1、第八章 胶 体,胶体分散系 高分子溶液,目 录,Micelles & macromolecule solution,【提纲】,憎液溶胶,大分子溶液,制备,动力学性质,光学性质,电性质,稳定性,结构特性,平均分子量测定,电解质溶液性质,流变性,胶体,胶体部分,8.1 分散系的分类及胶体的基本特性,8.2 溶胶的制备与净化,8.3 胶体的动力学性质,8.4 溶胶的光学性质,8.5 溶胶的电性质,8.6 溶胶的稳定性和聚沉作用,8.1 分散系的分类及胶体的基本特性,分散相 dispersed phase 被分散的物质 以非连续形式存在,分散系统 disperse system,分散介质 disper
2、sion medium 以连续相形式存在的物质,Colloid chemistry： 1861年Greham : crystal and colloid,一种或几种物质分在 另一种物质中所构成的系统,【按分散相的质点大小分】,3. 粗分散体系: 分散相粒径 100 nm 用普通显微镜可分辨出是多相体系,2. 胶体分散体系: 分散相粒径在 1 100 nm 分子或离子的聚合体、大分子 憎液溶胶、大分子溶液、缔合溶胶,1. 分子分散体系: 分散相粒径 1 nm,均相分散体系： 非均相分散体系：,【按是否存在相界面分类】,小分子溶液,大分子溶液,胶体,粗分散体系,电解质溶液,缔合胶体,透明,无散射,
3、 扩散快, 热稳体系,扩散慢,不能透过半透膜,均相热稳体系,扩散慢，不能透过半透膜 多分散,多相,聚结不稳定性,【按分散介质的聚集态分类】,1.多分散性,3.热力学不稳定性,2.多相性 胶体体系是多相体系的，存在相界面。,8.2 溶胶的制备与净化,1. 分散法 机械分散法: 胶体磨 超声分散法: 石墨，颜料，硫溶胶，石膏等。 胶溶法：将新鲜沉淀重新分散而制备溶胶,溶胶 1100 nm,小分子真溶液 1 nm,粗分散系统 100 nm,分散,凝聚,一、溶胶的制备,电分散法: 金属,例： Fe(OH)3溶胶的制备 FeCl3 + 3NH4OH Fe(OH)3 + 3NH4Cl FeCl3 + H2
4、O FeO+ + 2HCl + Cl- Fe(OH)3 adsorb FeO+ become coloid. Fe(OH)3mnFeO+(n-x)Cl-x+ xCl-,胶溶作用：新生成的固体沉淀物在适当条件下能重新分散而达到胶体分散程度的现象。,2凝聚法,1). 物理凝聚法,如钠的苯溶胶制备,钠,点击此处演示,2). 化学 凝聚法：借助化学反应来实现凝聚。 溶液中进行的氧化还原、水解、复分解等反应，只要有一种产物是溶解度很小的，就可控制反应条件使析出的产物分子凝聚而形成溶胶粒子。 AuCl3 +5NaOH NaAuO2+4NaCl+3H2O NaAuO2+3HCHO+NaOH 2Au +3HC
5、OONa+2H2O,3). 改变溶剂法,使溶解度骤变，如,松香在乙醇中：溶,点击此处演示,水中：不溶,溶胶,将不利于溶胶稳定存在的电解质或其它小分子杂质除去或部分除去的过程。 目前净化溶胶的方法都利用了溶胶粒子不能透过半透膜而一般低分子杂质及电解质能透过半透膜的性质。,1. 渗析法,普通渗析,电渗析,2. 超滤法：小分子电解质滤去，再用介质重新分散,减压过滤,加压过滤,8.3 胶体的动力学性质,通过对胶体动力学性质的研究，可以获得胶粒大小、形状及其聚沉的信息。,1827年布朗用显微镜观察悬 浮在液面上的花粉粉未时，发现花粉粉未在水面上不停地无规则运动。这种运动称为 Brown 运动。 1903
