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第八章 胶体化学胶体化学COLLOID CHEMISTRY 第八章胶体化学胶体：象牛奶，墨汁，油漆，胶水等这类物质胶体：象牛奶，墨汁，油漆，胶水等这类物质从分散系统的粒度大小理解胶体从分散系统的粒度大小理解胶体 典型的胶体典型的胶体溶胶溶胶 大分子粒径与溶胶相近大分子粒径与溶胶相近粗分数系表面积仍很大粗分数系表面积仍很大 小分子溶液小分子溶液 微多相（溶胶）微多相（溶胶）粗分散粗分散 大分子溶液大分子溶液r 107 m 分散系分散系 均相分散系均相分散系(单相单相)非均相分散系非均相分散系(多相多相)胶体化学胶体化学研究对象研究对象 r=107109 m第一节 溶胶的分类和基本特征一一.分分类按分散相与分散介质聚集状态分类按分散相与分散介质聚集状态分类 本章主要讨论的是液溶胶，特别是液液溶胶和固液溶胶本章主要讨论的是液溶胶，特别是液液溶胶和固液溶胶 气气液液固固气溶胶气溶胶液溶胶液溶胶固溶胶固溶胶介质：介质：雾雾烟烟泡沫泡沫牛奶牛奶油漆油漆沸石沸石珍珠珍珠有色玻璃有色玻璃二二.基本特性基本特性溶胶是一定条件下形成的特殊状态，并非物质的本性，如溶胶是一定条件下形成的特殊状态，并非物质的本性，如 NaCl有机有机胶体胶体NaCl溶液溶液 水水硫磺硫磺水水溶胶溶胶真溶液真溶液乙醇乙醇这种特殊状态，有三个基本特征这种特殊状态，有三个基本特征 1.特定分散度特定分散度107109 m 2.相不均匀性相不均匀性（多相性）（多相性）对介质不溶对介质不溶憎液胶体憎液胶体 大分子溶液大分子溶液亲液胶体亲液胶体 3.热力学不稳定性热力学不稳定性 高分散度，巨大表面积，表面能大，高分散度，巨大表面积，表面能大，有自发聚集倾向，以降低表面能有自发聚集倾向，以降低表面能 大分子溶液：热力学稳定系统大分子溶液：热力学稳定系统三三.溶胶溶胶质点形状点形状椭球形椭球形棒形棒形线形线形球形球形第二节 溶胶的制备和净化溶胶的制备和净化第八第八节溶胶制溶胶制备和和净化化二种途径：二种途径：胶体胶体 分子分子 大块大块 分散分散 凝聚凝聚 一一.分散法（物理的）分散法（物理的）1.研磨法（胶体磨）研磨法（胶体磨）2.超声粉碎超声粉碎 3.气流粉碎气流粉碎 4.高压匀浆高压匀浆 二凝聚法二凝聚法 1.物理凝聚法物理凝聚法(1)冷冻干燥冷冻干燥 溶液溶液 冰冰 粉粒粉粒 胶体胶体 冷冻冷冻真空升华真空升华不溶性介质不溶性介质(2)改变溶剂法改变溶剂法 使溶解度骤变，如使溶解度骤变，如 松香乙醇溶液（溶）松香乙醇溶液（溶）演示水（不溶）水（不溶）溶胶溶胶 二凝聚法二凝聚法 1.物理凝聚法物理凝聚法(1)冷冻干燥冷冻干燥(2)改变溶剂法改变溶剂法 C6H6Na(3)蒸气凝聚法蒸气凝聚法 冷却剂冷却剂真空泵真空泵(4)电弧法电弧法 例例Ag溶胶溶胶(5)包膜法包膜法 利用表面活性剂形成胶囊包容分散相利用表面活性剂形成胶囊包容分散相 演示冰冰0.1N NaOHAg演示二凝聚法二凝聚法 1.物理凝聚法物理凝聚法 2.