物理化学核心教程09_表面现象选编课件.ppt

物理化学核心教程电子教案,第9章 表面现象,第9章 表面现象,9.1 表面自由能和表面张力,9.2 弯曲液面的附加压力,9.3 弯曲液面的蒸气压,9.4 溶液的表面吸附,9.5 表面膜,9.6 铺展与润湿,9.7 表面活性剂及其应用,9.8 固体表面的吸附,9.1 表面自由能和表面张力,1.表面现象及其本质,2.表面自由能,3.表面张力,9.1.1 表面现象及其本质,什么是表面?,凝聚态(液态、固态)物质与其饱和蒸气达成平衡时，在两相紧密接触、约有几个分子厚度的过渡区，称为该凝聚态的表面（surface）。,通常将凝聚态物质与空气达成平衡时，在两相紧密接触、约有几个分子厚度的过渡区，也称为该凝聚态的表面，严格讲那是气-液界面。,9.1.1 表面现象及其本质,常见的界面有：,气-液界面,但没有气-气界面，不同气体接触总是很快就混合均匀。,气-固界面,液-液界面,什么是界面?,不同相态之间，两相紧密接触、约有几个分子厚度的过渡区，称为该两相的界面（interface）。,液-固界面,固-固界面,9.1.1 表面现象及其本质,气-液界面,9.1.1 表面现象及其本质,气-固界面,9.1.1 表面现象及其本质,液-液界面,9.1.1 表面现象及其本质,液-固界面,9.1.1 表面现象及其本质,固-固界面,9.1.1 表面现象及其本质,研究表面现象的意义,在理论上，表面现象不仅是胶体化学、多相催化和纳米科学的重要理论基础之一，而且还渗透到生命科学、药物学、林学、农学等其他学科。,在实践上，它对催化剂的制备、洗涤剂的合成、纺织印染工业、农药的使用、锄地保墒和药物的制备使用等都有指导意义，而且与人们的日常生活、饮食起居、治病保健等都有密切的关系。,9.1.1 表面现象及其本质,表面现象的本质,表面层分子与内部分子相比，它们所处的环境不同，受力不等。,体相内部的分子如红球所示。,它受四周邻近相同分子的作用力是对称的，各个方向的力彼此抵销，没有剩余的作用力。,9.1.1 表面现象及其本质,表面现象的本质,处在表面层的的分子如蓝球所示。,由于两相密度不等，其作用力不能相互抵消。,正由于这剩余价力的存在，界面层显示出一些独特的性质。,如表面张力,表面吸附,毛细现象,小气泡和液滴都呈球状,润湿与铺展等。,9.1.1 表面现象及其本质,什么是比表面?,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：,式中，m 和 V 分别为固体的质量和体积，As 为其总表面积。,一种是单位质量的固体所具有的表面积,另一种是单位体积固体所具有的表面积,单位是,单位是,9.1.2 表面自由能,什么是表面功?,式中 为比例系数。,在温度、压力和组成恒定时，可逆使表面积增加所需要对系统做的功，称为表面功。,用公式表示为：,在数值上等于在等温、等压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。,9.1.2 表面自由能,在等温、等压和组成不变的条件下，环境对系统做的可逆表面功就等于系统Gibbs自由能的增加值,则,单位为,是保持温度、压力和组成不变，每增加单位表面积时，Gibbs自由能的增加值称为表面Gibbs自由能，或简称表面自由能。,9.1.2 表面自由能,在等温、等压和组成不变的条件下，系统总的表面自由能有自发向减小的方向变化。,所以液体表面有自动收缩的趋势。,这就是为什么小液滴、小气泡都呈球形。,因为相同体积的物质，构成球形时表面积最小，具有的总表面自由能最低。,9.1.3 表面张力,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。,去掉活动边插销，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。,9.1.3 表面张力,在活动边框上挂一重物 w,这时,l 是滑动边的长度，因膜有两个面，所以边界总长度为2l,重物质量m2与边框质量m1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。,9.1.3 表面张力,什么是表面张力？,在表面上，表面张力无处不在，只是在液体表面上不与边界接触的部分，作用于任意边界两边的表面张力相互对消，看不出来而已。