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1、第十四章胶体分散系统和大分子溶液化学因“理”而精彩14.1 胶体和胶体的基本特性目录 14.2 溶胶的制备和净化 14.3 溶胶的动力性质14.4 溶胶的光学性质14.5 溶胶的电学性质 14.7 溶胶的稳定性和聚沉作用14.8 乳胶液14.9 凝胶14.10 大分子溶液14.6 双电层理论和 电势14.11 Donnan平衡和聚电解质溶液的渗透压* 14.12 流变学简介* 14.13 纳米粒子2 2化学因“理”而精彩引言把一种或几种物质分散在另一种物质中就构成 分散体系。其中，被分散的物质 称为分散相 (dispersed phase)，另一种物质称为分散介质 (dispersing me
2、dium)。 分散体系、分散相和分散介质水乳脂水蛋白质水空气3 3化学因“理”而精彩什么是胶体分散系统?分散系统按分散相粒子大小分类：1.分子分散系统： 分散相与分散介质以分子或离子（半径小 于1 nm ）形式彼此混溶，没有界面，是均匀的单相。2.胶体分散系统 ：分散相粒子的半径在1 nm100 nm之间，目测均匀，但实际是多相不均匀系统。3.粗分散系统：分散相粒子大于1000 nm，目测是混浊不均匀系统，放置后会沉淀或分层。4 4化学因“理”而精彩胶体分散系统在生物界和非生物界都普遍存在，在 实际生活和生产中也占有重要的地位。 宏观是指尺寸很大的研究对象，其下限是人的肉眼 可以观察到的最小物
3、体（半径大于1000nm），而上限则 是无限的。 微观是指上限为原子、分子，而下限则是一个无下 限的时空。 在宏观世界与微观世界之间，有一个介观世界，在胶体和表面化学中所涉及的超细微粒，其大小、尺寸在 1nm-100nm之间，基本上归属于介观领域。5 5化学因“理”而精彩14.1 胶体和胶体的基本特性胶体分散系统的分类根据胶体系统的性质至少可分为两大类：（1）憎液溶胶系统具有很大的相界面，很高的表面Gibbs自由能，很不稳定，极易被破坏而聚沉。简称溶胶，由难溶物分散在分散介质中所形成，粒子都是由很大数目的分子构成，大小不等。聚沉之后往往不能恢复原态，因而是热力学中的不稳定和不可逆系统。6 6化
4、学因“理”而精彩14.1 胶体和胶体的基本特性胶体分散系统的分类根据胶体系统的性质至少可分为两大类：（2）亲液溶胶大（高）分子化合物的溶液通常属于亲液溶胶。它是分子溶液，但其分子的大小已经到达胶体的范围，因此具有胶体的一些特性（例如：扩散慢，不透过半透 膜，有Tyndall效应等等） 若设法去除大分子溶液的溶剂使它沉淀，重新再加入 溶剂后大分子化合物又可以自动再分散，因而它是热力学 中稳定、可逆的系统。 7 7化学因“理”而精彩14.1 胶体和胶体的基本特性胶体分散系统的分类若根据分散相和分散介质的聚集状态进行分类： 1. 液溶胶将液体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为不同状态时，则形成不同
5、的液溶胶：A. 液-固溶胶B. 液-液溶胶C. 液-气溶胶如油漆，AgI溶胶如牛奶，石油原油等乳状液如泡沫8 8化学因“理”而精彩14.1 胶体和胶体的基本特性胶体分散系统的分类若根据分散相和分散介质的聚集状态进行分类：2. 固溶胶将固体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为不同状态时，则形成不同的固溶胶：A. 固-固溶胶B. 固-液溶胶C. 固-气溶胶如有色玻璃，不完全互溶的合金如珍珠，某些宝石如泡沫塑料，沸石，分子筛9 9化学因“理”而精彩14.1 胶体和胶体的基本特性胶体分散系统的分类若根据分散相和分散介质的聚集状态进行分类： 3. 气溶胶将气体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为固体 或