化学凝聚法化学凝聚法 凡能有沉淀析出的化学反应都可能用来制备相应溶胶凡能有沉淀析出的化学反应都可能用来制备相应溶胶 如水解反应制备如水解反应制备Fe(OH)3溶胶溶胶 FeCl3+3H2O Fe(OH)3 +3HCl反应类型：氧化，还原，复分解等反应类型：氧化，还原，复分解等 二凝聚法二凝聚法 溶溶胶胶溶胶溶胶3.溶胶净化溶胶净化 化学法制备的溶胶，往往含有过多的电解质化学法制备的溶胶，往往含有过多的电解质 一定量电解质是溶胶稳定的必要条件一定量电解质是溶胶稳定的必要条件 过量电解质使溶胶不稳定过量电解质使溶胶不稳定(1)渗析法渗析法 普通渗析普通渗析 半透膜半透膜电渗析电渗析 水水+半透膜半透膜水水水水二凝聚法二凝聚法 4.溶胶净化溶胶净化(2)超虑法：超虑法：小分子电解质滤去，再用介质重新分散小分子电解质滤去，再用介质重新分散 减压过滤减压过滤 加压过滤加压过滤 真空泵真空泵压缩空气压缩空气半透膜半透膜半透膜半透膜第三节 溶胶的动力性质溶胶的动力性质第三第三节溶胶的溶胶的动力性力性质热运动热运动扩散，布朗运动扩散，布朗运动 重力场重力场重力降沉重力降沉 离心力场离心力场离心降沉离心降沉 电学性质电学性质 光学性质光学性质 动力性质动力性质溶胶性质溶胶性质 一一.扩散散物质高浓度（物质高浓度（大）大）低浓度（低浓度（小）为扩散，结果自由小）为扩散，结果自由能能G，熵，熵 S 1扩散速度与浓梯关系扩散速度与浓梯关系Fick定律定律 mol s1 扩散系数扩散系数 面积面积 浓度梯度浓度梯度 演示演示一一.扩散散2扩散系数与粒子大小关系扩散系数与粒子大小关系 Einstein导出：导出：(球形粒子球形粒子)扩散时平衡力：扩散时平衡力：F阻阻=F扩扩F扩扩F阻阻扩散力（由浓度梯度驱动）：扩散力（由浓度梯度驱动）：F阻阻=6 r v Stokes定律定律 粘度粘度位移速度（位移速度（m s1）阻力（由运动产生）：阻力（由运动产生）：由此可导出扩散系数公式由此可导出扩散系数公式 二二.BROWM运运动与与EINSTEIN方程方程Browm运动：运动：溶胶质点在介质中无规则运动溶胶质点在介质中无规则运动 Einstein公式：公式：时间时间 t 内内Brown运动运动 位移与扩散系数位移与扩散系数D关系关系 很容易在显微镜下观察，由此可求得溶胶粒子半径很容易在显微镜下观察，由此可求得溶胶粒子半径 x演示演示x三三.重力沉降与沉降平衡重力沉降与沉降平衡溶胶质点在外力场定向移动称沉降溶胶质点在外力场定向移动称沉降 沉降沉降质点浓集质点浓集 扩散扩散质点分散质点分散 质点小，力场小质点小，力场小扩散扩散 质点大或力场大质点大或力场大沉降沉降 扩散沉降相当扩散沉降相当平衡平衡 沉降与扩散是两个相对抗的运动沉降与扩散是两个相对抗的运动 两者对抗取有三种形态两者对抗取有三种形态 三三.重力沉降与沉降平衡重力沉降与沉降平衡1.重力沉降重力沉降 重力场是不太强的力场，粗分散系（重力场是不太强的力场，粗分散系（104m）可发生沉降）可发生沉降 力平衡：力平衡：F沉沉=F阻阻 F沉沉=F重重 F浮浮=V g V 0g F沉沉 F阻阻F阻阻=6 r v 沉降速度沉降速度(1)沉降分析法，测沉降分析法，测v求粒径求粒径r(2)落球式粘度计，测落球式粘度计，测v求求 应用应用 三三.重力沉降与沉降平衡重力沉降与沉降平衡2.