物理化学课件：§12.4 溶胶的电学性质.ppt

1、2022-1-24112.4 溶胶的电学性质溶胶的电学性质 溶胶实验发现：溶胶实验发现：外电场的作用下，固、液两相可发生相对运动外电场的作用下，固、液两相可发生相对运动反过来，外力作用下，固、液两相相对运动又产生电势差反过来，外力作用下，固、液两相相对运动又产生电势差溶胶这种与电势差有关的相对运动称为电动现象溶胶这种与电势差有关的相对运动称为电动现象 2022-1-242 2（1）电泳）电泳 在外电场的作用下，胶体粒子在外电场的作用下，胶体粒子在分散介质在分散介质 中定向移动的现象，中定向移动的现象，称为电泳称为电泳说明溶胶粒子带电说明溶胶粒子带电 界面法移动法电泳装置界面法移动法电泳装置 实

2、验测出在一定时间内界面实验测出在一定时间内界面移动的距离，可求得粒子的电移动的距离，可求得粒子的电泳速度泳速度1. 电动现象电动现象介绍四种电动现象：电泳、电渗、流动电势、沉降电势。介绍四种电动现象：电泳、电渗、流动电势、沉降电势。Fe(OH)3溶胶粒子带正电溶胶粒子带正电 电泳动画电泳动画2022-1-243 3电势梯度电势梯度 时溶胶粒子与普通离子的运动速度时溶胶粒子与普通离子的运动速度1 11 10 00 0V Vm m- -溶胶粒子与一般离子定向移动的速度数量级接近溶胶粒子与一般离子定向移动的速度数量级接近而溶胶粒子的质量约为一般离子的而溶胶粒子的质量约为一般离子的1000倍倍胶粒所带

3、电荷的数量应是一般离子所带电荷的胶粒所带电荷的数量应是一般离子所带电荷的1000倍倍粒子的种类粒子的种类运动速度运动速度H+OHNa+K+ClC3H7COOC8H17COO溶胶粒子溶胶粒子32.618.04.56.76.83.12.024)10/(16smv2022-1-244 4电泳应用广泛，例如：电泳应用广泛，例如：利用电泳速度不同，可将蛋白质分子、核酸分子分离；利用电泳速度不同，可将蛋白质分子、核酸分子分离；在医学上可利用血清的纸上电泳，分离各种氨基酸和蛋在医学上可利用血清的纸上电泳，分离各种氨基酸和蛋白质；白质；在陶瓷工业中，利用电泳将粘土与杂质分离，得到高纯在陶瓷工业中，利用电泳将粘

4、土与杂质分离，得到高纯度的粘土等等。度的粘土等等。2022-1-245 5（2）电渗）电渗外电场作用下，溶胶粒子不动外电场作用下，溶胶粒子不动(如将其吸附固定于棉花或如将其吸附固定于棉花或凝胶等多孔性物质中凝胶等多孔性物质中)，而液体介质做定向流动的现象称，而液体介质做定向流动的现象称为电渗为电渗 若没有溶胶存在，液体（如水）与多孔性固体物质或毛若没有溶胶存在，液体（如水）与多孔性固体物质或毛细管接触后，固、液两相多会带上符号相反的电荷，此细管接触后，固、液两相多会带上符号相反的电荷，此时，若在多孔材料或毛细管两端施加一定电压，液体也时，若在多孔材料或毛细管两端施加一定电压，液体也将通过多孔材

5、料或毛细管而定向流动，这也是一种电渗将通过多孔材料或毛细管而定向流动，这也是一种电渗电渗可用于纸浆脱水、陶坯脱水等电渗可用于纸浆脱水、陶坯脱水等 电渗动画电渗动画2022-1-246 6（3）流动电势）流动电势 在外力作用下，迫使液体在外力作用下，迫使液体通过多孔隔膜（或毛细管）定通过多孔隔膜（或毛细管）定向流动，在多孔隔膜两端所产向流动，在多孔隔膜两端所产生的电势差，称为流动电势生的电势差，称为流动电势电渗的逆过程电渗的逆过程P：电位差计：电位差计流动电势流动电势2022-1-247 7（4）沉降电势）沉降电势 分散相粒子在重力场或分散相粒子在重力场或离心力场的作用下迅速移动离心力场的作用下

