apc00章-引言-高等物理化學(xué)

1、2024/3/20,高等物理化學(xué)=引言,高等物理化學(xué)Advanced Physical Chemistry,2024/3/20,高等物理化學(xué),Statistical ThermodynamicsFundamental Chemical KineticsChemical Modeling in Physical Chemistry Advanced PhotochemistryAdvanced Interface and Col

2、loid ChemistryThermodynamics of No-equilibrium State and No-linear Chemical Kinetics,2024/3/20,考試及成績計算,Exams and Evaluation,（1）Advanced Physical Chemistry Exam  50% (closed book 2 hours exam)（2）Term Paper 

3、25%（Reviews on the subject in your research field）（3）Seminar Presentation 25% (your research and proposal for future),2024/3/20,課程參考書,,膠體化學(xué)基礎(chǔ) 周祖康、顧惕人編著北京大學(xué)出版社膠體與界面化學(xué) 陳宗淇 等編著 高等教育出版社應(yīng)用膠體化學(xué) 候萬國等編著 科學(xué)出版社界面與膠體的物

4、理化學(xué) 李葵英等編著 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社應(yīng)用膠體化學(xué) 鄭樹亮 等編著華東理工大學(xué)出版社膠體與界面化學(xué)實驗 北京大學(xué)出版社應(yīng)用表面化學(xué)與技術(shù) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2024/3/20,高等物理化學(xué),0章_引言1章_固氣界面2章_固液界面3章_液液界面4章_表面活性劑及其應(yīng)用5章_微乳液及其應(yīng)用6章_溶膠－凝膠法及其應(yīng)用7章_表面膜及其應(yīng)用8章_非平衡態(tài)熱力學(xué)簡介9章_非線性化學(xué)動力學(xué)簡介,2024/3

5、/20,高等物理化學(xué)(表面與膠體部分)—引言,2024/3/20,引言,●“學(xué)生取得化學(xué)學(xué)位之后，很可能不知道什么是膠體化學(xué)”——美國著名膠體化學(xué)家●“我們沒有專門學(xué)過膠體界面化學(xué)，然而現(xiàn)在卻整天同它打交道”——許多工程技術(shù)人員的感受,2024/3/20,什么是膠體,實驗：將一把泥土放入水中,一杯泥土,,,泥沙+渾濁的小土粒（底部）,,土中的鹽類形成真溶液,,既不下沉、也不溶解的極為微小的土壤顆粒稱為膠體顆粒；含膠體顆粒的體

6、系稱為膠體體系,可見：膠體是一個具有巨大相界面的分散體系,2024/3/20,膠體的初步認(rèn)識,1861年英國科學(xué)家T.Graham 在《應(yīng)用于分析的液體擴(kuò)散》指出：無機(jī)鹽、糖等→易于透過半透膜→易形成晶態(tài)→晶體蛋白質(zhì)、明膠等→不易透過半透膜→易形成膠態(tài)→膠體,2024/3/20,膠體的再認(rèn)識,1905年俄國科學(xué)家對200余種物質(zhì)實驗→→上述劃分是錯誤的。此種分類并未說明膠體本質(zhì)。因為二者無明顯界限。適當(dāng)條件下可相互轉(zhuǎn)化（如鹽在

7、酒精中）。直到20世紀(jì)超顯微鏡發(fā)明及電子顯微鏡的應(yīng)用才對膠體有了逐漸清楚認(rèn)識。,2024/3/20,膠體的定義,特異的定義使膠體與界面化學(xué)成為學(xué)科交叉融合的熱點它所研究的領(lǐng)域與物理學(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué)等學(xué)科交叉重疊。要求我們重視的是質(zhì)點尺寸而非化學(xué)組成（有機(jī)/無機(jī)），樣品來源（生物/礦物）或物理狀態(tài)（一相/多相）。從某種角度而言膠體化學(xué)是大分子與細(xì)分散多相體系的科學(xué)。即尺寸在10-9 - 10-6 m（1nm～1um）的質(zhì)點。,202

8、4/3/20,國際純粹化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）,分散體系是指一種或幾種物質(zhì)以一定的分散度分散在另一種物質(zhì)中形成的體系以顆粒分散狀態(tài)存在的不連續(xù)相稱為分散相；而連續(xù)相稱為分散介質(zhì)顆粒某一線度大于1000nm，粗分散體系顆粒某一線度小于1nm，真溶液體系顆粒某一線度為1—1000nm 膠體體系,2024/3/20,膠體化學(xué)的研究內(nèi)容,分散體系,,,分散體系的形成與穩(wěn)定,光學(xué)性能、流變性能智能流體、電磁流變體,界面現(xiàn)象,潤

