物理化学：第八章 胶体分散系统

第八章第八章胶体分散系统胶体分散系统(Chapter8Colloiddispersesystem)分散系统：分散系统：一种或几种物质分散在另一种物质中形成的系统。一种或几种物质分散在另一种物质中形成的系统。被分散的物质称为被分散的物质称为分散相分散相，另一种以连续相形式存在的物质，另一种以连续相形式存在的物质称为称为分散介质分散介质。胶体：胶体：分散相粒径在分散相粒径在1100nm之间的分散系统。之间的分散系统。亲液胶体亲液胶体(大分子溶液大分子溶液)：大分子物质：大分子物质(琼脂、明胶琼脂、明胶)溶解在水溶解在水中成为均相系统。中成为均相系统。憎液胶体憎液胶体(溶胶溶胶)：在水中不溶：在水中不溶(Au、Fe(OH)3的微小粒子的微小粒子)的的超微分散系统。超微分散系统。胶体化学：胶体化学：是研究胶体分散体系有关物理、化学现象的一是研究胶体分散体系有关物理、化学现象的一门科学门科学(血液、体液、细胞、软骨血液、体液、细胞、软骨)。一、溶胶的分类一、溶胶的分类按分散介质的聚集状态：气溶胶，液溶胶，固溶胶。按分散介质的聚集状态：气溶胶，液溶胶，固溶胶。第一节第一节溶胶的分类和基本特性溶胶的分类和基本特性二、溶胶的基本特性二、溶胶的基本特性1.特有的分散程度特有的分散程度：胶体的许多性质都与此有关。：胶体的许多性质都与此有关。2.相不均匀性相不均匀性：胶体的分散相粒子与介质之间存在着明显的：胶体的分散相粒子与介质之间存在着明显的相界面。相界面。3.聚结的不稳定性聚结的不稳定性：胶体体系具有很大的总表面积和表面能，：胶体体系具有很大的总表面积和表面能，是热力学不稳定体系，分散相粒子有自动聚集趋势。是热力学不稳定体系，分散相粒子有自动聚集趋势。一、溶胶的制备一、溶胶的制备1.分散法分散法(dispersionmethod)：将粗颗粒进一步分散。：将粗颗粒进一步分散。研磨法、气流粉碎法、超声波分散法、胶溶法。研磨法、气流粉碎法、超声波分散法、胶溶法。2.凝聚法凝聚法(condensationmethod)：将溶质分子凝聚。：将溶质分子凝聚。物理凝聚法：蒸气凝聚法物理凝聚法：蒸气凝聚法(制备气溶胶制备气溶胶)、更换溶剂法、包膜、更换溶剂法、包膜法法(制备脂质体制备脂质体(liposome)。化学凝聚法：凡能生成难溶物的化学反应，控制适当条件，化学凝聚法：凡能生成难溶物的化学反应，控制适当条件，均可用来制备溶胶。均可用来制备溶胶。改变溶剂法：改变溶剂法：第二节第二节溶胶的制备和净化溶胶的制备和净化二、溶胶的净化二、溶胶的净化1.渗析法渗析法(dialysismethod)电渗析电渗析(electrodialysis)：通过外加电场增大离子迁移速率而：通过外加电场增大离子迁移速率而提高渗透速率的方法。提高渗透速率的方法。2.超过滤法超过滤法(ultrafiltrationmethod)：用孔径细小的半透膜在：用孔径细小的半透膜在加压或吸滤的情况下将胶粒与介质分开。加压或吸滤的情况下将胶粒与介质分开。三、均分散胶体三、均分散胶体粒子形状相同、尺寸相差不大的胶体。粒子形状相同、尺寸相差不大的胶体。主要应用：主要应用：(1)验证基本理论。验证基本理论。(2)理想的标准材料。理想的标准材料。(3)新材料。新材料。(4)催化性能的改进。催化性能的改进。(5)制造特种陶瓷。制造特种陶瓷。四、纳米粒子和纳米技术四、纳米粒子和纳米技术尺度为尺度为1100nm之间的粒子。之间的粒子。1.纳米粒子的结构和特性：纳米粒子的结构和特性：(1)小尺寸效应。小尺寸效应。(2)表面效应。表面效应。(3)量子尺寸效应。量子尺寸效应。(4)宏观量子隧道效应。宏观量子隧道效应。2.纳米粒子的制备方法：纳米粒子的制备方法：3.纳米技术在药学中的应用：纳米技术在药学中的应用：一、布朗运动一、布朗运动用超显微镜观察溶胶，可以发现溶胶粒子在介质中不断地用超显微镜观察溶胶，可以发现溶胶粒子在介质中不断地无规则的运动，这种运动称为溶胶粒子的无规则的运动，这种运动称为溶胶粒子的布朗运动布朗运动(Brownianmotion)。