1、胶体与界面化学 物理化学专业 魏西莲一、胶体和界面化学的发展简史一、胶体和界面化学的发展简史胶体化学是物理化学的一部分，和物理化学又紧胶体化学是物理化学的一部分，和物理化学又紧密相关，近年来发展成为一门专门的学科，密相关，近年来发展成为一门专门的学科，与生与生产和生活实际联系之紧密和应用之广泛是化学学产和生活实际联系之紧密和应用之广泛是化学学科中任一分支不能比拟的科中任一分支不能比拟的。北京大学的戴乐荣专北京大学的戴乐荣专门写文章论述了胶体化学的重要性。门写文章论述了胶体化学的重要性。物理化学和物理化学和胶体化学式属于同一范畴。二者的区分在于研究胶体化学式属于同一范畴。二者的区分在于研究的对象
2、不同，物理化学主要研究大块相和分子、的对象不同，物理化学主要研究大块相和分子、离子分散体系，而胶体化学研究的对象，其质点离子分散体系，而胶体化学研究的对象，其质点大小在大小在1010-6-6-10-10-7-7cmcm范围内的高度分散的体系，因范围内的高度分散的体系，因此将物理化学和胶体化学联系起来，对物质全部此将物理化学和胶体化学联系起来，对物质全部分散态的研究才能完成。分散态的研究才能完成。第一章第一章 胶体和界面简介胶体和界面简介胶体指的是具有很大比表面的分散体系。胶体指的是具有很大比表面的分散体系。界面现象是自然界普遍存在的现象。二者密不可分。界面现象是自然界普遍存在的现象。二者密不可
3、分。因此对胶体和界面现象的研究是物理化学基本原因此对胶体和界面现象的研究是物理化学基本原理的拓展和应用。从历史角度看，理的拓展和应用。从历史角度看，界面化学是胶界面化学是胶体化学的一个最重要的分支，体化学的一个最重要的分支，随着科学的发展，随着科学的发展，现今界面化学已独立成一门科学，有关现今界面化学已独立成一门科学，有关“界面现界面现象象”或或“胶体与界面现象胶体与界面现象”的专著在国内外已有的专著在国内外已有多种版本。本课程主要介绍多种版本。本课程主要介绍与界面现象和胶体有与界面现象和胶体有关的物理化学原理及应用。关的物理化学原理及应用。它包括各种相界面和它包括各种相界面和表面活性剂胶体的
4、相关特性和理论。表面活性剂胶体的相关特性和理论。第一章第一章 胶体和界面简介胶体和界面简介胶体化学是一门古老而又年轻的科学。胶体化学是一门古老而又年轻的科学。古埃及利用木材浸水膨胀来破裂山岩（界面）古埃及利用木材浸水膨胀来破裂山岩（界面）v圣经记载奇异的云和雾（气溶胶）圣经记载奇异的云和雾（气溶胶）v古埃及壁画中工人用一些液体润滑巨大的石块（界面润滑）古埃及壁画中工人用一些液体润滑巨大的石块（界面润滑）v希伯来奴隶用黏土造转（胶体）希伯来奴隶用黏土造转（胶体）v17771777年瑞典化学家做木炭吸附气体的实验（界面吸附）年瑞典化学家做木炭吸附气体的实验（界面吸附）有有史以前，我们的祖先就会制造
5、陶器；汉朝已能利用史以前，我们的祖先就会制造陶器；汉朝已能利用天然高天然高聚物聚物纤维造纸；后汉时又发明了墨纤维造纸；后汉时又发明了墨（分散体系）（分散体系）；其它像；其它像做豆腐、面食以及药物的制剂等等在我国都有悠久的历史。做豆腐、面食以及药物的制剂等等在我国都有悠久的历史。这些成品及其制作过程都与胶体化学密切相关。这些成品及其制作过程都与胶体化学密切相关。18091809年，俄国化学家年，俄国化学家Scheele（舍勒）（舍勒）发现了土粒的发现了土粒的电泳现象；电泳现象；18291829年英国植物学家年英国植物学家Brown（布朗）（布朗）观观察到花粉的布朗运动。此后，许多人相继制备了各察
6、到花粉的布朗运动。此后，许多人相继制备了各种溶胶，并研究了它们的性质。种溶胶，并研究了它们的性质。胶体化学作为一门学科来说，它的历史比较一致的胶体化学作为一门学科来说，它的历史比较一致的看法是从看法是从18611861年开始的，创始人是英国科学家年开始的，创始人是英国科学家Thomas Graham（汤姆斯 格雷厄姆），他系统研他系统研究过许多物质的扩散速度，并首先提出晶体和胶体究过许多物质的扩散速度，并首先提出晶体和胶体（colloid）的概念，制定了许多名词用来形容他所）的概念，制定了许多名词用来形容他所发现的事实。发现的事实。v他用的仪器极为简单，将一块羊皮纸缚他用的仪器极为简单，将一块
