表面张力与润湿作用

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Surfactant,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Surfactant,单击此处编辑母版标题样式,张 婉 萍,第,四,章,表面张力与润湿作用,问 题,电动现象是指溶胶粒子的运动与电性质之间的关系，包括：,、,、,和,。,（,电泳,、,电渗,、,流动电势,和,沉降电势,）,流动电势,:,在外力作用下,相对于带电表面流动而产生的电势差，它是,的逆过程。,（,液体介质,、,电渗,）,胶体粒子切动面的位置在,stern,平面之外，切动面与溶液内部的电势差称为,。,（,电动势（或,电势）,）,问 题,在等电点处，可使,为零，处于等电点的粒子是不带电的,、,的速度也必然为零。,（,电势、电泳、电渗,）,流变性质是指在外力作用下该体系的,与,性质。,（,流动,、,形变,）,不同的浓分散体系按流型的不同，可以分为,和,，,*,又分为,、,、,；,（,牛顿流体、非牛顿流体；非牛顿流体、塑流型 、 假塑流型 、 胀流型,）,问 题,DLVO,理论认为胶体粒子之间的总作用能为,与,之和。,（,排斥能、吸引能,）,胶体体系的稳定性一般从,、,与,三方面来表征。,（,热力学稳定性、动力学稳定性、聚集稳定性,）,胶体体系的临界聚沉浓度主要是由体系中无机盐电解质的,决定的，其价数越高，,CCC,越小。,（,反粒子,）,问 题,沾湿过程是指液体与固体从不接触到接触，,和,合为,的过程。,（,液气界面,lg,、固气界面,sg,、固液界面,sl,）,在润湿过程中，当液体在固体界面不润湿时，其接触角为（ ）,A. 180 B. 0,或不存在,C. ,90 D. ,90,在润湿过程中，粘附功,W,a,、浸润功,W,s,及铺展系数,S,之间的大小关系是：,。,（,W,a,W,s,S,）,D,问 题,影响接触角的因素主要有：,、,、,和,。,（,物质的本性、润湿角的滞后现象、固体表面的粗糙性与不均匀性、环境的影响,）,问 题,为什么针可以躺在水面上？,为什么两块玻璃之间有水层，很难拉开？,问 题,小的气泡与大的气泡内的气体压力哪个大？为什么？,W,a,、,W,i,、,S,的含义是什么？大小关系？,为,0,或不存在、,90,、,90,的润湿情况分别是什么？,问 题,三个润湿过程的内能变化？,衡量三个润湿过程自发进行的条件及含义是什么？,GO,主 要 内 容,第一节 表面张力和表面能,第二节 液,-,液界面张力,第三节 毛细作用与,Laplace,公式和,Kelvin,公式,第四节 润湿作用和杨方程,第五节 固体表面能,第一节 表面张力和表面能,一、净吸力和表面张力的概念,二、影响表面张力的因素,三、测定液体表面张力的方法,一、静吸力和表面张力的概念,气 泡,水 滴,气 球,Why,？,一、净吸力和表面张力的概念,液体自动收缩的表面现象,表面一般表现出收缩其表面积的倾向，如椭圆球形的雨滴、毛细管口的水滴、露珠，是因为等质量的液体所呈现的各种形状，以球体的表面积最小,。,界面上存在,界面张力,净 吸 力,表面分子受到垂直于液体表面、指向液体内部的“,合吸力,”,净吸力。,净吸力使得液体表面的分子有拉入液体内部的倾向,。若液体分子从液体相移到表面，必须有较高的能量，以克服此力的作用。,表面张力和表面自由能,表面张力,是指在液面上垂直作用于液体表面上单位长度直线上的使表面积收缩的力，力的方向是与该直线垂直并与液面相切,。,表面张力,是,温度、压力,和,液体,组成的函数。,在,温度,、,压力,、,溶液组成,恒定时液体表面张力为恒定数值。