,表面张力的单位是：,即在一定温度和压力下，在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着一种不平衡的力，这种力垂直于单位长度的边界，指向液体方向并与表面相切。,就是作用于单位边界上的力，称为表面张力。,表面张力相当于使表面收缩的力,9.1.3 表面张力,在金属线框中间系一线圈，一起浸入肥皂液中，然后取出，上面形成一液膜。,若刺破线圈中央的液膜，线圈内侧张力消失，外侧表面张力立即将线圈绷成一个圆形，如图清楚地显示出表面张力的存在。,由于以线圈为边界的两边表面张力大小相等方向相反，故线圈成任意形状可在液膜上移动。,9.1.3 表面张力,表面张力是物质本身的特性,对纯液体或纯固体，表面张力的大小取决于分子间相互作用能的强弱。,(金属键)(离子键)(极性共价键)(非极性共价键),一般化学键越强，表面张力越大。,液体中，汞的表面张力最大，因为是金属键,水的表面张力也很大，因为有氢键,非极性有机液态化合物的表面张力很小,9.1.3 表面张力,温度升高，表面张力下降,表面张力与温度的关系,当达到临界温度Tc时，表面张力趋向于零。,这是因为温度升高后,（1）分子振动加剧，彼此作用力减弱。,（2）气相与液相的密度差下降，表面层分子的剩余价力变小。,到达临界温度时气相与液相的密度相同，气-液界面消失，表面张力趋向于零。,9.2 弯曲液面的附加压力,1.弯曲液面的附加压力,2.Laplace 公式,3.毛细管现象,9.2.1 弯曲液面的附加压力,研究液面任意小圆圈A周围的受力情况，由于边界上每点的两边都存在表面张力，大小相等，方向相反，所以没有附加压力。,设向下的大气压力为po，向上的反作用力也为po，附加压力ps等于零。,液面正面图,1.在平面上,9.2.1 弯曲液面的附加压力,2.在凸面上,在液滴球面上A小圈周围的受力情况，由于每点两边的表面张力都与液面相切，大小相等，但不在同一平面上，不能相消，会产生一个向下的合力。,这合力称为附加压力，指向圆心,所有点产生的合力之和为,球面上受的总压力为,9.2.1 弯曲液面的附加压力,3.在凹面上,这合力称为附加压力，指向圆心,所有点产生的合力之和为,气泡内壁受的总压力为,在气泡内壁上A小圈周围的受力情况，由于每点两边的表面张力都与内壁相切，大小相等，但不在同一平面上，不能相消，会产生一个向圆心的合力。,溶液,9.2.2 Laplace 公式,Laplace公式给出了附加压力、表面张力与曲率半径之间的定量关系。,为简便起见，只考虑球形,在毛细管内充满液体，管端有半径为R 的球状液滴与之平衡。,外压为 p0，附加压力为 ps，液滴所受总压为,9.2.2 Laplace 公式,对活塞稍加压力，将毛细管内液体压出少许,相应地其表面积增加dA,使液滴体积增加dV,克服附加压力ps所做的功等于可逆增加表面积的Gibbs自由能,9.2.2 Laplace 公式,代入,得,这就是Laplace 公式的特殊形式,9.2.2 Laplace 公式,附加压力与液体的表面张力成正比,为了体现附加压力的方向,附加压力与球面的曲率半径成反比,规定:,凸面的曲率半径取正值,凹面的曲率半径取负值,所以，凸面的附加压力指向液体，凹面的附加压力指向气体，即附加压力总是指向曲面的球心。,9.2.3 毛细现象,什么是毛细现象?,当把毛细管插入液体中，管中液面会高于或低于管外的平面,植物依赖毛细管吸取土壤中的水分和养料,在低于饱和蒸气压力下，毛细管中就有液体凝聚等,产生毛细现象的原因?,在弯曲表面上有附加压力存在，使弯曲表面的饱和蒸气压与平面不同,毛细现象与哪些因素有关?,主要与液体和毛细管的性质有关,9.2.3 毛细现象,将洁净玻璃毛细管插入汞中,管内液面呈凸面,因为凸面A点处有向下的附加压力，使管内汞面下降,管内液面下降后又达成了新的平衡,h高度的汞柱压力就等于附加压力,汞液体与管壁的接触角大于90,9.2.3 毛细现象,忽略管内气体的密度，得,代表管内气体和管外液体的密度差,9.2.3 毛细现象,当把洁净的玻璃毛细管插入纯水中时，液面呈凹面,并高于管外的水平面,凹面B点处有向上的附加压力，使B点处压力比平面上小,管内液面上升后又达成了新的平衡,h高度的水柱压力就等于附加压力,纯水与管壁的接触角小于90,9.2.3 毛细现象,忽略管外气体的密度，得,若管外是另一种液体，则,代表管内液体和管外气体的密度差,9.2.3 毛细现象,根据这个公式，从实验测定毛细管中液面上升或下降的高度，可以计算液体的表面张力,如果已知表面张力和毛细管半径，可以预测液面上升的高度,植物就是利用这种毛细管现象，源源不断地从土壤中吸取水分和营养,人们也可利用这种毛细管现象，给植物输液,锄地时将地表的毛细管切断，达到保墒的目的,9.2.3 毛细现象,曲率半径与毛细管半径的关系,是接触角，可用实验测量,9.2.3 毛细现象,考虑到接触角可以在0180变动，为了体现附加压力的方向，则R与r之间的一般关系式为,液面在毛细管中必须上升h高度，系统才能达到新的平衡。