7、羊皮纸缚在一个玻璃筒上，筒里装着要试验的溶在一个玻璃筒上，筒里装着要试验的溶液，并把筒浸在水中液，并把筒浸在水中(右图右图)。Graham用用此种装置研究许多种物质的扩散速度，此种装置研究许多种物质的扩散速度，发现有些物质，如糖、无机盐、尿素等发现有些物质，如糖、无机盐、尿素等扩散快，很容易自羊皮纸渗析出来，另扩散快，很容易自羊皮纸渗析出来，另一些物质，如明胶、氢氧化铝、硅酸等一些物质，如明胶、氢氧化铝、硅酸等扩散很慢不能或很难超过羊皮纸前一扩散很慢不能或很难超过羊皮纸前一类物质当溶剂蒸发时易于成晶体析出类物质当溶剂蒸发时易于成晶体析出（类晶质类晶质Crystalloid），后一类物质，后一类
8、物质则不能结晶，大都成无定形胶状物质。则不能结晶，大都成无定形胶状物质。于是，于是，Gcraham把后一类称为胶体把后一类称为胶体(colloid)，其溶液称之为溶胶。胶体源，其溶液称之为溶胶。胶体源自希腊文的自希腊文的ko。(胶胶)。根据实验结果的推断：根据实验结果的推断：v胶体是一定分散范围内物质存在的一种状态，胶体是一定分散范围内物质存在的一种状态，而不是物质固有的特性。而不是物质固有的特性。它的一相或多相以一定它的一相或多相以一定大小（大小（1010-7-71010-9-9m m）分散于另一连续相中，）分散于另一连续相中，胶体是高度分散的体系，具有很大的表面积胶体是高度分散的体系，具有
9、很大的表面积有扩散慢和不能透过半透膜，推断胶体溶液中的有扩散慢和不能透过半透膜，推断胶体溶液中的质点不是以小分子而是以大粒子形式分散在介质质点不是以小分子而是以大粒子形式分散在介质中中v胶体粒子在重力场中不沉降或沉降速度极慢，胶体粒子在重力场中不沉降或沉降速度极慢，推断分散质点不会太大，约推断分散质点不会太大，约1nm-1m1nm-1m在在Graham（格雷厄姆）（格雷厄姆）之后四十多年，俄国化学之后四十多年，俄国化学家家Benmaph（本麦夫）（本麦夫）用用200200多种物质做试验，证多种物质做试验，证明无论任何物质都可制成晶体状态也可制成胶体明无论任何物质都可制成晶体状态也可制成胶体状态
10、。例如，典型的结晶物质氯化钠在水中形成状态。例如，典型的结晶物质氯化钠在水中形成真溶液，在酒精中则可形成胶体溶液。真溶液，在酒精中则可形成胶体溶液。因此，晶因此，晶体与胶体并不是不同的两类物质，而是物质的两体与胶体并不是不同的两类物质，而是物质的两种不同的存在状态。种不同的存在状态。由扩散慢和不能透过半透膜由扩散慢和不能透过半透膜这些特性可以推断，胶体溶液小的质点不是以小这些特性可以推断，胶体溶液小的质点不是以小分子，而是以大粒子的形式分散在介质中分子，而是以大粒子的形式分散在介质中被分散的物质被分散的物质分散相分散相;另一种物质另一种物质分散介质分散介质 第一章第一章 胶体和界面简介胶体和界
11、面简介现今我们所用的一些名词，如溶胶（现今我们所用的一些名词，如溶胶（sol）、凝胶）、凝胶（gel）、胶溶（）、胶溶（peptization）、渗析（）、渗析（dialysis）、）、离浆（离浆（syneresis）都是）都是Graham提出的。尽管在这一提出的。尽管在这一时期积累了大量的经验和知识，但胶体化学真正为人时期积累了大量的经验和知识，但胶体化学真正为人们所重视并获得较大的发展是从们所重视并获得较大的发展是从1903年开始的。这时年开始的。这时 Zsigmondy（奥地利，（奥地利，席格蒙迪席格蒙迪）发明了超显微镜，）发明了超显微镜，肯定了溶胶的一个根本问题肯定了溶胶的一个根本问题
12、体系的多相性，体系的多相性，从而从而明确了胶体化学是界面化学。明确了胶体化学是界面化学。1907年，德国化学家年，德国化学家Ostwald(德国，德国，奥斯特瓦尔德奥斯特瓦尔德)创办了第一个胶体化创办了第一个胶体化学的专门刊物学的专门刊物胶体化学和工业杂志胶体化学和工业杂志.第一章第一章 胶体和界面简介胶体和界面简介v因而许多人把这一年视为胶体化学正式成为一门因而许多人把这一年视为胶体化学正式成为一门独立学科的一年。接着独立学科的一年。接着Freundlich（弗罗因德利希）（弗罗因德利希）和和Zsigmondy（席格蒙迪）（席格蒙迪）先后出版了他们的名著先后出版了他们的名著毛细管化学毛细管化
13、学（1909）和）和胶体化学胶体化学（1902）。）。1915年年Wolfgang Ostwald称胶体和界面科学内容称胶体和界面科学内容为为“被忽视尺寸的世界被忽视尺寸的世界”。是一种边缘科学的领域。是一种边缘科学的领域近几十年来，由于实验技术的不断发展（像超离心近几十年来，由于实验技术的不断发展（像超离心机、光散色、机、光散色、X射线、多种电子显微镜、红外线以射线、多种电子显微镜、红外线以及各种能谱等的应用），又使胶体和表面化学在微及各种能谱等的应用），又使胶体和表面化学在微观研究中跃进了一大步。观研究中跃进了一大步。第一章第一章 胶体和界面简介胶体和界面简介 1861年，英国化学家年，英