,表面张力和表面自由能,表面张力,是指在液面上垂直作用于液体表面上单位长度直线上的使表面积收缩的力，力的方向是与该直线垂直并与液面相切,。,表面自由能的微观解释,在液相内部分子之间受到了短程吸引力,范德华力，而在界面的分子受到上面的力小于下面受到的吸引力，,合力不为零,。若液体分子从液体相移到表面，必须有较高的能量，以克服此力的作用。,表面自由能的微观解释,因此，同量液体处于,表面分子,越多，,表面积越大,，,体系的能量,就越高，或者说增加表面积就是增加体系的能量，此能量的增加来自环境对体系做功，故称为表面功：,W= A,或,W= dA,如喷雾器撒农药、小麦磨成面粉、油通过搅拌分散到水中,表面张力和表面自由能,为比表面自由能，简称表面自由能,单位液面上的物质比其在液体体相内自由能的增量。,表面自由能的微观解释,液体（单位面积）总表面能的增量；,液体（单位面积）表面自由能或表面张力；,表面自由能的微观解释,在液相内部分子之间受到了短程吸引力,范德华力，而在界面的分子受到上面的力小于下面受到的吸引力，合理不为零。若液体分子,从液体,相移到表面，必须有较高的能量，,以,克服,此,力的作用,。,表面张力产生的原因：,物质分子之间都存在相互的吸引力；,表面层相邻两相的密度差；,表面张力与表面自由能的区别,符号相同,，,量纲相同,，单位适宜时,数值相同,。,单位不同,（,mN/m, mJ/m,）,物理意义不同,：分别是力学,/,热力学方法在表面现象中物理量。,分子间力可以引起净吸力，净吸力引起表面张力；表面张力永远与,表面相切,，而和净吸力,相互垂直,。,二、影响表面张力的因素,物质的本性,温度的,影响,压力,物质的本性,液体分子间,相互作用力,的性质与大小有关,液态金属原子之间有,金属键,，表面张力大,水分子间有,氢键,，表面张力较大,非极性液体分子间只有,van der Waals,力，表面张力小,温度的影响,由于温度使得分子,热运动,加剧，分子间,引力减弱,，表面张力多随温度升高而,减小,。（随着水体系温度的提高，水分子间的,氢键,减弱）,压力的影响,从气液两相密度差和净吸力考虑，气相压力对表面张力有一定的影响,一般情况表面张力随压力的增大而减小。,第二节 液,-,液界面张力,液液界面张力可以根据一定的模型由形成界面的两种液体的表面张力进行估算,一、,Antonoff,规则,二、,Good-Girifalco,公式,三、,Fowkes,的理论,四、液,-,液界面张力的测定,一、,Antonoff,规则,两互相饱和液体所形成的界面之界面张力等于两液体表面张力之差，即：,二、,Good-Girifalco,公式,两种液体分子间,vanderwaals,作用是永远存在的启发，表征两种液体,a,b,间黏附过程（形成界面）自由能降低的黏附功,W,a,与表征同种液体,a,或,b,相互作用的内聚功 间也有几何平均关系：,三、,Fowkes,的理论,分子间各种作用力可以分为两大类：极性作用力和非极性作用力（色散力）。当液体分子之间只存在色散力时，混合液体与两液体表面张力的关系有：,第三节 毛细作用与,Laplace,公式和,Kelvin,公式,一、毛细作用,二、弯曲界面的内外压力差,Laplace,公式,三、弯曲界面上的饱和蒸汽压,Kelvin,公式,问 题,为什么会有毛细现象？,毛细现象为什么有的液面上升，有的液面下降？,为什么针可以躺在水面上？,为什么苯滴到水的界面的界面上可以铺展？之后又是以球形液滴存在？,一、毛细现象,液体表面张力的存在而引起的液体表面形态、性质变化的各种现象。