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表面活性剂物理化学373页PPT

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表面活性剂物理化学 叶志文 推荐教材:《表面活性剂作用原理》 ——中国轻工业出版社 作者: 赵国玺 朱步瑶 授课内容 ★ 表面活性剂的基本概念与基本方法 ★表面活性与表面活性剂 ★表面活性剂溶液的基本特性 ★表面张力与表面自由能、疏水效应 ★表面活性剂的结构与类型 ★液体表面张力的测定方法等 ★ 表面活性剂的界面化学与胶体化学性质 ★表面活性剂在各种界面上的吸附和在溶液中形 成有序组合体的特性 ★ 混合表面活性剂体系的基本性质 ★ 一般不溶物单分子膜、表面活性剂不溶 膜、固体表面上的超薄膜 ★ 表面活性剂应用基础性质 润湿、起泡、乳化、加溶、分散、洗涤等 ★ 表面活性剂结构与性能的一些规律 ★ 表面活性剂新疆界 第一章 绪 论 1.1 表面活性剂(surfactant,tenside) 表面活性剂是这样一种物质,它活跃 于表面和界面上,具有极高的降低表、 界面张力的能力和效率;在一定浓度以 上的溶液中能形成分子有序组合体,从 而具有一系列应用功能。 人类认识表面活性剂是从洗涤剂开始。 发展历程: 山羊油制成的皂(甘油三羧酸酯水解产物) 皂角(皂苷)和猪胰(富含消化酶) 肥皂(洋胰子):不耐硬水、不耐酸 土耳其红油:蓖麻油与硫酸的反应产物 短链烷基萘磺酸盐类表面活性剂(Nekal,拉开粉):煤 焦油衍生物 烷基硫酸盐及长链烷基芳基(苯基)磺酸盐及非离子表 面活性剂:目前大量使用 目前洗涤剂要求:洗涤效率高,对皮肤和粘膜刺激性 小,对织物和头发具有柔软功能,对环境友好,易于 生物降解等。 1.2 表面活性剂科学 ◆ 表面活性剂合成化学 研究各种表面活性剂的合成方法和生 产技术。 ◆ 表面活性剂物理化学 研究表面活性剂性能、作用的规律和 原理。表面活性剂溶液表面张力、表面 活性剂溶液结构和性能。 1.3 表面张力与表面自由能 表面张力(surface tension):垂直通过液体表 面上任一 单 位长度、与液面相切地收缩表面的 力(单位:mN/m)。 表面自由能(surface free energy):恒温恒压 下增加单位表面积时体系自由能的增量(单位: mJ/㎡)。 表面张力和表面自由能分别是用力学方法和 热力学方法研究液体表面现象时采用的物理量, 具有不同的物理意义,却又具有相同的量纲。 25℃时水的表面张力为72 mN/m。 1.4 弯曲液面两侧压力差 1.4.1 液面的曲率 由于液体存在表面张力,液体表面常 常成为弯曲状,由此,对液体的性质产 生一系列重要的影响。其中,最重要的 是毛细压力,也就是弯曲液面下的附加 压力(Laplace压). 1.4.2 Laplace公式 若液滴为球形: p= 2γ R 若液面不成球形: p=γ(R 11 + 1 R2 ) 说明由于存在表面张力,弯曲液面 对内相施与附加压力,其值取决于液体 的表面张力和液面的曲率。 1.5 表面活性与表面活性剂结构特征 1.5.1 溶液的表面张力 图1 溶液表面张力曲线 1.5.2 表面活性 溶质使溶剂表面张力降低的性质叫做表 面活性(surface activity),可以用-(d?/dc)c→0 值来描述。此值大于0的溶质,为表面活 性物质(图1中B、C型曲线,其中C型为 表面活性剂曲线),反之为非表面活性 物质(A型曲线)。 C型曲线转折点的表面张力值和浓度值通 常用符号?cmc和cmc来代表。 1.5.3 表面活性剂的结构特征 表面活性剂的特点是具有不对称的分子结 构,整个分子分为两部分,一部分是亲 水的极性基团,叫做亲水基(hydrophilic group);另一部分是亲油的非极性基团, 又叫做疏水基(hydrophobic group)。因 此,表面活性剂分子具有两亲性质,被 称为两亲分子(amphiphile)。 图2 表面活性剂分子结构特征示意图 1.6 表面活性剂溶液特性 1.6.1 溶液的物理化学性质 图3 表面活性剂 溶液特性示意图 1.6.2 溶度特性 离子型表面活性剂的溶度在温度升 到一定值时会陡然上升,此温度称为该 表面活性剂的Krafft点。 非离子表面活性剂水溶液的溶度往 往随温度上升而降低,在升至一定温度 时出现浑浊,此温度被称为该表面活性 剂的浊点(cloud point)。 1.6.3 溶油性 烃类一般不溶于水,也不溶于浓度很 稀的表面活性剂溶液。但当表面活性剂 浓度超过cmc后则浓度剧增。这就是表面 活性剂对不溶物的加溶作用。这种溶解 现象既不同于在混合溶剂中的溶解,也 不同于乳化作用。 McBain的胶团假说可以解释表面活 性剂的各种特性。多种溶液性质在同一 浓度附*发生突变的现象是因为这些性 质都是依数性的或质点大小依赖性的。 溶质在此浓度区域开始大量生成胶团, 导致质点大小和数量的改变。于是,这 些性质都随之发生突变,形成共同的突 变浓度区域。 1.7 疏水效应 在表面活性剂-水体系中,实现疏 水基逃离水环境的途径有二:一是表面 活性剂分子从溶液内部移至表面,形成 定向吸附层—以疏水基朝向气相,亲水 基插入水中,满足疏水基逃离水环境的 要求,这就是溶液表面的吸附作用(参 见图4)。二是在溶液内部形成缔合体— 表面活性剂分子以疏水基结合在一起形 成内核,以亲水基形成外层的聚集结构。 图4 溶液表面吸附和胶团化作用示意图 第二章 表面活性剂类型 2.1 阴(负)离子表面活性剂 2.1.1 羧酸盐 脂肪酸钠盐(肥皂)、脂肪酸三乙醇胺盐 (用作乳化剂)、松香皂 2.1.2 磺酸盐 (1)烷基苯磺酸盐 烷基苯磺酸钠 R SO3Na ,R基中 的碳原子数在12左右,是大多数洗涤剂中的表 面活性剂主要成分。 (2)烷基萘磺酸盐 二丁基萘磺酸盐和二异丙基萘磺酸盐 (拉开粉,作为润湿剂) (3)烷磺酸盐 正构直链烷烃磺酸盐的实用性质并不 优于价格较低的烷基苯磺酸盐,水中溶 解度较低,抗硬水性稍



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