,液面在毛细管中必须下降h高度，系统才能达到新的平衡。,9.2.3 毛细现象,毛细压力,当毛细管的半径很小时，这种毛细压力将是十分可观的。,当两片玻璃板之间存在很小的狭缝时，当纤维之间、土壤的团粒结构之间或洁净的沙子之间存在狭缝时，都会产生很大的毛细压力。,在毛细管中产生的这种附加压力称为毛细压力,用毛细压力可以解释:,受潮的平板玻璃为何很难分开,有的织物用水洗涤后为何会缩水，而有的却不会,为何细沙在加少量水后可以做沙雕等,9.2.3 毛细现象,毛细凝聚现象,因为凹面上有附加压力，蒸气压比平面上小,在小于饱和蒸气压时，凹面上已达饱和而发生凝聚，这就是毛细凝聚现象。,在测量固体吸附量时，采用的吸附质能润湿固体，在毛细管中会形成凹面,发生毛细凝聚后会使吸附结果偏高,降低吸附比压可以防止出现毛细凝聚,当石油在地层中流动、血液在血管中流动、粉尘之间的黏附和泡沫之间都有毛细现象存在,9.3 弯曲液面的蒸气压,1.弯曲液面的蒸气压,2.Kelvin 公式的应用,9.3.1 弯曲液面的蒸气压,弯曲液面的蒸气压,当该液体分成小液滴时,与蒸气也达成平衡,则有,当纯液体B的平面液体与蒸气达成平衡时,为平面液体的饱和蒸气压,为小液滴表面所受的压力,为小液滴表面上的饱和蒸气压,9.3.1 弯曲液面的蒸气压,设气体为理想气体，则有,在等温情况下，由于将平面液体分散成小液滴所引起的压力改变导致化学势的改变为,表示液体表面的压力,表示表示与液体平衡的气体压力,9.3.1 弯曲液面的蒸气压,对纯液体B有,等温下，摩尔Gibbs自由能随压力的变化就等于液体的摩尔体积，则等式左边等于,等式右边，将气体（设为理想气体）的化学势表示式代入，得,9.3.1 弯曲液面的蒸气压,于是得到,设液体的摩尔体积在平面液体分散为小液滴的过程中不发生改变，将上式积分,得,因为,代入上式，整理得Kelvin公式,9.3.1 弯曲液面的蒸气压,比较同一液体不同曲率半径的弯曲液面的蒸气压的大小，其公式为,对于相同的液体B，在同一温度下，影响蒸气压的关键因素是曲率半径 R，液滴半径越小，其蒸气压就越大。,这就是Kelvin公式。它指出了弯曲液面的饱和蒸气压 与平面上饱和蒸气压 之间的关系。,9.3.1 弯曲液面的蒸气压,Kelvin 公式的这个形式用得更普遍,因为当,对于小液滴等凸面液体，其附加压力与蒸气压力方向相同，总压力是两者加和。,蒸气压与曲率半径成反比,所以，小液滴或小颗粒的蒸气压随曲率半径的变小而升高。,9.3.1 弯曲液面的蒸气压,对于凹面液体，由于附加压力的方向与蒸气压刚好相反，这样使得凹面上的总压力小于平面液体上的压力，即附加压力为负值,则表示凹面液体与平面液体蒸气压的定量关系的Kelvin公式为,蒸气泡的半径越小，或毛细管中弯月面的曲率半径越小，则凹面上的蒸气压就越低。,9.3.2 Kelvin 公式的应用,(1)过饱和蒸气,如果将半径不等的液滴置于同一真空的玻璃钟罩内，若干时间后，就会发现小液滴不见了。,当云层中有充沛的水蒸气，水的饱和蒸气压已是平面液体蒸气压的4倍以上，可是不一定有雨滴凝聚落下。,如果在水蒸气过饱和的云层中，用飞机或火箭把干冰、AgI（s）或硅藻土等物质撒进去，提供凝聚中心，这时水蒸气很快会凝聚在固体粒子周围形成雨滴落下，这就是人工降雨（或称为人工增雨）。,9.3.2 Kelvin 公式的应用,(2)过饱和溶液,将Kelvin 公式作适当的转换，得,对小颗粒，使用Henry定律,小颗粒的蒸气压随曲率半径的下降而升高，则其饱和溶解度也随曲率半径的下降而升高。,这可以解释定量分析中为什么要有个“陈化”过程，以及结晶过程中加“晶种”的作用。,9.3.2 Kelvin 公式的应用,(3)过热液体,有机蒸馏时，温度计指示液体已到达通常所说的沸点，但却看不出有沸腾的现象，于是继续加热。突然液体夹着气泡一起上冲，这就是暴沸现象。,如果在蒸馏前加入适量沸石（多孔硅铝酸盐），储存在沸石小孔中的空气在加热时放出，作为蒸馏时的成泡中心，可以防止暴沸。,用素烧瓷片或若干一头封口的玻璃毛细管也能起到沸石相同的作用。