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1、LOGO 1 凝胶凝胶 2 1 1 什么是凝胶什么是凝胶 2 2 凝胶与沉淀有什么区别凝胶与沉淀有什么区别 凝胶的概述凝胶的概述 Company Logo3 凝胶是由固液 气 两相构成的胶体分散体系 其中分散相粒子 胶体粒子胶体粒子 某些分散相较 小的粗分散体系中的固体粒子固体粒子和高分子溶液中 的大分子化合物大分子化合物 在一定条件下相互联结形成 的固体或半固体 凝胶在有机体的组成中占重要地位 人体内的肌凝胶在有机体的组成中占重要地位 人体内的肌 肉 皮肤 细胞膜 血管壁以及毛发 指肉 皮肤 细胞膜 血管壁以及毛发 指 甲 软骨等都可看作是凝胶 甲 软骨等都可看作是凝胶 4 凝胶不同于通常的
2、沉淀 沉淀是分散相粒子从分散介质中沉降出 来 很明显地分为固 液两相 而凝胶中却带有大量或全部的分散介质而凝胶中却带有大量或全部的分散介质 它们被机械地包藏于具有多孔结构的凝胶 它们被机械地包藏于具有多孔结构的凝胶 的孔洞中 的孔洞中 5 形成立体网状结构立体网状结构 在网状结构中 介 质被包围在网眼中间 不能自由流动 因而 形成半固体半固体 由于构成网架的高分子化合物 或线性胶粒仍具有一定的柔顺性柔顺性 所以整个 凝胶也具有一定的弹性弹性 凝胶形成的凝胶形成的原因原因 6 凝胶分类 弹性凝胶 由高分子化合物形成骨架 弹性好 外力作用变形 后可恢复原状恢复原状 释出分散介质后常可重新吸收同种液
3、 体而膨胀 故又称为可逆凝胶故又称为可逆凝胶 如明胶水凝胶如明胶水凝胶 刚性凝胶 由无机粒子形成骨架 刚性大 较脆 易破碎 失 去液体分散介质后多形成孔性干凝胶 骨架基本不 变 成为干凝胶后 一般不能再吸收溶剂重新变为凝胶 这是不可逆的 故又称为不可逆凝胶不可逆凝胶 如硅胶 按分散按分散颗颗颗颗 粒的性粒的性质质质质分分类类类类 7 球形粒子联结成的串珠状网架结构SiO2 片状或棒状粒子搭成的网架结构V2O5 范德华力 最不 牢固 质脆 易 破碎 线型大分子构成的凝胶 局部 成有序微晶区结构 如明胶 可吸收溶剂 无 限膨胀 直至溶 解 以化学键相互连接的线型大 分子的网状结构 如硫化橡 胶 结
4、构最稳定 有 限膨胀 凝胶分类按网按网络结络结络结络结 构分构分类类类类 8 形成凝胶的条件 其次与浓度 温度 时间等有关 浓度越大 温度越低 放置时间的延 长等都能促进凝胶促进凝胶的形成 首要的决定首要的决定条件条件 高分子或胶粒必须具有线形结 构 9 制备凝胶的方法 形成凝胶主要有两种途径 即分散法和凝聚法 分散法较容易 如某些固态聚合物吸收适宜的溶 剂后 体积膨胀 粒子分散而形成凝胶 凝聚法是使溶液或溶胶在适当条件下 使 分散颗粒相联而形成凝胶 这一过程称为胶胶 凝凝 可以采取如下几种方法使胶凝过程胶凝过程得以发生 10 1 改变温度 利用升降温度使系统形成凝 胶 2 转换溶剂 用分散相
5、溶解度较小的溶剂替换溶 胶中原有的溶剂 可以使系统发生胶凝 3 加入电解质 加入大量电解质 盐类 则可以 引起胶凝 这与盐析效应有关 引起胶凝的主要是负离子 其影响大小依次为 4 化学反应 利用化学反应生成不溶物时 若控制 反应条件 则可以形成凝胶 11 1 膨胀作用 也称为溶胀作用 湿木裂石 凝胶对液体的吸收是有选择性选择性的 膨胀作用膨胀作用指凝 胶在液体或蒸气中吸收这些液体或蒸气时 使自 身质量 体积增加的作用 膨胀作用是弹性凝胶 所特有的性质 膨胀度膨胀度 膨胀速度膨胀速度 两个主要参数 凝胶性质 12 膨胀度是指一定条件下 单位质量或单位体积凝 胶所能吸收液体的极限量 其定义式为 膨
