已當(dāng)云層中有充沛的水蒸氣，水的飽和蒸氣壓已是平面液體蒸氣壓的是平面液體蒸氣壓的4倍以上，可是不一定有雨滴凝倍以上，可是不一定有雨滴凝聚落下。聚落下。如果在水蒸氣過飽和的云層中，用飛機(jī)或火箭如果在水蒸氣過飽和的云層中，用飛機(jī)或火箭把干冰、把干冰、AgI（s）或硅藻土等物質(zhì)撒進(jìn)去，提供凝）或硅藻土等物質(zhì)撒進(jìn)去，提供凝聚中心，這時(shí)水蒸氣很快會凝聚在固體粒子周圍形聚中心，這時(shí)水蒸氣很快會凝聚在固體粒子周圍形成雨滴落下，這就是人工降雨（或稱為人工增雨）成雨滴落下，這就是人工降雨（或稱為人工增雨）。(2)過飽和溶液過飽和溶液 將將

33、Kelvin 公式作適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換，得公式作適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換，得 對小顆粒，使用對小顆粒，使用Henry定律定律pkcl-s2121211(s)B,s()lnMccRRRT 小顆粒的蒸氣壓小顆粒的蒸氣壓隨曲率半徑的下降而升高，隨曲率半徑的下降而升高，則則其飽和溶解度其飽和溶解度也隨曲率半徑的下降而升高。也隨曲率半徑的下降而升高。這可以解釋定量分析中為什么要有個(gè)這可以解釋定量分析中為什么要有個(gè)“陳化陳化”過程，以及結(jié)晶過程中過程，以及結(jié)晶過程中加加“晶種晶種”的作用。的作用。(3)過熱液體過熱液體 有機(jī)蒸餾時(shí)，溫度計(jì)指示液體已到達(dá)通常所說的有機(jī)蒸餾時(shí)，溫度計(jì)指示液體已到達(dá)通常所說的沸點(diǎn)，但卻看不出有沸騰的

34、現(xiàn)象，于是繼續(xù)加熱，突沸點(diǎn)，但卻看不出有沸騰的現(xiàn)象，于是繼續(xù)加熱，突然液體夾著氣泡一起上沖，這就是暴沸現(xiàn)象。然液體夾著氣泡一起上沖，這就是暴沸現(xiàn)象。如果在蒸餾前加入適量沸石（多孔硅鋁酸鹽），如果在蒸餾前加入適量沸石（多孔硅鋁酸鹽），儲存在沸石小孔中的空氣在加熱時(shí)放出，作為蒸餾時(shí)儲存在沸石小孔中的空氣在加熱時(shí)放出，作為蒸餾時(shí)的成泡中心，可以防止暴沸。的成泡中心，可以防止暴沸。用素?zé)善蛉舾梢活^封口的玻璃毛細(xì)管也能起用素?zé)善蛉舾梢活^封口的玻璃毛細(xì)管也能起到沸石相同的作用。到沸石相同的作用。(4)過冷液體過冷液體 在凝固點(diǎn)溫度時(shí)，液體與固體的蒸氣壓相等，在凝固點(diǎn)溫度時(shí)，液體與固體的蒸氣壓相等，

35、純的物質(zhì)在兩相中的化學(xué)勢相等，才能達(dá)成液純的物質(zhì)在兩相中的化學(xué)勢相等，才能達(dá)成液-固兩固兩相平衡。相平衡。形成過冷水是由于剛開始形成的冰晶很小，據(jù)形成過冷水是由于剛開始形成的冰晶很小，據(jù)Kelvin公式，小冰晶對應(yīng)的飽和蒸氣壓比同溫下大冰公式，小冰晶對應(yīng)的飽和蒸氣壓比同溫下大冰塊的蒸氣壓大，所以小冰晶在凝固點(diǎn)溫度下不能形成塊的蒸氣壓大，所以小冰晶在凝固點(diǎn)溫度下不能形成。過冷水是不穩(wěn)定的，一旦有灰塵、受到振動(dòng)或摩過冷水是不穩(wěn)定的，一旦有灰塵、受到振動(dòng)或摩擦器壁，過冷水馬上就會結(jié)成冰。擦器壁，過冷水馬上就會結(jié)成冰。(5)毛細(xì)凝聚毛細(xì)凝聚 固體催化劑都具有很大的表面積和大量的孔腔固體催化劑都具有很大

