第十三章 表面物理化学(4)

2019-06-17 18:17

以作为参考。

表面活性剂在溶液中的状态—胶束与临界胶束浓度

1.在溶液及溶液的面处表面活性剂的状态的变化。

2.临界胶束浓度和胶束,胶束的形状(球状,棒状及层状胶束)。 3.临界胶束浓度及溶液中其它的物理性质的变化。

表面活性剂在水中的溶解度

一般来说,表面活性剂的亲水性越强,其在水中的溶解度越大,而亲油性越强则越易溶于油。因此,表面活性剂的亲水性也可能性以用溶解度或者说与溶解度有关的性质来衡量。离子型表面活性剂在低温时溶解度较小,随着温度的升高,其溶解度缓慢地增加,当达到一定温度后,其溶解度会突然迅速增加,这个转变温度称为点。同系物的碳氢链越长,其点越高,因此,点可能性以 衡量离子型表面活性剂的亲水性,亲油性。

非离子表面活性剂的亲水基团主要是聚氧乙烯基。升高温度会破坏聚氧乙烯基同水的结合,从而使非离子型的表面活性剂的溶解度下降,甚至析出。在实验中可以观察到,若对含有非离子型表面活性剂的水溶液加热,开始溶液是透明的,加热到某一温度时,溶液开始混浊,这表明表面活性剂开始析出,发生混浊的最低温度称为浊点。在亲油基相同的物系中,环氧乙烷的分子数越多,亲水性越强,浊度越低。因此可利用浊点来衡量非离子型表面活性剂型表面活性剂的亲水性,亲油性。

表面活性剂的几种重要作用

润湿作用 起泡作用

这里仅讨论分散在液体中形成的泡沫:

“泡”是液体薄膜包围着的气体。“泡沫”是许多泡的聚集。 泡沫的作用:

1.浮选, 2.泡沫灭火, 3.去污作用, 4.电渡中的作用。 泡沫的不利作用:

1. 化工中的单元操作时的泡沫的影响,2。涂料和照相浮剂中的泡沫的影响

泡沫的形成和破灭过程 起泡剂的作用: 1.降低了表面张力,

2.表面活性剂的在表面上吸附,使液膜具有一定的机械强度,有弹性 3.增大了表面粘度(亲水基团对水有拖曳作用)

消泡剂的作用:

基本原理:或和起泡剂发生反应(在脂肪酸皂形成的泡沫中加入HCl,H2SO4或钙镁盐等),或在表面铺展得很快,而本身的形成的膜又不牢固(如C8H17OH, 磷酸三丁酯等,还有酰胺类(二乙酯乙二胺)油脂等是很好的消泡剂。

增溶作用(胶束溶液) 增溶作用的特点:

1.增溶过程是自发过程,使体系的吉布斯自由能下降,所以整个体系从热力学上讲是一个稳定的体系。

2.由增溶所形成的体系(溶液)是透明的》 3.增溶后溶有液的依数性变化不大。

增溶作用的机理:在增溶的过程中,有机物进入了胶束的内部,(实验证据:1.C11H23SO4Na形成的球状胶束的增溶,2.油酸钠(C8H17CH=CHC7H15COONa)形成的层状胶束的增溶。

乳化作用 洗涤作用

去除污垢的洗涤作用是一个比较复杂的过程,它与上面提到的润湿,起泡,增溶和乳化等作用有关。最早用作洗涤剂的是肥皂,它是用动植物油和NaOH或

KOH皂化而制得的。

肥皂虽是一种良好的洗涤剂,但它在硬水中会与等离子生成不溶于水的脂肪酸盐,不但降低了去污性能,而且污染了衣物表面。近几十年发展的合成洗涤剂工业,用烷基硫酸盐,烷基芳基磺酸盐有聚氧乙烯醚型非离子表面活性剂等作原料制成的各种合成洗涤剂去污能力比肥皂强,便于机械搅拌使用,而且克服了肥皂的上述缺点,得到了广泛的使用。

污垢一般由油脂和灰尘组成,去污过程可看作是带有污垢(D)的固体(S),浸入水中(W)中,在洗涤剂的作用下,降低污垢与固体表面的粘附功Wa,从而使污垢脱落而达到去污的目的。用式表示为:

Wa??s?D??s?W??D?w

Wa的绝对值愈小,污垢与固体表面结合愈弱,污物愈被去除。当水中加入洗涤剂后,洗涤剂的憎水基团吸附污垢和固体的表面,从而降低了?D?W和?s?W,使Wa的绝对值变小。然后用机械搅拌的方法使污垢固体的表面脱落,洗涤剂分子在污物表面的沉积而使其悬浮在溶液中,洗涤剂分子同时也在洁净的衣物表面沉积阻止了污垢重新在衣物表面的再沉积。所以在制备合成洗涤剂时必须考虑如下几种因素:(1)洗涤剂必须具有良好的润湿性能,使它与被清洁的表面有充分的

接触。(2)能有效地降低被清洗固体与水及污垢与水的界面张力,使污物与因体的确良粘附功变小而使污物容易脱落。(3)有一定的起泡或增溶作用,可以将除下的污物分散。(4)能在洁净的固体表面形成保护膜而防止污物重新沉积。所以在制备合成洗涤剂时往往还加入其它的洗涤助剂,如硅酸盐,焦磷酸盐等非表面活性剂,以使溶液有一定的碱性,增强去污能力,同时还可以防止污垢重新在衣物上沉积。近年来由于磷酸盐对生态的破坏作用,人们开始用其它的洗涤助剂代替磷酸盐,使用无磷洗涤剂。

