第二章 表面活性剂
2、表面自由能
➢ 表面自由能的概念
➢ 由于表面层分子的受力情况与本体中不
同，因此如果要把分子从内部移到界面，
或可逆的增加表面积，就必须克服系统
内部分子之间的作用力，对系统做功。
如图2-3的体系中，如果增加一个无限
小的力于滑动边，使其向下移动dx的距
离，对体系所做的可逆功为：
W F d x 2 ld x d A
O
疏水基
亲水基
烷基硫酸盐表面活性剂两亲分子示意图
第二章 表面活性剂
烷烃基 烷基苯基 烷基酚基 脂肪醇基 脂肪酰胺基 脂肪酸酯基
烷基萘
主要的亲水和疏水基团
疏水基 R— R—C6H4— R—C6H4O— R—O— RCONH— RCOOCH2—
R
羧酸盐 磺酸盐 硫酸盐 磷酸酯盐 胺盐 季铵盐
甜菜碱
亲水基 —COO— —SO3— —OSO3— —P(O)O2— —NH3+ —N+(CH3)3
—N+(CH3)2CH2COO-
聚氧丙烯基
有机硅类 碳氟链
CH3 CHCH2O n
硅烷、聚硅氧烷 CF3(CF2)n—
氨基酸
聚氧乙烯 多元醇
—NH(CH2)2COOH
(CH2CH2O)n —OH
第二章 表面活性剂
2、表面活性剂的分类
➢ 一般表面活性剂的分类以亲水基的结构性质为依据，以
表面活性剂在水中能否电离出离子或电离出何种离子进
第二章 表面活性剂
3、弯曲液面附加压力 ➢ 弯曲界面内外两侧的压力有所不相同，存在压力差。由
于表面张力的方向是切于表面并垂直于作用线上，向着 缩小表面的方向，这样使得液体表面产生向着液体内部 的附加压力△p，如图2-4所示。
对凸形液面：
pp凸p0
对凹形液面：
pp凹p0
第二章 表面活性剂
➢ Laplace公式 弯曲液面上的附加压力于液体的表面张力和液面的曲率
第2章 表面 活性剂
第二章 表面活性剂
➢ 表面张力的大小和物理意义：
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，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。欲制止液膜的 自动收缩，必须施加一适当大小的外力 F于活动边。若活动边的重力以及活动 边与框架之间的摩擦力可以忽略不计， 当外力F与总的表面张力大小相等方向 相反，金属丝不再滑动。则有：
行分类。
表面活性剂的一般分类
种类
离子型表 面活性剂
阴离子表面活性剂 阳离子表面活性剂
两性表面活性剂
非离子型表面活性剂
含氟表面活性剂
Байду номын сангаас
特种表面 含硅表面活性剂
活性剂 Gemini 表面活性剂
高分子表面活性剂
常见表面活性剂品种 羧酸盐、磺酸盐、硫酸酯盐、磷酸酯盐 胺盐、季铵盐 甜菜碱、咪唑啉、氨基酸 聚氧乙烯醚、多元醇、聚醚、烷基多苷 全氟羧酸盐、全氟磺酸盐 硅氧烷聚氧乙烯醚 双脂肪酰基乙二胺二丙酸钠 木质素磺酸盐、聚乙烯吡咯烷酮
第二章 表面活性剂
三、表面活性剂的结构与分类
1、表面活性剂的结构
➢ 任何一种表面活性剂分子都是由两种不同性质的基团所 组成，一种是非极性的易溶于油的疏水（亲油）基；另
一种是极性的易溶于水的亲水基，两种基团分处于分子
的两端形成不对称结构。
➢ 表面活性剂是一种两亲分子，具有既亲油又亲水的两亲
性质。
O
OS O Na+
液体
汞 水 四溴乙烷 硝基苯 硝基甲烷 橄榄油 液体石蜡 油酸
常见的纯液体的表面张力
20℃时表面张力/ mN·m-1 485.0 72.80 49.67 43.38 36.82 35.80 33.10 32.50
液体
苯 甲苯 正辛醇 氯仿 四氯化碳 正辛烷 正己烷 乙醚
20℃时表面张力/ mN·m-1 28.86 28.40 27.53 27.13 26.66 21.77 18.43 17.10
液体表面张力实验
第二章 表面活性剂
➢ 表面张力与表面自由能的关系 液体表面张力和表面自由能是分别采用力学和热力学方
法研究液体表面性质时所用的物理量，他们代表的物理 概念有所不同。 表面张力是表面层分子间实际存在的收缩表面的力。采 用表面张力的概念，以力学平衡的方法解决流体界面的 问题，具有直观方便的优点。 表面自由能是形成一个单位的新表面时体系自由能的增 加。采用表面自由能的概念，便于用热力学原理和方法 处理界面问题。 由1J=1N·m可知，表面张力与表面自由能是同纲量，同 数值的。
第1类是溶液的表面张力随溶液
浓度的增加而略有上升。
γ
1
第2类是溶质的加入会使水的表
面张力下降，随着浓度的增加，
表面张力下降更多，但不是直
2
线关系。
3
第3类是加入少量溶质就能显著
C
溶质对溶剂表面张力的影响
地降低水的表面张力。
第二章 表面活性剂
➢ 从降低表面张力的特性而言，把能使溶剂表面张力降低 的性质称为表面活性。而具有表面活性的物质称为表面 活性物质。
F=2γl
液体表面张力实验
第二章 表面活性剂
➢ 表面张力的大小和物理意义：
F=2γl
➢ 上式中的比例系数γ即为液体的表面张力，其意义为垂 直通过液体表面上任一单位长度，与液面相切的收缩表 面的力，是液体的基本性质之一。
➢ 一定成分的液体在一定温度、压力下有一定的γ值，通 常以mN/m为单位。
第二章 表面活性剂
➢ 第3类物质加入很少量就能大大降低溶剂的表面张力， 并且这类物质也能明显地降低界面张力，这类物质有别 于一般的表面活性物质，称为表面活性剂。此外，表面 活性剂还具有润湿、乳化、增溶、起泡等性能 。
➢ 表面活性剂定义为：加入很少量时就能大大降低溶剂的 表面张力（或界面张力），并能改变体系界面状态的物 质。
液体表面张力实验
式中，dA=2ldx，是体系表面积的改变量。
第二章 表面活性剂
在恒温、恒压下，外界所消耗的功将储 存于表面，成为表面分子所具有的一种 额外的势能。此功即等于体系吉布斯自 由能的增加：
由此可得
GdA G/dA
为恒温恒压下，增加单位表面积时体
系吉布斯自由能的增量，或单位表面上 的分子比体相内部同量分子所具有的自 由能过剩值，称为表面过剩自由能，简 称表面自由能。常用单位为mJ/m2 。
半径有关，若曲面的主曲率半径为R1和R2，则曲面两侧 的压力差为：
p（1 1 ）
R1 R2
根据规定，凸面的曲率半径取正值，凹面的曲率半径取 负值。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球面的球心。
第二章 表面活性剂
二、表面活性和表面活性剂
➢ 溶质加到溶剂中可以使溶剂的表面张力发生变化，各种 溶质的浓度对水的表面张力的影响可分为三种类型 。