36、的表面積和大量的孔腔或孔道，如果被吸附的物質(zhì)能潤濕固體，則這種液或孔道，如果被吸附的物質(zhì)能潤濕固體，則這種液體在固體孔道中就形成凹面。體在固體孔道中就形成凹面。由于凹面上有附加壓力，凹面上的蒸氣壓小于平由于凹面上有附加壓力，凹面上的蒸氣壓小于平面上的蒸氣壓。面上的蒸氣壓。在相同溫度下，蒸氣在平面上尚未飽和，但在凹在相同溫度下，蒸氣在平面上尚未飽和，但在凹面上卻已經(jīng)飽和，于是就凝聚下來，稱為毛細(xì)凝聚。面上卻已經(jīng)飽和，于是就凝聚下來，稱為毛細(xì)凝聚。在用在用BET方法測定催化劑比表面時(shí)，要控制比壓方法測定催化劑比表面時(shí)，要控制比壓在在0.3以下，以避免毛細(xì)凝聚發(fā)生。以下，以避免毛細(xì)凝聚發(fā)生。9.4

37、溶液的表面吸附溶液的表面吸附1.表面活性物質(zhì)和非表面活性物質(zhì)表面活性物質(zhì)和非表面活性物質(zhì)2.Gibbs 吸附等溫式吸附等溫式3.分子在界面上的定向排列分子在界面上的定向排列一、表面活性物質(zhì)與非表面活性物質(zhì)一、表面活性物質(zhì)與非表面活性物質(zhì) 當(dāng)純水中加入溶質(zhì)當(dāng)純水中加入溶質(zhì),溶液的表面張力會發(fā)生變化溶液的表面張力會發(fā)生變化,幾種類型如圖所示幾種類型如圖所示:(1)(3)c(1)(1)非表面活性物質(zhì)非表面活性物質(zhì) 加入后加入后,能使水的能使水的表表面張力明顯升高面張力明顯升高,如曲線如曲線(1)(1)所示。所示。無機(jī)鹽和不揮發(fā)的無機(jī)鹽和不揮發(fā)的酸、堿等屬于這一類。酸、堿等屬于這一類。(2)泉水或井水

38、因?yàn)楹蚓驗(yàn)楹V物質(zhì)多，故表面張力大礦物質(zhì)多，故表面張力大。(1)(3)c(2)(2)(2)表面活性物質(zhì)表面活性物質(zhì) 加入后，能使水的加入后，能使水的表面張力降低，表面張力降低，如曲線如曲線(2)(2)所示。所示。如碳鏈較短的脂肪如碳鏈較短的脂肪酸、醇、酮、醛、胺等酸、醇、酮、醛、胺等有機(jī)化合物。有機(jī)化合物。(1)(3)c(2)(3)(3)表面活性劑表面活性劑 加入加入少量少量后，能使后，能使水的水的表面張力顯著降低表面張力顯著降低 在轉(zhuǎn)折處由于雜質(zhì)在轉(zhuǎn)折處由于雜質(zhì)的影響有時(shí)會出現(xiàn)表面的影響有時(shí)會出現(xiàn)表面張力的極小值。張力的極小值。碳?xì)滏溨泻刑細(xì)滏溨泻?個(gè)個(gè)碳以上的有機(jī)酸的各種碳以

39、上的有機(jī)酸的各種鹽都屬于表面活性劑鹽都屬于表面活性劑。表面活性劑的分子中都含有一個(gè)親水基團(tuán)和一表面活性劑的分子中都含有一個(gè)親水基團(tuán)和一個(gè)疏水（親油）基團(tuán)，這種分子稱為兩親分子。個(gè)疏水（親油）基團(tuán)，這種分子稱為兩親分子。當(dāng)表面活性劑溶于水中后，親水基團(tuán)趨向于當(dāng)表面活性劑溶于水中后，親水基團(tuán)趨向于進(jìn)入水中，而疏水的碳?xì)滏溒髨D逃離水面，所以進(jìn)入水中，而疏水的碳?xì)滏溒髨D逃離水面，所以在濃度不太大時(shí)一般都定向排列在水面上。在濃度不太大時(shí)一般都定向排列在水面上。還有一類物質(zhì)雖然不一定能降低水的表面張力，還有一類物質(zhì)雖然不一定能降低水的表面張力，但是能明顯改變兩種物質(zhì)的界面性質(zhì)，如潤濕劑、但是能明顯改變兩種

40、物質(zhì)的界面性質(zhì)，如潤濕劑、乳化劑、破乳劑、起泡劑和洗滌劑等也都稱為表面乳化劑、破乳劑、起泡劑和洗滌劑等也都稱為表面活性劑?；钚詣?。二、二、Gibbs 吸附等溫式吸附等溫式 Gibbs用熱力學(xué)方法，求得用熱力學(xué)方法，求得在定溫下溶液濃度、在定溫下溶液濃度、表面張力與吸附量之間的定量關(guān)系的微分方程表面張力與吸附量之間的定量關(guān)系的微分方程，稱為，稱為Gibbs吸附等溫式。吸附等溫式。即即BBBTaRTa 或或BBBTcRTc BB,ac分別是溶質(zhì)分別是溶質(zhì)B的活度和濃度的活度和濃度B是溶質(zhì)是溶質(zhì)B的的表面超額表面超額（或表面超量、表面過剩（或表面超量、表面過剩）表面超額的物理意義是：表面超額的物理意