,9.3.2 Kelvin 公式的应用,(4)过冷液体,在凝固点温度时，液体与固体的蒸气压相等，纯的物质在两相中的化学势相等，才能达成液-固两相平衡。,形成过冷水是由于刚开始形成的冰晶很小，据Kelvin公式，小冰晶对应的饱和蒸气压比同温下大冰块的蒸气压大，所以小冰晶在凝固点温度下不能形成。,过冷水是不稳定的，一旦有灰尘、受到振动或摩擦器壁，过冷水马上就会结成冰。,9.3.2 Kelvin 公式的应用,(5)毛细凝聚,固体催化剂都具有很大的表面积和大量的孔腔或孔道，如果被吸附的物质能润湿固体，则这种液体在固体孔道中就形成凹面。,由于凹面上有附加压力，凹面上的蒸气压小于平面上的蒸气压。,在相同温度下，蒸气在平面上尚未饱和，但在凹面上却已经饱和，于是就凝聚下来，称为毛细凝聚。,在用BET方法测定催化剂比表面时，要控制比压在0.3以下，以避免毛细凝聚发生。,9.4 溶液的表面吸附,1.表面活性物质和非表面活性物质,2.Gibbs 吸附等温式,3.分子在界面上的定向排列,9.4.1 表面活性物质与非表面活性物质,当纯水中加入溶质,溶液的表面张力会发生变化,几种类型如图所示,(1)非表面活性物质,加入后,能使水的表面张力明显升高,如曲线(1)所示。,无机盐和不挥发的酸、碱等属于这一类。,泉水或井水因为含矿物质多，故表面张力大。,9.4.1 表面活性物质与非表面活性物质,当纯水中加入溶质，溶液的表面张力会发生变化，几种类型如图所示。,(2)表面活性物质,加入后，能使水的表面张力降低，如曲线(2)所示。,如碳链较短的脂肪酸、醇、酮、醛、胺等有机化合物。,9.4.1 表面活性物质与非表面活性物质,当纯水中加入溶质，溶液的表面张力会发生变化，几种类型如图所示。,(3)表面活性剂,加入少量后，能使水的表面张力显著降低,在转折处由于杂质的影响有时会出现表面张力的极小值,碳氢链中含有8个碳以上的有机酸的各种盐都属于表面活性剂,9.4.1 表面活性物质与非表面活性物质,表面活性剂的分子中都含有一个亲水基团和一个疏水（亲油）基团，这种分子称为两亲分子。,当表面活性剂溶于水中后，亲水基团趋向于进入水中，而疏水的碳氢链企图逃离水面，所以在浓度不太大时一般都定向排列在水面上。,还有一类物质虽然不一定能降低水的表面张力，但是能明显改变两种物质的界面性质，如润湿剂、乳化剂、破乳剂、起泡剂和洗涤剂等也都称为表面活性剂。,9.4.2 Gibbs 吸附等温式,什么是Gibbs吸附等温式？,Gibbs用热力学方法，求得在定温下溶液浓度、表面张力与吸附量之间的定量关系的微分方程，称为Gibbs吸附等温式。,即,或,分别是溶质B的活度和浓度,是溶质B的表面超额（或表面超量、表面过剩）,9.4.2 Gibbs 吸附等温式,表面超额的物理意义是：,在单位面积的表面层中，所含溶质的物质的量与具有相同数量溶剂的本体溶液中所含溶质的物质的量之差值。,表面超额的单位：,表面超额的值可以是正值，即表面浓度大于本体浓度。加入表面活性剂时是如此。,表面超额的值可以是负值，即表面浓度小于本体浓度。加入非表面活性剂时是如此。,9.4.2 Gibbs 吸附等温式,（1）,增加溶质B的浓度使表面张力下降，表面超额为正值，是正吸附。表面层中溶质浓度大于本体浓度。表面活性物质属于这种情况。,（2）,增加溶质B的浓度使表面张力上升，表面超额为负值，是负吸附。表面层中溶质浓度小于本体浓度。非表面活性物质属于这种情况。,9.4.3 分子在界面上的定向排列,表面活性剂分子是两亲分子，具有亲水和亲油基团,亲水基团进入水中，亲油基团朝向空气,表面活性剂分子在溶液表面定向排列,溶液表面,碳氢链,9.4.3 分子在界面上的定向排列,表面超额是正值,表面超额随浓度增加而递增,如曲线前半段所示,当表面吸附达饱和，表面超额为极大值,如曲线后半段所示,称为饱和吸附量,实验测定饱和吸附量，可计算活性剂分子的截面积,9.5 表面膜,1.表面压,2.不溶性单分子膜,3.生物双分子层膜,9.5.1 表面压,什么是表面压?,(a)在纯水面上的木棍因两边张力相同而静止不动,(a),(b)在左边加活性剂，木棍两边张力不等而向左移动,(b),9.5.1 表面压,什么是表面压?,纯水与表面活性剂溶液的表面张力的差值称为表面压,表面压可用Langmuir天平测量,Langmuir天平的示意图,9.5.1 表面压,表面压的单位与表面张力相同,在表面活性剂浓度不高时,溶液表面如二维理想气体,或,分别为一个和总的表面活性分子的截面积,是界面上表面活性分子的物质的量,在生物化学中，常用来计算蛋白质分子的摩尔质量，即利用蛋白质所形成的单分子膜，用膜天平测定表面压，就可用下式进行计算,9.5.2 不溶性单分子膜,什么是不溶性单分子膜?,微溶或难溶物质在液体表面自动扩展，形成一个分子厚度的膜，称为不溶性单分子膜,不溶性单分子膜的应用,覆盖在湖泊、水库表面，可减缓水分蒸发,覆盖在沙漠表面，可起到抗旱保苗的作用,将单分子膜进行各种叠加，制备不同的L-B膜,9.5.2 不溶性单分子膜,什么是L-B膜？