无机化学-胶体溶液-课件

第三章第三章 胶体溶液和表面现象胶体溶液和表面现象学习目标学习目标掌握溶胶、高分子溶液的性质及应用掌握溶胶、高分子溶液的性质及应用了解表面张力与表面能的概念了解表面张力与表面能的概念掌握表面活性物质的基本性质及应用掌握表面活性物质的基本性质及应用熟悉溶胶的稳定性和聚沉、凝胶的形成及性质熟悉溶胶的稳定性和聚沉、凝胶的形成及性质一、溶胶一、溶胶第一节第一节 胶体溶液胶体溶液 溶胶的分散相粒子由许多分子聚集而成，其高度分散在不相溶的介质中形成溶胶。溶胶不是一类特殊的物质，是物质存在的一种特殊状态，如NaCl易溶于水，难溶于苯，它分散在水中是真溶液，而分散在苯中则成为溶胶。按分散介质不同，可分为液溶胶（如氢氧化铁溶胶）、气溶胶（如烟、雾等）和固溶胶（如有色玻璃），通常所说溶胶指液溶胶。将FeCl3溶液滴入沸水，FeCl3水解可形成红棕色透明的Fe(OH)3溶胶制备分散法凝聚法将粗大的颗粒粉碎（或分散）成细小的胶粒使分子或离子聚集成胶粒物理凝聚法化学凝聚法通过化学反应使其生成物呈过饱和状态，然后形成溶胶溶胶的许多性质都与其分散质高度分散和多相共存的特点有关。1869年Tyndall发现，在暗室中，将一束强光照射到胶体时，在与光速垂直的方向上可以观察到一条发亮的光柱，这就是丁达尔(Tyndall)效应。(1)光学性质丁达尔效应1.溶胶的性质有时候在清晨茂密的树林中，我们也常常可以看到从枝叶间透过的一道道光柱，这 也是丁达尔丁达尔现象现象。这是因为云、雾、烟 尘也是胶体，只是这些胶体的分散剂是空气，分散质是微小的尘埃或液滴。在背光阴影的地方，画面会显得十分幽暗。梦幻、复古、森女是现在大多年轻女生喜爱的拍照风格，森女像是从森林里走出的女孩，喜欢民族服饰，喜欢清新简单的生活。利用唯美的丁达尔效应，可在森唯美的丁达尔效应，可在森林里拍摄出治愈系梦幻森女风格林里拍摄出治愈系梦幻森女风格的照片哦。当光线射入粗分散系时，主要发生反射现象，光线无法透过，可观察到体系呈现浑浊不透明浑浊不透明；当光线射入溶胶时，发生散射现象，在光线的垂直方向可观察到一条明亮的的光柱明亮的的光柱；当光线射入真溶液，光几乎全部透过，整个溶溶液是透明液是透明的。Tyndall效效应应是是溶溶胶胶的的特特征征，可用来区分三类分散系。可用来区分三类分散系。在超显微镜下观察溶胶时，可看到胶体粒子不断地上下往来作不规则运动，这种运动称为Brown运动运动。Brown运动实实质质上是溶胶粒子本身热运动和分散介质对它不断撞击的总结果。(2)动力学性质A.布朗运动 胶粒越小、温度越高、介质黏度越低，Brown运动越激烈。Brown运动使胶粒具有一定能量，可以克服重力的影响，使胶粒稳定不易发生沉降。胶粒由于存在Brown运动，能自发从高浓度的区域自动向低浓度区域扩散，最后体系达到浓度均匀。如果把盛有溶胶的半透膜放入分散介质中，则胶粒不能通过半透膜。利用胶粒不能通过半透膜，而小离子、小分子能透过半透膜的性质，可把胶体溶液中混有的电解质的分子或离子分离出来，使胶体溶液净化，这种方法称为透析透析或渗析渗析。渗析法可用于中草药中有效成分的分离提取：在中草药浸取液中，常利用植物蛋白、淀粉等不能透过半透膜的性质而将其除去；中草药注射剂常由于存在微量的胶体状态杂质，在放置中变浑浊，应用渗析法可改变其澄明度；人工肾能帮助肾功能衰竭的患者去除血液中的毒素和水分。+-漏斗漏斗电极电极在溶胶内插入两个电极接通直流电源后，可观察到胶体粒子的定向移动。这种在外电场作用下，分散质粒子在分散剂中的定向移动称为电泳电泳。