6、年发明超显微镜，用超显微镜观察胶体 不断地作“之”字形运动。,实验表明：粒子运动速度取决于粒子的大小，温度及介质粘度等，粒子越小、温度越高、粘度越小则布朗运动越剧烈。 1905年和1906年爱因斯坦和smoluchowski分别阐述了布朗运动的本质。,Browm运动：溶胶粒子在介质中无规则运动,-爱因斯坦-布朗运动公式,布朗运动的平均位移,扩散 溶胶的扩散和真溶液一样，服从 Fick 定律,二、扩散和渗透现象,由Einstein-布朗运动位移方程,假设t 时间内粒子的扩散距离为,扩系数散,？,渗透压：半透膜两侧的压差 =p2p1,渗透 溶剂分子通过半透膜，从低浓度溶液的一侧向高浓度一侧溶液的扩
7、散.,渗透压,渗透压 = p2,反渗透： 施加外压，使溶剂分子从溶液 一侧透过半透膜进入纯溶剂一侧,溶剂|溶液：平衡时溶剂在两侧化学势相等可导出稀溶液的 = cRT ( c: mol/m3 ),三. 沉降与沉降平衡,溶胶粒子在外力场定向移动称沉降(sedimentation),沉降粒子浓集 扩散粒子分散,粒子小，力场小扩散 粒子大或力场大沉降 扩散沉降相当平衡,1. 重力场中的沉降,粒子运动时，介质的阻滞力：(stokes law),粒子的下沉重力：,F1=F2时：,沉降分析法，测v求粒径r (2) 落球式粘度计，测v求,粗分散体系,此式表明,相同粒度r，h，c 相同高度h，r，c2/c1 相
8、同高度c2/c1，r，h ,2.重力沉降平衡和高度分布,原因,现象：暗室中光线通过溶胶时形成的“光柱”,二次光源,散射是溶胶特有的现象,电磁场 作用,一.Tyndall 效应,8.4 溶胶的光学性质,光通过分散系统时基本现象,真溶液,粗分散,溶胶,透明,有色 (补色),混浊,乳光,透射,吸收,反射,散射,吸收：取决于化学组成 反射：粒径 波长 散射：粒径 波长 小分子粒径太小，散射光不明显,自然界的丁达尔现象,I与 粒子浓度(粒子数/体积)正比，浊度计依据,分散相与分散介质对光的折射率差越大，散射光亦越强。高分子溶液 Tyndall现象不明显,分散相粒子的体积越大，散射光 越强；小分子溶液无T
9、yndall现象,【瑞利散射公式】,(r/20),波长越短，散射光越强，透过的是长波,不导电 不吸收光 球型,二、胶体粒子大小的测定,超显微镜：装有强光源、暗背景的显微镜，可观测粒子的Tyndall现象，即观测的是粒子对光散射后所形成的发光点。,电子显微镜：可直接观测胶粒大小、形状。 电子束-可见光束 电磁透镜-光学透镜,大小、形状,电动现象: 是研究胶体粒子或介质的运动与电性质之间的关系。,8.5 溶胶的电性质,一、电动现象,(electrophoresis),电泳,胶粒带负电,介质带正电,。,电渗,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,沉降,沉降过程中,【电动现象】,1.
10、 电冰：胶粒在电场中运动,2. 电渗：介质在电场中运动,3. 流动电势：使介质移动，产生的电势差,4. 沉降电势：使胶粒移动，产生的电势差,电动现象说明：溶胶质点与介质分别带电，在电场中发生移动，或移动时产生电场,2. 电离,如硅酸溶胶H2SiO3 （不同pH时）,3. 同晶置换,如晶格中高价离子被低价离子置换而带负电,1. 吸附,非选择性吸附：,选择性优先吸附Fajans规则：,难溶盐晶体的溶胶，优先吸附与其成分相同的离子,吸附介质中H+，OH 或其它 一般阳离子水化能力强，不易吸附 悬浮粒子往往吸附阴离子而带负电,4. 摩擦带电,二、 溶胶粒子带电的原因,非水介质中无电离，质点与介质摩擦带
11、电 介电常数大的带正电,三. 溶胶表面双电层理论,1. 平板双电层 （Helmholtz模型）,2. 扩散双电层 （Gowy-Chanman模型）,反离子？,0,2. 扩散双电层 （Gowy-Chanman模型）,溶胶表面双电层理论,3. 吸附扩散双电层 （Stern模型）,3. 吸附扩散双电层 （Stern模型）,溶胶表面双电层理论,0,电解质对双电层影响,(1) 外加电解质，反离子进入stern层和扩散层 结果：d，双电层厚度,(2) 高价或大反离子可使 d电势反转,(3) 同号大离子（如表面活性剂）吸附，可使 d,Stern模型在数学定量处理上还有困难，一般仍用扩散双电层模型处理，只是用