沉降平衡沉降平衡 如果粒径不太大时如果粒径不太大时 力平衡：力平衡：F沉沉=F扩扩 平衡浓度：平衡浓度：F沉沉 F扩扩三三.重力沉降与沉降平衡重力沉降与沉降平衡2.沉降平衡沉降平衡 平衡浓度：平衡浓度：h1h2此式表明此式表明(1)相同粒度相同粒度r，h，c (2)相同高度相同高度h，r，c2/c1 小粒小粒h1h2大粒大粒四四.离心沉降和沉降平衡离心沉降和沉降平衡离心机：离心机：可用于溶胶、大分子的沉降分析可用于溶胶、大分子的沉降分析 转速可达转速可达105 rpm，离心力，离心力104g以上以上离心力场：离心力场：104g沉降沉降扩散平衡，从平衡分布求质点分子量扩散平衡，从平衡分布求质点分子量104g 扩散可不考虑，从沉降速度求质点扩散可不考虑，从沉降速度求质点r和和M xx=0光学检测系统光学检测系统扇形离心池，质点沿扇形离心池，质点沿径向沉降，避免对流径向沉降，避免对流 演示演示重力沉降只适应于粗分散系，对溶胶，大分子不适用，因为重力沉降只适应于粗分散系，对溶胶，大分子不适用，因为扩散与对流足以抗衡扩散与对流足以抗衡 四四.离心沉降和沉降平衡离心沉降和沉降平衡1.离心沉降速度离心沉降速度 离心力场中，沉降速度离心力场中，沉降速度 v 与所加的离心力场大小有关与所加的离心力场大小有关(1)离心沉降系数离心沉降系数S 离心加速度离心加速度=2x ：角速度，弧度：角速度，弧度 s1 x：离转轴距离：离转轴距离 定义定义S为单位力场中沉降速度为单位力场中沉降速度 观察时间观察时间t1 t2时，时，移动移动x1 x2，计算，计算S t1t2x1x2四四.离心沉降和沉降平衡离心沉降和沉降平衡(2)由由S计算颗粒大小计算颗粒大小 r 和摩尔质量和摩尔质量M 力平衡：力平衡：F阻阻=F沉沉 F沉沉F阻阻F沉沉=F离离 F浮浮 6 r v 沉降速度沉降速度 或或 用于计算用于计算r：用于计算用于计算M：有时用比容代替密度有时用比容代替密度四四.离心沉降和沉降平衡离心沉降和沉降平衡(2)由由S计算颗粒大小计算颗粒大小 r 和摩尔质量和摩尔质量M 沉降速度沉降速度 或或 用于计算用于计算r：用于计算用于计算M：有时用比容代替密度有时用比容代替密度若与扩散系数联系：若与扩散系数联系：四四.离心沉降和沉降平衡离心沉降和沉降平衡2.离心沉降平衡离心沉降平衡 力平衡：力平衡：F扩扩=F沉沉 F沉沉F扩扩求求r：求求M：M四四.离心沉降和沉降平衡离心沉降和沉降平衡例例 25 C，r=107m溶胶，溶胶，=1.15 103 kg m3，介质，介质 =103 Pa s，求下列情况下粒子移动，求下列情况下粒子移动2 104m时所需用的时间时所需用的时间(1)只考虑扩散只考虑扩散(2)只考虑重力沉降只考虑重力沉降(3)在在104 rpm转速的离心机中沉降（从转速的离心机中沉降（从x=0.05 m处开始）处开始）解解(1)扩散扩散=2 104t=9265 s(2)重力沉降重力沉降 t=6.1 104 s 四四.