胶体化学第三章第一节

1、表面和界面 (surface and interface) 界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区，若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。 常见的界面有：气-液界面，气-固界面，液-液界面，液-固界面，固-固界面。 严格讲表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间的界面，但习惯上把液体或固体与空气的界面称为液体或固体的表面。3.1 3.1 表面及表面张力表面及表面张力1.1.气气- -液界面液界面空气空气4CuSO溶 液气气- -液液界面界面2. 气气-固界面固界面气气- -固界面固界面3.3.液液- -液界面液界面2H OHg液-液界面玻璃板玻璃板Hg2H O液液- -固界面固界面4.4.液液-

2、 -固界面固界面5.固固-固界面固界面铁管铁管CrCr镀层镀层固固- -固界面固界面界面现象的本质界面现象的本质 对于单组分系统单组分系统，这种特性主要来自于同一物质在不同相中的密度不同密度不同；对于多组分多组分系统，则特性来自于界面层的组成与任一相的组成均不相同组成均不相同。 表面层分子与内部分子相比所处的环境不同 体相内部体相内部分子所受四周邻近相同分子的作用力作用力是对称的是对称的，各个方向的力彼此抵销； 但是处在界面层界面层的分子，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相中物质分子的作用，其作用力未必能相互抵销作用力未必能相互抵销，因此，界面层会显示出一些独特的

3、性质独特的性质。 最简单的例子是液体及其蒸气组成的表面。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），所以表面分所以表面分子受到被拉入体相的作用力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独特性质，如表面张力、表面吸附、毛细现象、过饱和状态等。界面现象的本质界面现象的本质比表面（specific surface area） 比表面通常用来表示物质分散的程度比表面通常用来表示物质分散的程度，有两种常用的表示方法：一种是单位质量单位质量的固体所具

4、有的表面积；另一种是单位体积单位体积固体所具有的表面积。即：式中，m 和 V 分别为固体的质量和体积，As为其总表面积。目前常用的测定表面积的方法有BET法和色谱法。分散度与比表面 把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。把一定大小的物质分割得越小，则分散度越高，比表面也越大。 例如，把边长为1 cm的立方体1 cm3 ，逐渐分割成小立方体时，比表面将以几何级数增长。 分散程度越高，比表面越大，表面能也越高 可见达到nm级的超细微粒，具有巨大的比表面积，因而具有许多独特的表面效应，成为新材料和多相催化方面的研究热点。表面张力（surface tension） 由于表面层分子的受力不均衡，液滴趋向

5、于液滴趋向于呈球形呈球形，水银珠和荷叶上的水珠也收缩为球形。 液体表面的最基本的特性是趋向于收缩 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。 从液膜自动收缩的实验，可以更好地认识这一现象： 2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2W1W2 l12=()FWW g=2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W

6、2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W2 l2W 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表面张力。2W1W2 l12=()FWW g=表面张力 在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着一种张力，这种力垂直于表面的边界，指向液体方向并与表面相切。 把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用 或 表示。表面张力的单位是：1N m表面张力影响表面张力的因素 表面张力是由净吸力引起的，所以凡能影响净吸力大

7、小的因素皆影响表面张力。 1、物质的本性、物质的本性物质的本性决定了表观张力的大小。极性分子(或内聚力大的)物质的表面张力比非极性分子(或内聚力小的)物质的大，如20时，水的高达72.75 mNm-1，而正己烷仅为18.4mNm-1。不同类型液体的表面张力的大致范围见表21。 2、温度、温度温度升高，物质膨胀，分子间距增大，分子间吸引力下降的同时，气相的分子密度增加，因而使净吸力减小，所以表面张力降低。表面张力影响表面张力的因素影响表面张力的因素 3 3、压力、压力 压力对的影响原因比较复杂，综合效应是压力增大，界面张力下降，一般每增加10atm，表面张力约降低1mNm-1。 4 4、相界面性

8、质、相界面性质 通常所说的某种液体的表面张力，是指该液体与含有本身蒸气的空气相接触时的测定值。当与液相接触的另一相物质的性质改变时，表面张力也会发生变化。两个液相之间的两个液相之间的界面张力，是两液体已相互饱和时两液体的表面张力之差，界面张力，是两液体已相互饱和时两液体的表面张力之差，即12 1一2，12是液液界面张力1和2分别为两个相互饱和的液体的表面张力。在液液界面上，分子的受力不平衡状态得到改善，降低了每种液体的净吸力，所以使界面界面张力比原有两个表面张力中较大的那个小。张力比原有两个表面张力中较大的那个小。 表面张力不同类型液体液体的表面张力值的大致范围如下表1 1、毛细管上升法、毛细

