物理化学胶体化学讲述课件

第八章第八章胶体化学胶体化学物理化学物理化学8.1 胶体的概念与性质胶体的概念与性质1.分散系统分散系统分散系统分散系统:一种或几种物质分散在另一种物质中所一种或几种物质分散在另一种物质中所构成的系统构成的系统分散质分散质:被分散的物质，又称为被分散的物质，又称为分散相分散相分散介质分散介质:呈连续分布的起分散作用的物质呈连续分布的起分散作用的物质按分散相粒子大小分类：按分散相粒子大小分类：（1）粗分散系）粗分散系：106m 包括悬浊液、乳浊液包括悬浊液、乳浊液（2）胶体分散系：）胶体分散系：109 106m 包括溶胶、高包括溶胶、高分子溶液、胶束分子溶液、胶束（3）分子分散系：）分子分散系：c2 由于分子的热运动和胶粒的由于分子的热运动和胶粒的Brown运动，可以观察到胶粒运动，可以观察到胶粒从从c1区向区向c2区迁移的现象，这就是胶粒的扩散作用。区迁移的现象，这就是胶粒的扩散作用。p 沉降与沉降平衡沉降与沉降平衡溶胶是高度分散系统，胶粒一溶胶是高度分散系统，胶粒一方面受到重力吸引而下降，另方面受到重力吸引而下降，另一方面由于一方面由于Brown运动促使浓运动促使浓度趋于均一。度趋于均一。当这两种效应相反的力相等时，粒当这两种效应相反的力相等时，粒子的分布达到平衡，粒子的浓度随子的分布达到平衡，粒子的浓度随高度不同有一定的梯度，如图所示。高度不同有一定的梯度，如图所示。这种平衡称为这种平衡称为沉降平衡沉降平衡这就是这就是高度分布公式高度分布公式粒子质量愈大，其平衡浓度随高度的降低亦愈大。粒子质量愈大，其平衡浓度随高度的降低亦愈大。4.胶体的电学性质胶体的电学性质带电界面的双电层结构带电界面的双电层结构处在溶液中的带电固体表面处在溶液中的带电固体表面,主要由于静电吸引力的存在主要由于静电吸引力的存在,必然要吸引等电量的异电离子必然要吸引等电量的异电离子(或反离子或反离子)环绕在固体周围环绕在固体周围,这样便在固液两相之间形成这样便在固液两相之间形成双电层双电层 在溶液中固液界面层上往往呈现在溶液中固液界面层上往往呈现带电现象带电现象,其原其原因可能有因可能有:吸附吸附：固体表面从溶液中有选择地吸附某种离子而带电：固体表面从溶液中有选择地吸附某种离子而带电电离电离：固体表面上的物质粒子：固体表面上的物质粒子,在溶液中发生电离在溶液中发生电离双电层电容器模型双电层电容器模型(1879年亥姆霍兹年亥姆霍兹)扩散双电层模型扩散双电层模型(1909年古依年古依-查普曼查普曼)斯特恩双电层模型斯特恩双电层模型(1924年年Stern)双电层结构双电层结构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,电荷分布情电荷分布情况就如同平行板电容器况就如同平行板电容器.双电层电容器模型双电层电容器模型(1879年亥姆霍兹年亥姆霍兹)扩散双电层模型扩散双电层模型(1909年古依年古依-查普曼查普曼)溶液中的反离子因为热运动应呈扩散状态分布在溶液中的反离子因为热运动应呈扩散状态分布在溶液中溶液中,而不是整齐地排列在一个平面上而不是整齐地排列在一个平面上.紧紧靠靠固固体体表表面面,过过剩剩负负离离子子浓浓度度最最 大大,相相应应的的固固体体表表面面上上的的电电势势即即为为热热力力学学电电势势 0.随随着着离离开开固固体体表表面面愈愈远远,过过剩剩负负离离子子浓浓度度降降低低,电电势势也也逐逐渐渐减减小小,直直到到过过剩剩负负离离 子子 浓浓 度度 为为 零零,电电 势势 也也 为为 零零.