14、国化学家T.Graham首先提出了首先提出了“胶胶体体”这个名词，确立了一门科学。这个名词，确立了一门科学。1902年，发明了超显微镜，首次观察到溶胶中粒年，发明了超显微镜，首次观察到溶胶中粒子的运动，证明了溶胶的超微不均匀性；子的运动，证明了溶胶的超微不均匀性；1902年年胶体化学胶体化学一书出版；一书出版；1907年，第一本胶体化学杂志年，第一本胶体化学杂志胶体化学和工业胶体化学和工业杂志杂志出版；出版；1922年，将高分子从胶体中分离出去；年，将高分子从胶体中分离出去；1970年后，胶体化学发展迅速。年后，胶体化学发展迅速。同胶体化学一样，界面化学也是一门古老而又年轻的同胶体化学一样，界
15、面化学也是一门古老而又年轻的科学。它是科学。它是研究界面的物理化学规律及体相与表相研究界面的物理化学规律及体相与表相的相互影响关系的相互影响关系的一门学科。历史上对界面现象的的一门学科。历史上对界面现象的研究是从力学开始的，十九世纪初形成了界面张力研究是从力学开始的，十九世纪初形成了界面张力的概念。最早提出界面张力概念的是的概念。最早提出界面张力概念的是 由由T.Young 于于18051805提出提出，他指出，体系中两个相接触的均匀流体，他指出，体系中两个相接触的均匀流体，从力学的观点看就象是被一张无限薄的弹性膜所分从力学的观点看就象是被一张无限薄的弹性膜所分开，界面张力则存在于这一弹性膜中
16、。杨还将界面开，界面张力则存在于这一弹性膜中。杨还将界面张力概念推广应用于有固体的体系，导出了联系张力概念推广应用于有固体的体系，导出了联系气气液液、固固液、固液、固气气界面张力与接触角关系的界面张力与接触角关系的杨氏方程。杨氏方程。s-gl-sl-gcos第一章第一章 胶体和界面简介胶体和界面简介 18061806年，拉普拉斯年，拉普拉斯（P.S.Laplace）导出了弯曲导出了弯曲液面两边附加压力与界面张力和曲率半径的关液面两边附加压力与界面张力和曲率半径的关系系.可用该公式解释毛细管现象。可用该公式解释毛细管现象。)11(21sRRP1869年普里年普里(A.Dapre）研究了润湿和黏附
17、现象，将）研究了润湿和黏附现象，将黏附功与界面张力联系起来。黏附功与界面张力联系起来。al-gsglsW第一章第一章 胶体和界面简介胶体和界面简介a0P2MRTlnap界面热力学的奠基人吉布斯界面热力学的奠基人吉布斯（Gibbs）在在1878年提出年提出了界面相厚度为零的吉布斯界面模型，他还导出了联了界面相厚度为零的吉布斯界面模型，他还导出了联系吸附量和界面张力随体相浓度变化的普遍关系式即系吸附量和界面张力随体相浓度变化的普遍关系式即著名的著名的吉布斯吸附等温式。吉布斯吸附等温式。(1)lniiidRTda1859年，开尔文（年，开尔文（Kelvin）将界面扩展时伴随的热效）将界面扩展时伴随的
18、热效应与界面张力随温度的变化联系起来。后来，又导出应与界面张力随温度的变化联系起来。后来，又导出蒸汽压随界面曲率的变化的方程即著名的蒸汽压随界面曲率的变化的方程即著名的开尔文方程开尔文方程在在1913191319421942年期间，美国科学家年期间，美国科学家兰茂尔兰茂尔（Langmuir）在在界面科学领域做出了杰出的贡献，特别是对吸附、单分子界面科学领域做出了杰出的贡献，特别是对吸附、单分子膜的研究尤为突出。他于膜的研究尤为突出。他于19321932年获诺贝尔奖，被誉为年获诺贝尔奖，被誉为界面界面化学的开拓者。后来有一本专门的杂志化学的开拓者。后来有一本专门的杂志Langmuir.界面化学的
19、统计力学研究界面化学的统计力学研究是是18931893年从范德华开始的年从范德华开始的,范德华范德华认识到在界面层中密度实际上是连续变化的。他应用了局认识到在界面层中密度实际上是连续变化的。他应用了局部自由能密度的概念，结合范德华方程，并引入半经验修部自由能密度的概念，结合范德华方程，并引入半经验修正，从理论上研究了决定于分子间力的状态方程参数与界正，从理论上研究了决定于分子间力的状态方程参数与界面张力间的关系。面张力间的关系。5050年代以后，界面现象的年代以后，界面现象的统计力学研究统计力学研究经过勃夫（经过勃夫（F.Buff）、寇克伍德）、寇克伍德(Kirkwood）、哈拉西玛）、哈拉西