41、義是：在單位面積的表面層中，所含溶質(zhì)的物質(zhì)的量在單位面積的表面層中，所含溶質(zhì)的物質(zhì)的量與具有相同數(shù)量溶劑的本體溶液中所含溶質(zhì)的物質(zhì)與具有相同數(shù)量溶劑的本體溶液中所含溶質(zhì)的物質(zhì)的量之差值的量之差值。表面超額的單位：表面超額的單位：2mol m 表面超額的值表面超額的值可以是正值可以是正值，即表面濃度大，即表面濃度大于本體濃度。加入表面活性劑時(shí)是如此。于本體濃度。加入表面活性劑時(shí)是如此。表面超額的值表面超額的值可以是負(fù)值可以是負(fù)值，即表面濃度小，即表面濃度小于本體濃度。加入非表面活性劑時(shí)是如此。于本體濃度。加入非表面活性劑時(shí)是如此。（1）增加溶質(zhì)增加溶質(zhì)B的濃度使表面張力下降，的濃度使表面張力下降

42、，表面超額表面超額為正值，是正吸附為正值，是正吸附。表面層中溶質(zhì)濃度大于本體濃。表面層中溶質(zhì)濃度大于本體濃度。表面活性物質(zhì)屬于這種情況。度。表面活性物質(zhì)屬于這種情況。B0 TcB0（2）增加溶質(zhì)增加溶質(zhì)B的濃度使表面張力上升，的濃度使表面張力上升，表面超額表面超額為負(fù)值，是負(fù)吸附為負(fù)值，是負(fù)吸附。表面層中溶質(zhì)濃度小于本體濃。表面層中溶質(zhì)濃度小于本體濃度。非表面活性物質(zhì)屬于這種情況。度。非表面活性物質(zhì)屬于這種情況。B0 TcB0三、分子在界面上的定向排列三、分子在界面上的定向排列表面活性劑分子是兩親分子，具有表面活性劑分子是兩親分子，具有親水和親油基團(tuán)親水和親油基團(tuán)親水基團(tuán)進(jìn)入水中，親水基團(tuán)進(jìn)入

43、水中，親親油基團(tuán)朝向空氣油基團(tuán)朝向空氣表面活性劑分子在溶液表面表面活性劑分子在溶液表面定向排列定向排列溶液表面溶液表面碳?xì)滏溙細(xì)滏渃表面超額是表面超額是正值正值表面超額表面超額隨濃度增加而遞增隨濃度增加而遞增如曲線前半段所示如曲線前半段所示B 當(dāng)表面吸附達(dá)飽和，當(dāng)表面吸附達(dá)飽和，表面超額為極大值表面超額為極大值如曲線后半段所示如曲線后半段所示m m 稱為稱為飽和吸附量飽和吸附量實(shí)驗(yàn)測定飽和吸附量，可實(shí)驗(yàn)測定飽和吸附量，可計(jì)算活性劑計(jì)算活性劑分子的截面積分子的截面積s ALm1 9.5 表面膜表面膜1.表面壓表面壓2.不溶性單分子膜不溶性單分子膜3.生物雙分子層膜生物雙分子層膜一、表面壓一、表面

44、壓(a)在純水面上的木棍因兩邊張力相同而靜止不動(dòng)在純水面上的木棍因兩邊張力相同而靜止不動(dòng)(a)(b)在右邊加活性劑，木棍兩邊張力不等而向左移動(dòng)在右邊加活性劑，木棍兩邊張力不等而向左移動(dòng)*2 H O2 H O2 H O 溶液*(b)2 H O 溶液*純水與表面活性劑溶液的純水與表面活性劑溶液的表表面張力的差值稱為表面壓面張力的差值稱為表面壓表面壓可用表面壓可用Langmuir天平天平測量測量Langmuir天平天平的示意圖的示意圖表面壓的單位與表面張力相表面壓的單位與表面張力相同同在表面活性劑濃度不高時(shí)在表面活性劑濃度不高時(shí),溶液表面如二維理想氣體溶液表面如二維理想氣體s AkT或或 s An