,Langmuir 和他的学生Blodgett女士将不溶性表面膜转移到固体基质上，进行不同的叠加，形成多分子膜，称为L-B膜。,L-B膜的特点是分子排列比较规整，是各向异性的层状结构，膜的厚度可以控制在纳米级。,L-B膜可以用来制备化学模拟生物膜、仿生生物分子功能材料、光电转化器件、非线性的光学器件、生物和化学传感器等，在医学中可用于病理、药理和临床诊断的研究和制备抗肿瘤药物等。,他出生在纽约一个贫民家庭。1903年获冶金工程学士学位，1906年在Nernst的指导下获德国格丁根大学博士学位，1932年因表面化学等研究成果获得诺贝尔化学奖。,Langmuir（18811957）美国物理化学家,他对物质的表面和单分子表面膜进行了研究，提出单分子吸附层理论,设计出测量水面上表面压的“表面天平”(Langmuir天平)。,他获奖无数，美国阿拉斯加州的一座山、纽约大学的一个学院都用他的名字来命名。,9.5.2 不溶性单分子膜,Langmuir 和他的学生Blodgett女士首创的有一定排列次序的多层单分子膜（称为L-B膜）。,利用这种膜的各向异性和可以人为控制和组装，成为高新科技方面的研究热点。,9.5.2 不溶性单分子膜,几种L-B膜示意图,单层膜,多层膜(1),多层膜(2),9.5.2 不溶性单分子膜,几种L-B膜示意图,9.5.3 生物双分子层膜,生物膜通常是指细胞的表面膜和内膜系统。表面膜将细胞的内外隔开，厚度为610 nm。,目前较公认的生物膜的结构是双分子层膜的形式,9.5.3 生物双分子层膜,构成双分子层膜的基本单元是类脂分子。,如果是作为细胞表面膜，则极性基团一面对着细胞膜外，一面对着细胞膜内，都处在细胞内外的电解质溶液中。,它是典型的两亲分子，极性基团一致对外。,双分子层的中间是由两排碳氢链组成的疏水区，它对通过该膜层的物质有高度的选择性。,9.5.3 生物双分子层膜,双分子层膜上的块状物是蛋白质。,靠自身的疏水基与双分子层中的疏水部分相互作用，紧密结合的蛋白质称为内在蛋白。,与双分子层膜之间靠静电引力松散结合的蛋白质称为外周蛋白。,内在蛋白可以将离子或小分子物质进行跨膜运送，功能非常专一，有选择性，故称为活性传输。,以活性传输来维持细胞膜内外离子浓度梯度，维持一定的膜电势，从而维持生命。,9.5.3 生物双分子层膜,生物双分子层膜不是静态结构，它还具有一定的流动性，双分子层内的水、金属离子和少量糖类可以在膜内不断运动，内在蛋白也可以在膜上自由扩散，因此可以看作是类脂分子和蛋白质组成的定向排列的二维溶液。,水为何能以很快的速度大量通过细胞膜？,美国约翰斯-霍普金斯大学医学院的生物化学和医学教授Peter Agre 经过多年的努力，在20世纪90年代，终于找到了这个答案，因而获得了2003年诺贝尔化学奖。,他的研究表明，在蛋白质中有一种称为AQP1的疏水的通道蛋白，使得水分子不能与孔壁形成氢键。,9.5.3 生物双分子层膜,但通道蛋白能使水分子中的氧原子与氨基酸基团形成氢键，从而破坏了水分子之间的氢键，这样就降低了水分子通过膜的能垒而能快速通过。,在AQP1通道蛋白的中间出现紧缩，两头分开。,这样的结构提供了一个高的介电障碍层，使水中的离子难以通过。,由于离子不能利用氢键与水分子一起过去，所以中性的水分子可以大量通过。,9.5.3 生物双分子层膜,细胞膜两边离子的浓度是不等的。例如，神经细胞内钾离子的浓度一般是细胞外的30倍，而钠离子细胞内的浓度只是细胞外的 1/12。,这些离子浓度的差异与人体中信息的传递和生命密切相关，早在1890年人们就开始寻找高效和高选择性的离子通道。,在1998年，美国洛克菲勒大学分子生物学和生物物理学教授Roderick MacKinnon 教授经过十几年的努力，终于模拟出了钾离子通道的立体结构图，因而与Peter Agre分享了2003年诺贝尔化学奖。,9.5.3 生物双分子层膜,诺贝尔化学奖评选委员会的评论是：由于他的发现，人们可以“看见”离子如何通过由不同细胞信号控制开关的通道。