(3)电学性质Fe(OH)3溶胶，溶胶，带正电带正电U形管形管Fe(OH)3溶胶的电泳现象溶胶的电泳现象+电泳电泳 通过电泳实验，可以证明胶粒是带电的，电泳的方向可以判断胶粒所带电荷的种类。大多数金属氧化物和金属氢氧化物胶粒带正电，称为正溶胶正溶胶；大多数金属硫化物、金属以及土壤所形成的溶胶则带负电，称为负溶胶负溶胶。2.溶胶粒子带电的原因溶胶粒子带电的原因(1)吸附作用吸附作用例如：Fe(OH)3胶体粒子很容易吸附与它结构相似的FeO+离子，而带正电荷。Fe(OH)3mnFeO+溶胶是高度分散的多相体系，分散质有巨大的表面积，所以有强烈的吸附作用。固体胶粒表面选择吸附了分散剂中 的某种离子，从而使胶粒表面带有电荷。分散质分散质Fe(OH)3mFeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+Fe(OH)3胶核吸附电位离子的示意图(2)解离作用解离作用胶粒与溶液中的分散剂接触时，表面分子发生解离，有一种离子进入溶液，而使胶粒带电。例如，硅酸溶胶的胶粒是由很多硅酸分子(xSiO2yH2O)缩合而成，胶粒表面的 H2SiO3 分子发生解离，使硅胶粒子带负电。胶核是胶体的核心，为固相，具有很大的表面积和表面能，能选择性吸附与其组成有关的离子其余的反离子则分散在溶液中，形成扩散层，胶粒和扩散层的整体称为胶团由于胶粒中反离子数比电位离子数少，故胶粒所带电荷与电位离子符号相同电位离子使胶核表面带电3.胶团结构胶团结构以Fe(OH)3溶胶为例Fe(OH)3mnFeO+(n-x)Cl-x+xCl-胶核胶核 电位离子电位离子 反离子反离子 反离子反离子 吸附层吸附层胶粒胶粒胶团胶团吸附层和扩散层的整体称为扩散双电层扩散双电层胶团内反离子和电位离子的电荷总数相等，故胶团呈电中性K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+其结构简式表示为：其结构简式表示为：AgI 溶胶的胶团结构溶胶的胶团结构示意图示意图（KI过量）过量）(AgI)mI-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-电位离子电位离子 反离子反离子 吸附层吸附层 扩散层扩散层 胶核胶核(AgI)m.nI-.(n-x)K+x-.xK+胶胶 核核电位离子电位离子 反离子反离子反离子反离子吸附层吸附层胶粒胶粒扩散层扩散层胶团胶团注意注意制备胶体时，一定要有稳定剂存在。通制备胶体时，一定要有稳定剂存在。通常稳定剂就是在吸附层中的电位离子。常稳定剂就是在吸附层中的电位离子。4.溶胶的稳定性和聚沉溶胶的稳定性和聚沉（1）稳定性）稳定性 溶胶能稳定存在的主要原因是：胶粒带电胶粒带电同种胶粒在相同条件下带同种电荷，相互排斥，从而阻止胶粒在运动时互相接近聚合成较大的颗粒而沉降。溶剂化膜（水化膜）的存在溶剂化膜（水化膜）的存在胶核吸附层上的离子，水化能力强，在胶粒周围形成一个水化层，阻止了胶粒之间的聚集。Li+水化膜水化膜Cs+水化膜水化膜（2）聚沉）聚沉 使胶粒聚集成较大的颗粒而沉降的过程使胶粒聚集成较大的颗粒而沉降的过程 加入少量电解质加入少量电解质加入电解质后，与胶粒带相反电荷的离子进入吸附层，中和了胶粒所带的电荷，水化膜被破坏，当胶粒运动时互相碰撞，就可以聚集成大的颗粒而沉降。常用聚沉的方法有：江河入海口三角洲的形成，就是由于河流中带有负电荷的胶态黏土被海水中带正电的钠离子、镁离子中和后沉淀堆积而成。