45、RTs,AA分別為一個(gè)和總的表面活性分子的截面積分別為一個(gè)和總的表面活性分子的截面積s n是界面上表面活性分子的物質(zhì)的量是界面上表面活性分子的物質(zhì)的量1N m 在生物化學(xué)中，常用來計(jì)算蛋白質(zhì)分子的摩爾在生物化學(xué)中，常用來計(jì)算蛋白質(zhì)分子的摩爾質(zhì)量，即利用蛋白質(zhì)所形成的單分子膜，用膜天平質(zhì)量，即利用蛋白質(zhì)所形成的單分子膜，用膜天平測定表面壓，就可用下式進(jìn)行計(jì)算測定表面壓，就可用下式進(jìn)行計(jì)算BBmARTM二、不溶性單分子膜二、不溶性單分子膜 微溶或難溶物質(zhì)在液體表面自動(dòng)擴(kuò)展，形成微溶或難溶物質(zhì)在液體表面自動(dòng)擴(kuò)展，形成一一個(gè)分子厚度的膜個(gè)分子厚度的膜，稱為不溶性單分子膜。，稱為不溶性單分子膜。不溶性單

46、分子膜的應(yīng)用不溶性單分子膜的應(yīng)用覆蓋在湖泊、水庫表面，可減緩水分蒸發(fā)覆蓋在湖泊、水庫表面，可減緩水分蒸發(fā)覆蓋在沙漠表面，可起到抗旱保苗的作用覆蓋在沙漠表面，可起到抗旱保苗的作用將單分子膜進(jìn)行各種疊加，制備不同的將單分子膜進(jìn)行各種疊加，制備不同的L-B膜膜L-B膜膜 Langmuir 和他的學(xué)生和他的學(xué)生Blodgett女士將不溶性表面女士將不溶性表面膜轉(zhuǎn)移到固體基質(zhì)上，進(jìn)行不同的疊加，形成多分膜轉(zhuǎn)移到固體基質(zhì)上，進(jìn)行不同的疊加，形成多分子膜，稱為子膜，稱為L-B膜。膜。L-B膜的特點(diǎn)是分子排列比較規(guī)整，是各向異膜的特點(diǎn)是分子排列比較規(guī)整，是各向異性的層狀結(jié)構(gòu)，膜的厚度可以控制在納米級。性的層狀

47、結(jié)構(gòu)，膜的厚度可以控制在納米級。L-B膜可以用來制備化學(xué)模擬生物膜、仿生生膜可以用來制備化學(xué)模擬生物膜、仿生生物分子功能材料、光電轉(zhuǎn)化器件、非線性的光學(xué)器物分子功能材料、光電轉(zhuǎn)化器件、非線性的光學(xué)器件、生物和化學(xué)傳感器等，在醫(yī)學(xué)中可用于病理、件、生物和化學(xué)傳感器等，在醫(yī)學(xué)中可用于病理、藥理和臨床診斷的研究和制備抗腫瘤藥物等。藥理和臨床診斷的研究和制備抗腫瘤藥物等。幾種幾種L-B膜示意圖膜示意圖固體基質(zhì)單層膜單層膜固體基質(zhì)多層膜多層膜(1)固體基質(zhì)多層膜多層膜(2)幾種幾種L-B膜示意圖膜示意圖三、生物雙分子層膜三、生物雙分子層膜 生物膜通常是指細(xì)胞的表面膜和內(nèi)膜系統(tǒng)。表面生物膜通常是指細(xì)胞的表

48、面膜和內(nèi)膜系統(tǒng)。表面膜將細(xì)胞的內(nèi)外隔開，厚度為膜將細(xì)胞的內(nèi)外隔開，厚度為610 nm。目前較公認(rèn)的生物膜的結(jié)構(gòu)是雙分子層膜的形式目前較公認(rèn)的生物膜的結(jié)構(gòu)是雙分子層膜的形式 構(gòu)成雙分子層膜的構(gòu)成雙分子層膜的基本單元是類脂分子?；締卧穷愔肿?。如果是作為細(xì)胞表面膜，則極性基團(tuán)一面對著細(xì)如果是作為細(xì)胞表面膜，則極性基團(tuán)一面對著細(xì)胞膜外，一面對著細(xì)胞膜內(nèi)，都處在細(xì)胞內(nèi)外的電解胞膜外，一面對著細(xì)胞膜內(nèi)，都處在細(xì)胞內(nèi)外的電解質(zhì)溶液中。質(zhì)溶液中。它是典型的兩親分子，它是典型的兩親分子，極性基團(tuán)一致對外。極性基團(tuán)一致對外。雙分子層的中間是由兩排碳?xì)滏溄M成的疏水雙分子層的中間是由兩排碳?xì)滏溄M成的疏水區(qū)，它對