斯特恩双电层模型斯特恩双电层模型(1924年年Stern)认为溶液一侧的带电层应分为认为溶液一侧的带电层应分为紧密层紧密层和和扩散层扩散层两两部分部分v紧密层紧密层:当溶液中某些离子受到足够大的静电吸引力当溶液中某些离子受到足够大的静电吸引力,范范德华力或特性吸附力德华力或特性吸附力,就会使这些离子紧密吸附在固体表就会使这些离子紧密吸附在固体表面上面上,以至在外电场作用下以至在外电场作用下,吸附层也随固体粒子一齐运动吸附层也随固体粒子一齐运动v斯特恩面斯特恩面:离子不再视为点电荷而考虑其体积离子不再视为点电荷而考虑其体积,当它们被当它们被吸附时吸附时,离子中心距固体表面的距离约为水化离子的半径离子中心距固体表面的距离约为水化离子的半径,这些水化离子的中心线所连成的假想面称为斯特恩面这些水化离子的中心线所连成的假想面称为斯特恩面v扩散层扩散层:斯特恩面与固体表面之间的空间为斯特恩层斯特恩面与固体表面之间的空间为斯特恩层(即即紧密层紧密层),斯特恩面至溶液本体电势为零处之间的空间称为斯特恩面至溶液本体电势为零处之间的空间称为扩散层扩散层.滑动面滑动面:指固液两相发生相对移动的界面指固液两相发生相对移动的界面,在斯特恩面之外在斯特恩面之外,与固体表面距离约为分子大小的数量级与固体表面距离约为分子大小的数量级,一旦固液两相发生一旦固液两相发生相对移动时便显露出来相对移动时便显露出来.滑动面是凹凸不平的曲面滑动面是凹凸不平的曲面.滑动面滑动面两侧离子达到吸附和解吸的动态平衡两侧离子达到吸附和解吸的动态平衡v紧密层紧密层:离子紧密吸附在固体表面离子紧密吸附在固体表面v扩散层：扩散层：斯特恩面至溶液本体斯特恩面至溶液本体v斯特恩面斯特恩面:水化离子的中心线水化离子的中心线v滑动面滑动面:固液两相相对移动的界面固液两相相对移动的界面v热力学电势热力学电势由固体表面至溶液本由固体表面至溶液本 体间的电势差体间的电势差 0.v斯特恩电势斯特恩电势由紧密层与扩散层之由紧密层与扩散层之间的界面至溶液本体间的电势差间的界面至溶液本体间的电势差 .v 电势电势(流动电势流动电势)滑动面至溶液本滑动面至溶液本体间的电势差体间的电势差胶体粒子的结构胶体粒子的结构胶核胶核:由分子由分子,原子或离子形成的固态微粒及其吸原子或离子形成的固态微粒及其吸附的离子所组成的部分附的离子所组成的部分.胶核因含有吸附离子而带胶核因含有吸附离子而带电电胶体粒子胶体粒子:滑动面所包围的带电体滑动面所包围的带电体,包括胶核及包括胶核及一部分被吸附的反离子一部分被吸附的反离子胶团胶团:整个扩散层及其所包围的电中性体整个扩散层及其所包围的电中性体,包括胶包括胶体粒子和扩散层中的那部分过剩反离子体粒子和扩散层中的那部分过剩反离子胶核胶核扩散层扩散层胶粒胶粒胶团胶团(AgI)mnAg+(nx)NO3 x+xNO3胶核胶核胶粒胶粒滑动面滑动面胶团胶团 胶核吸附离子是有选择性的，首先吸附与胶胶核吸附离子是有选择性的，首先吸附与胶核中相同的某种离子，用同离子效应使胶核不易核中相同的某种离子，用同离子效应使胶核不易溶解。溶解。若无相同离子，则首先吸附水化能力较弱的若无相同离子，则首先吸附水化能力较弱的负离子，所以自然界中的胶粒大多带负电，如泥负离子，所以自然界中的胶粒大多带负电，如泥浆水、豆浆等都是负溶胶。浆水、豆浆等都是负溶胶。例例1：AgNO3+KIKNO3 +AgI 过量的过量的 KI 作稳定剂作稳定剂 胶团的结构表达式胶团的结构表达式：(AgI)m n I (n-x)K+x xK+|_|_|(AgI)m胶核胶核K+K+K+K+胶胶团团I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-K+K+K+K+K+K+K+K+胶胶粒粒胶胶团团构构造造示示意意图图例例2：AgNO3+KIKNO3 +AgI 过量的过量的 AgNO3 作稳定剂作稳定剂 胶团的结构表达式：胶团的结构表达式：(AgI)m n Ag+(n-x)NO3x+x NO3|_|_|(AgI)m胶核胶核胶胶团团NO3-NO3-NO3-NO3-胶胶粒粒Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+NO3-NO3-NO3-NO3-NO3-NO3-NO3-NO3-胶胶团团构构造造示示意意图图p 电动现象电动现象 电泳电泳在外加电场作用下，在外加电场作用下，胶体粒胶体粒子子在在分散介质分散介质中定向移动的中定向移动的现象称为现象称为电泳电泳。