,二、弯曲界面的内外压差,laplace,公式,弯曲液面的表面现象不同于平面,二、弯曲界面的内外压差,laplace,公式,在液体中形成一半径为,r,的液滴，体系平衡时，液滴半径发生无限小的变化时体系的自由能不变，即,dG/dr=0,在发生无限小变化中，液滴体系增加,dV,，表面积增加,dA,，相应的能量变化相等。,二、弯曲界面的内外压差,laplace,公式,描述弯曲液面上的压力差与表面张力和曲率半径的关系式就是,Laplace,公式,二、弯曲界面的内外压差,laplace,公式,1. 平面 ，则,，,即平面液面上下不存在压力差。,2. 球面 ，则,r0，,故 0；凹液面,r0，,故 0；凸液面,二、弯曲界面的内外压差,laplace,公式,对肥皂泡，由于有内外两个表面， 则,3. 圆柱面： ，则 ，其中,r,是柱面的圆形底面的半径。,二、,Laplace,公式,p,指弯曲液面内外压力差，即,p=p,内,p,外,，,p,内,通常指曲率半径为正值一侧的压力；,根据,Laplace,公式，,r,越小，,p,越大。,二、,Laplace,公式,液滴越小，液滴内外压差越大，即凸液面下方液相的压力大于液面上方气相的压力；,若液面是凹的，此时凹液面下方液相的压力小于液面上方压力；,若液面是平的，压差为零。,二、,Laplace,公式,对于弯曲液面，若将液相作为内侧，液面的曲率半径可能是正的也可能是负的：,形成,凸,液面时，曲率中心在液体,内部,，,r,为正值，,p,0,；,形成,凹,液面时，曲率中心在液体,外部,，,r,为负值，,p,0,.,毛细管上升与下降现象,p,0,p,0,毛细现象的应用实例,利用毛细现象测定液体的表面张力,毛细现象的应用实例,亲液固体片间液体凹液面引起的附加压力的作用,毛细现象的应用实例,弯曲液面上压力差可以解释夹一薄水层的两块玻璃片难于垂直方向分开的现象。,液体水是可以完全润湿玻璃的，因此水形成的柱面是凹弯月面，那么：,两玻璃片间夹有（,A）,润湿性液体水和（,B）,完全不润湿性液体汞所形成的（,A）,凹弯月面和（,B）,凸弯月面示意图,三、弯曲液面上的饱和蒸气压，,Kelvin,公式,饱和蒸气压,液滴,大小对液面饱和蒸气压的影响,小液滴表面的饱和蒸气压大于大液滴,凹液面上方小于平面饱和蒸气压，气泡内饱和蒸气压较低,三、弯曲液面上的饱和蒸气压，,Kelvin,公式,1.,对于凸液面，如液滴，,r0,，那么,p,r,p,0,而且液滴半径越小，则对应的,p,r,蒸气压越高，这正是过饱和蒸气产生的根本原因。,2.,对于平液面，由于,p=0,，故,p,r,=p,0,3.,对于凹液面，,r0,，则,p,r,p,0,，也就是说在凹液面上对应的蒸气压低于通常的蒸气压。,三、弯曲液面上的饱和蒸气压，,Kelvin,公式,液滴大小对液面饱和蒸气压的影响,小液滴表面的饱和蒸气压大于大液滴,凹液面上方小于平面饱和蒸气压，气泡内饱和蒸气压较低,第一节,三、测定液体表面张力的方法,毛细管升高法,吊片法和脱环法,最大气泡压力法,滴体积法,滴外形法,毛细管升高法,当一毛细管下端插入能使管壁完全润湿的液体中（,=0,o,）,液体沿毛细管上升，上升高度与由,Laplace,公式所决定的毛细压力相等的静压力对应之高度决定，从而得到：,毛细管升高法,如图所示的弯月面的曲率半径,r,一般不等于毛细管内径,R，,除非弯月面是半球面，即接触角,=0。,那么在弯月面顶点,O,处应存在如下平衡：,以（,p）,0,=O,为顶点的液柱压强,p,0,毛细现象示意图,吊片法和脱环法,吊片法将一薄片（玻璃、云母、铂片等）悬吊在天平一臂上，使其底边与液面平行，测定底边刚接触液面时所受的拉力,f,。