6、液体时，形成气-固或气-液溶胶。A. 气-固溶胶B. 气-液溶胶如烟，含尘的空气如雾，云1010化学因“理”而精彩憎液溶胶的特性（1）特有的分散程度 粒子的大小在1100 nm之间，因而扩散较慢，不能透过半透膜，渗透压低但有较强的动力稳定性和乳光现象。（2）多相不均匀性 纳米级的粒子是由许多离子或分子聚结而成，结构复杂，有的保持了该难溶盐的原有晶体结构，而且粒子大小不一，与介质之间有明 显的相界面，比表面很大。（3）易聚结不稳定性 因为粒子小，比表面大，表面自由能高，是热力学不稳定系统，有自发降低表面自由能的趋势，即小粒子会自动聚结成大粒子。1111化学因“理”而精彩胶团的结构胶粒的结构比较复
7、杂，先有一定量的难溶物分子聚结形成胶粒的中心，称为胶核；然后胶核选择性的吸附稳 定剂中的一种离子，形成紧密 吸附层； 胶粒再与扩散层中的反号 离子形成一个电中性的胶团。由于电荷相吸，在紧密层 外形成反号离子的包围圈，从 而形成胶粒；1212化学因“理”而精彩胶团的结构 p407例1：AgNO3 + KIKNO3 + AgI (AgI)m n I (n-x)K+x xK+ 胶核胶粒胶团胶团示意图胶核胶粒(带负电)胶团(电中性)胶团的结构表达式 ： 过量的 KI 作稳定剂 同离子效应裙带关系 ?为什么优先吸附I- ?使胶核不易溶解1313化学因“理”而精彩复习：同离子效应和盐效应 同离子效应：在难
8、溶盐溶液中，加入与之有共同离子的强电解质时，难溶电解质的溶解平衡，难溶盐溶解度。这是由于解离平衡常数是温度的函数。 盐效应：在难溶盐的饱和溶液中加入不含相同离子的强电解质，将使难溶盐的溶解度。原因在于溶液中离子强度，平均活度因子。1414化学因“理”而精彩胶团的结构例2：AgNO3 + KI KNO3 + AgI (AgI)m n Ag+ (n-x)NO3x+ x NO3 胶核胶粒胶团胶团示意图过量的 AgNO3 作稳定剂 胶团的结构表达式： 1515化学因“理”而精彩胶团的形状（1）球形质点 的聚苯乙烯胶乳（2） 带状质点的V2O5 溶胶（3） 丝状质点的Fe(OH)3 溶胶1616化学因“
9、理”而精彩课堂练习v已知在二氧化硅溶胶的形成过程中，存在反应SiO2+H2OH2SiO3SiO32-+2H+，可以确定其胶团结构式为_。v(SiO2)mnSiO32-(2n-x)H+x-xH+v用As2O3与略为过量的H2S制成的As2S3溶胶，其胶团结构式为 。 v(As2S3)mnHS-(n-x)H+x-xH+1717化学因“理”而精彩形成憎液溶胶的必要条件： （1）分散相的溶解度要小； （2）必须有稳定剂存在，否则胶粒易聚沉。 14.2 溶胶的制备与净化1818化学因“理”而精彩制备溶胶必须使分散相粒子的大小落在胶体分散系统 的范围之内，并加入适当的稳定剂。制备方法大致可分为 两类： （
10、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溶胶的制备1919化学因“理”而精彩(1) 研磨法这种方法适用于脆而易碎的物质，对于柔韧性的物质必须先硬化后再粉碎。如将废轮胎粉碎，需先用液氮处理，硬化后再研磨。 胶体磨的形式很多，其分散 能力因构造和转速的不同而不同 。1. 分散法盘式胶体磨示意图2020化学因“理”而精彩转速约10 00020 000 r/minA为空心转轴，与C盘相连，向一个方向旋转， B盘向另一方向旋转。分散相、分散介质和 稳定剂从空心轴A处加入 ，从C盘与B盘的狭缝中飞出，用两盘之间的应切力 将固体粉碎，可得1000 nm左右的粒子。