20、玛（Harasima）等的研究工作，取得了实质性的进展。）等的研究工作，取得了实质性的进展。目前有关胶体和界面的杂志目前有关胶体和界面的杂志1.Current opinion in colloid&interface science（5.493）2.Advances in colloid and interface science（5.333）3.Journal of colloid and interface science（2.443）4.Colloids and surfaces A-physicochemical and engineering aspects（1.926）5.Coll
21、oids and surfaces B-biointerfaces（2.593）6.Surface and interface analysis（1.209）7.Colloid and polymer science（1.736）8.Journal of Dispersion Science and Technology（0.65）9.Colloid journal（0.56）10.Composite interfaces （0.69）11.Langmuir（4.097）国内目前尚无一本正式出版的胶体与界面化学杂志国内目前尚无一本正式出版的胶体与界面化学杂志v将一把泥土放到水中将一把泥土放到水
22、中,大粒的泥沙很快下沉大粒的泥沙很快下沉,浑浊的细小浑浊的细小土粒受重力的影响最后也沉于容器底部土粒受重力的影响最后也沉于容器底部,土中的盐类则土中的盐类则溶解成真溶液溶解成真溶液.但是但是,混杂在真溶液中还有一些极为微小混杂在真溶液中还有一些极为微小的土壤粒子的土壤粒子,既不下沉既不下沉,也不溶解也不溶解,人们把这些即使在显人们把这些即使在显微镜下也观察不到的微小颗粒称为胶体颗粒微镜下也观察不到的微小颗粒称为胶体颗粒,含有胶体含有胶体颗粒的体系称为胶体体系颗粒的体系称为胶体体系.v胶体化学胶体化学,狭义的说狭义的说,就是研究这些微小颗粒分散体系的就是研究这些微小颗粒分散体系的科学。科学。第一
23、章第一章 胶体和界面简介胶体和界面简介v二、二、胶体和界面的定义胶体和界面的定义v胶体：胶体：Ostwald定义：定义：胶体是一种尺寸在胶体是一种尺寸在1100nm以至以至1000 nm的分散体系。它既不的分散体系。它既不是大块固体，又不是分子分散的液体，而是是大块固体，又不是分子分散的液体，而是具有两相的微不均匀的分散体系。具有两相的微不均匀的分散体系。由于胶体体系首先是以分散相颗粒有一定由于胶体体系首先是以分散相颗粒有一定的大小为其特征的的大小为其特征的,故胶粒本身与分散介质故胶粒本身与分散介质之间必有一明显的物理分界面之间必有一明显的物理分界面.这意味着胶这意味着胶体体系必然是两相或多相
24、的不均匀分散体体体系必然是两相或多相的不均匀分散体系系.v既然规定胶体颗粒的大小为既然规定胶体颗粒的大小为1100nm(按胶体颗按胶体颗粒的直径计粒的直径计).小于小于1nm的几颗粒为分子或离子分的几颗粒为分子或离子分散体系散体系,大于大于100nm的为粗分散体系的为粗分散体系.显然显然,只要只要不同聚集态分散相的颗粒大小在不同聚集态分散相的颗粒大小在1100nm之间之间,则在不同状态的分散介质中均可形成胶体体系则在不同状态的分散介质中均可形成胶体体系.例如例如,除了分散相与分散介质都是气体而不能形除了分散相与分散介质都是气体而不能形成胶体体系外成胶体体系外,其余的其余的8种分散体系种分散体系
25、均可形成胶体均可形成胶体体系体系.v胶体在自然界尤其是生物界普遍存在，应用很广泛。胶体在自然界尤其是生物界普遍存在，应用很广泛。界面：界面：是自然界普遍存在的一种可见的存在状态。固是自然界普遍存在的一种可见的存在状态。固-固，液固，液-固，液固，液-液，液液，液-气等气等第一章第一章 胶体和界面简介胶体和界面简介第一章第一章 胶体和界面简介胶体和界面简介三、胶体和界面的分类三、胶体和界面的分类v1、Ostwald分类：按分散相质点的大小不同可将分散体系分成以下三类：类型类型粒子粒子大小大小 特征特征粗分散体系粗分散体系(悬液、乳液悬液、乳液)大于大于100nm100nm不能穿过滤纸，无扩散能力