,最好选择,=0,o,最大气泡压力法,将空气经半径为,r,的毛细管通入液体中，根据气泡破裂时之压力值依,Laplace,公式计算液体表面张力：,第四节 润湿作用和杨方程,一、润湿现象和润湿角,二、,润湿角的测量方法,三、影响润湿角大小的一些因素,四、铺展,五、润湿热,一、润湿现象和润湿角,在固、液、气三相交界处，自固液界面经液体内部到气液界面的夹角叫,接触角,接触角是描述或衡量,液体在固体表面,的润湿情况,一、润湿现象和润湿角,润湿作用按接触角的不同可以分为四种情况：,完全不润湿,完全润湿,不润湿,部分润湿,=180,完全不润湿,空气,液体,固体,空气,液体,固体,=0,完全润湿,空气,液体,固体,空气,液体,固体,90,部分润湿,空气,液体,固体,空气,液体,固体,90,不润湿,空气,液体,固体,空气,液体,固体,杨氏方程,sl,sg,lg,lg,sg,sl,二、润湿角的测量方法,角度测量法,长度测量法,用动态法测定粉末,-,液体体系的润湿角,三、影响润湿角大小的一些因素,固体的界面特性,液体的界面特性,决定和影响接触角大小的因素,物质的本性,接触角的滞后现象,固体表面的粗糙性和不均匀性,环境的影响,物质的本性,对于指定固体，液体表面张力越小，接触角,越小；,对于同一液体，固体表面能越大，,越小。,反映了液体分子与固体表面亲和作用的大小，亲和力越强，越易在固体表面铺开，,越小。,接触角的滞后现象,前进角与后退角,前进角,a,固液界面取代固气界面后形成的接触角,后退角,r,气固界面取代固液界面形成的接触角,接触角滞后,前进角与后退角不相等的现象；通常后退角小于前进角。,接触角的滞后现象,接触角示意图。（,A）,液固相对静止，（,B）,液固相对移动,若液体与固体发生相对运动时，则会形成两个不同的接触角。较大的,a,称为,前进接触角,（,advancing contact angle），,较小的,r,称为,后退接触角,(,receding contact angle)。,这种,a,r,的现象称为,接触角滞后,。,接触角的滞后现象,r,值表示表面粗糙的程度。,90r,越大，接触角越大；润湿性越差,90r,越大，接触角越小；润湿性越好。,表面粗糙度,接触角的滞后现象,表面不均匀（污染）,使得不同区域的表面能不同，导致接触角的变化,固体表面的粗糙性和不均匀性,液体在粗糙表面与平滑表面的润湿角不同,粗糙度使得润湿性差的更差，润湿性好的更好,环境的影响,固体表面，尤其是高能表面从周围环境中吸附某些组分而降低表面能，同时改变了表面性质,四、润湿过程,润湿过程可以分为三类：,沾湿,浸湿,铺展,沾 湿,指液体与固体从不接触到接触，液气界面,lg,和固气界面,sg,合为固液界面,sl,的过程。,sl,sg,lg,W,a,称为,粘附功,沾 湿,W,a,称为粘附功，是沾湿过程体系对外所能做的最大功，也是将接触的固体和液体自交界处拉开，外界所需做的最小功。,sl,sg,lg,浸 湿,固气界面,sg,被固液界面,sl,所取代；,S,G,L,G,S,L,G,+,W,i,称为,浸润功,浸 湿,W,i,为浸润功，反映了液体在固体表面取代气体的能力（,sg, ,sl,）。,S,G,L,G,S,L,G,+,铺 展,铺展过程的实质是以固液界面,sl,代替固气界面,sg,的同时还扩展了气液界面,lg,S,为,铺展系数,铺 展,S,0,时，液体可以在固体表面自动展开，连续的从固体表面取代气体。,对同一个体系，,W,a,W,i,S,，凡能自行铺展的体系，其他过程均能自动进行。