9、管上升法 这是一种简单也是最准确的方法。当一支干净的玻璃毛细管插入液体时，若液体能润湿毛细管壁，则在表面张力的作用下液体沿毛细管壁上升，平衡时的液柱高度为h，可由下式计算表面张力：式中，r为毛细管半径；为毛细管半径；g为重力加速度；为重力加速度；为接触角；为接触角；为液体密度。为液体密度。毛细管上升法毛细管上升法示意图示意图 液体表面张力的测定方法液体表面张力的测定方法液体表面张力的测定方法液体表面张力的测定方法2、挂环法挂环法 将一铂制圆环连在扭力秤上，并使圆环平置在液面上，然后测定使环脱离表面所需之力F(见右图)，由下式求表面张力：挂环法示意图挂环法示意图 式中，R为环的平均半径；f是校正

10、因子，主要是由环拉起的液体不是圆柱形而引起的（f 可在专用表中查到）；F为测定的拉力。 液体表面张力的测定方法液体表面张力的测定方法3 3、气泡最大压力法、气泡最大压力法本法装置如图，测定时将毛细管口刚好触及液面，然后从瓶放水抽气，随着毛细管内外压差的增大，毛细管口的气泡慢慢长大，泡的曲率半径R开始由大变小直到形成半球形(这时R与毛细管半径r相等 (b)，这时R最小。泡内外压差最大；而后气泡的曲率半径又变大(c) ，测出泡内外压差最大时压差计上的最大液柱差h可计算表面张力：液体表面张力的测定方法液体表面张力的测定方法4、滴重或滴体积法滴重或滴体积法这是一种简便而又准确的方法，装置如图3.7所示

11、，将液体在磨平了的毛细管口慢慢形成液滴并滴下，测出一个液滴的平均重量m或体积V，由下式计算表面张力：式中，r 为毛细管口的外半径；f 为校正因子，可在一些专著中查到。滴重法或滴体积滴重法或滴体积法示意图法示意图 表面能与表面张力表面能与表面张力1 1、表面能：、表面能： 由于表面分子受到净吸力作用，所以当把体相分子拉到表面时必须克服净吸力而消耗功。外界所消耗的功将储存于表面，成为表面分子所具有的一种额外势能。在恒温恒压条件下，可逆地增加体系的表面积dA，对体系所做的功W为：-WdA . 式中为比例系数，是使液体增加单位面积时所做的可逆功。因-dGW,式中，G为表面自由能。则所以 也是增加单位表

12、面积时自由能的改变量，也是增加单位表面积时自由能的改变量，因而称为比表面自由能称为比表面自由能，简称表面能表面能，其单位为mJ/m2。 表面能与表面张力2、表面张力：、表面张力：从力学的角度讲，比表面自由能也可看作是引起液体表面自动收缩的力，称为表面张力，它是作用于单位长度上的力。此过程环境所消耗的功为：-W=Fdx dA2ldx 或 = F/2l所以， 是引起液体表面收缩的单位长度上的力单位长度上的力，单位以mNm-1表示，表面张力和表面能表面张力和表面能，从两个不同的角度得出的两个具有不同物理意义具有不同物理意义(或概念)的参数，其数值是一样的数值是一样的，只是单位不同。界面张力的方向永远

13、和表面相切，而与净吸力相互垂直。溶液的表面张力与溶液浓度的关系1、加入非表面活性物质使水的表面张力升高、加入非表面活性物质使水的表面张力升高 水的表面张力因加入溶质形成溶液而改变水的表面张力因加入溶质形成溶液而改变。 能使水的表面张力明显升高的溶质称为非表面活性物质。如无机盐和不挥发的酸、碱等。 这些物质的离子有较强的水合作用，趋向于把水分子拖入水中，非表面活性物质在表面的浓表面的浓度低于在本体的浓度。度低于在本体的浓度。 如果要增加单位表面积，所作的功中还必须包括克服静电引力所消耗的功，所以表面张力升高。2、加入表面活性物质使水的表面张力降低、加入表面活性物质使水的表面张力降低 加入后能使水的表面张力明显降低的溶质称为表面活性物质。 这种物质通常含有亲水的极性基团和憎水的非极性碳链或碳环的有机化合物。亲水基团进入水中，憎水基团企图离开水而指向空气，在界面定向排列。 表面活性物质的表面浓度大于本体浓度表面浓度大于本体浓度，增加单位面积所需的功较纯水小。非极性成分愈大，非极性成分愈大，表面活性也愈大。表面活性也愈大。水的表面张力因加入溶质形成溶液而改变水的表面张力因加入溶质形成溶液而改变。 Traube 规则 Traube研究发现:（1）同一种溶质在低浓度时表面张力的降