12、d代替0,溶胶表面双电层理论,胶团结构式：(胶核)m n定位离子（nx）内反离子 x外反离子,四、溶胶粒子的结构,定位离子按Fajans规则确定,例1 Fe (OH)3溶胶,结构式：,例2 AgI 溶胶,制备1：AgNO3 + KI (过量) AgI + KNO3,结构式：(AgI)m,制备2：AgNO3 (过量) + KI AgI + KNO3,结构式：(AgI)m,制备：FeCl3 + H2O Fe (OH)3 + H+ + Cl,Fe (OH)3 (部分) + H+ FeO+ +H2O,( Fe (OH)3 )m,n FeO+ ,(n-x) Cl , xCl,n I ,(n-x) K+
13、,x K+,（负溶胶）,n Ag+, (n-x) NO3 ,x NO3,（正溶胶),五. 电泳的测定,平衡力：,F阻= F电 F电= qE （电量电场强度） F阻= 6rv qE= 6rv,球形带电体表面电势 与电量 q 关系：,0真空介电常数= 8.821012 C2m2N1,r相对介电常数（无单位），水r=81,1. 电泳速度求算电动电势,电动电位计算式：, 受粒子大小和形状的影响,球形较大，或平板形，或棒形作校正,v：电泳速度（m/s） E：电场强度（V/m）,2. 电泳实验方法,界面移动电泳： 观测溶胶界面在电场中的移动,显微电泳： 显微镜下直接对粒子的运动进行测定,+,细胞电泳 （c
14、ell electrophoresis） 将细胞制备成悬浮溶液，使其单个游离的细胞分散于等渗的介质中，在电场作用下，细胞在电泳室内发生运动，这种现象称为细胞电泳。,2. 表面带电（静电斥力）,4. 添加高分子保护,3. 溶剂化（水化膜斥力 ）,1. 动力稳定性（扩散力）,稳定溶胶的因素,Brown运动、扩散，有利稳定 r小, D大,大，稳定,带电后的电性斥力，是溶胶稳定的主要原因,降低表面能，弹性膜有利稳定,形成保护膜,8.6 溶胶的稳定性和聚沉作用,聚沉(coagulation) ：溶胶颗粒集聚到一定程度，溶胶便失去表观上的均匀性，沉降下来。,【溶胶聚沉】,引起溶胶聚沉的方法有哪些？,（1）
15、外加电解质对溶胶聚沉的影响,原因：外加电解质浓度增大使胶粒周围的扩散层变薄， 电势降低。当 = 0 时，溶胶聚沉速度达到最大。,聚沉能力越强，聚沉值越小。,聚沉值：使一定量溶胶在一定时间内完全聚沉所需电解质的最低浓度。,聚沉值时， 并不等于零,2. 聚沉能力主要决定于反离子价数。,【注意】当离子在胶粒表面强烈吸附或发生表面化学反应时， Hardy Schulze规则不适用。,Hardy Schulze规则：,反离子价数越高，聚沉能力越强，聚沉值越小。,对于正溶胶，一价负离子的聚沉能力可排成下列顺序： FH2PO4Br ClBrO3 Br NO3ICNS,2. 同价离子的聚沉能力略有不同,水化离
16、子的半径越小聚沉能力越大,对于负溶胶，一价金属离子的聚沉能力可排成下列顺序： H+ Cs+ Rb+ NH4+ K+ Na+ Li+,感胶离子序,3. 同离子的稳定作用：当反离子相同时，同离子的价数越高，聚沉能力越弱。,4. 对胶粒吸附能力强的反离子具有很强的聚沉能力,如：有机化合物物离子,不规则聚沉：高价反离子,比较下列电解质对As2S3溶胶的聚沉能力,例,1. 先确定溶胶的电性 As2S3溶胶定位离子是HS- 2. 比较反离子的价数 3.比较同价离子的聚沉能力 4. 如果反离子相同，再比较同离子的聚沉能力,解题思路,（2）溶胶的相互聚沉 明矾的净水作用,（3）大分子化合物对溶胶稳定性的影响 大分子化合物对溶胶稳定性的影响具有两重性：保护作用 絮凝作用（架桥、脱水、电中和）,敏化作用,保护作用,习题,P335：习题2；4 ； 5； 8; 9; 10,
