第九章胶体课件

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1、1,第九章 胶体化学,2,学习要求：,掌握分散系统的分类和胶体系统的制备； 重点掌握胶体系统的光学、动力和电学性质及其应用； 理解溶胶的稳定与聚沉的原理，学会书写胶团结构表示式，学会计算聚沉值和比较聚沉能力； 了解悬浮液、乳状液、泡沫、气溶胶以及高分子化合物溶液的性质和应用。,3,引 言,把一种或几种物质分散在另一种物质中所构成的系统称为分散系统。被分散的物质称为分散相（dispersed phase），而另一种呈连续分布的物质称为分散介质（dispersing medium)。,例如：云，牛奶，珍珠,4,分散体系通常有三种分类方法：,按分散相粒子的大小分类：,真溶液 胶体分散体系 粗分散体系

2、,按分散相和介质的聚集状态分类：,液溶胶 固溶胶 气溶胶,按胶体溶液的稳定性分类：,憎液溶胶 亲液溶胶,5,9.1 分散系统的分类及主要特征,1.真溶液,分散相与分散介质以分子或离子形式彼此混溶，没有界面，是均匀的单相，分散相粒子半径小于1nm 。,2.胶体分散体系,分散相粒子的半径在1 nm100nm之间的体系。目测是均匀的，但实际是多相不均匀体系。也有的将1 nm 1000 nm之间的粒子归入胶体范畴。,3.粗分散体系,当分散相粒子的半径大于1000 nm，目测是不均匀体系， 放置后会沉淀或分层。,6,按胶体溶液的稳定性分类： 憎液溶胶溶胶：半径1 nm100 nm，易聚沉，热力学不稳定，

3、不可逆。 亲液溶胶高分子溶液：半径落在胶体粒子范围内的大分子溶解在合适的溶剂中，热力学上稳定、可逆的体系。,7,胶体系统（憎液溶胶）的特征： （1）高度分散性 粒子较大，扩散较慢，不能透过半透膜，渗透压高，有动力稳定性和乳光现象。 （2）多相不均匀性 粒子是由许多离子或分子聚结而成，粒子大小不一，与介质之间有明显的相界面，比表面很大。 （3）热力学不稳定性 因为粒子有很大的界面，很高的界面能，因此是热力学不稳定体系。,8,9.2胶体系统的制备,（1）分散法： 用机械、化学等方法使固体的粒子变小。 （2）凝聚法： 使分子或离子聚结成胶粒。,分散法 （1）研磨法 用机械粉碎的方法将固体磨细。,（2

4、）解胶法，是将新鲜的凝聚胶粒重新分散在 介质中形成溶胶，并加入适当的稳定剂。,电弧法主要用于制备金、银、铂等金属溶胶。,(3)电弧法,9,2. 凝聚法 （1）物理凝聚法A. 过饱和法 改变溶剂或用冷却的方法使溶质的溶解度降低，由于过饱和，溶质从溶剂中分离出来凝聚成溶胶。 例1.用冰急骤冷却苯的饱和水溶液，得到苯的水溶胶。 例2.将硫的酒精溶液滴入水中，硫在水中溶解度变小而生成白色浑浊的硫溶胶。,制备碱金属的苯溶胶；将汞的蒸气通入冷水中就可以得到汞的水溶胶。,B.蒸气凝聚法,10,（2）化学凝聚法： 利用生成不溶性物质的化学反应，控制析晶过程，使其停留在胶核尺度的阶段，在少量稳定剂存在下形成溶胶

5、。,例： FeCl3 （稀）+3H2O （热）Fe(OH)3 （溶胶）+3HCl 2H3AsO3（稀）+ 3H2S As2S3（溶胶）+6H2O,11,3. 溶胶的净化,在制备溶胶的过程中，常生成一些多余的电解质，如制备 Fe(OH)3溶胶时生成的HCl。,少量电解质可以作为溶胶的稳定剂，但是过多的电解质存在会使溶胶不稳定，容易聚沉，所以必须除去。,净化的方法主要有渗析(dialysis) 法。,12,93 胶体系统的光学性质,1、Tyndall（丁达尔）效应 在暗室里，将一束聚集的光投射到胶体系统上，在与入射光垂直的方向上，可观察到一个发亮的光柱，其中并有微粒闪烁。 粒子尺寸波长，发生光的反

