表面化学与胶体
从表面张力到DLVO理论,看清胶体稳定与聚沉的定量判据
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表面化学与胶体
从表面张力到DLVO理论,看清胶体稳定与聚沉的定量判据
表面张力
水黾能踩水行走,露珠在荷叶上滚成圆球——这些都来自液体表面一层'收紧'的趋势。表面张力是描述这一趋势的物理量,也是理解毛细、润湿、起泡等现象的钥匙。
都让系统倾向面积最小,但表面张力源于分子受力不对称,并非真有膜
弯曲表面上的附加压力
上一页我们说表面张力让液面像绷紧的膜,会自动收缩。如果液面是平的,膜收缩没有阻力,内外压力相等;液面一旦弯曲——比如水滴、肥皂泡——膜的收缩被曲率"顶住",内外出现压差,这就是附加压力。
皮要收缩就把空气往内压;液面要收缩就把液体往曲率中心压——外压不够高就压不平
物质的亚稳状态
上一页我们看到弯曲液面会产生附加压力。这个压力其实正是亚稳态存在的关键——新相萌生需要克服一个势垒。今天认识一类特殊的状态:物质明明没处在最低能量,却能稳定存在很久。
小球落进小坑能稳稳待着,但要滚到山脚得有人踢一下——相当于越过势垒
液固界面
水滴落在荷叶上滚落,落在玻璃上却摊成水膜——同样是液固接触,命运截然不同。这背后就是液固界面要回答的核心问题。
棉布摊开渗入是粘附力胜,冲锋衣水珠滚落是内聚力胜
溶液表面的吸附
溶液表面的吸附:定义、要点与典型应用
表面活性剂
洗衣服时油渍被水冲走,但你把油和水直接倒一起却怎么也混不到一起——表面活性剂就是让这两种「冤家」握手言和的关键。
亲水头能和水'说话',亲油尾能和油'说话',把互不相溶的两方撮合到一起
固体表面
固体表面:定义、要点与典型应用
表面吸附方程
上一页我们看到溶质会在溶液表面富集,但定性不够——化工、催化、环保都要算清楚「表面上究竟有多少」。吸附方程正是把表面张力、浓度、压力这些可测量和表面吸附量 Γ 定量关联起来。
座位有限坐满即饱和,一人一票对应单层假设,有人离开才能再坐对应动态平衡
分散系统和胶体
早上端起一杯牛奶,它不透明却不会很快沉淀;推开窗户看到雾,伸手却抓不住水珠。这些「介于溶液和沉淀之间」的物质属于胶体,更广义的范畴叫分散系统。
酪蛋白微粒(分散相)散布于水(介质)中,光被散射故呈乳白色
胶体的性质(1)
上一节我们定义了胶体:分散质粒子直径在 1~100 nm 之间。这个尺寸比溶液中的分子大得多、比浊液中的颗粒小得多——恰好落在能产生独特性质的区间。
烟雾里的微小颗粒把光散射到四面八方,你才能从侧面看见整条光路
胶体的性质(2)
前页我们看到胶体能产生丁达尔散射、做布朗运动——这些还只是表观现象。要真正回答「胶体为什么能稳定存在,又因何聚沉」,必须深入到电学层面,看胶粒之间的相互作用。
胶核=明星,紧密层=贴身保镖,扩散层=外围人群,越往外越稀薄
本节要点
- ✓界面分子受力不对称,是表面张力与吸附的共同根源
- ✓曲率越大附加压力越大,决定液滴气泡的力学行为
- ✓新相形成需越能垒,故过冷过饱和可长期亚稳存在
- ✓表面活性剂在CMC前后从界面铺展转为胶束形成
- ✓胶体热力学不稳、动力学稳定,区别于真溶液
课后思考
先独立思考,再对照参考答案。三问分别覆盖回顾、应用与迁移。
参考答案都源于'系统未越过能垒':过饱和要克服成核势垒,胶体要克服聚结势垒;机制不同,但'延迟转变'这一现象相通。
参考答案O/W 选 HLB 8~18 的(亲水性强,能在油滴外包水层);W/O 选 HLB 3~6 的,原理相同,方向相反。
参考答案主要用吸附解释:BET 等温线描述多层吸附,毛细凝聚(Kelvin 公式)解释细孔中的凝结现象。