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1、表面張力,從力的角度:作用于表面單位長度邊緣的力; 從能量角度:單位表面的表面自由能,某些液體、固體的表面張力和液液界面張力,影響表面張力的因素,表面張力是一種強(qiáng)度性質(zhì),純液體的表面張力通 常是指液體與飽和了本身蒸氣的空氣而言。 影響表(界)面張力的因素主要有: 液體本身的性質(zhì)有關(guān)外,還與共存的另一相的性質(zhì)有關(guān); 溫度:溫度增加,表面張力降低。 壓力:壓力增加,表面張力降低。,表面張力測定方法,滴重法:精確簡便 毛細(xì)管上升法:精確度高,最常用 環(huán)法 吊片法 最大氣泡壓力法 滴外形法:表面吸附速率很慢的溶液,第二節(jié) 表面張力的測定,(1) 威廉米(Wilhelmy)板法(吊片法),,,(2)、
2、Du Nouy環(huán)法 從原理上講是用環(huán)圈取代了板法中的吊片。,,,,,,式中F為修正因子,三、最大氣泡壓力法,(3)、最大氣泡壓力法 將內(nèi)半徑為R的毛細(xì)管與待測液面 剛剛接觸,然后讓毛細(xì)管內(nèi)外有一個 壓力差(或通過毛細(xì)管內(nèi)加壓,或通 過毛細(xì)管外減壓),那么毛細(xì)管尖端 會有氣泡產(chǎn)生,其最大壓力即是按 Laplace方程所表示的彎曲液面上的 壓力差:,,,,四、滴重法(滴體積法),(4)、滴重法(滴體積法) 當(dāng)液體順毛細(xì)管往下流動 至頂端時逐漸聚集成為液滴 并長大,直至液滴的重量等 于(和大于)毛細(xì)管端的表 面張力之力時,液滴才會滴 落。,,,,五、毛細(xì)管法,(5)、毛細(xì)管法 圖48所示的彎月面的曲
3、率半徑r一般不等 于毛細(xì)管內(nèi)徑R,除非彎月面是半球面,即接 觸角=0。那么在彎月面頂點(diǎn)O處應(yīng)存在如下 平衡: 以(p)0=O為頂點(diǎn)的液柱壓強(qiáng)p0,圖4-8毛細(xì)現(xiàn)象示意圖,,,,式中a2稱為毛細(xì)管常數(shù)。由第三式可知,只要測出毛細(xì)上升高度h,及曲率半徑r,就可以準(zhǔn)確地計算值,然而b是不容易測知的。,從另一個角度分析毛細(xì)上升,那就是與彎月面相切的 向上的表面張力將液體拉升一個高度h以液體重力平衡這 個表面張力,即: (當(dāng)0時)則有:,,,,,,忽略了液柱頂端彎月面處冠狀部分液體的重量,為此有如下修正公式:,2.1.2 表面活性與表面活性劑,第1類(曲線A):溶液表面張力隨濃度增加而緩慢升高,大致呈直
4、線關(guān)系,如:無機(jī)酸、堿、鹽等 第2類(曲線B):溶液表面張力隨濃度增加而逐漸降低,如: 有機(jī)酸、醇、醛等 第3類(曲線C):溶液表面張力濃度很低時急劇下降,很快達(dá)到最低點(diǎn),此后溶液表面張力隨濃度變化很小,例如 肥皂、長鏈烷基苯磺酸鈉等(表面活性劑),,在一定的溫度下,純液體的表面張力有一 定值,且表面層的組成與內(nèi)部的相同;但 加入溶質(zhì)后,表面張力會發(fā)生變化,且溶 液表面層的濃度不同于其內(nèi)部濃度。,表面活性物質(zhì),能使水的表面張力明顯降低的溶質(zhì)稱為表面活性物質(zhì)。,這種物質(zhì)通常含有親水的極性基團(tuán)和憎水的非極性碳鏈或碳環(huán)有機(jī)化合物。親水基團(tuán)進(jìn)入水中,憎水基團(tuán)企圖離開水而指向空氣,在界面定向排列。,表面
5、活性物質(zhì)的表面濃度大于本體濃度,增加單位面積所需的功較純水小。非極性成分愈大,表面活性也愈大。,非表面活性物質(zhì),能使水的表面張力明顯升高的溶質(zhì)稱為非表面活性物質(zhì)。如無機(jī)鹽和不揮發(fā)的酸、堿等。,這些物質(zhì)的離子有水合作用,趨向于把水分子拖入水中,非表面活性物質(zhì)在表面的濃度低于在本體的濃度。,如果要增加單位表面積,所作的功中還必須包括克服靜電引力所消耗的功,所以表面張力升高。,Traube 規(guī)則,Traube研究發(fā)現(xiàn),同一種溶質(zhì)在低濃度時表面張力的降低與濃度成正比,表面活性物質(zhì)的濃度對溶液表面張力的影響,可以從 曲線中直接看出。,,,,,,不同的酸在相同的濃度時,每增加一個CH2,其表面張力降低