本质：液体分子热运动不均衡撞击悬浮粒子的结果。布朗本质：液体分子热运动不均衡撞击悬浮粒子的结果。布朗运动的速度取决于粒子的大小、温度及介质粘度等。运动的速度取决于粒子的大小、温度及介质粘度等。第三节第三节溶胶的动力性质溶胶的动力性质二、扩散与渗透二、扩散与渗透1.扩散扩散(diffusion)溶胶粒子在介质中由高浓度区向低浓度区迁移的现象。溶胶粒子在介质中由高浓度区向低浓度区迁移的现象。斐克第一定律：斐克第一定律：xcDAtndddd2.渗透渗透如果用半透膜将溶液与纯溶剂分开，溶剂分子会透过半透如果用半透膜将溶液与纯溶剂分开，溶剂分子会透过半透膜向溶液扩散，这种现象称为渗透膜向溶液扩散，这种现象称为渗透(osmosis)。渗透达平衡时两边液面间的静压差称为渗透压渗透达平衡时两边液面间的静压差称为渗透压(osmoticpressure)，用，用表示。表示。三、沉降和沉降平衡三、沉降和沉降平衡 分散系统中粒子在外力场作用下的定向移动称分散系统中粒子在外力场作用下的定向移动称沉降沉降sedimentation)。当沉降力与扩散力相等时，粒子的分布达到平衡，形成一当沉降力与扩散力相等时，粒子的分布达到平衡，形成一定的浓度梯度，这种状态称为定的浓度梯度，这种状态称为沉降平衡沉降平衡(sedimentationequilibrium)。1.重力沉降重力沉降2.重力沉降平衡重力沉降平衡3.离心力场中的沉降和沉降平衡离心力场中的沉降和沉降平衡一、溶胶的光散射现象一、溶胶的光散射现象在暗室内用一束光线照射溶胶时，在侧面可以看到一个发在暗室内用一束光线照射溶胶时，在侧面可以看到一个发亮的光柱，这就是丁达尔现象亮的光柱，这就是丁达尔现象(TyndallPhenomena)。丁达尔现象的实质是溶胶对光的散射作用。丁达尔现象的实质是溶胶对光的散射作用。分散相粒子直径分散相粒子直径入射光波长，光在粒子表面反射，无丁入射光波长，光在粒子表面反射，无丁达尔效应达尔效应(悬浊液悬浊液)。分散相粒子直径分散相粒子直径 x过量反离子过量反离子x吸 附 同 号吸 附 同 号大离子大离子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，只是用模型处理，只是用 d代替代替 0 0 d 0 d课堂练习课堂练习1、当入射光的波长（、当入射光的波长（）分散粒子的尺寸时，可出现丁达尔）分散粒子的尺寸时，可出现丁达尔效应。效应。A、大于、大于B、等于、等于C、小于、小于D、远小于、远小于2、电泳现象表明、电泳现象表明（）A、分散介质带电、分散介质带电B、溶胶粒子带有大量的电荷、溶胶粒子带有大量的电荷C、溶胶粒子带正电荷、溶胶粒子带正电荷D、胶体粒子处于等电状态、胶体粒子处于等电状态3、电渗现象表明（、电渗现象表明（）A、溶胶粒子是电中性的、溶胶粒子是电中性的B、液体介质是电中性的、液体介质是电中性的C、液体介质也是带电的、液体介质也是带电的D、溶胶粒子是带电的、溶胶粒子是带电的4、什么是胶体分散系统？溶胶的基本特性有哪些？、什么是胶体分散系统？溶胶的基本特性有哪些？5、简述溶胶的电动现象？、简述溶胶的电动现象？ABC四、胶团结构四、胶团结构胶核胶核(colloidalnucleus)：由许多原子或分子聚集而成。：由许多原子或分子聚集而成。胶粒胶粒(colloidalparticle)：胶核：胶核+吸附层吸附层胶团胶团(colloidalmicell)：胶核：胶核+吸附层吸附层+扩散层扩散层胶团结构式：胶团结构式：(胶核胶核)m n定位离子定位离子 (n-x)内反离子内反离子 