6、胀度 或 S为膨胀度 m1 m2分别为膨胀前和膨胀后凝胶的质 量 V1 V2分别为膨胀前后凝胶的体积 凝胶凝胶的膨胀度随凝胶和液体的性质不同而异的膨胀度随凝胶和液体的性质不同而异 温度温度升高 膨胀度增大 升高 膨胀度增大 13 膨胀速度膨胀速度 膨胀的发生不是瞬时的 达到膨胀平衡要有一个过 程 实验发现凝胶的膨胀速度符合一级反应动力学 方程式 式中 S为膨胀度 即1g凝胶在膨胀时间为t时吸收 的液体量 Smax为吸收液体的最大量 平衡态下 K膨为膨胀速度常数 以lg Smax S 为纵坐标 以t为横坐标作图 由直线之 斜率求得K 由截距求得Smax 14 分为两个阶段 分为两个阶段 vv第一
7、阶段第一阶段 形成溶剂化层形成溶剂化层 即溶剂分子很快地钻入 即溶剂分子很快地钻入 凝胶中 与凝胶大分子相互作用形成溶剂化层 表凝胶中 与凝胶大分子相互作用形成溶剂化层 表 现为液体的蒸气压很低 体积收缩 热效应熵值降现为液体的蒸气压很低 体积收缩 热效应熵值降 低 低 vv第二阶段第二阶段 液体的渗透和吸收 液体的渗透和吸收 此阶段需要较长时间使溶剂分子渗透到凝胶内部此阶段需要较长时间使溶剂分子渗透到凝胶内部 这时凝胶表现出很大的压力 称为膨胀压 这时凝胶表现出很大的压力 称为膨胀压 膨胀机理 15 2 离浆现象 溶胶胶凝后 在放置过程中 凝 胶的性质还在不断的变化 这种现象称为老化老化 离
8、浆现象是水凝胶在基本上不改变原来形状的 情况下 分离出所包含的一部分液体 使构成凝胶 网络的颗粒相互收缩靠近 排列得更加有序 水凝胶的离浆作用是自发的过程 其离浆速 度是粒子间距离的函数 因此是浓度的函数 凝胶的性质凝胶的性质 16 离浆的实质是胶凝过 程的继续 凝胶制品在 医药上有广泛的应用 如干硅胶是实验室中带 用的干燥剂 在生产和 科学研究上 电泳和色 谱法常用凝胶作为支持 介质 Company Logo17 v 对于弹性凝胶 膨胀作用是逆过程 用V凝代表凝 胶体系的总体积 V分代表分散相的体积 其中也包括 与分散相结合的液体体积 根据V凝和V分的大小判 定凝胶是处于离浆还是膨胀过程 若
9、V凝 V分 则可观察到凝胶离浆 若V凝 V分 则可观察到凝胶膨胀 若V凝 V分 则凝胶既不膨胀也不离浆 弹性凝胶离浆现象 18 v刚性凝胶离浆是不可逆不可逆的 往往按溶胶 凝 胶 浓缩凝胶 致密沉淀这一过程进行 v引起不可逆的原因原因主要是由于凝胶中粒子间 发生进一步的强相互作用 包括粒子表面羟 基间的脱水 v离浆不同于物质在干燥处理时的失水 因为 在潮湿的空气中和低温下也可发生离浆 刚性凝胶离浆现象 19 触变作用 在浓Fe OH 3溶胶中加入少量电解质时 溶胶的黏 度增加并转变为凝胶 将此凝胶稍加振动 便等温可 逆转变为溶胶 静置后又成凝胶 这种现象就称为触触 变作用变作用 触变作用是 从
10、有结构体系转变为 无结构 体系 此种表示为 油漆 钻井用泥浆 药膏等都要求有一定的触变性能 20 吸附作用 刚性凝胶的干胶表面积较大 有较强的 吸附能力吸附能力 如硅胶 可用吸附剂 这种凝胶 无论是吸附蒸气还是溶液 其体积基本不 变 弹性凝胶的干燥几乎无吸附能力无吸附能力 21 5 凝胶中的扩散作用 凝胶骨架空隙的大小对大分子有筛分筛分作用 这 是凝胶色谱法的基本原理 许多半透膜 如火棉胶膜 醋酸纤维膜等 都是 凝胶或干凝胶 这些膜对某些物质的渗析作用就是利 用了凝胶骨架空隙大小的筛分作用 物质在凝胶中的扩散与凝胶浓度 结构以及扩散凝胶浓度 结构以及扩散 物质的本性物质的本性有关 在低浓度凝胶
11、中 低分子物质的扩 散速度与在纯液体中的扩散速度几乎没有差别 而凝 胶的浓度越高 物质的扩散速度越慢 22 6 化学反应 AgNO3溶 液 Ag2Cr2O7沉淀 空白区 内含 K2Cr2O7 AgNO3溶液 空白区 Ag2Cr2O7沉淀 在热明胶溶液内 加入少量K2Cr2O7 倒入试管中冷却 胶凝后 在凝胶上面倒入一层AgNO3溶液 几天后在试管中可 见到褐色的Ag2Cr2O7沉淀 从上而下一层层地分布下来 而层 与层之间是没有沉淀的空白区 这种现象被称为LiesegangLiesegang 环环 23 v由于凝胶内部的液体不能 自由 流动 所以在凝 胶中发生的反应没有对流现象 如果反应中有沉