6、迅速移动时，在移动方向的两端所产时，在移动方向的两端所产生的电势差，称为沉降电势生的电势差，称为沉降电势电泳的逆过程电泳的逆过程沉降电势沉降电势2022-1-248 8说明：溶胶粒子和分散介质带有不同性质的电荷说明：溶胶粒子和分散介质带有不同性质的电荷 溶胶粒子为什么带电？溶胶粒子为什么带电？ 溶胶粒子周围的分散介质中，反离子（与胶粒所带电荷溶胶粒子周围的分散介质中，反离子（与胶粒所带电荷 符号相反的离子）是如何分布的？符号相反的离子）是如何分布的？ 电解质是如何影响电动现象的？电解质是如何影响电动现象的？ 双电层理论双电层理论电动现象电动现象电泳电泳电渗电渗流动电势流动电势沉降电势沉降电势

7、固、液相间的相对移动产生电势差固、液相间的相对移动产生电势差外加电场下固、液相间的相对移动外加电场下固、液相间的相对移动2022-1-249 9溶胶粒子带电原因：溶胶粒子带电原因： 2. 扩散双电层理论扩散双电层理论离子吸附：固体表面从溶液中有选择性地吸附某种离子吸附：固体表面从溶液中有选择性地吸附某种离子而带电。如离子而带电。如AgI溶胶：溶胶： 溶液中溶液中I 过量时，可吸附过量时，可吸附 I 而带负电，而带负电， 溶液中溶液中Ag+ 过量时，可吸附过量时，可吸附 Ag+ 而带正电。而带正电。 电离：固体表面上的分子在溶液中发生电离而带电电离：固体表面上的分子在溶液中发生电离而带电 如如蛋

8、白质中的氨基酸分子蛋白质中的氨基酸分子: 在在 pH 低时氨基形成低时氨基形成 NH3+ 而带正电；而带正电； 在在 pH 高时羧基形成高时羧基形成 COO 而带负电。而带负电。2022-1-2410在静电力作用，必然要吸引等电量的、与固体表面在静电力作用，必然要吸引等电量的、与固体表面上带有相反电荷的离子（即反离子或异电离子）环上带有相反电荷的离子（即反离子或异电离子）环绕在固体粒子的周围，这样便在固液两相之间形成绕在固体粒子的周围，这样便在固液两相之间形成了双电层。了双电层。下面简单介绍几个有代表性的关于双电层的理论。下面简单介绍几个有代表性的关于双电层的理论。2022-1-2411缺点：

9、缺点： 1)不能解释表面电势不能解释表面电势 0 与与 电势电势的区别：的区别： 表面电势表面电势 0：带电质点表面与液体的电势差带电质点表面与液体的电势差 电势：电势： 固液两相发生相对运动的边界固液两相发生相对运动的边界 处与液体内部的电处与液体内部的电势势差差2)不能解释电解质对不能解释电解质对 电势的影响电势的影响1879年，亥姆霍兹首先提出在固液两年，亥姆霍兹首先提出在固液两相之间的界面上形成类似于相之间的界面上形成类似于平行板电容平行板电容器那样的器那样的双电层：双电层：正负离子整齐地排列于界面层的两侧正负离子整齐地排列于界面层的两侧(1) Helmholtz模型模型 2022-1

10、-2412 1910年，古依和查普曼年，古依和查普曼提出了扩散双电层理论提出了扩散双电层理论（2）GouyChapman模型模型 静电力：使反离子趋向表面静电力：使反离子趋向表面 热运动：使反离子均匀分布热运动：使反离子均匀分布 总结果总结果 ： 反离子呈扩散状态分布反离子呈扩散状态分布 2022-1-2413 古依查普曼模型正确反映了反离子在扩散层中分布古依查普曼模型正确反映了反离子在扩散层中分布的情况及相应电势的变化，的情况及相应电势的变化，这些观点在今天看来仍是正确这些观点在今天看来仍是正确的的缺点：缺点： 1)把离子视为点电荷，没有考虑离子的溶剂化；把离子视为点电荷，没有考虑离子的溶剂

11、化； 2)没有考虑胶粒表面上的固定吸附层没有考虑胶粒表面上的固定吸附层 古依和查普曼给出古依和查普曼给出距表面距表面x处的电势处的电势 与表面与表面电势为电势为 0的关系：的关系：式中式中 的倒数的倒数 -1 具有双电层厚度的意义具有双电层厚度的意义 xe02022-1-2414（3）Stern模型模型1924年斯特恩提出扩散双电层：年斯特恩提出扩散双电层： 离子有一定的大小；部分反离子被牢离子有一定的大小；部分反离子被牢固吸附，形成固定吸附层或斯特恩层固吸附，形成固定吸附层或斯特恩层Stern 模型：模型：固定层扩散层固定层扩散层 三个面、三个电势三个面、三个电势固体面固体面Stern面：面