6、射；粒子尺寸波长，发生光的散射 可见光的波长：400 760 nm； 胶体粒子直径：1 100 nm 当光束通过胶体溶液，由于胶粒直径小于可见光波长，主要发生散射，可以看见乳白色的光柱。 可用丁达尔效应来区分胶体溶液和真溶液。,13,2. Rayleigh （瑞利）公式,稀液溶胶系统单位体积溶胶的散射强度的计算公式：,从Rayleigh公式可得出如下结论： （1）单位体积的散射光强度与每个粒子体积的平方成正比。 （2） 散射光强度与入射光波长的四次方成反比。入射光波长愈短，散射愈显著。 所以可见光中，蓝、紫色光散射作用强。天空是兰色，夕阳是红色的。禁止信号灯用红灯. （3）分散相与分散介质的折

7、射率相差愈大，则散射光愈强。 （4）散射光强度与粒子的密度成正比。,14,3. 超显微镜与粒子大小的近似测定,普通显微镜分辨率不高，只能分辨出半径在200 nm以上的粒子，所以看不到胶体粒子。,超显微镜分辨率高，可以研究半径为5150 nm 的粒子。但是， 超显微镜观察的不是胶粒本身，而是观察胶粒发出的散射光。特点是在强光源照射，在与入射光垂直的方向上及黑暗的视野的条件下观察。,15,超显微镜的目镜看到的是胶粒的散射光。如果溶液中没有胶粒，视野将是一片黑暗。,16,从超显微镜可以获得的信息：,（1） 可以测定球状胶粒的平均半径。,（2） 判断粒子分散均匀的程度。粒子大小不同，散 射光的强度也不

8、同。,（3） 观察胶粒的布朗运动 、电泳、沉降和凝聚等 现象。,17,9-4胶体系统的动力性质,1. 布朗运动（Brown motion),1827 年植物学家布朗(Brown)用显微镜观察到悬浮在液面上的花粉粒子不断地作无规则的运动。,后来又发现凡是线度小于4m的粒子，在分散介质中皆呈现这种运动。人们称微粒的这种运动为布朗运动。,特点：粒子越小，温度越高，布朗运动越激烈。,18,2. 扩散,胶粒也有热运动，因此也与溶液中溶质相似具有扩散和渗透压。只是溶胶的浓度较稀，这种现象很不显著。,由于分子的热运动和胶粒的布朗运动，在有浓度梯度存在时，物质粒子会发生宏观上的定向迁移现象，称为扩散。,19,

9、3. 沉降与沉降平衡,溶胶是高度分散体系，胶粒一方面受到重力的吸引而下降，另一方面由于布朗运动促使浓度趋于均一。,当这两种相反的力相等时， 粒子的分布达到平衡，粒子的浓度随高度不同有一定的梯度。这种平衡称为沉降平衡(sedimentation equilibrium)。,20,21,9-5溶胶系统的电学性质,胶粒带电的原因有以下几种：,（2）离子型固体电解质形成溶胶时，由于正、负离子溶解量不同，使胶粒带电。 例如：将AgI制备溶胶时，由于Ag+较小，活动能力强，比I-容易脱离晶格而进入溶液，使胶粒带负电。,（1）胶粒在形成过程中，胶核优先吸附某种离子，使胶粒带电。例如：在AgI溶胶的制备过程中

10、，如果AgNO3过量，则胶核优先吸附Ag+离子，使胶粒带正电；如果KI过量，则优先吸附I -离子，胶粒带负电。,22,（3）可电离的大分子溶胶，由于大分子本身发生电离，而使胶粒带电。例如蛋白质分子，有许多羧基和胺基，在pH较高的溶液中，离解生成PCOO-离子而负带电；在pH较低的溶液中，生成PNH3+离子而带正电。,在某一特定的pH条件下，生成的-COO-和-NH3+数量相等，蛋白质分子的净电荷为零，这pH称为蛋白质的等电点 。,（4）晶格取代：比如Al3+或Si4取代Mg2，使溶胶带正电。,23,古依（Gouy）和查普曼（Chapman）扩散双电层：认为由于正、负离子静电吸引和热运动两种效应

11、的结果，溶液中的反离子只有一部分紧密地排在固体表面附近，相距约一、二 个离子厚度称为紧密层；,另一部分反离子是呈扩散状态分布的，可用玻兹曼公式表示，称为扩散层。,双电层由紧密层和扩散层构成。,24,2. 溶胶的电动现象,胶粒在重力场作用下发生沉降，而产生沉降电势；带电的介质发生流动，则产生流动电势。,以上四种现象都称为电动现象。,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，胶粒和介质分别向带相反电荷的电极移动，就产生了电泳和电渗的电动现象。,25,（1）电泳：在外电场的作用下，胶体粒子在分散介质中定向移动的现象。,界面法测电泳装置示意图,电泳现象说明胶体粒子是带电

