3-1 胶体的基本性质

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1、第三章溶胶的基本性质动力学性质 光学性质 电学性质 一 胶体分散体系的动力学性质 胶体的扩散与渗透 是胶体与分子分散体系所共有的性质 布朗运动 胶体分散体系独有的性质 稳定与沉降 是胶体与粗分散系所共有的性质 1 胶体的扩散与渗透 扩散的定义与本质扩散是分子热运动的必然结果 分子热运动并不需要存在着浓度差才能发生 但在浓度差存在下 分子从高浓度向低浓度迁移的数目大于从低向高迁移的数目 高浓度 低浓度 总结果使物系呈现出从高浓度向低浓度的净迁移 这就是扩散扩散的本质是分子的热运动 扩散推动力是浓度梯度 胶粒的扩散 diffusion 胶粒也有热运动 因此也具有扩散现象 胶体粒子的热运动 在微观上

2、表现为Brown运动 在宏观上表现为扩散 溶胶粒子从高浓度区间向低浓度区间迁移的现象称为胶粒的扩散 物质的扩散可用斐克第一定律和第二定律描述 设通过A面的物质质量为m 则扩散速度为dm dt 它与浓度梯度和截面积A成正比 斐克第一定律 Fick sfirstlaw 设任一截面A上浓度是均匀的 垂直A方向上的浓度梯度为dc dx D为扩散系数 其物理意义为 单位浓度梯度 单位时间内通过单位截面积的质量 式中负号表示扩散朝浓度降低的方向进行 斐克第一定律 胶体的渗透 osmosis 渗透压与Donnan平衡 渗透压是稀溶液的四个依数性之一 半透膜 只能透过溶剂 不透过溶质 对于理想稀溶液 理想半透

3、膜 渗透压 服从公式 V nRT P2 P1 纯溶剂 溶液 半透膜 P1 P2 T 实际情况 很难找到不能透过离子的半透膜因此无法测定盐和小分子引起的渗透压 高分子和胶粒不能通过半透膜 所以可利用此法测算高分子和稳定胶体的渗透压 获得高分子的相对分子质量和胶体的胶束聚集数 渗透的应用 反渗透 超过滤 利用超过渗透压的压力 从相反方向将溶剂自溶液中压出 称为反渗透 应用于海水淡化 浓缩溶液 果汁 放射性污水 海水在25 时的渗透压为25atm 相当于210m高水柱 半透膜如何选择 胶体 大分子 半透膜 淡水井 反渗透原理制造淡水井 Donnan平衡 膜平衡 Donnan平衡针对的是带电粒子和带电

4、高分子的渗透现象 如果膜的一侧有胶粒或大分子 而且带有电荷 则会产生Donnan平衡 R Na c1 c1 x Cl x 1 Na Cl c2 x c2 x 2 碱液中的蛋白质为Na R 两容器间的膜可以透过Na 但不能通过R 据电中性原则 1 区中的Na 离子无法向 2 区扩散 但 2 区中的Na Cl 可以扩散到 1 区 由于膜的一侧有了大分子 使能透过盐的膜变成了半透膜Donnan平衡就是研究此种情况下的渗透压 在含有凝胶的体系中 即使没有膜也一样 各种凝胶的作用就像大分子 所结合的离子可以移动 此时 即使没有膜的存在效果也是一样 在大分子电解质溶液中 因大离子不能透过半透膜 而小粒子受

5、大离子电荷影响 能够透过半透膜 当渗透达到平衡时 膜两边小离子浓度不相等 这种现象叫唐南平衡或膜平衡 土壤中 植物 动物的脱水收缩以及养分的吸收 盐分的均衡均与Donnan平衡有关 人的体液平衡 人体内存在的液体称为体液 bodyfluid 体液中有无机物和有机物 无机物与部分以离子形式存在的有机物统称为电解质 葡萄糖 尿素等不能解离的有机物称为非电解质 体液以细胞膜为界 可分为两大部分 细胞内液 ICF 和细胞外液 ECF 细胞外液又可分为血浆和细胞间液 如淋巴液 各部位体液之间处于动态平衡 部位内部的水与电解质也处于动态平衡 这种平衡状态 很易受外界或机体内部因素的影响 导致水电解质平衡紊

