材料化学 课件 第五章 材料表面与界面-魏湫龙-2表界面吸附

第五章：材料表面与界面目录5.1界面与表面的定义5.2表界面吸附5.3固体表面润湿现象5.4固体表面黏附现象5.2表界面吸附表面张力：在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着一种张力，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。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。l

是滑动边的长度，因膜有两个面，所以边界总长度为2l。F

2

l

就是作用于单位边界上的表面张力，单位N/m。其作用结果使液体表面缩小。5.2表界面吸附的物理意义在T、p及组成恒定的条件下，增加单位表面积时，所必须对系统做的可逆非膨胀功。在T、p及组成恒定的条件下，增加单位表面积时，所引起系统吉布斯自由能的增量。作用在单位长度界面上的收缩力（表面张力）。

对同一种物质，两者物理意义不同，单位不同；但是两者数值相同，量纲相同。表面张力与表面能：

在任何两相交界的界面上，质点所受的力不平衡，因而存在着界面张力，在界面张力作用下界面上会发生一系列物理化学过程：吸附、润湿、粘附、磨擦、封接等等。吸附：液体(或气体)在某种物质相界面上发生浓度升高(或降低)的现象。吸附量Γ：单位表面积上吸附的物质的摩尔数。吸附质：被吸附的物质。吸附剂：有吸附能力的物质。5.2表界面吸附表界面吸附Gibbs吸附等温式：

5.2表界面吸附Gibbs用热力学方法导出，定温条件下，溶液表面过剩物质的量Γ与溶液表面张力

和溶质活度a的关系。

当溶液很稀时：5.2表界面吸附表界活性剂第一种类型：水溶液的表面张力随溶质浓度的增加几乎成直线关系上升。如Na2SO4,KOH,NH4Cl,KNO3等无机盐以及蔗糖，甘露醇等多羟基有机物的水溶液。第二种类型：在稀溶液中可比较明显地降低水溶液的表面张力，通常开始降低的较快，随着浓度的增加，表面张力减小趋势减慢。如一些醇、醛、酸、酮与胺等的有机物。第三种类型：加入少量物质可显著降低溶液的表面张力。至一定浓度后表面张力不再有显著变化。如8碳以上的直链有机碱金属盐，高碳直链磺酸盐，硫酸盐，苯磺酸盐等表面活性剂的水溶液。IIIIII

c吸附作用气液界面：吸附起泡剂，稳定气泡、促进泡沫矿化和形成稳定矿化泡沫层。固液界面：吸附捕收剂和调整剂，调节矿物可浮性和分散性。5.2表界面吸附气固界面：吸收空气中有害气体，如甲醛/CO等，净化空气。……

物理吸附化学吸附定义由分子间力（范德华力）引起的吸附由化学键力引起的吸附热效应热效应小（吸附能5kcal/mol左右）热效应大（吸附能20-200kcal/mol）是否具有可逆性是否吸附方式单层或多层单层是否具有选择性否是吸附速度快慢类型分子吸附、双电层外层吸附及半胶束吸附交换吸附、定位吸附吸附类型：按吸附本质可分为物理吸附和化学吸附。物理吸附和化学吸附的本质区别：吸附质与吸附剂间有无电子转移5.2.1吸附类型吸附类型：按吸附类型可分为七种1.分子吸附：固-液界面和液-气界面对溶液中被溶解的分子的吸附。活性炭对水中色素分子的吸附空气气泡起泡剂分子极性基非极性基液-气界面对松油醇或醇类等起泡剂分子的吸附5.2.1吸附类型黄原酸离子在硫化矿表面上的吸附2.离子吸附:溶液中某种离子在矿物表面上的吸附。3.交换吸附:溶液中某种离子与矿物表面上的另一种离子发生交换吸附在矿物表面。Cu2+与闪锌矿表面晶格中的Zn2+交换吸附5.2.1吸附类型4.双电层内层吸附(定位吸附)：矿物表面吸附溶液中的反应物分子与该矿物晶格离子成类质同象

(晶体结构中的粒子被其他粒子占据)，吸附结果改变了矿物表面电位的数值或符号。

例如，重晶石表面对Ba2+和SO42-离子，石英表面对H+和OH-的吸附。5.双电层外层吸附：溶液中的溶质分子或离子吸附在矿物表面双电层的外层。凡是与矿物表面电荷符号相反的离子都可以产生这样的吸附。它的特点是在吸附发生后，只能改变动电位的大小，不能改变电位的符号，这种吸附全靠静电引力的作用。5.2.1吸附类型6.半胶束吸附：溶液中长烃链的捕收剂浓度较高时，吸附在矿物表面上的捕收剂非极性基在范德华力作用下，发生相互缔合。5.2.1吸附类型石英表面双电层结构与阳离子捕收剂吸附示意图：A-个别胺离子吸附；B-半胶束吸附；C-多层吸附这一现象与溶液中形成的胶束相似，但此时溶液中捕收剂的浓度仍然比“临界胶束浓度”低。一般可低两个数量级。与溶液中形成的三维空间的胶束相比，在矿物表面形成的这种“胶束”只有二维空间，故称为半胶束吸附。5.2.1吸附类型7.特性吸附：矿物表面对溶液中某种组分有特殊的亲和力而产生的吸附。刚玉（Al2O3）在NaCl溶液中动电位始终保持正值在硫酸钠和烃基硫酸酯中，动电位由正变负例如，刚玉（Al2O3）在不同浓度的NaCl、Na2SO4和R