49、通過該膜層的物質(zhì)有高度的選擇性。區(qū)，它對通過該膜層的物質(zhì)有高度的選擇性。雙分子層膜上的塊雙分子層膜上的塊狀物是蛋白質(zhì)。狀物是蛋白質(zhì)?？孔陨淼氖杷c雙分子層中的疏水部分相互作靠自身的疏水基與雙分子層中的疏水部分相互作用，緊密結(jié)合的蛋白質(zhì)稱為內(nèi)在蛋白。用，緊密結(jié)合的蛋白質(zhì)稱為內(nèi)在蛋白。與雙分子層膜之間靠與雙分子層膜之間靠靜電引力松散結(jié)合的蛋白靜電引力松散結(jié)合的蛋白質(zhì)稱為外周蛋白。質(zhì)稱為外周蛋白。內(nèi)在蛋白可以將離子或小分子物質(zhì)進(jìn)行跨膜運(yùn)送，內(nèi)在蛋白可以將離子或小分子物質(zhì)進(jìn)行跨膜運(yùn)送，功能非常專一，有選擇性，故稱為活性傳輸。功能非常專一，有選擇性，故稱為活性傳輸。以活性傳輸來維持細(xì)胞膜內(nèi)外離子濃度梯

50、度，以活性傳輸來維持細(xì)胞膜內(nèi)外離子濃度梯度，維持一定的膜電勢，從而維持生命。維持一定的膜電勢，從而維持生命。9.6 鋪展與潤濕鋪展與潤濕1.鋪展鋪展2.接觸角接觸角3.潤濕作用潤濕作用一、鋪展一、鋪展 鋪展是指一種液體能否在另一種不相互溶的液體鋪展是指一種液體能否在另一種不相互溶的液體表面鋪展開來，即一種液體能否占領(lǐng)另一種不互溶液表面鋪展開來，即一種液體能否占領(lǐng)另一種不互溶液體的表面。體的表面。一般說，鋪展后，一般說，鋪展后，表面自由能下降表面自由能下降，則這種鋪展，則這種鋪展是自發(fā)的是自發(fā)的。大多數(shù)表面自由能較低的有機(jī)物可以在表面自由大多數(shù)表面自由能較低的有機(jī)物可以在表面自由能較高的水面上鋪

51、展。能較高的水面上鋪展。一種液體能否在另一種不互溶的液體上鋪展，取決一種液體能否在另一種不互溶的液體上鋪展，取決于于兩種液體本身的表面張力和兩種液體之間的界面張力。兩種液體本身的表面張力和兩種液體之間的界面張力。液體液體1 1的表面張力為的表面張力為1 液體液體2 2的表面張力為的表面張力為2 2 兩種液體的界面張力為兩種液體的界面張力為1,2 1,2 液體液體2 2能否在液體能否在液體1 1面上鋪展面上鋪展,取決于取決于鋪展前后鋪展前后界面張力的改變界面張力的改變21,21 不能鋪展不能鋪展1 二、接觸角二、接觸角 在氣、液、固三相交界點(diǎn)，氣在氣、液、固三相交界點(diǎn)，氣-液與液液與液-固界面張

52、固界面張力之間的夾角稱為接觸角，通常用力之間的夾角稱為接觸角，通常用表示。表示。若接觸角大于若接觸角大于9090，說明液體不能潤濕固體，如，說明液體不能潤濕固體，如汞在玻璃表面；汞在玻璃表面；若接觸角小于若接觸角小于9090，液體能潤濕固體，如水在潔，液體能潤濕固體，如水在潔凈的玻璃表面。凈的玻璃表面。接觸角的大小可以接觸角的大小可以用實(shí)驗(yàn)測量，也可以用用實(shí)驗(yàn)測量，也可以用公式計(jì)算公式計(jì)算s-gs-ll-gcos接觸角接觸角三、潤濕作用三、潤濕作用 液體能液體能自發(fā)占領(lǐng)固體表面自發(fā)占領(lǐng)固體表面，把固體表面掩蓋起來，把固體表面掩蓋起來，稱之為液體能潤濕固體，反之，則不能。稱之為液體能潤濕固體，反

53、之，則不能。液體能否潤濕固體取決于三個(gè)表面張力的相對大小。液體能否潤濕固體取決于三個(gè)表面張力的相對大小。s-gs-ll-gcosHgs-ll-gs-g90不能潤濕不能潤濕90能潤濕能潤濕潤濕作用潤濕作用液體s-ll-gs-g完全不潤濕完全不潤濕 不潤濕不潤濕 能潤濕能潤濕 完全潤濕完全潤濕 液體能自發(fā)占領(lǐng)固體的表面，把固體表面覆蓋起液體能自發(fā)占領(lǐng)固體的表面，把固體表面覆蓋起來，這種行為稱為液體能潤濕固體。來，這種行為稱為液體能潤濕固體。如果要制造防水材料，就要在物體表面涂憎如果要制造防水材料，就要在物體表面涂憎水的表面活性劑，使接觸角大于水的表面活性劑，使接觸角大于9090。o90o90液體不