11、 2121化学因“理”而精彩(2) 胶溶法1. 分散法胶溶法又称解胶法，仅仅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。这种稳定剂又称胶溶剂。根据胶核所能吸附的离子而选用合适的电解质作胶溶剂。这种方法一般用在化学凝聚法制溶胶时，为了将多余的电解质离子去掉，先将胶粒过滤，洗涤，然后尽快分散在含有胶溶剂的介质中，形成溶胶。 2222化学因“理”而精彩例如：若沉淀放置时间较长，则沉淀老化就得不到溶胶 2323化学因“理”而精彩(3) 超声波分散法1. 分散法这种方法目前只用来制备乳 状液。如图所示，将分散相和分散 介质两种不混溶的液体放在样品 管4中。样品管固定在变压器油 浴中。
12、在两个电极上通入高频电流，使电极中间的石英片发生 机械振荡，使管中的两个液相均匀地混合成乳状液。 1.石英片 2.电极 3.变压器油 4.盛试样的试管2424化学因“理”而精彩电弧法主要用于制备金、银、铂 等金属溶胶。制备过程包括先分散后 凝聚两个过程。(4)电弧法将金属做成两个电极浸在水中，盛 水的盘子放在冷浴中。在水中加入少量 NaOH 作为稳定剂。制备时在两电极上施加 100V 左右的直流电，调节电极间的距离，使之发生电火花，这时表面金属蒸发，是分散过程，接着金 属蒸气立即被水冷却而凝聚为胶粒。1. 分散法2525化学因“理”而精彩在惰性气氛中，用电加热、高频感应、电子束或激光等 热源，
13、将要制备成纳米级粒子的材料气化。 (5)气相沉积法处于气态的分子或原子，按照一定规律共聚或发生化学 反应，形成纳米级粒子，再将它用稳定剂保护。 1. 分散法2626化学因“理”而精彩2. 凝聚法(1) 化学凝聚法 通过各种化学反应使生成物呈过饱和状态，使初生成的 难溶物微粒结合成胶粒，在少量稳定剂存在下形成溶胶，这 种稳定剂一般是某一过量的反应物。例如：A.复分解反应制硫化砷溶胶 B. 还原反应制金溶胶 2727化学因“理”而精彩2. 凝聚法(1) 化学凝聚法 C. 水解反应制氢氧化铁溶胶D.氧化还原反应制备硫溶胶 胶粒表面吸附了过量的具有溶剂化层的反应物离子，因而溶胶变得稳定。但是，若离子的
14、浓度太大，反而会引起胶粒的聚沉，必须除去。 2828化学因“理”而精彩将汞的蒸气通入冷水中就可以得到汞的水溶胶（2）物理凝聚法罗金斯基等人利用下列装置，制备碱金属的苯溶胶 先将体系抽真空，然后 适当加热管2(苯)和管4(金属 钠)，使钠和苯的蒸气同时在 管5 外壁凝聚。除去管5中的液氮，凝聚在外壁的混合蒸气融化，在 管3中获得钠的苯溶胶。蒸气骤冷法2929化学因“理”而精彩（3）更换溶剂法 例1.松香易溶于乙醇而难溶于水，将松香的乙醇溶液滴入水中可制备松香的水溶胶。 例2.将硫的丙酮溶液滴入90左右的热水中，丙酮蒸发后，可得硫的水溶胶。利用物质在不同溶剂中溶解度的显著差别来制备溶胶，而且两种溶
15、剂要能完全互溶。 3030化学因“理”而精彩 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。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法和超过滤法。 3131化学因“理”而精彩（1）渗析法简单渗析溶胶的净化利用浓差因素，多余的电解质离子不断向膜外渗透，经常更换溶剂，就可以净化半透膜容器内的溶胶。如将装有溶胶的半透膜容器不断旋转，可以加快渗析速度。将需要净化的溶胶放在羊皮纸或动物膀胱等半透膜制成 的容器内，膜外放纯溶剂。3232化学因“理”而精彩（1）渗析法电渗析溶胶的净化为了加快渗析速度，在装有溶胶的半透膜两侧 外加一个电场，使多余的 电解质离子向相应的电极 作定向移动。溶剂不断自动更换，可以提高净化速度3333化学因“理”而精彩用半透膜作过滤膜，利用吸滤或加压的方法使胶粒与含 有杂质的介质在压差作用下迅 速分离。（2）超过滤法溶胶的净化将半透膜上的胶粒迅速用含有稳定剂的介质再次分散。3434化学因“理”而精彩电超过滤 溶胶的净化有时为了加快过滤速度，在半透膜两边