+-Fe(OH)3溶胶溶胶NaCl溶液溶液 电渗电渗 在外加电场作用下，在外加电场作用下，分散介质分散介质的定向移动现的定向移动现象称为象称为电渗电渗。指在电场作用下液体指在电场作用下液体(通常是通常是水水)相对于和它接触的固定的相对于和它接触的固定的固体相作相对运动的现象固体相作相对运动的现象 由于胶粒带电，而溶胶是电中性的，则介质由于胶粒带电，而溶胶是电中性的，则介质带与胶粒相反的电荷。在外电场作用下，胶粒和带与胶粒相反的电荷。在外电场作用下，胶粒和介质分别向带相反电荷的电极移动，就产生了介质分别向带相反电荷的电极移动，就产生了电电泳泳和和电渗电渗的电动现象，这是的电动现象，这是因电而动因电而动。与电渗现象相反的作法是加压力使液体流过毛细与电渗现象相反的作法是加压力使液体流过毛细管或多孔性物质，则在毛细管或多孔性物质两端管或多孔性物质，则在毛细管或多孔性物质两端产生电位差产生电位差流动电势流动电势，是电渗的反过程。，是电渗的反过程。液液体流动产生电体流动产生电(Quincke发现发现)。流动电势流动电势 沉降电势沉降电势胶粒在重力场作用下发生沉降而产生电位差胶粒在重力场作用下发生沉降而产生电位差（Dorn效应效应)带电的介质发生流动，则产生带电的介质发生流动，则产生流动电势。流动电势。质点运动产生质点运动产生沉降沉降电势电势(3)流动电势：流动电势：(4)沉降电势：沉降电势：(1)电泳：电泳：(2)电渗：电渗：电动现象电动现象动电现象动电现象以上四种，均为以上四种，均为分散相分散相和和分散介质分散介质的的相对移动相对移动的的有关电现象有关电现象电动现象电动现象。8.2 无机胶体系统无机胶体系统构成分散相的物质为构成分散相的物质为无机化合物无机化合物的颗粒或者晶体的颗粒或者晶体p 制备方法制备方法I.分散法分散法II.凝聚法凝聚法机械研磨法机械研磨法超声波分散法超声波分散法胶溶法胶溶法电弧法电弧法物理凝聚法物理凝聚法化学凝聚法化学凝聚法p 无机胶体的稳定性和聚沉作用无机胶体的稳定性和聚沉作用 溶胶的稳定性溶胶的稳定性溶胶溶胶-高分散、多相不均匀性高分散、多相不均匀性、不稳定、不稳定溶胶能相对稳定存在的原因溶胶能相对稳定存在的原因 胶粒的布朗运动使溶胶不致因重力而沉降，即动力学稳胶粒的布朗运动使溶胶不致因重力而沉降，即动力学稳定性。定性。胶团双电层结构的存在，胶粒都带相同的电荷，相互排胶团双电层结构的存在，胶粒都带相同的电荷，相互排斥，不易聚沉。斥，不易聚沉。胶团双电层中反离子的水化作用使得胶粒的外面有一层胶团双电层中反离子的水化作用使得胶粒的外面有一层水化膜，阻止了胶粒的互相碰撞而结合变大。水化膜，阻止了胶粒的互相碰撞而结合变大。影响溶胶稳定性的因素影响溶胶稳定性的因素2.浓度的影响。浓度的影响。浓度增加，粒子碰撞机会增多浓度增加，粒子碰撞机会增多3.温度的影响。温度的影响。温度升高，粒子碰撞机会增多，碰撞强度增加温度升高，粒子碰撞机会增多，碰撞强度增加4.胶体体系的相互作用。胶体体系的相互作用。带不同电荷的胶粒互吸而聚沉带不同电荷的胶粒互吸而聚沉1.外加电解质的影响。外加电解质的影响。这影响最大，主要影响胶粒的带电情况，使这影响最大，主要影响胶粒的带电情况，使 电位下降，电位下降，促使胶粒聚结促使胶粒聚结溶胶的聚沉溶胶的聚沉p 电解质的聚沉作用电解质的聚沉作用当电解质的浓度足够大当电解质的浓度足够大,部分反粒子进入紧密层，而使部分反粒子进入紧密层，而使电势电势降低降低,扩散层变薄扩散层变薄,胶粒之间静电斥力减小而导致聚沉，则称胶粒之间静电斥力减小而导致聚沉，则称为聚沉剂。