54、能潤濕固體，接觸角越大，越液體不能潤濕固體，接觸角越大，越不能潤濕。當(dāng)不能潤濕。當(dāng) ，完全不潤濕，完全不潤濕o=180液體能潤濕固體，接觸角越小，潤濕液體能潤濕固體，接觸角越小，潤濕得越好。當(dāng)?shù)迷胶?。?dāng) ，完全潤濕，完全潤濕o=0 表面活性劑表面活性劑可以降低液體表面張力，可以降低液體表面張力，改變接改變接觸角觸角的大小，從而達(dá)到所需的目的。的大小，從而達(dá)到所需的目的。天然棉花纖維的表面也有不被水潤濕的天然棉花纖維的表面也有不被水潤濕的“脂脂”，制藥棉時(shí)必須把這種制藥棉時(shí)必須把這種“脂脂”脫掉，才能成為脫脂棉。脫掉，才能成為脫脂棉。如果要制造防水材料，就要在物體表面涂憎水如果要制造防水材料，就

55、要在物體表面涂憎水的表面活性劑，使接觸角大于的表面活性劑，使接觸角大于9090。研究潤濕作用的用處研究潤濕作用的用處 例如，要農(nóng)藥潤濕帶蠟的植物表面，要在農(nóng)例如，要農(nóng)藥潤濕帶蠟的植物表面，要在農(nóng)藥中加表面活性劑，使接觸角變小。藥中加表面活性劑，使接觸角變小。棉花纖維在紡織、印染過程中，也要經(jīng)歷脫脂棉花纖維在紡織、印染過程中，也要經(jīng)歷脫脂過程，才能使染料很好地附在棉花纖維上。過程，才能使染料很好地附在棉花纖維上。9.7 表面活性劑及其作用表面活性劑及其作用1.表面活性劑的分類表面活性劑的分類2.膠束和臨界膠束濃度膠束和臨界膠束濃度3.親水親水-親油平衡親油平衡4.表面活性劑的作用表面活性劑的作用

56、一、表面活性劑的分類一、表面活性劑的分類表面活性劑的分類表面活性劑的分類 表面活性劑通常采用按化學(xué)結(jié)構(gòu)來分類，分表面活性劑通常采用按化學(xué)結(jié)構(gòu)來分類，分為為離子型和非離子型兩大類。離子型和非離子型兩大類。顯然陽離子型和陰離子型的表面活性劑不能顯然陽離子型和陰離子型的表面活性劑不能混用，否則可能會發(fā)生沉淀而失去活性作用?；煊茫駝t可能會發(fā)生沉淀而失去活性作用。離子型中又可分為離子型中又可分為陽離子型、陰離子型和兩陽離子型、陰離子型和兩性型性型表面活性劑。表面活性劑。表面活性劑的分類表面活性劑的分類1.離子型2.非離子型陽離子型陰離子型兩性型表面活性劑陰離子型陰離子型+15311531C H COO

57、NaC H COONa 陽離子型陽離子型1633316333C HNH ClC HNHCl 兩性型兩性型 CH3|R-N+-CH2COONa|CH3 CH3|R-N+-CH2COO-+Na+|CH3二、膠束和臨界膠束濃度二、膠束和臨界膠束濃度 表面活性劑表面活性劑分子分子是兩親分子。溶解在水中達(dá)是兩親分子。溶解在水中達(dá)一定濃度時(shí)，其非極性部分會自相結(jié)合，形成聚一定濃度時(shí)，其非極性部分會自相結(jié)合，形成聚集體，使憎水基向里、親水基向外集體，使憎水基向里、親水基向外。隨著親水基不同和濃度不同，形成的膠束可呈隨著親水基不同和濃度不同，形成的膠束可呈現(xiàn)現(xiàn)棒狀棒狀、層狀或球狀等層狀或球狀等多種形狀。多種形

58、狀。這種多分子聚集體稱為膠束。這種多分子聚集體稱為膠束。臨界膠束濃度臨界膠束濃度(critical micelle concentration)簡稱簡稱 CMC 表面活性劑在水中隨著濃度增大，表面上聚集表面活性劑在水中隨著濃度增大，表面上聚集的活性劑分子形成的活性劑分子形成定向排列的緊密單分子層定向排列的緊密單分子層。多余的分子在體相內(nèi)部也三三兩兩的以憎水基多余的分子在體相內(nèi)部也三三兩兩的以憎水基互相靠攏，聚集在一起形成膠束互相靠攏，聚集在一起形成膠束。這種開始這種開始形成膠束的最低濃度稱為臨界膠束濃度形成膠束的最低濃度稱為臨界膠束濃度。這時(shí)溶液性質(zhì)與理想性質(zhì)發(fā)生偏離，繼續(xù)增加活性這時(shí)溶液性質(zhì)

