《高分子材料化学基础》
2. 用表面张力计算
肥皂膜FΒιβλιοθήκη σW Fdx 2 表面张力 l dx
显然： 自由能 表面张力
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六、溶质对表面张力的影响
1. d / dc 0
1
非表面活性物质
无机盐、不挥发酸碱
2. d / dc 0
2
表面活性物质
3
短链脂肪酸、醇、醛
0
c2
3. 表面活性剂：明显降低水的表面张力的两亲性质 的有机化合物
式中，A表示某物质的表面积；V表示该物质的体积； 比表面积As的单位是m-1。
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1).对于边长为l的立方体颗粒，其比表面积：
As
A V
6l 2 l3
6 l
2).对于半径为r的球形颗粒，其比表面积：
As A 4 r2 3 V 4r3 r
3
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对于松散的聚集体或多孔性物质，其分散 程度常用单位质量所具有的表面积Aw来表示， 即：
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表面张力σ(Surface
Tension)
在两相界面上，处处存在着一种张力，它垂直于表面的单位 线段上，指向使表面紧缩的方向并与表面相切。
作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用 σ表示，单 位是N·m-1。
肥皂膜
F
注意：
1. 表面张力是作用在单位长度线段 上的力，量纲为Ｎ m-1
润湿的变成不润湿——去润湿作用.原理是用表面活性物质的
极性部分选择性吸附,非极性部分向外呈憎水性.典型的就是 矿石的浮选,富集矿物.
一次性抽血器中盛血的玻璃管(定量的),内壁要疏 水化,使用的是硅偶联剂,使血液在管内不残留.
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八、表面活性剂（Surfactant）及其应用 表面活性剂的一般结构
许多文献中也常常将两个不同体相间的界 面称为表面，表面化学这一术语也被大家广泛接受 了
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表面化学与其他学科的联系
生命科学（生物膜及膜模拟化学）
表
面 化
能源科学（三次采油、煤的液化、化学电源）
学
材料科学（超细材料、材料的表面改型）
信息科学（LB膜，微电子器件） 界面化学的发展和现状
界面相是一个准三维区 域，其广度无限，而厚 度约为几个分子的线度
体系性质在体相为常数， 表面相是体系性质连续变 化的一个过渡区域
按物质聚集状态，界面可分为五类： 固－气（S-g）、固－ 液（S-l）、固－固（S-S）、液－气（l-g）、液－液（l-l）
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表面（Surface）
表面：凝聚态物质相对于其纯气相的界面。 S－g、L－g界面算作表面
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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度低于在本体 的浓度。
表面活性物质(surface active substance) 溶液表面张力随浓度增加而逐渐减小。
表面活性剂是指能显著降低水的表面张力的一类物质
表面活性剂从结构上看均为两亲分子，即同时具有亲 水的极性基团和憎水的非极性基团。
极性头
8－18C 长链烷基等非极性基团
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非极性基团：
1. 最常见的是8－18碳的直链烷烃，或环烃等
如 C17H35－，R－
等
2. 全氟表面活性剂：将上述碳氢链中的氢原子全部用 氟原子取代即可。其疏水作用强于碳氢链，其水溶液 表面张力可低至20mN/m以下
一、两者量纲相同
J Nm N
m2 m2 m
表面自由能的量纲
表面张力量纲
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表面自由能与表面张力
二、两者数值相同
肥皂膜保持张力平衡：F 2 l （肥皂膜有两个表面）
肥皂膜
F
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1. 用表面自由能计算：
dx
肥皂膜
lF σ
W= σ自由能 A = σ自由能·2l·dx
低分子量的极性有机物，如：醇、醛、酸、酯、胺 等.
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表面活性剂surface active agent (surfactant): 当浓度很小时，溶液的表面张力便急剧减小，
但减小到一定值后就不再随浓度增加而变化。 一般为具有长碳链（碳原子数大于8）的极性有机化合物.
从结构上看，表面活性物质是两亲分子，一端亲水（－OH,－ COOH,－SO3Na等),另一端亲油（憎水）（－R等）。
对一定量的某物质来说，当其表面积较小时， 则表面性质对物质的一般性质的影响可以忽略；而 当物质的分散程度（即粉碎程度或分散度）很大时， 表面层分子所占的比例较大，表面现象也就表现得 突出了。
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一、比表面积与分散度
比表面积：单位体积的物质所具有的表面积。 以As表示。
As A V
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1 农药喷洒.由于大多农药水溶性差,对植物的茎叶润湿不好, 一是滚落浪费,二是不能展开而杀虫效果差,此时就要用到表 面活性剂surface active agent--SAA,加入表面活性剂SAA, 提高润湿程度,即可大大提高药效.