,在通道露在细胞的外端有一个窄的选择性滤器，,里面有一个独立的门,在选择性滤器中，氧原子可能处于某个特定的位置，使具有合适离子半径的离子可以优先去溶剂化，进而通过滤器。,9.5.3 生物双分子层膜,选择性滤器可以结合两个钾离子,半径比钾离子小的钠离子，由于能量的关系无法脱离水合层，因此也无法通过的离子通道。,当一个从一端进入，则有一个从另一端出去，像电流传递一样，快速、高效地传导。,9.5.3 生物双分子层膜,对这类生物膜的研究不仅在生命科学中有重要意义，而且对人工膜的合成有指导作用。,以便开发出各种有实际应用的人工膜，用于渗透、超过滤、海水淡化、气体分离和废水处理等方面。,处在孔中的骨架氨基酸指纹序列中的特殊结构可以像“手铐”一样，并具有一定的松紧性，保证了通道中的孔只对合适尺寸的离子打开。,9.6 铺展与润湿,1.铺展,2.接触角,3.润湿作用,9.6.1 铺展,铺展是指一种液体能否在另一种不相互溶的液体表面铺展开来，即一种液体能否占领另一种不互溶液体的表面。,一般说，铺展后，表面自由能下降，则这种铺展是自发的。,大多数表面自由能较低的有机物可以在表面自由能较高的水面上铺展。,一种液体能否在另一种不互溶的液体上铺展，取决于两种液体本身的表面张力和两种液体之间的界面张力。,9.6.1 铺展,液体1的表面张力为,液体2的表面张力为,两种液体的界面张力为,液体2能否在液体1面上铺展,取决于铺展前后界面张力的改变,能铺展,不能铺展,9.6.2 接触角,在气、液、固三相交界点，气-液与液-固界面张力之间的夹角称为接触角，通常用表示。,若接触角大于90，说明液体不能润湿固体，如汞在玻璃表面；,若接触角小于90，液体能润湿固体，如水在洁净的玻璃表面。,接触角的大小可以用实验测量，也可以用公式计算,9.6.2 接触角,9.6.3 润湿作用,液体能自发占领固体表面，把固体表面掩盖起来，称之为液体能润湿固体，反之，则不能。,液体能否润湿固体取决于三个表面张力的相对大小。,不能润湿,能润湿,9.6.3 润湿作用,完全不润湿,不润湿,能润湿,完全润湿,9.6.3 润湿作用,液体能自发占领固体的表面，把固体表面覆盖起来，这种行为称为液体能润湿固体。,如果要制造防水材料，就要在物体表面涂憎水的表面活性剂，使接触角大于90。,液体不能润湿固体，接触角越大，越不能润湿。当，完全不润湿,液体能润湿固体，接触角越小，润湿得越好。当，完全润湿,表面活性剂可以降低液体表面张力，改变接触角的大小，从而达到所需的目的。,9.6.3 润湿作用,天然棉花纤维的表面也有不被水润湿的“脂”，制药棉时必须把这种“脂”脱掉，才能成为脱脂棉。,如果要制造防水材料，就要在物体表面涂憎水的表面活性剂，使接触角大于90。,研究润湿作用的用处,例如，要农药润湿带蜡的植物表面，要在农药中加表面活性剂，使接触角变小。,棉花纤维在纺织、印染过程中，也要经历脱脂过程，才能使染料很好地附在棉花纤维上。,9.7 表面活性剂及其作用,1.表面活性剂的分类,2.胶束和临界胶束浓度,3.亲水-亲油平衡,4.表面活性剂的作用,9.7.1 表面活性剂的分类,表面活性剂的分类,表面活性剂通常采用按化学结构来分类，分为离子型和非离子型两大类。,显然阳离子型和阴离子型的表面活性剂不能混用，否则可能会发生沉淀而失去活性作用。,离子型中又可分为阳离子型、阴离子型和两性型表面活性剂。,9.7.1 表面活性剂的分类,表面活性剂的分类,1.离子型,2.非离子型,阳离子型,阴离子型,两性型,表面活性剂,9.7.1 表面活性剂的分类,阴离子型,阳离子型,两性型,9.7.2 胶束和临界胶束浓度,表面活性剂分子是两亲分子。溶解在水中达一定浓度时，其非极性部分会自相结合，形成聚集体，使憎水基向里、亲水基向外。,随着亲水基不同和浓度不同，形成的胶束可呈现棒状、层状或球状等多种形状。,这种多分子聚集体称为胶束。,9.7.2 胶束和临界胶束浓度,临界胶束浓度(critical micelle concentration),简称 CMC,表面活性剂在水中随着浓度增大，表面上聚集的活性剂分子形成定向排列的紧密单分子层。,多余的分子在体相内部也三三两两的以憎水基互相靠拢，聚集在一起形成胶束。,这种开始形成胶束的最低浓度称为临界胶束浓度。,这时溶液性质与理想性质发生偏离，继续增加活性剂浓度，表面张力不再降低，而胶束不断增多、增大。