59、與理想性質(zhì)發(fā)生偏離，繼續(xù)增加活性劑濃度，表面張力不再降低，而膠束不斷增多、增大。劑濃度，表面張力不再降低，而膠束不斷增多、增大。膠束和臨界膠束濃度膠束和臨界膠束濃度活性劑濃度低于活性劑濃度低于CMC小型膠束活性劑濃度等于活性劑濃度等于CMC層狀膠束 活性劑濃度大于活性劑濃度大于CMC膠束膠束三、親水三、親水-親油平衡親油平衡 表面活性劑都是兩親分子，由于親水和親油表面活性劑都是兩親分子，由于親水和親油基團(tuán)的不同，很難用相同的單位來衡量基團(tuán)的不同，很難用相同的單位來衡量HLB值=親水基質(zhì)量親水基質(zhì)量+憎水基質(zhì)量100/5對非離子型的表面活性劑，對非離子型的表面活性劑，HLB的計(jì)算公式為的計(jì)算公式

60、為 Griffin提出了提出了用一個(gè)相對的值即用一個(gè)相對的值即HLB值來表示值來表示表面活性物質(zhì)的親水性表面活性物質(zhì)的親水性HLB值=親水基質(zhì)量親水基質(zhì)量+憎水基質(zhì)量100/5例如：例如：石石蠟無親水基，所以 HLB=0 聚乙二醇聚乙二醇，全部是親水基，HLB=20其余非離子型表面活性劑的其余非離子型表面活性劑的HLB值值為為020。HLB值 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20|石蠟 W/O乳化劑 潤濕劑 洗滌劑 增溶劑|聚乙二醇 O/W乳化劑例如：例如：HLB值值為為26，作油包水型的乳化劑；，作油包水型的乳化劑；810，作潤濕劑；作潤濕劑；1218，作為水包油型乳化劑作

61、為水包油型乳化劑。四、表面活性劑的作用四、表面活性劑的作用 表面活性劑的用途極廣，主要有五個(gè)方面：表面活性劑的用途極廣，主要有五個(gè)方面：1 1.潤濕作用潤濕作用 表面活性劑可以降低液體表面張力，改變接表面活性劑可以降低液體表面張力，改變接觸角的大小，從而達(dá)到所需的目的。觸角的大小，從而達(dá)到所需的目的。例如，要農(nóng)藥潤濕帶蠟質(zhì)物的植物表面，要在例如，要農(nóng)藥潤濕帶蠟質(zhì)物的植物表面，要在農(nóng)藥中加表面活性劑。農(nóng)藥中加表面活性劑。如果要制造防水材料，就要在表面涂憎水的如果要制造防水材料，就要在表面涂憎水的表面活性劑，使接觸角大于表面活性劑，使接觸角大于9090。泡泡水礦物浮游選礦的原理圖浮游選礦的原理圖

62、選擇合適的捕集劑，選擇合適的捕集劑，使它的親水基團(tuán)只吸在礦使它的親水基團(tuán)只吸在礦砂的表面，憎水基朝向水。砂的表面，憎水基朝向水。當(dāng)?shù)V砂表面有當(dāng)?shù)V砂表面有5%被捕被捕集劑覆蓋時(shí)，就使表面產(chǎn)集劑覆蓋時(shí)，就使表面產(chǎn)生憎水性，它會附在氣泡生憎水性，它會附在氣泡上一起升到液面，便于收上一起升到液面，便于收集。集。有用礦物廢礦石憎水表面潤濕劑的其他用處潤濕劑的其他用處 潤濕劑和疏水劑在醫(yī)藥、輸運(yùn)、電焊和電鍍等潤濕劑和疏水劑在醫(yī)藥、輸運(yùn)、電焊和電鍍等方面還有很多用處。方面還有很多用處。要將放置液體藥物的安瓿瓶以及針劑管的玻璃要將放置液體藥物的安瓿瓶以及針劑管的玻璃內(nèi)壁進(jìn)行疏水化，保證藥物能全部被利用，否則有