离心沉降和沉降平衡离心沉降和沉降平衡例例 25 C，r=107m溶胶，溶胶，=1.15 103 kg m3，介质，介质 =103 Pa s，求下列情况下粒子移动，求下列情况下粒子移动2 104m时所需用的时间时所需用的时间(3)在在104 rpm转速的离心机中沉降（从转速的离心机中沉降（从x=0.05 m处开始）处开始）解解(1)扩散扩散 t=9265 s(2)重力沉降重力沉降 t=6.1 104 s(3)离心沉降离心沉降 t1=0，x1=0.05 m，x2=0.05+2 104 m（弧度（弧度/秒）秒）t=11 s第四节 溶胶的光学性质溶胶的光学性质一溶胶的光散射一溶胶的光散射现象象光通过溶液时基本现象光通过溶液时基本现象 粒径粒径 波长波长粒径粒径 波长波长真溶液真溶液粗分散粗分散溶胶溶胶透明透明有色（补色）有色（补色）浑浊浑浊乳光乳光透射透射吸收吸收反射反射散射散射Tyndall效应效应 一溶胶的光散射一溶胶的光散射现象象Tyndall效应效应 现象：现象：暗室中光线通过溶胶时形成的暗室中光线通过溶胶时形成的“光柱光柱”成因：成因：二次光源二次光源散射是溶胶特有的现象散射是溶胶特有的现象 入射光入射光电磁场电磁场作用作用光线二光散射定律二光散射定律REYLEIGH公式公式I 散射光强度散射光强度I0 入射光强度入射光强度 波长波长 n 粒子浓度粒子浓度(粒子数粒子数/体积体积)V 单个粒子体积单个粒子体积n1，n2 粒子，介质折光率粒子，介质折光率 二光散射定律二光散射定律REYLEIGH公式公式可见光可见光 400 700 nm（兰（兰 红）红）从侧面看溶胶，呈兰色（散射）从侧面看溶胶，呈兰色（散射）(2)I ，粒子浓度越大，散射光越强，粒子浓度越大，散射光越强 浊度法测定溶胶的浓度浊度法测定溶胶的浓度(3)I V，粒子体积越大，散射光越强，粒子体积越大，散射光越强 从乳光强度分布确定粒度分布从乳光强度分布确定粒度分布尘粒测定仪尘粒测定仪(4)I 与折光率差与折光率差 n 有关，有关，n 越大，散射光越强越大，散射光越强 因此散射光是由于光学不均匀性引起的因此散射光是由于光学不均匀性引起的大分子溶液单相，大分子溶液单相，n小，小，I 就小就小 波长越短，散射光越强波长越短，散射光越强(1)，三三.溶胶的溶胶的颜色色吸收，与观察方向无关吸收，与观察方向无关 散射，与观察方向有关散射，与观察方向有关 若吸收很弱，主要表现为散射，如若吸收很弱，主要表现为散射，如AgCl，BaSO4溶胶：乳光溶胶：乳光 若吸收较强，主要表现为其补色，若吸收较强，主要表现为其补色，如如Au 溶胶（红），溶胶（红），As2S3 溶胶（黄）溶胶（黄）粒子大小可改变吸收粒子大小可改变吸收 散射相对比散射相对比 如如Au溶胶溶胶高度分散时，吸收为主：红高度分散时，吸收为主：红放置后粒子增大，散射为主：兰放置后粒子增大，散射为主：兰 二个因素二个因素四四.光学方法光学方法测定粒子大小定粒子大小 1.超显微镜法超显微镜法 普通显微镜：明视野，分辩率普通显微镜：明视野，分辩率107m，无法计数，无法计数 方法：方法：计数：每计数：每mL中粒子数中粒子数 n 称重：每称重：每mL中粒子重量中粒子重量 m 计算：计算：m=n V 由此式计算由此式计算r 2.激光散射法激光散射法3.电镜电镜 暗视野，观察散射光，一个粒子一个光点，可计数暗视野，观察散射光，一个粒子一个光点，可计数（用血球计数器）（用血球计数器）超显微镜：超显微镜：演示演示请转下一节请转下一节返回返回返回返回