26、，不不能穿过滤纸，无扩散能力，不能穿过渗析膜，在显微镜下可见能穿过渗析膜，在显微镜下可见胶体分散体系胶体分散体系(溶胶、微乳液）溶胶、微乳液）1 1100100nmnm能穿过滤纸，稍有扩散能力，不能穿过滤纸，稍有扩散能力，不能穿过渗析膜，在显微镜下不可能穿过渗析膜，在显微镜下不可见，超显微镜下可见见，超显微镜下可见分子分散体系分子分散体系（真溶液）（真溶液）小于小于1nm1nm能穿过滤纸，扩散能力强，能穿能穿过滤纸，扩散能力强，能穿过渗析膜，在显微镜和超显微镜过渗析膜，在显微镜和超显微镜下均不可见下均不可见v说明：说明：v（1 1）以显微镜下能否看见作为划分胶体分散）以显微镜下能否看见作为划分
27、胶体分散体的判据是比较客观的，若以此为标准，胶体的判据是比较客观的，若以此为标准，胶体分散体的尺寸应该为体分散体的尺寸应该为1 1200nm200nm。v（2 2）粗分散体系和胶体分散体系均属于胶体）粗分散体系和胶体分散体系均属于胶体体系。体系。第一章第一章 胶体和界面简介胶体和界面简介2.按照分散相和分散介质聚集状态的不同进行分类分散相分散相分散介质分散介质名称名称实例实例 液液气气气液溶胶气液溶胶雾雾固固气气气固溶胶气固溶胶烟、尘烟、尘气气液液泡沫泡沫灭火泡沫灭火泡沫液液液液乳状液、微乳液乳状液、微乳液原油、牛奶原油、牛奶固固液液溶胶、悬浮液溶胶、悬浮液金溶胶、油漆、金溶胶、油漆、泥浆泥浆
28、气气固固凝胶凝胶(固态泡沫固态泡沫)面包面包/泡沫塑料泡沫塑料液液固固凝胶凝胶(固态乳状液固态乳状液)珍珠珍珠固固固固凝胶凝胶(固态悬浮液固态悬浮液)合金合金/有色玻璃有色玻璃 Perin（佩林）和（佩林）和Freundlich（弗伦德利希）弗伦德利希）分类法：分类法：1.亲液胶体（分子胶体）：容易与水作用的蛋白质、亲液胶体（分子胶体）：容易与水作用的蛋白质、明胶等与水形成的胶体（热力学稳定体系）；明胶等与水形成的胶体（热力学稳定体系）；2.憎液胶体：本质上不溶于水的物质，经过适当处理憎液胶体：本质上不溶于水的物质，经过适当处理后，将他分散在水中所形成的体系（后，将他分散在水中所形成的体系（金
29、和硫化砷溶金和硫化砷溶胶，胶，热力学不稳定体系）。热力学不稳定体系）。3.缔合胶体（胶体电解质）：容易与水作用，缔合胶体（胶体电解质）：容易与水作用，是一种是一种均相分散体系均相分散体系（表面活性剂胶束溶液、微乳液、囊（表面活性剂胶束溶液、微乳液、囊泡、液晶等。热力学稳定体系）泡、液晶等。热力学稳定体系）3 按胶体溶液的稳定性分类按胶体溶液的稳定性分类性质性质憎液胶体憎液胶体 亲液胶体亲液胶体缔合胶体缔合胶体电解质的存电解质的存在在必要的稳定因素必要的稳定因素非必要的稳定因素非必要的稳定因素非必要的稳定因素非必要的稳定因素对电解质的对电解质的稳定性稳定性低低很高很高很高很高聚沉的可逆聚沉的可逆
30、性性不可逆不可逆可逆可逆可逆可逆电镜下可见电镜下可见性性可见可见不可见不可见不可见不可见粘度粘度与溶剂差别小与溶剂差别小比溶剂大许多比溶剂大许多比溶剂大许多比溶剂大许多渗透压渗透压小小显著显著显著显著粒子具有的粒子具有的电荷电荷固定，不易变固定，不易变电荷随电荷随pH而变而变电荷随电荷随pH而变而变热力学热力学聚结过聚结过程程典型体系典型体系狭义胶体体狭义胶体体系系不稳定不稳定不可逆不可逆溶胶，泡沫，悬浮液，乳溶胶，泡沫，悬浮液，乳状液和气溶胶等状液和气溶胶等缔合体系缔合体系稳定稳定可逆可逆胶束，微乳液，囊泡和溶胶束，微乳液，囊泡和溶致液晶等致液晶等高分子溶液高分子溶液稳定稳定可逆可逆淀粉淀粉
31、/水，明胶水，明胶/水，橡胶水，橡胶/己己烷等烷等4.胶体研究对象的热力学分类法：5.5.界面可分为界面可分为 液液-气界面；液气界面；液-液界面；液界面；液液-固界面；固固界面；固-固界面固界面固固-气界面；气界面；v三、胶体的一般性质：三、胶体的一般性质：v能发生丁达尔现象能发生丁达尔现象,聚沉，产生电泳，可以渗析，等性质聚沉，产生电泳，可以渗析，等性质 丁达尔效应丁达尔效应 当一束光通过胶体时，从入射光的垂直方向上可看到有一条光带，当一束光通过胶体时，从入射光的垂直方向上可看到有一条光带，这个现象叫丁达尔现象。利用此性质可鉴别胶体与溶液、浊液。这个现象叫丁达尔现象。利用此性质可鉴别胶体与