63、內(nèi)壁進(jìn)行疏水化，保證藥物能全部被利用，否則有部分藥物粘附在玻璃內(nèi)壁既造成藥物浪費(fèi)，又可能部分藥物粘附在玻璃內(nèi)壁既造成藥物浪費(fèi)，又可能造成劑量不準(zhǔn)。造成劑量不準(zhǔn)。潤濕劑的其他用處潤濕劑的其他用處 在醫(yī)藥的外用軟膏中要加入能潤濕帶油脂皮膚在醫(yī)藥的外用軟膏中要加入能潤濕帶油脂皮膚的活性劑，既要不污染織物，容易清洗，又要能很的活性劑，既要不污染織物，容易清洗，又要能很好地潤濕皮膚使藥物鋪展均勻。好地潤濕皮膚使藥物鋪展均勻。要將輸油管的內(nèi)壁親水化，使石油與管壁的接要將輸油管的內(nèi)壁親水化，使石油與管壁的接觸角大于觸角大于90，以降低輸運(yùn)阻力，節(jié)約動(dòng)力能源。，以降低輸運(yùn)阻力，節(jié)約動(dòng)力能源。要將熱交換器的內(nèi)壁

64、疏水化，使水與管壁的接觸要將熱交換器的內(nèi)壁疏水化，使水與管壁的接觸角大于角大于90，既可以降低流動(dòng)阻力又可以提高熱效。，既可以降低流動(dòng)阻力又可以提高熱效。在電焊、電鍍、印刷和涂料中都要加一定的潤在電焊、電鍍、印刷和涂料中都要加一定的潤濕劑，以保證界面之間結(jié)合得比較牢固。濕劑，以保證界面之間結(jié)合得比較牢固。2.起泡作用起泡作用 泡主要指氣相分散在液相中的泡沫，這種泡是泡主要指氣相分散在液相中的泡沫，這種泡是由含有表面活性劑的液相薄膜包裹著氣體形成的。由含有表面活性劑的液相薄膜包裹著氣體形成的。起泡劑一方面可降低水的表面張力，另一方面起泡劑一方面可降低水的表面張力，另一方面可使形成的氣泡膜有一定的

65、機(jī)械強(qiáng)度和彈性。可使形成的氣泡膜有一定的機(jī)械強(qiáng)度和彈性。起泡劑分子作定向排起泡劑分子作定向排列，形成泡膜。膜內(nèi)包含列，形成泡膜。膜內(nèi)包含少量水分，使膜具有一定少量水分，使膜具有一定的黏度和強(qiáng)度。的黏度和強(qiáng)度。起泡劑可用于浮游選礦、起泡劑可用于浮游選礦、泡沫滅火、洗滌等方面。泡沫滅火、洗滌等方面。2.起泡作用起泡作用 在制糖、制中藥過程中，如果泡沫太多，要在制糖、制中藥過程中，如果泡沫太多，要加入適當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣┮越档捅∧?qiáng)度，消除氣加入適當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣┮越档捅∧?qiáng)度，消除氣泡，防止事故的發(fā)生。泡，防止事故的發(fā)生。消泡劑也是表面活性劑，它主要是降低氣泡膜消泡劑也是表面活性劑，它主要是降低氣泡膜的

66、強(qiáng)度，使膜內(nèi)的液體流失，造成氣泡膜變薄或破的強(qiáng)度，使膜內(nèi)的液體流失，造成氣泡膜變薄或破裂，達(dá)到消泡的目的。裂，達(dá)到消泡的目的。3.增溶作用增溶作用 非極性有機(jī)物如苯在水中溶解度很小，加入油酸非極性有機(jī)物如苯在水中溶解度很小，加入油酸鈉等表面活性劑后，苯在水中的溶解度大大增加，這鈉等表面活性劑后，苯在水中的溶解度大大增加，這稱為增溶作用。稱為增溶作用。增溶作用與溶解不同，增溶的苯不是均勻分散增溶作用與溶解不同，增溶的苯不是均勻分散在水中，而是分散在油酸根分子形成的膠束中。在水中，而是分散在油酸根分子形成的膠束中。經(jīng)經(jīng)X 射線衍射證實(shí)，增溶后各種膠束都有不射線衍射證實(shí)，增溶后各種膠束都有不同程度的增大，而整個(gè)溶液的的依數(shù)性變化不大。同程度的增大，而整個(gè)溶液的的依數(shù)性變化不大。增溶必須在臨界膠束濃度以上才能發(fā)生，增溶增溶必須在臨界膠束濃度以上才能發(fā)生，增溶后的溶液仍然保持透明的均相狀態(tài)。后的溶液仍然保持透明的均相狀態(tài)。3.增溶作用增溶作用對于不同的溶質(zhì)和膠束，它們增溶的機(jī)理是不同的對于不同的溶質(zhì)和膠束，它們增溶的機(jī)理是不同的 飽和脂肪烴和環(huán)烷烴等是溶于膠束的內(nèi)核之中飽和脂肪烴和環(huán)烷烴等是溶于