界面现象--第4节：液固界面

1、1第二节第二节 润湿现象润湿现象请大家思考几个问题：请大家思考几个问题：（1 1）雨伞为什么能够防雨？）雨伞为什么能够防雨？（2 2）棉花为什么要经过脱脂，才能用来作卫生棉或者纺纱？）棉花为什么要经过脱脂，才能用来作卫生棉或者纺纱？（3 3）怎样提高杀虫剂的杀虫效率？）怎样提高杀虫剂的杀虫效率？（4 4）磨面的时候为什么要加水？）磨面的时候为什么要加水？（5 5）可乐的颜色是什么物质，从哪里来？）可乐的颜色是什么物质，从哪里来？ 这些问题都和液固界面的接触程度这些问题都和液固界面的接触程度润湿润湿有关系。有关系。润湿是我们日常生产生活中最常见的问题之一，研究它润湿是我们日常生产生活中最常见的问

2、题之一，研究它有着非常重要的意义。有着非常重要的意义。2接触角与杨氏方程接触角与杨氏方程本节主要讨论液本节主要讨论液- -固界面的润湿现象和吸附现象固界面的润湿现象和吸附现象. .下图是一液滴位于固体上达平衡时的两种形态下图是一液滴位于固体上达平衡时的两种形态. .slsl 气气液液固固slsl 气气液液固固 90 接触角接触角 与各个界面张力与各个界面张力接触角接触角 : 在气、液、固三相交界处在气、液、固三相交界处, sl 与与l 之间的夹角之间的夹角.平平衡时衡时, s =sl +l cos 杨氏杨氏(T. Young)方程方程: cos lsls 3接触角与杨氏方程接触角与杨氏方程接触

3、角的示意图接触角的示意图例例 293.15K时时, 乙醚乙醚 水水, 乙醚乙醚 汞及水汞及水 汞的界面张力分别为汞的界面张力分别为0.0107, 0.379及及0.375N m 1, 若在乙醚与汞的界面上滴一滴水若在乙醚与汞的界面上滴一滴水, 试求其接触角试求其接触角. (水水-乙醚乙醚) (水水-汞汞) (乙醚乙醚-汞汞) 乙醚乙醚汞汞水水解：由杨氏方程知：解：由杨氏方程知： (乙醚乙醚-汞汞) = (水水-汞汞) + (水水-乙醚乙醚)cos cos = (乙醚乙醚-汞汞) (水水-汞汞) / (水水-乙醚乙醚) = (0.3790.375) / 0.0107 = 0.3738 = 68.

4、055润湿现象润湿现象润湿润湿: 固体固体(或液体或液体)表面上的气体被液体取代的过程表面上的气体被液体取代的过程. 润湿发生润湿发生的原因是它能使系统的表面吉布斯函数减小的原因是它能使系统的表面吉布斯函数减小. 以下讨论润湿的三种类型以下讨论润湿的三种类型. 有关界面均取有关界面均取单位面积单位面积.(1) 沾湿沾湿: 气气-固界面和气固界面和气-液界面被液液界面被液-固界面所取代的过程固界面所取代的过程. 沾湿过程沾湿过程(动画动画)沾湿过程的吉布斯函数变为沾湿过程的吉布斯函数变为: Gasl - (s +l) 沾湿功沾湿功Wa : 将单位面积已沾湿的液固界面将单位面积已沾湿的液固界面再拉

5、开所需的最小功再拉开所需的最小功.粘附功越大，液体越粘附功越大，液体越能润湿固体，液能润湿固体，液-固结合得越牢。固结合得越牢。 Wa = - Ga 当当 Ga 0, 沾湿为自发过程沾湿为自发过程.6润湿现象润湿现象7润湿现象润湿现象 浸湿过程浸湿过程(动画动画)(2) 浸湿浸湿: 固体浸入液体时气固体浸入液体时气 固界固界面完全被液面完全被液 固界面所取代的过程固界面所取代的过程. Gi sl s浸湿功浸湿功Wi : 将单位面积已浸湿的液将单位面积已浸湿的液-固界面再分开形成气固界面固界面再分开形成气固界面, 所所需的最小功需的最小功.Wi = Gi当当 Gi 0 时时, 浸湿为自发浸湿为自

6、发过程过程. 8 剃须刀片不能在油中浸湿而浮于油的剃须刀片不能在油中浸湿而浮于油的表面上表面上. Gi sl s 0 若增大刀片重量迫使其下沉若增大刀片重量迫使其下沉, 则则是在重力场作用下的是在重力场作用下的非自发非自发浸湿过程浸湿过程, 重力场做了非体积功重力场做了非体积功, 正如电场可使正如电场可使非自发化学反应发生一样非自发化学反应发生一样.9润湿现象润湿现象(3) (3) 铺展铺展: : 少量液体在光滑固少量液体在光滑固( (或液或液) )体表面展开成薄膜的过程体表面展开成薄膜的过程. . Gs sl s + l铺展系数铺展系数 S= s sl l自发铺展的条件是自发铺展的条件是 G

7、s 0, S 0.气气固固固固液液液液气气10 结合杨氏方程结合杨氏方程 l s - s - l cos 可得到可得到 ： Ga l s - s - l - l (cos + 1) Gi l s - s - l cos Gs l s - s + l - l (cos - 1) 沾湿沾湿, 180 ; 浸湿浸湿, 90 ; 铺展铺展, 0 或不存在或不存在.可见：沾湿可见：沾湿 浸湿浸湿铺展，过程进行程度依次加难铺展，过程进行程度依次加难三种润湿中的三种润湿中的 l 可测，但可测，但 s、 sl不可测量。不可测量。11习惯上：习惯上： 90 不润湿不润湿, = 180 完全完全不润湿不润湿. 防