x外反离子外反离子定位离子按定位离子按Fajans规则确定规则确定定位离子定位离子Stern面面滑动面滑动面胶核胶核吸附层吸附层扩散层扩散层胶粒胶粒胶团胶团AgNO3+KI=AgI+KNO3若若KI过量，则优先吸附过量，则优先吸附I，反离子是，反离子是K+(AgI)mnI(nx)K+xxK+胶核胶核吸附层吸附层扩散层扩散层胶粒胶粒胶团胶团若若AgNO3过量，则优先吸附过量，则优先吸附Ag+，反离子是，反离子是NO3(AgI)mnAg+(nx)NO3x+xNO3胶核胶核吸附层吸附层扩散层扩散层胶粒胶粒胶团胶团五、电泳的测定五、电泳的测定溶胶电动电势的大小决定其在电场中运动速度，因而可通过溶胶电动电势的大小决定其在电场中运动速度，因而可通过测定电泳速度求得测定电泳速度求得平衡力：平衡力：F阻阻=F电电F电电=q E（电量（电量 电场强度）电场强度）F阻阻=6 r vqE=6 r vF电电F阻阻球形带电体表面电势球形带电体表面电势 与电量与电量q 关系：关系：rqr041 rEvrr0641 0真空介电常数真空介电常数=8.82 1012C2 m2 N1 r相对介电常数（无单位），水相对介电常数（无单位），水 r=81rq1.电泳速度求算电动电势电泳速度求算电动电势球形带电体表面电势球形带电体表面电势 与电量与电量q关系：关系：rqr041 rEvrr0641 动电位计算式：动电位计算式：Ev6109r9 受粒子大小和形状的影响受粒子大小和形状的影响球形较大，或平板形，或棒形作校正球形较大，或平板形，或棒形作校正Evr94109 v：电泳速度（：电泳速度（m/s）E：电场强度（：电场强度（V/m）2.电泳实验方法电泳实验方法界面移动电泳：界面移动电泳：观测溶胶界面在电场中的移动观测溶胶界面在电场中的移动 显微电泳：显微电泳：显微镜下直接对粒子的运动进行测定显微镜下直接对粒子的运动进行测定 +dPt电极电极溶胶溶胶辅助液辅助液一、溶胶的稳定性一、溶胶的稳定性1.动力稳定性动力稳定性：溶胶由于布朗运动，不因重力作用下沉的：溶胶由于布朗运动，不因重力作用下沉的性质。分散度越高，分散介质粘度越大，分散相与分散介性质。分散度越高，分散介质粘度越大，分散相与分散介质密度差越小，其动力稳定性越好。质密度差越小，其动力稳定性越好。2.胶粒带电的稳定作用胶粒带电的稳定作用：胶粒周围有反离子的扩散层，当：胶粒周围有反离子的扩散层，当胶粒运动靠近到一定程度时，扩散层相互重叠，产生静电胶粒运动靠近到一定程度时，扩散层相互重叠，产生静电斥力，胶粒会分开，保持了溶胶的稳定。斥力，胶粒会分开，保持了溶胶的稳定。第六节第六节溶胶的稳定性和聚沉作用溶胶的稳定性和聚沉作用3.溶剂化的稳定作用溶剂化的稳定作用胶团中的离子都是溶剂化的胶团中的离子都是溶剂化的(若溶剂为水，则称为水化若溶剂为水，则称为水化)，结果在胶粒周围形成水化层。当胶粒相互靠近时，水化层结果在胶粒周围形成水化层。当胶粒相互靠近时，水化层被挤压变形，而水化层具有弹性，造成胶粒接近时的机械被挤压变形，而水化层具有弹性，造成胶粒接近时的机械阻力，从而防止了溶胶聚沉。阻力，从而防止了溶胶聚沉。二、溶胶的聚沉二、溶胶的聚沉聚沉聚沉(coagulation)：溶胶分散度降低，分散相颗粒变大，：溶胶分散度降低，分散相颗粒变大，最后从介质中沉淀析出的现象。最后从介质中沉淀析出的现象。1、电解质对溶胶稳定性的影响电解质对溶胶稳定性的影响聚沉值聚沉值(coagulationvalue)：使一定量溶胶在一定时间：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内完全聚沉所需电解质的最低浓度(molm-3)。聚沉能力是聚沉值的倒数。聚沉能力是聚沉值的倒数。舒尔茨舒尔茨哈代规则：哈代规则：使溶胶聚沉的离子主要是与胶粒带使溶胶聚沉的离子主要是与胶粒带相反电荷的离子相反电荷的离子(反离子反离子)，反离子的价数越高，其聚沉值，反离子的价数越高，其聚沉值越小，聚沉能力越大。越小，聚沉能力越大。14. 0:6 . 