32、溶液、浊液。电泳现象电泳现象 胶粒有很大的比表面积胶粒有很大的比表面积(比表面积比表面积=表面积颗粒体积表面积颗粒体积)，因而有很强，因而有很强的吸附能力，使胶粒表面吸附溶液中的离子。这样胶粒就带有电荷。的吸附能力，使胶粒表面吸附溶液中的离子。这样胶粒就带有电荷。不同的胶粒吸附不同电荷的离子。一般说，金属氢氧化物、金属氧不同的胶粒吸附不同电荷的离子。一般说，金属氢氧化物、金属氧化物的胶粒吸附阳离子，胶粒带正电，非金属氧化物、金属硫化物化物的胶粒吸附阳离子，胶粒带正电，非金属氧化物、金属硫化物的胶粒吸引阴离子，胶粒带负电。胶粒带有相同的电荷，互相排斥，的胶粒吸引阴离子，胶粒带负电。胶粒带有相同的
33、电荷，互相排斥，所以胶粒不容易聚集，这是胶体保持稳定的重要原因。所以胶粒不容易聚集，这是胶体保持稳定的重要原因。由于胶粒带有电荷，所以在外加电场的作用下，胶粒就会向某一极由于胶粒带有电荷，所以在外加电场的作用下，胶粒就会向某一极(阴极或阳极阴极或阳极)作定向移动，这种运动现象叫电泳。利用此性质可进作定向移动，这种运动现象叫电泳。利用此性质可进行胶体提纯。行胶体提纯。第一章第一章 胶体和界面简介胶体和界面简介v发生凝聚发生凝聚 加入电解质或加入带相反电荷的溶胶或加热均可使加入电解质或加入带相反电荷的溶胶或加热均可使胶体发生凝聚。加入电解质中和了胶粒所带的电荷，胶体发生凝聚。加入电解质中和了胶粒所
34、带的电荷，使胶粒形成大颗粒而沉淀。一般规律是电解质离子使胶粒形成大颗粒而沉淀。一般规律是电解质离子电荷数越高，使胶体凝聚的能力越强。用胶体凝聚电荷数越高，使胶体凝聚的能力越强。用胶体凝聚的性质可制生活必需品。如用豆浆制豆腐，从脂肪的性质可制生活必需品。如用豆浆制豆腐，从脂肪水解的产物中得到肥皂等。水解的产物中得到肥皂等。发生布朗运动发生布朗运动 离子或分子在体系内做无规则的运动。离子或分子在体系内做无规则的运动。布朗运动是分子无规则运动的结果布朗运动是分子无规则运动的结果 布朗运动是胶体稳定的一个原因。布朗运动是胶体稳定的一个原因。第一章第一章 胶体和界面简介胶体和界面简介1、农业生产农业生产
35、:土壤的保肥作用土壤的保肥作用.土壤里许多物质如粘土土壤里许多物质如粘土,腐殖质等常以腐殖质等常以胶体形式存在胶体形式存在.2、医疗卫生医疗卫生:血液透析血液透析,血清纸上电泳血清纸上电泳,利用电泳分离各种氨基酸和蛋利用电泳分离各种氨基酸和蛋白质白质.如胶态磁流体治癌术是将磁性物质制成胶体粒子，作为药物如胶态磁流体治癌术是将磁性物质制成胶体粒子，作为药物的载体，在磁场作用下将药物送到病灶，从而提高疗效。的载体，在磁场作用下将药物送到病灶，从而提高疗效。3、日常生活日常生活:制豆腐原理制豆腐原理(胶体的聚沉胶体的聚沉)和豆浆牛奶、粥、明矾净水、和豆浆牛奶、粥、明矾净水、冰淇淋、奶油、化妆品等。冰
36、淇淋、奶油、化妆品等。4、自然地理自然地理:江河人海口处形成三角洲江河人海口处形成三角洲,其形成原理是海水中的电解其形成原理是海水中的电解质使江河泥沙所形成胶体发生聚沉。质使江河泥沙所形成胶体发生聚沉。5、工业生产工业生产:制有色玻璃制有色玻璃(固溶胶固溶胶),冶金工业利用电泳原理选矿冶金工业利用电泳原理选矿.塑料、塑料、橡胶及合成纤维等的制造过程都会用到胶体。橡胶及合成纤维等的制造过程都会用到胶体。石油工业中的三次石油工业中的三次采油、油品回收，钻井泥浆等。采油、油品回收，钻井泥浆等。国防工业中有些火药、炸药须制国防工业中有些火药、炸药须制成胶体。成胶体。化学制造中的催化剂、洗涤剂、润滑剂、
37、粘合剂、农药。化学制造中的催化剂、洗涤剂、润滑剂、粘合剂、农药。四、四、胶体与界面化学研究涉及领域胶体与界面化学研究涉及领域6、材料科学：材料科学：陶瓷制品、水泥、涂料、纳米材料等的合成、陶瓷制品、水泥、涂料、纳米材料等的合成、在在金属、陶瓷、聚合物等材料中加入固态胶体粒子，不仅可以金属、陶瓷、聚合物等材料中加入固态胶体粒子，不仅可以改进材料的耐冲击强度、耐断裂强度、抗拉强度等机械性能，改进材料的耐冲击强度、耐断裂强度、抗拉强度等机械性能，还可以改进材料的光学性质。有色玻璃就是由某些胶态金属还可以改进材料的光学性质。有色玻璃就是由某些胶态金属氧化物分散于玻璃中制成的。氧化物分散于玻璃中制成的。
38、7 7、化学：化学：分析化学中的分析化学中的吸附指示剂、色谱、胶束分离等。物理吸附指示剂、色谱、胶束分离等。物理化学中的成核作用、过饱和、液晶。微乳液、囊泡等。生物化学中的成核作用、过饱和、液晶。微乳液、囊泡等。生物化学和分子生物学中的电泳、膜现象、蛋白质和核酸等。化学和分子生物学中的电泳、膜现象、蛋白质和核酸等。8 8、环境科学：环境科学：气溶胶、烟雾的形成与大气污染、水净化与污水气溶胶、烟雾的形成与大气污染、水净化与污水处理处理、毒气与毒剂的吸附、黏土矿物的表面改性与应用、人毒气与毒剂的吸附、黏土矿物的表面改性与应用、人工降雨、天然水体中的胶体悬浮物与环境污染物之间的界面工降雨、天然水体中