12、的。,26,（2）电渗 在外电场作用下，分散介质通过多孔固体（膜）而定向移动的现象。 （3）流动电势 在外力作用下迫使液体通过多孔隔膜(或毛细管)定向流动，在多孔隔膜两端所产生的电势差。(可视为电渗的逆过程) （4）沉降电势 分散相粒子在重力场或离心力场的作用下迅速移动时，在移动方向的两端所产生的电势差。(可视为电泳的逆过程),27,28,例： AgNO3 + KI AgI + KNO3 KI 过量 ：AgI溶胶吸附I带负电，K为反离子； AgNO3过量：AgI溶胶吸附Ag带正电，NO3为反离子,96憎液溶胶的胶团结构,例：I过量，生成带负电的胶粒，K为反离子,AgI胶团剖面图,29,若AgN

13、O3过量： AgI 优先吸附Ag+,胶团结构式：,30,9-7 胶体系统的经典稳定理论-DLVO理论,（1）胶团之间既存在斥力势能，也存在着引力势能。 （2）溶胶的相对稳定性或聚沉取决于斥力势能或引力势能的相对大小。 （3）斥力势能、引力势能以及总势能都随着粒子间距离的变化而变化，各有占优的情况。 （4）加入电解质时，对引力势能影响不大，但对斥力势能的影响却十分明显。适当调整电解质的浓度，可以得到相对稳定的溶胶。,31,溶胶稳定性的因素 除了上述由于分散相粒子带电（主要原因） 2. 溶剂化作用 若水为分散介质，在分散相粒子的周围形成一个具有一定弹性的水化外壳。 3. 布朗运动 足够强时，就能够

14、克服重力场的影响。,32,1.电解质的聚沉作用 聚沉值 :溶胶发生明显聚沉作用所需电解质的最小浓度。 聚沉能力:聚沉值的倒数。聚沉值大的电解质，聚沉能力越小。,9-8憎液溶胶的的聚沉,聚沉能力主要决定于胶粒带相反电荷的离子的价数。聚沉值1/Z 6，聚沉能力Z 6，即反离子价数愈高，聚沉能力愈大，此为舒尔策-哈迪 价数规则。,33,在憎液溶胶中加入某些大分子溶液，加入的量不同，会出现两种情况：,当加入的大分子物质的量不足时，憎液溶胶的胶粒粘附在大分子上，大分子起了一个桥梁作用，把胶粒联系在一起，使之更容易聚沉。,搭桥效应,保护作用,当憎液溶胶中加入足量大分子溶液后，大分子吸附在胶粒周围起到保护溶

15、胶的作用。,2.高分子化合物的聚沉作用,34,9-9 乳状液（了解）,由两种不互溶或部分互溶的液体所形成的粗分散系统，称为乳状液。,1乳状液类型的鉴别,(1)染色法：将油（水）溶性染料滴入乳状液，在显微镜下 观察，染色的一相为油（水）相。 (2)稀释法：将乳状液滴入水中或油中，若乳状液在水中能稀 释，即为O/W型；在油中能稀释，即为W/O型。 (3)导电法：O/W型乳状液的导电性能远好于W/O型乳状液， 通过测电导可区别两者。,35,2.提高乳状液的稳定性,（1）降低界面张力 加入表面活性剂， ，G表，稳定性,大头朝外，小头向内，表面活性剂可紧密排列，形成厚壁，使乳状液稳定。,（2）形成定向楔的界面,36,（3）形成扩散双电层 离子型表面活性剂可形成扩散双电层，使乳状液稳定。,（4）界面膜的稳定作用 增强界面膜的强度，可增加乳状液的稳定性。,（5）固体粉末的稳定作用 某些固体粉末也可起稳定剂的作用： 水能润湿的固体粉末，可形成O/W型的乳状液，如粘土等； 油能润湿的固体粉末，可形成W/O型的乳状液，如石墨，煤烟等。,37,3. 乳化剂的选择,可根据HLB值（第十章）选择乳化剂： HLB，亲油性， 8 亲水。,HLB值可以从手册查出，也可以估算,4. 乳状液的去乳化,物理方法：离心分离，静电破乳，超声波破乳； 物理化学方法：破坏乳化剂，加入破乳剂。,