6、效應(yīng)平均可增加約3.2倍,2.1.3 表面活性劑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),表面活性劑的兩親結(jié)構(gòu),從分子結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)看,表面活性劑的分子中都有一個共同的特點(diǎn),即含有親水的極性基團(tuán)和憎水的非極性基團(tuán)。如:兩親分子(硬脂酸),界面吸附及定向排列,當(dāng)溶液濃度較稀,吸附量不大時,表面活性劑分子在表面層有較大的活動范圍,它們的排列不那么整齊,但其憎水基團(tuán)仍然傾向于逸出水面。,當(dāng)達(dá)到飽和吸附時,表面活性劑分子在水溶液緊密而有規(guī)則地定向排列著,水的表面就像覆蓋一層薄的表面膜,稱之為單分子膜(monomolecular film)。,界面吸附及定向排列,表面活性劑濃度變化和表面活性劑活動情況的關(guān)系,2.2 表面活性劑膠束,2.2
7、.1 膠束的形成 2.2.2 臨界膠束濃度 2.2.3 膠束的形狀和大小 2.2.4 膠束作用簡介,2.1.1 膠束的形成,膠團(tuán)的結(jié)構(gòu) 膠團(tuán)的基本結(jié)構(gòu)分為兩部分:內(nèi)核和外層,在水溶液中,膠團(tuán)的內(nèi)核由彼此結(jié)合的疏水基構(gòu)成,形成膠團(tuán)水溶液中的非極性微區(qū)。膠團(tuán)內(nèi)核與溶液間為水化的表面活性劑極性基構(gòu)成的外層。 a.離子型表面活性劑膠團(tuán); b.非離子型表面活性劑膠團(tuán),膠束(micelle),表面活性劑是兩親分子。溶解在水中達(dá)一定濃度時,其非極性部分會自相結(jié)合,形成聚集體,使憎水基向里、親水基向外,這種多分子聚集體稱為膠束。,隨著親水基不同和濃度不同,形成的膠束可呈現(xiàn)棒狀、層狀或球狀等多種形狀。,
8、膠束(micelle),2.2.2 臨界膠束濃度,2.2.2.1 臨界膠束濃度cmc測定方法 2.2.2.2 臨界膠束濃度cmc影響因素,臨界膠束濃度(critical micelle concentration),臨界膠束濃度簡稱CMC,表面活性劑在水中隨著濃度增大,表面上聚集的活性劑分子形成定向排列的緊密單分子層,多余的分子在體相內(nèi)部也三三兩兩的以憎水基互相靠攏,聚集在一起形成膠束,這開始形成膠束的最低濃度稱為臨界膠束濃度。,這時溶液性質(zhì)與理想性質(zhì)發(fā)生偏離,在表面張力對濃度繪制的曲線上會出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。繼續(xù)增加活性劑濃度,表面張力不再降低,而體相中的膠束不斷增多、增大。,臨界膠束濃度(criti
9、cal micelle concentration),2.2.2.1 臨界膠束濃度cmc測定方法,表面活性劑水溶液的許多物理化學(xué)性質(zhì)隨濃 度變化,在cmc附近狹小的濃度范圍內(nèi)有一個突 變點(diǎn),原則上可以利用這些物理化學(xué)性質(zhì)的突 變,測定表面活性劑的cmc值。 常用的有:表面張力法、電導(dǎo)法、染料法、 濁度法、光散射法。,臨界膠束濃度時各種性質(zhì)的突變,1.表面張力法,表面活性劑水溶液的表面張力開始時隨溶液濃度增 加而急劇下降,到達(dá)一定濃度(即cmc)后則變化緩慢 或不再變化。因此常用表面張力-濃度對數(shù)圖確定cmc。 具體做法:測定一系列不同濃度表面活性劑溶液的 表面張力,作出-lgc曲線,將曲線轉(zhuǎn)