6、乱和酸碱平衡紊乱 水平衡 成年人维持水的需要量 每日平均总进水量约2500ml 通过饮水 约1200ml 摄食含的水 约1000ml 体内氧化时释放出的水 约300ml 摄入量等于排出量 小儿每日水的摄入量 含体内氧化产生的水 略大于排出量 其中约有摄入量的0 5 3 0 保留在体内用以生长 小儿水交换速度比成人快 体重7 0kg婴儿每日排出水约700ml 占细胞外液的1 3 70kg体重的成人水交换率只占细胞外液的1 7 这就是小儿易引起脱水的原因 钠 氯平衡 氯和钠是细胞外液的主要阴阳离子 体内Na 约50 于细胞外液 40 于骨骼 约10 于细胞内K 主要分布在细胞内液 血浆中主要电解质

7、有Na Cl K 细胞间液是血浆的超滤液 血浆含有较多的蛋白质 由于蛋白质是大分子量物质 不易通过细胞膜 故血浆蛋白含量高于细胞间液 脑脊液就属于细胞间液 Donnan平衡与人体 夏日补盐还有很重要 否则就易产生头昏等症状 这与人的脑脊液中的氯化物浓度多少有关 人脑脊液与血液之间渗透压的平衡 根据Donnan平衡 脑脊液中的蛋白质含量较少 故氯化物较高正常人脑脊液中的氯化物含量比血液高约20 左右 但脑脊液中的氯化物浓度随血液中氯化物浓度而变 在正常人血液中 血钠为130 150mmol L 血钾为3 5 5 3mmol L 血钙为 25 2 75mmol L 血镁为0 75 1 25mmol

8、 L 氯化钠是其主要成分 为维持脑脊液与血液之间渗透压的平衡 应当及时适度补盐 2 胶体的沉降 分散于气体或液体介质中的颗粒 都受到两种相反方向作用力 重力 溶胶中颗粒的密度大于介质时 颗粒在重力场作用下有向下沉降的趋势 称为沉降 沉降的结果使底部粒子浓度大于上部 即造成上下的浓差 扩散力 由布朗运动引起 其作用促进介质中粒子浓度均匀 沉降与扩散达平衡时 粒子的分布达到平衡 称为沉降平衡 此时 颗粒浓度自上而下增加 随高度不同有一定的浓度梯度 梯度不随时间而变 在重力场中的沉降 在离心力场中的沉降 离心力场中的沉降主要是在离心机中进行普通离心机 3000r min 产生的离心力比地心引力大20

9、00倍超速离心机 转速可达10 16万转 min 产生的离心力约为重力的100万倍 3 布朗运动 胶体布朗运动的独特性分子分散体系和粗分散系为什么没有布朗运动 胶体分散体系为什么能观察到布朗运动 布朗运动是分子热运动的必然结果 大颗粒 每秒钟在各个方向上都承受数百万次撞击 各个方向几率均等 相互抵消 颗粒较大 难以发生位移 直径小于4 m的粒子在分散介质中都呈现出连续不断的 无规则的运动 这就是布朗运动 当半径大于5 m Brown运动消失 粒子如果较小 受到分子热运动撞击的次数就要小的多 各个方向的撞击不能彼此抵消小粒子就发生了不断改变方向的 无规则的运动 从运动性质来看 溶液与胶体无本质上

10、的区别 溶液中 是单个分子的热运动 溶胶的布朗运动是许多分子热运动冲击的综合结果 液体分子对溶胶粒子的撞击 粗分散系 布朗运动产生的原因 分散质粒子本身处于不断的热运动中 分散剂分子对分散质粒子的不断撞击 为什么颗粒越小 布朗运动越明显 布朗运动是RobertBrown于1827年发现 但是到了1905年Einstein和Smaluchowski由分子运动论观点分别提出了布朗运动理论 NA阿伏加德罗常数 介质粘度r粒子半径 Perrin证实了Einstein Brown位移公式通过观察藤黄粒子的布朗运动 多次测定NA值 粒子数 50个 r 0 212um T 287K 0 0012Pa s t

11、 120s观察位移次数 50次 测得平均位移 13 96um求得NA 6 12 1023 与实际值非常接近 Einstein 爱因斯坦 一个世纪的神话 1905年 是堪称奇迹的一年 这种年份仅在1665 1666年有过一次 牛顿为了躲避黑死病而呆在自己的家乡 开始着手微积分 万有引力定律和颜色理论的基础工作 除此之外 科学史上没有哪一阶段可以与1905年的科学成就相媲美 1905年 年仅26岁的爱因斯坦连续发表了关于 量子论 相对论布朗运动等方面的论文 这些论文都可以称为 革命性的论文开启了自然科学的新纪元 为了纪念物理学史上这一空前绝后的 奇迹年 联合国教科文组织将2005年定为 世界物理年