,沾湿,浸湿,铺展,沾湿,浸湿,铺展,四、润湿过程,=180,完全不润湿,空气,液体,固体,空气,液体,固体,=0,完全润湿,空气,液体,固体,空气,液体,固体,90,部分润湿,空气,液体,固体,空气,液体,固体,90,不润湿,空气,液体,固体,空气,液体,固体,四、润湿过程,为,0,或不存在,-,G,最大,液体完全润湿即铺展,为,180,-G,最小,完全不润湿,90,为,润湿,/,浸润,90,为,不润湿,/,沾湿,润湿作用的应用,矿物的泡沫浮选,金属的防锈与缓蚀,织物的防水防油处理,在农药中的应用,润湿作用的应用,通过液体的界面特性,减小,固液界面,sl,气液界面,lg,使得,S,0,在农药中的应用,铺展,润湿作用的应用,通过,改变,固体的表面特性,降低固气界面,sg,使得,W,a,0,在防水织物上的应用,沾湿,/,不润湿,sl,sg,lg,在防水织物上的应用,润湿作用的应用,通过固体的表面特性,减小,固液界面,sl,使得,W,i,0,固体粉末在水体系的分散,润湿,/,浸湿,S,G,L,G,S,L,G,+,五、润湿热,润湿热即浸润热,由于固液分子间的相互作用必然要释放出热量,反映了固液分子间相互作用的强弱,润湿热大小与固体的粒子大小及比表面积有关,第五节 固体表面能,一、固体的表面,二、固体的表面张力与表面能,三、固体表面能的实验估测,一、固体的表面,固体表面特点特点：,表面原子活动小,固体表面势能的不均一性,二、固体的表面张力与表面能,固体可能存在各向异性，形成不同晶面时,表面张力,不同；,表面区域原子间距离的改变可引起表面积改变，不需体相中原子做功而使其成为表面原子；,表面不均匀使处于不同区域的微环境不同，受到周围原子的作用力不同。,二、固体的表面张力与表面能,固体表面性质,高能表面,干净的玻璃上,低能表面,聚合物复合材料,二、固体的表面张力与表面能,固体表面能,的大小决定了其可润湿性质。液体在固体表面能自发铺展的基本条件是,液体表面张力小于固体的表面能,。液体,表面张力越低,，越有利于铺展进行。,临界表面张力,c,，表面张力低于,c,的液体方能在低能表面上铺展（塑料为低能表面）,二、固体的表面张力与表面能,低能表面与高能表面实际关心问题：,（,1,）什么样的固体被润湿，或不被润湿,（,2,）什么样的液体具有好的润湿性,本 章 小 结,实际体系例子的解释,Laplace,公式与,Kelvin,公式的应用,不同接触角的润湿情况,三个润湿过程内能的变化,粘附功、浸润功及铺展系数的意义,高能表面,Stern,双电层模型,斯,特恩双电层,模型,（,1924,年,Stern,提出）,:,该模型认为溶液一侧的带电层应分为紧密层和扩散层两,部分。,Stern,双电层模型,紧密,层,:,溶液中反离子及溶剂分子受到足够大的静电力,范德华力或特性吸附力,而紧密吸附在固体表面,上。,其余,反离子则构成扩散,层。,Stern,双电层模型,表面电势,0,Stern,电势,电动势（或,电势,）,带电粒子表面与液体内部的电势差称为粒子的表面电势,0,Stern,平面与液体内部的电势差为,Stern,电势,切动面的位置在,stern,平面之外，切动面与溶液内部的电势差称为电动势（或,电势）,DLVO,理论,总位能,E,总位能,E=E,A,+E,R,，即粒子之间的总位能为,引力位能,和,斥力位能,之和。,DLVO,理论,当,x,缩小,先出现一极小值,a,则发生粒子的聚集称为,絮凝,（可逆）。,x,继续缩小,则出现极大值,Emax,（势垒）。一般粒子的热运动无法克服它,使溶胶处于相对稳定状态。,斥力势能,吸力势能及总势能曲线,DLVO,理论,当,两胶粒通过热运动积聚的动能超过,15kT,时才有可能超过此能量值,进而出现极小值,b,在此处发生粒子间的,聚沉（永久性）。,斥力势能,吸力势能及总势能曲线,下节课讲授内容,第四章 表面活性剂溶液,Thank you for your attention!,