10、折點(diǎn)兩側(cè)的直 線部分外延,相交點(diǎn)的濃度即為此體系中表面活性劑 的cmc。 這種方法可以同時求出表面活性劑的cmc和表面吸 附等溫線。,,優(yōu)點(diǎn):簡單方便; 對各類表面活性劑普遍適用; 靈敏度不受表面活性劑類型、活性高低、濃度高低、是否有無機(jī)鹽等因素的影響。 一般認(rèn)為表面張力法是測定表面活性劑cmc的標(biāo)準(zhǔn)方法。,,最低值現(xiàn)象:在有少量高表面活性雜質(zhì)(如高碳醇、胺、酸等物質(zhì))存在時,曲線會出現(xiàn)最低點(diǎn),不易確定cmc,而且所得結(jié)果往往存在誤差。 最低點(diǎn)的出現(xiàn)能說明表面活性劑含有高表面活性雜質(zhì),因而此法又可作為表面活性劑純度的鑒定方法。,2.電導(dǎo)法,測定cmc的經(jīng)典方法 優(yōu)點(diǎn):簡便; 局限性
11、:只限于測定離子型表面活性劑。 確定cmc時可用電導(dǎo)率對濃度或摩爾電導(dǎo)率對濃度的平方根作圖,轉(zhuǎn)折點(diǎn)的濃度即為cmc。,,影響因素 對具有較高活性的表面活性劑準(zhǔn)確性高靈敏度較好; 對cmc較大的表面活性劑靈敏度較差; 無機(jī)鹽的存在會影響測定的靈敏度。,3.染料法,某些染料在水中和膠團(tuán)中的顏色有明顯 差別的性質(zhì),采用滴定的方法測定cmc。 具體方法:先在較高濃度(cmc)的表 面活性劑溶液中加入少量染料,此染料加 溶于膠團(tuán)中,呈現(xiàn)某種顏色。再用滴定的 方法,用水將此溶液稀釋,直至顏色發(fā)生 顯著變化,此時溶液的濃度即為cmc。,,優(yōu)點(diǎn):只要找到合適的染料,此法非常簡便。 但有時顏色變化不夠明顯,
12、使cmc不易準(zhǔn)確 測定,此時可以采用光譜儀代替目測,以提高準(zhǔn) 確性。,4.濁度法,非極性有機(jī)物如烴類在表面活性劑稀溶 液(cmc)中一般不溶解,體系為渾濁狀 。當(dāng)表面活性劑濃度超過cmc后,溶解度劇 增,體系變清。這是膠團(tuán)形成后對烴起到 了加溶作用的結(jié)果。,觀測加入適量烴的表面活性劑溶液的濁度隨 表面活性劑濃度變化情況,濁度突變點(diǎn)的濃度即 為表面活性劑的cmc。 實(shí)驗(yàn)時可以使用目測或濁度計判斷終點(diǎn)。 這種辦法存在加溶物影響表面活性劑cmc的問 題,一般是使cmc降低,降低程度隨所用烴的類 型而異。若用苯作加溶物,有時cmc可降低30%。,5.光散射法,膠團(tuán)為幾十個或更多的表面活性劑分子或離子的
13、締合體,其尺寸進(jìn)入光波波長范圍,而具有較強(qiáng)的光散射。 利用散射光強(qiáng)度-溶液濃度曲線中的突變點(diǎn)可以測定cmc。此法除測定cmc外,還可以測定膠團(tuán)的聚集數(shù)、膠團(tuán)的形狀和大??; 此法除測定cmc外,還可以測定膠團(tuán)的聚集數(shù)、膠團(tuán)的形狀和大??; 要求溶液非常干凈,任何塵埃質(zhì)點(diǎn)都對測定有顯著影響。,2.2.2.2 影響cmc的因素,表面活性劑類型的影響 碳?xì)滏湹拈L度 碳?xì)滏湹姆种?極性基團(tuán)的位置 碳?xì)滏溨衅渌〈挠绊?疏水鏈的性質(zhì) 其他因素,1.表面活性劑類型的影響,疏水基相同的情況下,離子型表面活 性劑的cmc比非離子型的大,大約差兩個數(shù) 量級。 例如,癸基硫酸鈉的cmc為0.023mol/L,而癸
14、基甲基亞砜的cmc為0.0019mol/L。兩性表面活性劑的cmc與有相同碳原子數(shù)疏水基的離子型表面活性劑相近。,2.疏水基碳?xì)滏滈L度的影響,同類型表面活性劑的臨界膠團(tuán)濃度隨疏水基 增大而降低; 離子型表面活性劑碳?xì)滏湹奶荚訑?shù)在8-16 范圍內(nèi),cmc隨碳原子數(shù)變化呈現(xiàn)一定規(guī)律:同 系物每增加一個碳原子,cmc下降約一半。 非離子型表面活性劑,cmc受疏水基碳原子 數(shù)的影響更大。一般每增加兩個碳原子,cmc下 降至1/10。,3.碳?xì)滏湻种У挠绊?具有同樣化學(xué)組成的表面活性劑分子異構(gòu)體 中,直碳?xì)滏湹谋砻婊钚詣鋍mc最低,支化 度越高,cmc越高。 例如,2-乙基十二烷基硫酸鈉的c