12、 2005年4月18日是爱因斯坦逝世50周年 世界各国都在以各种方式纪念这位继牛顿之后最为大的科学家 在全球举行了光束穿越活动 我校泰达应用物理学院博士生楼慈波 获得了为纪念这一活动所设立的爱因斯坦奖 全国获奖者共20名 该奖项由德国与瑞士政府联合颁发 访问了瑞士与德国的科研机构 Einstein的四篇著名论文 1 关于光的产生和转化的一个有启发性观点 论文完成于1905年3月 6月发表在德文刊物 物理学年鉴 AnnalenderPhysik 上 该文并且延伸了MarxPlank的量子思想 即高温物体仅以特定离散束的形式发射或吸收能量 认为光束是由粒子组成 它为量子力学基石的光的波粒二重性获得

13、广泛接受铺平了道路 2 分子大小的新测定 该文完成于1905年4月30日 当时爱因斯坦还没有获得博士学位 1901年曾经提交过一篇关于气体分子运动论的论文 被苏黎世大学驳回 1905年初 再次提交关于狭义相对论的论文 又被认为是 荒诞不经 而驳回 于是 便提交了这篇 分子大小的新测定 完成于1905年5月 于1905年7月发表在 物理学年鉴 AnnalenderPhysik 上 该文创立了支配布朗运动的数学定律是对现代统计力学的一项重大贡献 其导出的方法可以用于空气污染物的行为或者股票市场涨落走势 3 上文的续篇 关于热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动 4 论动体的电动力学 此文

14、为获得诺贝尔奖的贡献论文 爱因斯坦研究布朗运动的起因与结果 1927年 植物学家布朗发现并引起人们注意这种现象 此后的多年 这种现象就一直困扰着许多科学家 许多人把水滴中花粉颗粒总是做着随机运动的现象 解释为这些花粉颗粒是有生命的 然而 布朗将研磨的精细岩石粉末悬浮于水中时也有类似现象 有人又认为是电力场推动 有人倾向于蒸发 对流 光效应 布朗写下了这样的一段文字 我确信这种运动不是由于液体流动所引起 也不是由液体的逐渐蒸发所引起 而是属于粒子本身的运动 布朗 英国 植物学家 为了进一步证实这种看法 布朗把观察的对象扩大到一切物质的微小颗粒 发现 一切悬浮在液体中的微小颗粒 都会作无休止的不规

15、则运动 爱因斯坦提出 悬浮于液体中的颗粒的四处运动 主要是分子从各个方向与其撞击造成的 这些现象事实上是关于热的本质理论的有力证据 当时正在争论 导出了决定布朗运动基本数学规律 最近 科学家应用爱因斯坦的这些数学规律 设计出了 布朗棘轮 这些设备利用了一个事实 即布朗运动中小粒子移动的距离比大粒子远 利用微观化的绞盘内锯齿型齿轮 布朗棘轮把粒子的随机运动转变为有用的工作例如 按大小分离病毒 除掉水中的污染杂质 2003年 利用类似于制造微芯片的技术 普林斯顿大学的C Sturm及其合作者建造了两台这样的布朗棘轮 它看上去有点像大拇指大小 在一块二氧化硅薄片中刻蚀出一条通道 在通道中等间隔地留下若干微小支柱 间隔足以使液体流过 微支柱宽6微米 高3微米 成45度倾角排列任何滑入微柱阵列的悬浮颗粒都向右偏移 越小的颗粒滑入的越多 向右偏移的越远 在2005年12月公布的几次测试中 Sturm进行了分离实验 他将水和两种不同病毒的DNA混合物通过棘轮 结果很可靠的把较重的病毒基因组与较轻的分离开来利用这一爱因斯坦式的技术 能够节省分离大DNA片段所需要的时间 较之当前所用的方法 可省时2 3 而且设备更便于携带 更廉价 爱因斯坦和量子理论的创始人普朗克 爱因斯坦与尼尔斯 玻尔 爱因斯坦与物理学家罗伯特 奥本海默 爱因斯坦与居里夫人