为聚沉剂。聚沉聚沉胶体中的分散相微颗粒相互聚结合并，胶体中的分散相微颗粒相互聚结合并，颗粒变大，进而产生沉淀的现象颗粒变大，进而产生沉淀的现象在溶胶中加入少量电解质，可以使胶粒吸附的离子增加，在溶胶中加入少量电解质，可以使胶粒吸附的离子增加，电势提高，增加溶胶的稳定性，称为稳定剂。电势提高，增加溶胶的稳定性，称为稳定剂。使一定量的溶胶在一定时间内完全聚沉使一定量的溶胶在一定时间内完全聚沉所需电解质的最小所需电解质的最小浓度（浓度（mmol.dm-3）。从已知的表值可见，对同一溶胶，。从已知的表值可见，对同一溶胶，外加电解质的离子价数越低，其聚沉值越大。外加电解质的离子价数越低，其聚沉值越大。是是聚沉值的倒数聚沉值的倒数。聚沉值越大的电解质，聚沉能力越小；聚沉值越大的电解质，聚沉能力越小；反之，聚沉值越小的电解质，其聚沉能力越强。反之，聚沉值越小的电解质，其聚沉能力越强。聚沉值聚沉值聚沉能力聚沉能力不同电解质的聚沉值不同电解质的聚沉值(mmol/dm3)LiCl 58.4 NaCl 51 KCl 501/2 K2SO4 65 HCl 31 CaCl2 0.65 BaCl2 0.69 MgSO4 0.801/2Al2(SO4)3 0.096 AlCl3 0.093负溶胶负溶胶(As2S3)正溶胶正溶胶(Al2O3)NaCl 43.5KCl 46KNO3 60K2SO4 0.30K2Cr2O7 0.63K2C2O4 0.69K3Fe(CN)6 0.08影响电解质聚沉能力的因素影响电解质聚沉能力的因素主要取决于与胶粒所带电荷相反的离子（反离主要取决于与胶粒所带电荷相反的离子（反离子）所带的电荷数（即价数）。反离子的价数越子）所带的电荷数（即价数）。反离子的价数越高，聚沉能力越强。高，聚沉能力越强。Schulze-Hardy rule舒尔兹舒尔兹-哈迪哈迪价数相同的反离子的水合半径越小，聚沉能力越价数相同的反离子的水合半径越小，聚沉能力越强。强。对一价阳离子对一价阳离子,按聚沉能力排列：按聚沉能力排列：H+Cs+Rb+NH4+K+Na+Li+对一价阴离子：对一价阴离子：F-Cl-Br-NO3-I-与胶粒电性相同的离子，一般说来，价数越高，与胶粒电性相同的离子，一般说来，价数越高，水合半径越小，聚沉能力越弱水合半径越小，聚沉能力越弱p 溶胶的相互聚沉作用溶胶的相互聚沉作用当两种带当两种带相反电荷的溶胶相反电荷的溶胶所带电量相等时，相互所带电量相等时，相互混合也会发生聚沉。混合也会发生聚沉。明矾净水原理明矾净水原理:水中含有泥沙等污物的水中含有泥沙等污物的负溶胶负溶胶，加入加入KAl(SO4)2在水中水解生成在水中水解生成Al(OH)3正溶胶正溶胶。在适当量下，在适当量下，发生相互聚沉。发生相互聚沉。与加入电解质情况不同的是，当两种溶胶的用量恰能使其与加入电解质情况不同的是，当两种溶胶的用量恰能使其所带电荷的量相等时，才会完全聚沉，否则会不完全聚沉，所带电荷的量相等时，才会完全聚沉，否则会不完全聚沉，甚至不聚沉。甚至不聚沉。p 高分子化合物的作用高分子化合物的作用在溶胶中加入少量高分子化合物可使溶胶聚沉，称为在溶胶中加入少量高分子化合物可使溶胶聚沉，称为敏化作用敏化作用(絮凝作用絮凝作用)。在溶胶中加入足够多的高分子化合物，则会阻止溶胶在溶胶中加入足够多的高分子化合物，则会阻止溶胶的聚沉，称为的聚沉，称为空间保护作用空间保护作用。胶体的聚沉理论胶体的聚沉理论-DLVO理论理论Deijaguin-Landau-Verwey-Ovenbeek8.3 有机机胶体系统有机机胶体系统电解质对胶体稳定性的影响电解质对胶体稳定性的影响人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。