39、的胶体悬浮物与环境污染物之间的界面化学行为、液膜分离技术等。化学行为、液膜分离技术等。五、界面现象的应用五、界面现象的应用 1 1、吸附吸附 如用活性炭脱除有机物；用硅胶或活性氧化铝脱如用活性炭脱除有机物；用硅胶或活性氧化铝脱除水蒸汽；用分子筛分离氮气和氧气；泡沫浮选等。除水蒸汽；用分子筛分离氮气和氧气；泡沫浮选等。2 2、催化作用催化作用 在多相催化中使用固体催化剂以加速反应。如在多相催化中使用固体催化剂以加速反应。如石油工业的催化裂化和催化加氢、胶束催化等。石油工业的催化裂化和催化加氢、胶束催化等。3 3、表面膜表面膜 如微电子集成电路块中有重要应用的如微电子集成电路块中有重要应用的LBL
40、B膜；在膜；在生物学和医学研究中有重要意义的生物学和医学研究中有重要意义的BLBL膜和人工膜；能延缓膜和人工膜；能延缓湖泊水库水分蒸发的天然糖蛋白膜等。湖泊水库水分蒸发的天然糖蛋白膜等。4 4、新相生成新相生成 晶核生成或晶体生长是典型的新相生成，过晶核生成或晶体生长是典型的新相生成，过冷、过热、过饱和等亚稳现象产生的主要原因也是由于新冷、过热、过饱和等亚稳现象产生的主要原因也是由于新相生成。相生成。5 5、泡沫乳状液泡沫乳状液 如油品乳化、破乳；泡沫灭火等。如油品乳化、破乳；泡沫灭火等。6 6、润湿作用润湿作用 如喷洒农药、感光乳液配制、电镀工件的润如喷洒农药、感光乳液配制、电镀工件的润湿及
41、利用润湿作用湿及利用润湿作用 进行浮选等。进行浮选等。7 7、在超细粉末和纳米材料的制备在超细粉末和纳米材料的制备和粉末团聚的研究方面，和粉末团聚的研究方面，界面现象也都有重要的应用。界面现象也都有重要的应用。由上可见，界面化学所研究的是包括从宏观到微观的相由上可见，界面化学所研究的是包括从宏观到微观的相界面。无论是在科学研究中或是在工业应用上，界面现象界面。无论是在科学研究中或是在工业应用上，界面现象均有着极其广泛的应用。均有着极其广泛的应用。六、胶体和界面化学研究的内容六、胶体和界面化学研究的内容表面现象表面现象固固-气气 （吸附、催化、污染、气（吸附、催化、污染、气-液相色谱）液相色谱）
42、固固-液液 （洗涤和净化、粘合、润滑）（洗涤和净化、粘合、润滑）液液-气气 （涂层、润湿、泡沫）（涂层、润湿、泡沫）液液-液液 （乳液、三次采油、化妆）（乳液、三次采油、化妆）分散体系分散体系大分子溶液大分子溶液粗分散体系粗分散体系 胶体分散体系胶体分散体系分子分散体系分子分散体系Staudinger Staudinger 把相对分子质量大于把相对分子质量大于10000的物质称之为大分子。蛋白质、的物质称之为大分子。蛋白质、淀粉、纤维等。淀粉、纤维等。19221922年分为独立的一年分为独立的一门科学。门科学。现代胶体科学的研究内容现代胶体科学的研究内容研究内容研究内容体系体系理论理论分散体系
43、分散体系的形成与稳定光学性能流变性能纳米材料三种分散体系智能、电、磁流变体纳米颗粒气溶胶理论、成核理论、胶束理论、光吸收与散射理论等界面现象润湿、摩擦、黏附吸附现象界面电现象气/液/固两两界面各种吸附理论、双电层理论等有序组合体溶液中有序分子组合体生物膜与仿生膜有机无机混合膜胶束，微乳液等LB膜，液晶等分子间力液晶理论等 在所有胶体化学的研究课题中，有两个根本的问在所有胶体化学的研究课题中，有两个根本的问题始终是胶体和界面工作者的研究中心。题始终是胶体和界面工作者的研究中心。相互作用力的问题：即分子间力和界面力的性质问相互作用力的问题：即分子间力和界面力的性质问 题：主要是弱作用力的作用。题：
44、主要是弱作用力的作用。研究和控制分子集合体的堆积与排列：用现代化的研究和控制分子集合体的堆积与排列：用现代化的 语言来说，是研究二级结构以及三级结构的科学，语言来说，是研究二级结构以及三级结构的科学，或称为超分子结构的科学。或称为超分子结构的科学。七、胶体化学与界面化学的相关性七、胶体化学与界面化学的相关性胶体的基本特性：胶体的基本特性：特有的分散程度、多相性、聚结不稳定性特有的分散程度、多相性、聚结不稳定性 研究物质的界面特性研究物质的界面特性界面化学界面化学 表面张力、表面能、表面现象、表面吸附、表面张力、表面能、表面现象、表面吸附、单分子膜、表面润湿等单分子膜、表面润湿等 研究一群质点所