,9.7.2 胶束和临界胶束浓度,活性剂浓度低于CMC,小型胶束,活性剂浓度等于CMC,层状胶束,活性剂浓度大于CMC,9.7.2 胶束和临界胶束浓度,9.7.2 胶束和临界胶束浓度,9.7.3 亲水-亲油平衡,表面活性剂都是两亲分子，由于亲水和亲油基团的不同，很难用相同的单位来衡量,HLB值=,亲水基质量,亲水基质量+憎水基质量,100/5,对非离子型的表面活性剂，HLB的计算公式为,Griffin提出了用一个相对的值即HLB值来表示表面活性物质的亲水性,9.7.3 亲水-亲油平衡,例如：石蜡无亲水基，所以 HLB=0,聚乙二醇，全部是亲水基，HLB=20,其余非离子型表面活性剂的HLB值为020。,9.7.3 亲水-亲油平衡,HLB值 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20|石蜡 W/O乳化剂 润湿剂 洗涤剂 增溶剂|聚乙二醇 O/W乳化剂,例如：HLB值为26，作油包水型的乳化剂；,810，作润湿剂；,1218，作为水包油型乳化剂。,9.7.4 表面活性剂的作用,表面活性剂的用途极广，主要有五个方面：,1.润湿作用,表面活性剂可以降低液体表面张力，改变接触角的大小，从而达到所需的目的。,例如，要农药润湿带蜡质物的植物表面，要在农药中加表面活性剂。,如果要制造防水材料，就要在表面涂憎水的表面活性剂，使接触角大于90。,9.7.4 表面活性剂的作用,矿物,浮游选矿的原理图,选择合适的捕集剂，使它的亲水基团只吸在矿砂的表面，憎水基朝向水。,当矿砂表面有5%被捕集剂覆盖时，就使表面产生憎水性，它会附在气泡上一起升到液面，便于收集。,一次采油,在原油开采过程中，初次采油一般依靠地底压力，驱使原油自喷或自流而出。,二次采油,是注水采油。由于地下压力逐渐减小，不得不往地下注水，利用水和油的相对密度不同，用水将石油置换出来。,我国综合原油采收率只有多一些，也就是说，还有多的石油仍然留在地下。,三次开采石油,三次开采石油,三次采油,三次采油就是用活性水驱油，利用物理、化学和生物等方法，把水驱难于开采的剩余油尽可能多地采出来，以提高原油采收率。,一般是往地下注入化学物质，将油驱赶出来。,大庆油田提出，力争用1520年的时间，形成以化学驱为主导，门类较为齐全的三次采油、四次采油技术系列。,三次采油年产油量1000万吨以上，稳产至2020年,三次开采石油,活性剂分子,岩石表面,石油,三次产油原理,三次开采石油,超低界面张力采油,也有的石油会增溶在表面活性剂形成的胶束中，就能因为相对密度小而上浮，将石油开采出来。,用石油磺酸盐加在采油的注水液中形成活性水，石油磺酸盐可以吸附在岩石表面，使之具有超低界面张力，使石油与岩石的接触角大于90。,这样处于毛细管中的石油表面变成凸形弯月面，容易将石油与岩砂表面剥离，将石油驱赶出来。,为了防止表面活性剂过多地被吸附，可以将活性水制成微乳液，以提高驱油效果。,润湿剂的其他用处,润湿剂和疏水剂在医药、输运、电焊和电镀等方面还有很多用处。,要将放置液体药物的安瓿瓶以及针剂管的玻璃内壁进行疏水化，保证药物能全部被利用，否则有部分药物粘附在玻璃内壁既造成药物浪费，又可能造成剂量不准。,润湿剂的其他用处,在医药的外用软膏中要加入能润湿带油脂皮肤的活性剂，既要不污染织物，容易清洗，又要能很好地润湿皮肤使药物铺展均匀。,要将输油管的内壁亲水化，使石油与管壁的接触角大于，以降低输运阻力，节约动力能源。,要将热交换器的内壁疏水化，使水与管壁的接触角大于，既可以降低流动阻力又可以提高热效。,在电焊、电镀、印刷和涂料中都要加一定的润湿剂，以保证界面之间结合得比较牢固。,润湿剂的其他用处,蚊子和水黾等昆虫由于腿上有许多不被水润湿的绒毛，在水面上形成的接触角大于90，所以它们可以凭借水的表面张力站立在水面上，并能快速在水面上滑移，甚至连虫卵也下在水面上。,在水面喷洒0.1%0.25%的肥皂水，就可以使它们遭受灭顶之灾。,海上石油泄漏可能会导致大批海鸟死亡。,2.起泡作用,泡主要指气相分散在液相中的泡沫，这种泡是由含有表面活性剂的液相薄膜包裹着气体形成的。,起泡剂一方面可降低水的表面张力，另一方面可使形成的气泡膜有一定的机械强度和弹性。,起泡剂分子作定向排列，形成泡膜。膜内包含少量水分，使膜具有一定的黏度 和强度。,起泡剂可用于浮游选矿、泡沫灭火、洗涤等方面。,2.起泡作用,在制糖、制中药过程中，如果泡沫太多，要加入适当的表面活性剂以降低薄膜强度，消除气泡，防止事故的发生。,消泡剂也是表面活性剂，它主要是降低气泡膜的强度，使膜内的液体流失，造成气泡膜变薄或破裂，达到消泡的目的。,3.