9、濕、吸附、界面電現(xiàn)象、界面雙電層結(jié)構(gòu),有序組合體,,納米材料,,,生物膜、仿生膜、溶液中的有序分子組合體,2024/3/20,膠體化學(xué)研究的三個領(lǐng)域,分子膠體（親液溶膠）締合膠體（表面活性劑膠束溶液）粗分散體系和溶膠（憎液溶膠）,2024/3/20,膠體分散體系分類,,液溶膠： 分散介質(zhì)為液體 滅火泡沫（G→L）； 牛奶 （L→L）； 墨水（S→L）固溶膠：分散介質(zhì)為固體 泡沫塑料（G→S）； 珍珠（L→S）

10、； 有色玻璃（S→S）氣溶劑：分散介質(zhì)為氣體 霧（L→G） ； 煙塵（S→G）,2024/3/20,界面與界面化學(xué)的定義,界面：相鄰兩相的界面區(qū)域。一般厚度在一個分子以上。若兩相中一相為氣相則稱此界面為表面。界面化學(xué)：研究界面的物理化學(xué)規(guī)律。以相界面和表面活性劑為研究對象的物理化學(xué)。,2024/3/20,幾何學(xué)界面與化學(xué)界面的區(qū)別,幾何學(xué)界面：二維無限伸展，有面積、無厚度?；瘜W(xué)界面：是一個區(qū)，在該區(qū)中從一相之性質(zhì)變

11、為鄰相之性質(zhì)。此種轉(zhuǎn)變至少在分子大小的距離才能表現(xiàn)出來。故表面有厚度（二維有限）。而非簡單的幾何面。界面類型：氣/液氣/固液/液固/液固/固（合金）,2024/3/20,膠體與界面化學(xué)的關(guān)系,◆膠體的基本特性： 特有的分散程度、多相性、聚結(jié)不穩(wěn)定性◆ 研究物質(zhì)的界面特性——界面化學(xué) 表面張力、表面能、表面現(xiàn)象、表面吸附、單分子膜、表面潤濕等◆研究一群質(zhì)點所構(gòu)成的分散體系的性質(zhì) ————膠體化學(xué) 動

12、力性質(zhì)、電性質(zhì)、光學(xué)性、流變性質(zhì)、膠體的聚結(jié)與穩(wěn)定性等,2024/3/20,界面對膠體粒子的特殊意義,隨質(zhì)點尺寸減小，單位量物質(zhì)所擁有界面面積迅速增加。界面上分子比例越來越大。例：水滴半徑1cm→54cm2/mol水→表面分子3ppm 水滴半徑10nm→5.4x107cm2/mol水→表面分子30%例：1cm3固體若切割為膠體尺寸大小其表面積為60m2,2024/3/20,界面化學(xué)的發(fā)展,人類發(fā)明的初期，界面現(xiàn)象就引起人們注

13、意。4000年前古巴比倫楔形文字/中國史前的陶器制造/公元一世紀(jì)皂角，一類天然表面活性劑的應(yīng)用牛頓、虎克、富蘭克林等科學(xué)家、藝術(shù)家曾對其做出重要貢獻(xiàn)與光電技術(shù)與科學(xué)、材料科學(xué)、生物技術(shù)與科學(xué)密切相關(guān)1992年Nobel物理獎得主de Gennes的獲獎演講即以“sofer matter”為題。應(yīng)用于礦物浮選、石油開采、食品加工、制藥、紡織等工業(yè)領(lǐng)域,2024/3/20,膠體的發(fā)展簡史,陶瓷制造，有史以前纖維造紙，漢朝墨水，后漢

14、豆腐、面食和中藥制劑等都與膠體化學(xué)有關(guān)古埃及利用木材浸水膨脹來破裂山巖1777年瑞典Scheele的木炭吸附氣體實驗,2024/3/20,膠體的發(fā)展簡史,1809俄國化學(xué)家PeHcc，土粒電泳現(xiàn)象; 1829 英國植物學(xué)家Brown，花粉的布朗運動; 1845 法國人Ebelmen，Silica gels, (Manufacture de Ceramiques de Sevres); 1853 Far

15、ady, 實驗室Gold sol, oldest sol, still stable now days; 1861 Thomas Graham, 膠體化學(xué)作為一門學(xué)說; colloid膠體, sol溶膠, gel凝膠, peptization膠溶, dialysis滲析, syneresis離漿 1870 Cossa, alumina sol 1902 Zsigmondy《膠體化學(xué)》 1903 Zsi

16、gmondy發(fā)明超顯微鏡，體系多相性,2024/3/20,膠體的發(fā)展簡史,★1861年膠體化學(xué)作為一門學(xué)科，創(chuàng)始人英國科學(xué)家Thomas Graham★1907年 第一本膠體化學(xué)專門刊物《膠體化學(xué)和工業(yè)雜志》創(chuàng)刊；（膠體化學(xué)真正作為一門獨立學(xué)科）★國內(nèi)目前尚無一本正式出版的膠體與界面化學(xué)雜志,2024/3/20,中國膠體與界面化學(xué)的發(fā)展,1954年 傅鷹院士（北京大學(xué)） 中國膠體化學(xué)的奠基人之一1955年 戴安邦院士（南