黄河三角洲黄河三角洲如：对于As2S3溶胶（负溶胶）的聚沉能力AlCl3CaCl2NaCl；对于Fe(OH)3溶胶（正溶胶）的聚沉能力K3Fe(CN)6 K2SO4KCl聚沉能力主要取决于与胶粒带相反电荷离子的荷，离子电荷越高，聚沉能力越强。一般来说聚沉能力(同种电荷)：三价离子二价离子一价离子溶溶胶胶As2S3Ca2Ca2As2S3As2S3Ca2Ca2As2S3As2S3Ca2Ca2Ca2As2S3 加入带相反电荷的胶体溶液加入带相反电荷的胶体溶液两种带相反电荷的胶粒互相吸引，彼此中和电荷，从而发生聚沉。明矾净水就是溶胶相互聚沉的典型例子。幻灯片 21 幻灯片 22 加热加热由于加热使胶粒的运动速度加快，碰撞聚合的机会增多；同时，升温降低了胶核对离子的吸附作用，减少了胶粒所带电荷，水化程度降低，有利于胶粒在碰撞时聚沉。聚聚沉沉As2S3溶胶溶胶-+Fe(OH)3溶胶溶胶+带相反电荷的胶体溶液明矾：明矾：水中悬浮体和胶体微粒带负电胶体带正电二、高分子溶液高分子溶液 相对分子质量在10000以上的大分子，生物体内许多有机化合物（如蛋白质、核酸、淀粉）以及人工合成的 塑料等都是高分子化合物高分子化合物。高分子化合物溶于适当的溶剂中，就成为高分子化合物溶液，简称高分子溶液高分子溶液。1.高分子溶液的特点高分子溶液的特点(1)稳定溶剂化作用强，含有大量亲水基团(-OH，-COOH、-NH2)，当以水作溶剂时，其表面能通过氢键与水形成很厚的水化膜，从而能稳定分散于溶液中不易凝聚，而溶胶粒子的溶剂化作用比高分子化合物弱得多。(2)黏度大是链状分子，长链之间互相靠近而结合，把一部分液体包围在结构中失去流动性，结合后的大分子在流动时受到的阻力也很大，高分子的溶剂化作用束缚了大量溶剂；(3)盐析高分子的稳定性主要来自分子表面有很厚的水化膜，加入大量电解质能把高分子化合物的水化膜破坏，使其聚沉而析出。在高分子化合物中加入大量电解质，使其从溶液中析出的过程称为盐析盐析。常用于盐析的电解质有氯化钠、硫酸钠、硫酸镁、硫酸铵等。可用盐析法分离纯化中草药中有效成分。2.高分子溶液的保护作用高分子溶液的保护作用例：Fe(OH)3溶胶，加入白明胶（高分子化合物溶液）后再加电解质不易聚沉。在溶胶中加入适量高分子溶液，能降低溶胶对电解质的敏感性，提高稳定性，这种作用称为高分子对溶胶的保护作用高分子对溶胶的保护作用。CI-CI-CI-CI-CI-CICI-CI-CI-CI-CI-(Fe(OH)3)mI-FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+三、凝胶三、凝胶1.凝胶的形成凝胶的形成 凝胶凝胶：高分子溶液和溶胶在温度降低或浓度增大时，失去流动性，变成半固态的体系。例如，琼脂溶于热水、煮沸形成胶体溶液，冷却后形成凝胶。根据凝胶中液体含量的多少，可将其分为冻胶和干凝胶。2.凝胶的性质凝胶的性质(1)弹性(2)可分为弹性凝胶和脆性凝胶两类。二者在冻态时，弹性大致相同，但干燥后区别很大。弹性凝胶烘干后体积缩小很多，但仍保持弹性，如肌肉、皮肤、血管壁等。脆性凝胶烘干后体积缩小不多，但失去弹性而具有脆性。脆性凝胶大多为无机凝胶（如硅胶、氢氧化铝等），它的网状结构坚固，不易伸缩，具有多孔性及较大的内表面，广泛用作吸附剂或干燥剂。(2)膨胀作用干燥的弹性凝胶放入适当的溶剂中，会自动吸收液体，使凝胶的体积和重量增大的现象称为膨胀作用膨胀作用。脆性凝胶没有这种性质。膨胀现象对于药用植物的浸取很重要，一般只有在植物组织膨胀后，才能将有效成分提取出来。