§13.8 固体表面的吸附

固体对气体和溶液中的溶质产生吸附的原因。

吸附在实践中的应用: 1.合化物的提纯, 2.空气的净化, 3.物质的分离,4.催化剂的研究与制备等。

固体表面的特点

和液体一样,固体表面上的原子或分子的力场也是不均匀的,所以固体表面也有表面张力和表面能。但由于固体分子或原子不能自由移动,因此它表现出以下的特点:

1.固体表面分子(原子)移动困难

固体表面不像液体那样易于收缩和变形,因此固体表面张力的直接测定比较困难。任何表面都有自发降低表面能的倾向,由于固体表面维于收缩,所以只能靠降低表面张力的方法来降低表面能,这也是固体表面能产生吸附作用的根本原因。

2.固体的表面是不均匀的

从原子水平上看,固体的表面是不规整的,存在多种位置,有附加原子,台阶附加原子,平台,平台空位,扭结原子等等。这些表面原子的差异,主要表现在它们的配位数的不同。这些不同类型的原子,它们的化学行为也不相同,吸附热和催化活性差异很大。另外,表面态能级分布是不均匀的,不同于均匀的体内电子态。

3.固体表面层的组成不同于体相内部

固体表面除在原子排队布及电子能级上与体相有明显不同外,其表面化学组成也往往与体相存在很大的差异。由多种元素组成的固体,由于具有趋势向于最小表面自由能及吸附质的作用,使某一元素的原子从体相向表层迁移,从而使它在表层中含量高于在体相的含量,这种现象称为表面偏析。它不仅与固体的种类及所暴露出的晶面有关,还受环境气氛的影响。

总之,固体表面结构和组成的变化,将直接影响到它的使用性能,吸附行为和催化作用,因此应给予足够的重视。

吸附等温线

当气体在固体的表面发生吸附时,固体叫做吸附剂,气体叫做吸附质。 在发生气固吸附时,在一定的条件下(T,p),单位质量的固体在达到吸附平衡时,吸附气体的体积V(换算成标准状态下(STP)或物质的量称为吸附量q。如

VW或q'?mm

实验表明,对于给定的系统(即一定的吸附剂与一定的吸附质),达到吸附

q?平衡时的吸附量与温度和压力有关,即 q?f(T,P)

在固定一个变量时,可以有三种吸附曲线,这三种吸附曲线是相互联系的,从一种吸附曲线可以得到另一种吸附曲线。三种吸附曲线各有用处,其中以吸附等温线被人们研究得最多。通过对吸附情况的实验测定,人们可以了解固体的许多性质,如表面积,孔径分布等。

书中P358有三种吸附曲线,通过它可以了解和测定吸附的过程以及关于吸附的其它物理数据。

下图是五种吸附等温线,它显示了关于吸附时气体在固体表面上排列的形式,以及固体的孔,表面积,孔径分布以及孔容积等有关信息

Langmuir(兰缪尔)吸附等温线

Langmuir(兰缪尔)在研究低压下气体在金属上的吸附时, 根所实验现象发现了一些规律,总结出兰缪尔单分子层吸附理论。他认为吸附是气体在固体表面的聚集和从固体的表面上逃逸的动态平衡过程。他的基本假定如下:

(1)固体的表面是均匀的,只有气体分子碰到固体的表面上时才能发生吸附。 (2)被吸附的气体分子之间没有作用力,因此气体分子在空白表面上的吸附与气体分子从固体表面的逃逸和周围是否有气体分子无关。

如以?表示覆盖度,则空白表面所占的分率为?1???,吸附的速度和气体在气相的压力p及表面空白度?1???成正比。

1(1??) r吸?k1P脱附速率和表面覆盖度θ成正比

r脱?k?1?

当吸附达到平衡时,

k?1??k1P1(1??)

k?1?k1p

k??1k?1为吸附平衡常数(或吸附系数)令,它的数值的大小代表了固体对气体的吸附的强烈程度,得到

?p??1??p

这个公式称为兰缪尔吸附等温式

兰缪尔公式的讨论

1.以θ对p作图,以及不同的压力段的情况

2.如以Vm表示固体表面铺展一层分子时的吸附量,V为气体的压力为p时的吸附量,则

V?p?Vm1??p

V?pV?m1??p 或

??kp??p1p??将上式改写成 VVm?Vm

这是兰缪尔公式的另一种表示法,如以p/V对p作图,可得一条直线,事实表明,一些吸附过程的确符合这种公式。当然,我们也可以将p实验验数据和该公式相对照,了解一些体系的吸附的微观机理及固体的表面的特征。

如果气体吸附时发生解离,生成两个粒子,则一个分子应占据两个吸附位,此时

2r?kp(1??)a1

2 rd?k?1?

22在吸附达到平衡时, k1p(1??)?k?1?

k11(1)2p2(1??)??对上式两边同时开方 k?1 22在很低的压力下 ???p

11由吸附的实验数据,如一个吸附体系??发生离解。

p,则可以判断该气体在吸附时

如果有两种气体发生吸附,达到吸附平衡时,A,B两种气体的表面覆盖度为θA,θB,则表面空白度为1-θA-θB,应有


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