增溶作用,非极性有机物如苯在水中溶解度很小，加入油酸钠等表面活性剂后，苯在水中的溶解度大大增加，这称为增溶作用。,增溶作用与溶解不同，增溶的苯不是均匀分散在水中，而是分散在油酸根分子形成的胶束中。,经X 射线衍射证实，增溶后各种胶束都有不同程度的增大，而整个溶液的的依数性变化不大。,增溶必须在临界胶束浓度以上才能发生，增溶后的溶液仍然保持透明的均相状态。,3.增溶作用,对于不同的溶质和胶束，它们增溶的机理是不同的,饱和脂肪烃和环烷烃等是溶于胶束的内核之中,被增溶的有机物,表面活性剂分子,不易溶解的有机染料粒子是吸附在胶束表面,3.增溶作用,增溶作用在洗涤、分离蛋白质、染色、乳化聚合、医药和生理过程中有广泛的应用。,洗涤过程中增溶作用是很重要的，可将污垢增溶在由表面活性剂形成的胶束或反胶束中。,工业上合成丁苯橡胶时，就是将原料增溶于肥皂形成的胶束中，以控制反应的速率和聚合程度。,在生物工程中可以选用合适的表面活性剂，利用增溶作用来分离和提纯蛋白质。,增溶作用在人的消化过程中也起了重要作用。,4.乳化作用,也可以是水分散在油中，称为油包水乳状液，用W/O表示，如石油原油。,乳状液（emulsion）是由一种或几种液体以大小在1000 nm以上微滴的形式均匀地分散在另一种液体中构成的粗分散系统。,乳状液可以是油分散在水中，油是分散相，水是连续相，称为水包油乳状液，用O/W表示，如牛奶。,要使乳状液稳定存在，必须加乳化剂。乳化剂的作用是使由机械分散所得的液体微滴不相互聚结。,4.乳化作用,乳化剂大多是具有两亲基团的表面活性剂，它们在分散相周围定向排列，一方面降低总的表面自由能，另一方面增加界面的机械强度。,水,水包油,油,油包水,4.乳化作用,如何检验水包油乳状液,加入水溶性染料如亚甲基蓝，说明水是连续相。,加入油溶性的染料红色苏丹，说明油是不连续相。,4.乳化作用,有时为了破坏乳状液需加入另一种表面活性剂，称为破乳剂，将乳状液中的分散相和分散介质分开。,例如，原油中需要加入破乳剂将油与水分开。,有的加入分子小而表面活性大的有机物（如戊醇），将原来的乳化剂从界面挤走，降低界面上膜的强度，使之破裂，让分散相聚合。,也有的用机械的方法来破乳。例如，用超离心机从牛奶中提取黄油等。,4.乳化作用,乳化作用的应用,高分子材料的乳化聚合,感光材料的乳化分散,纺织、印染和食品工业中的乳化技术,柴油中的乳化掺水技术，既可以节省油料，又可以提高热值，还可以减少氮氧化物的排放，是一举多得的好事,牛奶的破乳作用，可提取黄油，进行深加工等,破乳还可以应用于回收废油和污水处理等,4.乳化作用,乳化作用的应用,如果微乳液滴的半径小到100 nm以下，则乳状液呈透明或半透明状态，这种称为微乳液。,微乳液能增加润肤剂的渗透皮肤的深度和速度，对头发和皮肤有更好的亲和力，保养效果好。,将农药制成水包油型的微乳液剂，可以节省大量有机溶剂，成药不易燃、易爆，便于运输和储存。,微乳液兼备增溶水和增溶油的能力，在药物制备中可以将油溶性药物溶解在连续相（介质）中，将水溶性药物溶解在其中的分散相（内相）中，这样将两类药物集于一剂，服用方便，提高疗效。,5.洗涤作用,洗涤剂中通常要加入多种辅助成分，增加对被清洗物体的润湿作用，又要有起泡、增白、占领清洁表面不被再次污染等功能。,洗涤过程是包括润湿、增溶、乳化、起泡和保护清洁表面等一连串复杂过程,肥皂硬酯酸钠,肥皂粉长直链烷基苯磺酸钠,污垢一般由油脂和灰尘组成，不易被水润湿,5.洗涤作用,好的洗涤剂要具备如下特点：,1.有良好的润湿性能，与被洗表面充分接触,2.有效降低被洗固体与水以及污垢与水的界面张力，使污垢易脱落,3.有一定的增溶和起泡作用,4.能保护洁净表面不被再次污染,5.洗涤废水容易降解，不污染环境，如不能用含磷洗涤剂,5.洗涤作用,加活性剂将油污和基质润湿,增溶、从表面置换，使油污离开基质表面,乳化、起泡、带走油污，占领基质表面,6.莲花效应,莲花是花中君子，出淤泥而不染，有自我保洁能力,莲叶表面呈超疏水状态，水与叶面的接触角几乎接近180,当液滴在表面流动时，会将落在叶面上的灰尘带走，使叶面保持清洁,6.莲花效应,在电子显微镜下，莲叶表面具有大小为515m 的細微突起的表皮细胞，表皮细胞上又覆盖著一层直径约1 nm左右的蜡质结晶。,当水与这类表面接触时，不平的表面与水之间会有一薄层空气，使水与叶面的接触角变大，几乎为180。,原来疏水的表面成为超疏水表面，降低了污染颗粒对叶面的附着力。,6.莲花效应,经研究表明，水滴在平滑