1:10031:21:11M:M:M66632不同电解质对溶胶的聚沉值不同电解质对溶胶的聚沉值(molm3)As2S2(负溶胶负溶胶)AgI(负溶胶负溶胶)Al2O3(正溶胶正溶胶)LiCl58LiNO3165NaCl43.5NaCl51NaNO3140KCl46KCl49.5KNO3136K(NO3)60CaCl20.65Ca(NO3)22.40KSO40.30MgCl20.72Mg(NO3)22.60K2Cr2O70.63MgSO40.81Pb(NO3)22.43K2C2O40.69AlCl30.093Al(NO3)30.067K3Fe(CN)60.08()Al2(SO4)30.096La(NO3)30.069Al(NO3)30.095Ce(NO3)30.0692.溶胶的相互聚沉溶胶的相互聚沉 当两种电性相反的溶胶混合，其中一种溶胶的总电荷恰与当两种电性相反的溶胶混合，其中一种溶胶的总电荷恰与另一种溶胶的总电荷量相等时，能发生完全聚沉，否则只能另一种溶胶的总电荷量相等时，能发生完全聚沉，否则只能发生部分聚沉或不能聚沉。发生部分聚沉或不能聚沉。3.大分子化合物的作用大分子化合物的作用(1)保护作用：当溶胶中加入足量大分子溶液后，大分子保护作用：当溶胶中加入足量大分子溶液后，大分子吸附在胶粒表面上，提高了胶粒对分散介质的亲和力，增吸附在胶粒表面上，提高了胶粒对分散介质的亲和力，增加了溶胶的稳定性。加了溶胶的稳定性。(2)大分子化合物的大分子化合物的絮凝絮凝(flocculation)作用：作用：当加入的大分子物质的量不足时，溶胶的胶粒吸附在大当加入的大分子物质的量不足时，溶胶的胶粒吸附在大分子上，大分子起了一个桥梁作用，把胶粒联系在一起，分子上，大分子起了一个桥梁作用，把胶粒联系在一起，使之更容易聚沉。使之更容易聚沉。三、溶胶稳定的三、溶胶稳定的DLVO理论理论(1)VanderWalls引力（远程力）引力（远程力）(2)静电斥力（近程力）静电斥力（近程力）两者总结果，形成能垒，是溶胶的稳定点两者总结果，形成能垒，是溶胶的稳定点H势能势能VVbHV1a 1.胶粒之间的作用力和势能曲线胶粒之间的作用力和势能曲线HV e20r(1)溶胶稳定性原因：需克服势垒溶胶稳定性原因：需克服势垒(2)表面电势对稳定性影响表面电势对稳定性影响2DLVO理论对溶胶稳定性的解释理论对溶胶稳定性的解释势垒势垒Vb：1520kJ mol 1增加表面电势，斥力势能增加表面电势，斥力势能 ，势垒高度，势垒高度 ，有利于稳定，有利于稳定(3)电解质对稳定性影响电解质对稳定性影响过量电解质压缩双电层，过量电解质压缩双电层， 值值 ，斥力势能，斥力势能 ，不利于稳定，不利于稳定(4)反离子价数对稳定性影响反离子价数对稳定性影响总势能总势能V=0时电解质的浓度时电解质的浓度c与其价数与其价数z的关系：的关系：61zc 热运动：热运动：TkB23常温下常温下，3.7kJ mol 1H势能势能VVbHV1a HV e20r1、下列各因素中，对溶胶稳定性的影响最显著的是（、下列各因素中，对溶胶稳定性的影响最显著的是（）A、溶胶的浓度、溶胶的浓度B、温度、温度C、非电解质的加入、非电解质的加入D、电解质的加入、电解质的加入2、在、在AgNO3溶液中加入稍过量溶液中加入稍过量KI溶液，得到溶胶的胶团结构溶液，得到溶胶的胶团结构可表示为（可表示为（）A、(AgI)m nI-(n-x)K+x-xK+B、(AgI)m nNO3-(n-x)K+x-xK+C、(AgI)m nAg+(n-x)I-x-xK+D、(AgI)mnAg+(n-x)NO3-x+xNO3-3、在电泳实验中，观察到胶粒向阳极移动，表明（、在电泳实验中，观察到胶粒向阳极移动，表明（）A、胶粒带正电荷、胶粒带正电荷B、胶团的扩散层带负电荷、胶团的扩散层带负电荷C、胶团的扩散层带正电荷、胶团的扩散层带正电荷D、胶团带带负电荷、胶团带带负电荷AC课堂练习课堂练习D第八章第八章重点内容重点内容1、溶胶的概念及其基本特性。、溶胶的概念及其基本特性。2、溶胶的动力性质、溶胶的动力性质(布朗运动布朗运动)、光学性质、光学性质(丁达尔现象丁达尔现象)、电学性质电学性质(电动现象电动现象)的解释。的解释。3、胶团的结构、溶胶的稳定性与聚沉。、胶团的结构、溶胶的稳定性与聚沉。