12、淀 生成 则沉淀物基本上是存在于原位而难以移动 形成Liesegang环 v在自然界中看到的层状或环状沉淀 如雨花石 矿 石和玛瑙 还有动物体内的结石也与Liesegang环 有关 Liesegang环 24 硅胶 是一种高活性吸附材料 表面积大 有 很强的吸附能力 属非晶态物质 其化学分 子式为mSiO2 nH2O 不溶于水和任何溶剂 无毒无味 化学性质稳定 除强碱 氢氟 酸外不与任何物质发生反应 常作干燥剂 吸附剂 载体 25 硅胶的形成及应用 vH4SiO4 pH 2 3稳定 放置脱水 形成多硅酸即多硅酸溶胶 加电解质或H 形成凝胶 半凝固状 软而透明 富有弹性 干燥脱水 形成硅胶 多孔
13、性固体 干 燥剂 吸附剂 催化剂载体 v硅胶 CoCl2浸泡即为变色硅胶 兰色 红色 26 吸水前后 若有颜色变化 会更有利于使用 为 此 可用CoCl2 溶液浸泡后 再烘干 CoCl2 无水时 呈蓝色 当干燥剂吸水后 随吸水量不同 硅胶呈现 蓝紫 紫 粉红 无水 CoCl2 CoCl2 6 H2O 最后 Co H2O 62 使硅胶呈粉红色 说明硅胶已经 吸饱水 再使用时要烘干 称这种硅胶为变色硅胶 Company Logo27 硅的基本结构单元都是硅氧四面体 Si O O O O 硅胶的结构是以 Si O Si 键联为基础的 胶体 处于不完整键合和混杂无序状态 胶态的SiO2质点是由无序排列
14、的硅氧四 面体所组成 它们进行羟联反应 生成 硅溶胶或硅凝胶 粒子内部无孔隙 粒 子表面为羟基所覆盖 28 硅酸盐结构的分类 硅氧四面体共用两个顶点 可连接成长链 这种链状硅酸根之间 通过阳离子相互结合成束 即成纤维 状硅酸盐 如石棉 通式 Si n O 3n 1 2n 2 Company Logo29 蓝石棉 温石棉 H4 Mg Fe 3 Si2O9 Company Logo30 缟玛瑙 紫晶 石英盐 水晶 黑曜石 玛瑙 Company Logo31 SiO44 共三个顶点相联 可形成片状 层状 结构 层与 层之间通过阳离子约束 得片层状硅酸盐 如云母 KMg3 OH 2 Si3 AlO10
15、 32 Si小结 SiSiO2 SiF4 H2SiO3 Na2SiO3 明胶简介明胶简介 明胶的成品为为无色或淡黄色的透明薄片或微粒 明 胶不溶于冷水 但可缓缓慢吸水膨胀软胀软 化 明胶可吸 收相当于其重量5 10倍的水 1 1 2 2 3 3 返回 明胶作为为胶原的水解产产物 是一种无脂肪的高蛋白 且不含胆固醇 是一种天然营营养型的食品增稠 剂剂 明胶中蛋白质质的含量占82 以上 有7种人体 必需的AA 是一种理想的蛋白源 明胶还还是一种强有力的保护护胶体 乳化力强 有 利于食物消化 明胶 Gelatin 是以牛 猪等动动物骨 皮为为工业业原 料 经经一系列预处预处 理 净净化 提取出其中的
16、胶原 适度 降解 再通过热变过热变 性等工序而制得的胶原蛋白 4 4 高分子凝胶的智能化 高分子凝胶的智能化表现在以下几方面 当 外部环境的pH 离子强度 温度 电场以及环境 中所含有的其他化学物质发生变化时 高分子凝 胶即呈现出 刺激 应答 状态 这些变化使高分子凝胶的体积既可以发生溶 胀 又可以收缩 利用这种性质设计出一种装置 它具有肌肉的功能 这种人造肌肉制成的机械 手类似于智能机器人的手 能够拿东西 高分子凝胶的智能化 人造肌肉的指令就是上面指出的外部环境的各种物理性 质和化学性质发生的变化 37 气凝胶 以气体为分散介质 以胶体粒子或高分子化合物相互 联结构成的网架为分散相形成多孔网状结构的高分散固体 材料 与固体泡沫相似 只是现在的 气凝胶中固体粒子已达纳米级 孔分布更均匀 孔隙率可达 80 99 8 密度可低至每立 方米仅几千克 38 凝胶应用