45、构成的分散体系的性质研究一群质点所构成的分散体系的性质 胶体化学胶体化学 动力性质、电性质、光学性、流变性质、胶体动力性质、电性质、光学性、流变性质、胶体的聚结与稳定性等的聚结与稳定性等八、胶体化学的发展前景八、胶体化学的发展前景胶体化学是密切结合实际，与其他学科息息相关的学科，它涉胶体化学是密切结合实际，与其他学科息息相关的学科，它涉及的范围广，研究的内容丰富。开拓的领域也愈来愈广。自及的范围广，研究的内容丰富。开拓的领域也愈来愈广。自身也增殖出一些新的学科。可以预期，胶体化学将继续沿着身也增殖出一些新的学科。可以预期，胶体化学将继续沿着这个方向发展。这个方向发展。因此促进胶化发展的主要因素
46、：因此促进胶化发展的主要因素：1.因为胶体化学是一门与实际应用密切结合的学科，现代工农因为胶体化学是一门与实际应用密切结合的学科，现代工农业生产为胶体化学的发展提供了广阔的前景。可以预期，在业生产为胶体化学的发展提供了广阔的前景。可以预期，在工农业发展中将会更广泛地运用胶体化学的基本原理和研究工农业发展中将会更广泛地运用胶体化学的基本原理和研究方法，特别是石油的开采和炼制，油漆、印染和选矿，甚至方法，特别是石油的开采和炼制，油漆、印染和选矿，甚至土壤改良和人工降雨等，都需胶体化学的知识。生产实践中土壤改良和人工降雨等，都需胶体化学的知识。生产实践中提出来的问题，又进一步推动着胶体化学学科理论的
47、发展。提出来的问题，又进一步推动着胶体化学学科理论的发展。八、胶体化学的发展前景八、胶体化学的发展前景2.现代科学仪器的发展为胶体化学的研究提供了全新的研究手现代科学仪器的发展为胶体化学的研究提供了全新的研究手段。例如，近年来各种波谱研究，如红外、核磁共振段。例如，近年来各种波谱研究，如红外、核磁共振（NMR）、电子自旋共振（）、电子自旋共振（ESR）、电子能谱、拉曼光谱）、电子能谱、拉曼光谱以及穆斯堡尔谱等的发展，对吸附在固体表面上分子状态的以及穆斯堡尔谱等的发展，对吸附在固体表面上分子状态的本质，有了更深入的了解。又如使用激光光散射、超离心机本质，有了更深入的了解。又如使用激光光散射、超离
48、心机技术研究蛋白质大分子的构型，也取得了惊人的成功。技术研究蛋白质大分子的构型，也取得了惊人的成功。力学显微镜研究胶粒间的力及表面上分子、原子的形态力学显微镜研究胶粒间的力及表面上分子、原子的形态;能谱能谱仪研究分子间的相互作用仪研究分子间的相互作用.低能电子衍射谱（低能电子衍射谱（LEED），光），光电子能谱（电子能谱（PES），振动光谱（），振动光谱（RALRS），电子能量损失），电子能量损失谱（谱（EEIS），高分辨率电子显微镜（），高分辨率电子显微镜（HREM）等。）等。扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscopy，1981年）和原子力显微
49、镜年）和原子力显微镜（atomic force microscopy，1986年）是近年来年）是近年来发展极快的两个测量表面的重要工具。发展极快的两个测量表面的重要工具。近年来电脑的迅速发展，无疑给胶体化学发展近年来电脑的迅速发展，无疑给胶体化学发展提供了有利支持，不仅可以解决一些复杂数学提供了有利支持，不仅可以解决一些复杂数学难题，还可以模拟一些过程，例如吸附过程，难题，还可以模拟一些过程，例如吸附过程，胶粒的生长过程等。胶粒的生长过程等。扫描电子扫描电子显微镜显微镜(SEM)透射电子显透射电子显微镜微镜(TEM)场发射显场发射显微镜微镜(FEM)扫描隧道扫描隧道显微镜显微镜(STM)原子力
50、显原子力显微镜微镜(AFM)最佳侧向分辨率最佳侧向分辨率/40112122最佳深度分辨率最佳深度分辨率/1000100*0.011样品制备难易样品制备难易易易难难难难易易易易最大样品尺寸最大样品尺寸/cm200.20.0122最大影像尺寸最大影像尺寸/cm100001000.11010样品是否必须导电样品是否必须导电是是是是是是是是否否是否需要真空是否需要真空是是是是是是否否否否高分辨显微技术比较高分辨显微技术比较 3.近代化学和近代物理上的成就，进一步促进对胶近代化学和近代物理上的成就，进一步促进对胶体化学中某些理论问题的探讨。例如，以量子力学体化学中某些理论问题的探讨。例如，以量子力学及固