12、： Stern层中反离子电性中心所层中反离子电性中心所 形成的假想面形成的假想面 滑动面：固液两相发生相对移动时界面滑动面：固液两相发生相对移动时界面 三三个个面面热力学电势热力学电势 0：固体面固体面溶液本体溶液本体Stern电势电势 ： Stern面面溶液本体溶液本体 电势：电势： 滑动面滑动面溶液本体溶液本体三三个个电电势势2022-1-2415电解质的影响：电解质的影响：溶液中电解质浓度增加时，溶液中电解质浓度增加时，介质中反离子的浓度加大，介质中反离子的浓度加大，将压缩扩散层使其变薄，把将压缩扩散层使其变薄，把更多的反离子挤进滑动面以更多的反离子挤进滑动面以内，使内，使 电势在数值上

13、变小电势在数值上变小直至为直至为0 电势的大小，反映了胶粒带电的程度电势的大小，反映了胶粒带电的程度 = 0 时，为等电点，胶粒间无静电斥力，时，为等电点，胶粒间无静电斥力，溶胶极易聚沉溶胶极易聚沉2022-1-2416斯特恩模型斯特恩模型: v给出了给出了 电势明确的物理意义，电势明确的物理意义，v解释了溶胶的电动现象，解释了溶胶的电动现象，v解释了电解质浓度对溶胶稳定性的影响，解释了电解质浓度对溶胶稳定性的影响，对双电层的结构有了更深入的认识对双电层的结构有了更深入的认识2022-1-241717对于球形质点：对于球形质点： 当粒子半径当粒子半径 r 较大较大 双电层厚度双电层厚度 -1较

14、较小小即即 r 1，质点表面可当作平面处理，有：，质点表面可当作平面处理，有：式中：式中：v 电泳速度，单位为电泳速度，单位为m s1； E 电场强度（或称电位梯度），单位为电场强度（或称电位梯度），单位为Vm1； u 胶核的电迁移率，单位为胶核的电迁移率，单位为m2 V1 s1， 表示单位场强下的电泳速度；表示单位场强下的电泳速度； 介质的介电常数，单位介质的介电常数，单位F m1， = r 0 ; r 相对介电常数，相对介电常数， 0 真空介电常数；真空介电常数； 介质的粘度，单位为介质的粘度，单位为Pa s。Smoluchowski公式公式溶胶粒子的溶胶粒子的 电势，可利用电泳速度数据通

15、过如下计算获得：电势，可利用电泳速度数据通过如下计算获得： v vu uE Eezezh h=v vE Eh hz ze e= =即即2022-1-241818 球形粒子半径球形粒子半径 r 较小较小 双电层厚度双电层厚度 -1较大较大 Hckel 公式公式该式一般用于非水体系该式一般用于非水体系当当即即 r 1时时:1. 51. 5v vE Eh hz ze e= =一些溶胶的一些溶胶的 电势电势水溶胶水溶胶有机溶胶有机溶胶分散相分散相分散相分散相分散相分散相分散介质分散介质 As2S3AuAgSiO2-0.032-0.032-0.034-0.044BiPbFeFe(OH)3+0.016+0

16、.018+0.028+0.044CdZnZnBiCH3COOC2H5CH3COOC2H5CH3COOC2H5CH3COOC2H5-0.047-0.064-0.087-0.091 /V /V /V2022-1-24193. 溶胶的胶团结构溶胶的胶团结构 例：例： AgNO3 + KI AgI + KNO3KI 过量过量 ：AgI 溶胶吸附溶胶吸附 I 带负电，带负电， K为反离子；为反离子；AgNO3过量：过量：AgI 溶胶吸附溶胶吸附 Ag带正电，带正电，NO3为反离子为反离子法扬斯法扬斯帕尼思（帕尼思（FajansPancth）规则：）规则：胶核（常有晶体结构）优先吸附能与组成固体表面的离子胶核（常有晶体结构）优先吸附能与组成固体表面的离子生成难溶物或电离度很小化合物的离子生成难溶物或电离度很小化合物的离子2022-1-2420胶团结构表示：胶团结构表示：例：例：AgNO3过量过量时，时，吸附吸附 Ag带正电，带正电，NO3为反离子为反离子KI 过量时，过量时，吸附吸附 I 带负电，带负电， K为反离子为反离子:AgIIKKxmnnxx写胶团结构时，应注意电荷平衡，整个胶团是电中性的写胶团结构时，应注意电荷平衡，整个胶团是电中性的2022-1-2421胶团剖面图：胶团剖面图：例例2Homework 9