2另一类也是利用表面活性剂,但作用正相反,使某些物质本是
表面吸附量之间关系的吉布斯公式
c d
RT dc
式中，Γ：溶质在表面层的吸附量，是指单位面积的表面层所含溶 质的摩尔浓度数比同量溶剂在本体中所含溶质摩超出值；c：溶液的 本体浓度；σ：溶液的表面张力；T：绝对温度，K；R：气体常数
在一定温度下，当溶液的表面张力随浓度的变化率d σ/dc<0 时， Γ >0，表明凡是增加浓度，能使溶液表面张力降低的溶 质，在表面层必然发生正吸附。
由吉布斯自由能性质可知，在恒温恒压下，此表面 功即等于体系吉布斯自由能的变化量的相反数：
dG T , p,n Wreversible dA
此式表明，考虑表面相贡献的多相体系，除了温度、压力、组 成等因素，表面积也是影响体系热力学函数的一个重要变量。
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表面自由能(Surface Free Energy)
第九章 表面现象与分散体系
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§9.1 表面现象
水滴为什么是圆 形而不是方形
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表面现象 它们为什么可以 漂在水面上
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ps
水
水在毛细管中为 什么会上升
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界面（Interface）
界面是相与相之间的交界 所形成的物理区域
1805 1806 1878 1916
T . Young P.S. Laplase Gibbs
Langmuir
提出界面张力概念 表面张力与曲率半径关系
表面吸附方程 固体吸附等温方程式
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物质的表面特性
表面现象在某个确定的体系中表现出来的明显 程度，主要取决于表面层分子（或原子、离子）所 占的比例。
2. 注意区分表面张力产生原因与表 面张力的表现
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表面张力(Surface Tension)
请同学们用表面张力的知识思考图中的现象
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五、表面自由能与表面张力
对于表面相，我们从“能”和“力”的角度引出 了两个不同的概念：表面自由能与表面张力。事实上这两个 概念有着密切的联系
性剂浓度,
该值愈小表明表面活性剂在20界mN/m
面的吸附能力愈强。
C20 有效值
2. 表面活性剂有效值
能够把水的表面张力 降低到的最小值。显然，
杂质的原因
能把水的表面张力降得愈低，该表面活性剂愈有效。
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Aw A m
对于边长为l的立方体，则有：
Aw
A m
6l 2
l3
6
l
式中，ρ为密度，单位是kg/m3; l为立方体的边长，单位是m; Aw的单位是m2/kg。
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二、表面现象的微观成因
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表面现象的微观成因
气相 液相
表面相分子受力不均匀， 其分子有被拉入液相的趋 势。 这种受力不均匀性是表面 现象产生的微观成因。
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两亲分子在气液界面上的定向排列
根据实验，脂肪酸在水中的浓度达到一定数值后， 它在表面层中的超额为一定值，与本体浓度无关，并 且和它的碳氢链的长度也无关。
这时，表面吸附已达到 饱和，脂肪酸分子合理的 排列是羧基向水，碳氢链向 空气。
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极性端称为头基，非极性端称为尾基。 正因为表面活性物具有两亲性结构，极性端极力进入 水相，而非极性端受到水的排斥，有逃出水相的趋势，于是它 被排向水面，在水面上浓集，将憎水部分伸向空气。微观上看， 表面层表面活性物分子所受的向内的拉力比水分子的要小些， 即表现出表面活性物质溶液的表面张力低于水的表面张力。
1. 狭义定义：保持体系温度、压力、组成不变时，增加
单
位表面积，体系吉布斯自由能的变化
G ( A ) p,T ,nB
2. 广义定义：保持体系相应变量不变时，增加单位表面
积，体系热力学函数的变化
U ( A )S ,V ,nB
(
H A
)
S
,P,nB
(
F A
)T
,V
,nB
(
G A
)T
,P,nB
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表面化学基本热力学关系式：
dU TdS PdV dA BdnB B
dH TdS VdP dA BdnB B