15、mc為 0.0043mol/L,而正十四烷基硫酸鈉的cmc要小將 近一半,為0.0024mol/L。,4.碳?xì)滏湗O性基團(tuán)位置的影響,碳?xì)滏溝嗤瑫r,極性基越靠近中間位置 的,cmc越大。 例如,碳原子數(shù)為十四的烷基硫酸鈉, 硫酸基在第一碳原子上的,cmc為 0.0024mol/L,而在第七個碳原子上的, cmc為0.0097mol/L,5.碳?xì)滏溕掀渌〈挠绊?在疏水鏈中有苯基時,一個苯基約相當(dāng)于3.5 個CH2基團(tuán),p-nC8H17C6H4SO3Na雖然有十四個碳原 子,卻只相當(dāng)于有11.5個碳原子的烷基磺酸鈉, 其cmc為1.510-2mol/L。 碳?xì)滏溨杏须p鍵時,其cmc較飽和化合物
16、高。 在疏水基中引入極性基(如-O-、-OH等),亦使 cmc增大。,6.疏水基化學(xué)組成的影響,含碳氟鏈的表面活性劑,其cmc要比同碳原子 數(shù)的碳?xì)滏湵砻婊钚詣┑偷枚?,相?yīng)地表面活性 要高得多。 碳?xì)滏溨械臍浔环糠秩〈谋砻婊钚詣?其cmc隨被取代程度的增加而減少。 例如,辛基磺酸鈉的cmc為 1.6 10-1mol/L , 全氟辛基磺酸鈉為8.5 10-3mol/L。,7.其他因素的影響,除表面活性劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)外,添加劑 (如無機(jī)鹽、極性有機(jī)物)對表面活性劑 的cmc會有影響;溫度對cmc也會有影響。,2.2.3 膠束的形狀和大小,在表面活性劑溶液濃度略大于cmc,而且沒有其他添加劑及加
17、溶物的溶液中,膠團(tuán)大多呈球狀。 在10倍于cmc或更大濃度的溶液中,膠團(tuán)一般是非球狀的,而呈棒狀結(jié)構(gòu)。,膠束的形狀,,溶液濃度繼續(xù)增加,棒狀膠團(tuán)還可以聚集成 束,形成六角束。 當(dāng)溶液濃度更大時,就形成巨大的層狀膠團(tuán)。 隨著濃度的增加,在溶液中加入適量的油 (非極性液體),則可能形成微乳狀液。若濃度 進(jìn)一步增加,可得到光學(xué)各項(xiàng)異性的液晶態(tài)。,膠束的形狀,膠束的結(jié)構(gòu)形成示意圖,,膠束的大小 可以用締合成一個膠團(tuán)粒子的表面活性劑分子或離子的平均數(shù)目,即聚集數(shù)n來衡量。 通常用光散射法、超離心法、擴(kuò)散-黏度法、熒光光譜法等方法測定膠團(tuán)的“分子量”,來確定膠團(tuán)的聚集數(shù)。 聚集數(shù)n可以從幾十到幾千甚至
18、上萬。,,2.2.4 膠束的作用,乳化作用 泡沫作用 分散作用 增溶作用 催化作用,2.3 表面活性劑結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系,2.3.1 表面活性劑的親水性 2.3.1 親油基團(tuán)的影響 2.3.1 親水基團(tuán)的影響 2.3.1 分子形態(tài)的影響 2.3.1 分子量的影響,2.3.1 表面活性劑的親水性,2.3.1.1 HLB值的確定 2.3.1.2 HLB值與表面活性劑應(yīng)用性能的關(guān)系,表面活性劑的HLB值,表面活性劑都是兩親分子,由于親水和親油基團(tuán)的不同,很難用相同的單位來衡量,親水基團(tuán)的親水性和親油基團(tuán)的親油性可以有兩種類型的簡單的比較方法,1. 表面活性劑的親水性 親水基的親水性憎水基的憎水性,
19、,,,,,表面活性劑的HLB值,例如:石蠟無親水基,所以 HLB=0,Griffin(格里芬)提出了用HLB(hydrophile-lipophile balance,親水親油平衡)值來表示表面活性劑的親水性,聚乙二醇,全部是親水基,HLB=20。,其余非離子型表面活性劑的HLB值介于020之間。,HLB值的實(shí)際含義,HLB值代表親水基和親油基的平衡值, 用來衡量親水與親油能力的強(qiáng)弱,實(shí)際上 主要表征了表面活性劑的親水性; HLB值越高,親水性越強(qiáng);HLB值越低, 親水性越弱。,根據(jù)需要,可根據(jù)HLB值選擇合適的表面活性劑,HLB值 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 | || || || || | 石蠟 W/O乳化劑 潤濕劑 洗滌劑 增溶劑 | || 聚乙二醇 O/W乳化劑,例如:HLB值在26之間,作油包水型的乳化劑,810之間作潤濕劑;,1218之間作為水包油型乳化劑。,