17、京大學(xué)） 中國有了第一批膠體化學(xué)畢業(yè)生20世紀(jì)90年代以前，只有北京大學(xué)、南京大學(xué)、山東大學(xué)、華東師范大學(xué)有膠體一界面化學(xué)的研究機(jī)構(gòu)1983年在北京大學(xué)召開全國第一屆膠體與界面化學(xué)會議，2002年在山東大學(xué)召開第九屆全國會議。2004年在陜西師范大學(xué)召開第十屆全國會議2006年在北京召開膠體與界面化學(xué)國際會議,2024/3/20,膠體與界面化學(xué)涉及的應(yīng)用領(lǐng)域,★農(nóng)業(yè) ★生物

18、學(xué)與醫(yī)學(xué)★日用品的生產(chǎn)與使用 ★輕工業(yè)★環(huán)境科學(xué) ★分析化學(xué)★材料 ★海洋科學(xué)★天文與氣象學(xué) ★油田開發(fā)★電化學(xué),2024/3/20,膠體與界面化學(xué)涉及的應(yīng)用領(lǐng)域,分析化學(xué)中的吸附指示劑、色譜等物理化學(xué)中的成核作用、過飽和、液晶等生物化學(xué)和分子生物學(xué)中的電泳、膜現(xiàn)象、蛋白質(zhì)和核酸等化學(xué)制造中的催化劑、洗滌劑、潤

19、滑劑、粘合劑、農(nóng)藥環(huán)境科學(xué)中的氣溶膠、泡沫、污水處理、材料科學(xué)中陶瓷制品、水泥、涂料等日用品中的牛奶、豆?jié){等石油工業(yè)中的油品回收、乳化風(fēng)電化學(xué)中電鍍、電池、表面處理（磷化）,2024/3/20,膠體與界面化學(xué)涉及的應(yīng)用領(lǐng)域,氣溶膠、煙霧的形成與大氣污染水凈化與污水處理毒氣與毒劑的吸附黏土礦物的表面改性與應(yīng)用人工降雨天然水體中的膠體懸浮物與環(huán)境污染物之間的界面化學(xué)行為液膜分離技術(shù)與廢水處理,2024/3/20,膠體界

20、面化學(xué)的應(yīng)用與發(fā)展前景,膠體界面化學(xué)是一門與實際應(yīng)用密切結(jié)合的學(xué)科現(xiàn)代科學(xué)儀器的發(fā)展為膠體界面化學(xué)的研究提供全新的手段近代化學(xué)和物理的成就促進(jìn)了膠體界面化學(xué)基礎(chǔ)理論問題的探討生物物理、生物化學(xué)、環(huán)境學(xué)、地礦學(xué)、天文學(xué)等領(lǐng)域的研究成就吸取了膠體界面化學(xué)的理論和方法，同時給膠體界面化學(xué)帶來了廣闊的研究空間,2024/3/20,膠體界面化學(xué)的應(yīng)用與發(fā)展前景,1.利用近代物理或化學(xué)理論解決膠體與表面化學(xué)中的基本理論等問題;量子化學(xué)研究吸附

21、與催化;分形理論研究膠粒形貌等2.現(xiàn)代精密儀器和方法的應(yīng)用: 力學(xué)顯微鏡研究膠粒間的力及表面上分子原子的形態(tài);能譜儀研究分子間的相互作用.,2024/3/20,膠體界面化學(xué)的應(yīng)用與發(fā)展前景,3.膠體與界面化學(xué)的方法用于醫(yī)學(xué)、生理、環(huán)境、土壤、大氣、海洋湖泊等學(xué)科（1）新產(chǎn)品開發(fā)：組裝分子器件、超細(xì)材料（2）老產(chǎn)品的升級換代：洗滌劑、化妝品、顏料、 復(fù)印碳粉等（3）舊工藝更新：單分散固態(tài)膠粒的制造與收集、

22、 采油工藝等,2024/3/20,思考：與界面現(xiàn)象相關(guān)的幾個問題,,為什么自然界中液滴、氣泡總是圓形的？為什么氣泡比液滴更容易破裂？毛細(xì)現(xiàn)象為什么會產(chǎn)生？天空為什么會下雨？人工降雨依據(jù)什么原理？向高空拋撒粉劑為什么能人工降雨？為什么會產(chǎn)生液體過熱現(xiàn)象？加入沸石為什么能消除過熱現(xiàn)象？水在玻璃上能鋪展，水銀在玻璃上卻形成液滴？為什么？活性碳為什么可以做防毒面具？冰箱除臭劑？,2024/3/20,思考：與界面現(xiàn)象相關(guān)的幾個問題