8、雨设备防雨设备, 农药配制农药配制, 机械润滑机械润滑, 矿物浮选矿物浮选, 注水采油注水采油, 金属焊接金属焊接, 印染及洗涤等方面都与印染及洗涤等方面都与润湿有关润湿有关.12生产生活中的润湿现象生产生活中的润湿现象（1 1）棉花为什么要经过脱脂，才能用来作卫生棉或者纺纱？棉花为什么要经过脱脂，才能用来作卫生棉或者纺纱？ 答案：天然棉花上有一层油脂，防水。答案：天然棉花上有一层油脂，防水。（2 2）雨伞能够防雨的原因？）雨伞能够防雨的原因？答答：（：（1 1）憎水涂层；）憎水涂层；（2 2）雨水在雨伞织物的缝隙中形成凹）雨水在雨伞织物的缝隙中形成凹液面的水膜，有一个向上的表面张力，液面的水

9、膜，有一个向上的表面张力，可以抵挡雨水透过雨伞的织物。可以抵挡雨水透过雨伞的织物。P雨伞表面水滴的雨伞表面水滴的 附加压力图附加压力图13生产生活中的润湿现象生产生活中的润湿现象（4 4）为什么磨面的时候要加水？）为什么磨面的时候要加水？ 小麦在被磨碎的过程中，总体积不变，体系表面吉布小麦在被磨碎的过程中，总体积不变，体系表面吉布斯函数迅速增加。因此一边磨，一边面粉颗粒自发团聚。斯函数迅速增加。因此一边磨，一边面粉颗粒自发团聚。这样使得面粉颗粒不均匀，口感不好，而且耗能较高。这样使得面粉颗粒不均匀，口感不好，而且耗能较高。 若在小麦中加入少量水，水能够润湿面粉颗粒表面，若在小麦中加入少量水，水

10、能够润湿面粉颗粒表面，（润湿是吉布斯函数减小的过程，自发过程）从而降低了（润湿是吉布斯函数减小的过程，自发过程）从而降低了体系的总的表面吉布斯函数，使得面粉不再团聚，很容易体系的总的表面吉布斯函数，使得面粉不再团聚，很容易得到颗粒均匀、口感良好的面粉。得到颗粒均匀、口感良好的面粉。（3 3）怎样提高杀虫剂的杀虫效率？怎样提高杀虫剂的杀虫效率？ 在杀虫剂中加入特殊的物质（表面活性剂），改善在杀虫剂中加入特殊的物质（表面活性剂），改善杀虫剂水溶液与植物叶面（通常植物叶面不亲水）的表杀虫剂水溶液与植物叶面（通常植物叶面不亲水）的表面接触性质，使得能够铺展，从而风不能随意将杀虫剂面接触性质，使得能够铺

11、展，从而风不能随意将杀虫剂吹落，同时增加接触面积，提高杀虫效率。吹落，同时增加接触面积，提高杀虫效率。14固体从溶液中的吸附固体从溶液中的吸附固体自溶液中对溶质的吸附固体自溶液中对溶质的吸附, , 广泛应用于织物染色广泛应用于织物染色, , 糖液脱色糖液脱色, , 离子交换离子交换, , 水的净化水的净化, , 色层分离等。色层分离等。吸附等温线吸附等温线: : 恒温恒压下吸附量随浓度的变化曲线恒温恒压下吸附量随浓度的变化曲线. .在稀溶液中在稀溶液中, , 一般为单分子层吸附一般为单分子层吸附, , 常满足以下形式的等常满足以下形式的等温式温式: :)( 1ama朗朗缪缪尔尔等等温温式式bc

12、bcnn ) ( a弗弗罗罗德德利利希希等等温温式式nkcn 15固体从溶液中的吸附固体从溶液中的吸附在浓溶液中在浓溶液中, , 当溶质和溶剂的含量在全部组成范围内当溶质和溶剂的含量在全部组成范围内变化时变化时, , 吸附等温线一般为吸附等温线一般为U U形形或或 S S形形: :0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 x(苯苯)0.20.1苯的表观吸附量苯的表观吸附量/ mmolg1 硅胶自苯甲苯中吸附苯硅胶自苯甲苯中吸附苯0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 x(苯苯)21苯的表观吸附量苯的表观吸附量/ mmolg1 活性炭自苯甲醇中吸附苯活性炭自苯甲醇中吸附苯011616吸附剂

13、孔径吸附剂孔径吸附质分子的大小吸附质分子的大小温度温度吸附剂吸附剂-吸附质吸附质-溶剂极性溶剂极性吸附剂的表面化学性质吸附剂的表面化学性质 稀溶液中影响吸附的因素：稀溶液中影响吸附的因素：17固体从溶液中的吸附固体从溶液中的吸附u 极性吸附剂易于从非极性溶剂中吸附极性溶质极性吸附剂易于从非极性溶剂中吸附极性溶质; ; 非极性非极性吸附剂易于从极性溶剂中吸附非极性溶质吸附剂易于从极性溶剂中吸附非极性溶质 。 极性吸附剂极性吸附剂 从从 非极性溶剂非极性溶剂 中中 吸附吸附极性物质极性物质举例：举例： 硅胶硅胶 有机溶剂有机溶剂（CCl4） 水水非极性吸附剂非极性吸附剂 从从 极性溶剂极性溶剂 中中 附附非极性物质非极性物质举例：举例： 活性炭活性炭 蔗糖水溶液（棕色）蔗糖水溶液（棕色） 焦糖色（染料）焦糖色（染料） 非极性树脂非极性