[化学]04 第二章 胶体的制备和性质-3

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1、第2章 胶体的制备和性质 胶体的制备和净化 胶体性质 电学性质 稳定性 流变性2.4 2.4 溶胶的电学性质和胶团结构溶胶的电学性质和胶团结构 胶粒带电的本质 电动现象（2）电渗（3）流动电势（4）沉降电势 双电层 电动电位(1) 电泳Tiselius电泳仪 界面移动电泳仪显微电泳仪 区带电泳一、一、电动现象电动现象及其应用及其应用 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。这 是因动而产生电。以上四种现象都称为以上四种现象都称为电动现象电动现象。 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。在外加电场作用下，胶粒和 介质分别向带相反电荷

2、的电极移动，就产生了电 泳和电渗的电动现象，这是因电而动。1、电泳（electrophoresis）影响电泳的因素有： 带电粒子的大小、形状； 粒子表面电荷的数目； 介质中电解质的种类、离子强度，pH值和粘度； 电泳的温度和外加电压等。 带电胶粒或大分子在外加电场的作用下向带相反电荷的电极作定向移动的现象称为电泳。 从电泳现象可以获得胶粒或大分子的结构、大小和形 状等有关信息。沿aa,bb和cc都可以水平滑移。实验时，从bb处将上部 移开，下面A，B部分装上溶胶，然后将上部移到原处，在C 部装上超滤液，在bb处有清晰界面。A、确定胶粒的电性和电泳速度 提赛留斯电泳仪在电泳过程中可 清楚的观察到

3、界面 的移动。从而可以 判断胶粒所带电荷 和测定电泳速度 等。1）电泳的应用 界面移动电泳仪在漏斗中装上待测溶胶，活塞内径 与U型管管径相同。实验时，打开 底部活塞，使溶胶进入U型管，当 液面略高于活塞时即关上，吸走多 余溶胶。加入分散介质，使两臂液 面等高。打开活塞，接通电源，观察液面的 变化。若是无色溶胶，须用紫外吸 收等光学方法读出液面的变化。根据通电时间和液面升高或下降的刻 度计算电泳速度。显微电泳仪：在显微镜下直接观察粒子的泳动速度 方法简单、快速，胶体用量少，可以在胶粒所处的 环境中测定电泳速度和电动电位。装置中用的是铂 黑电极，观察管用 玻璃制成。电泳池 是封闭的，电泳和 电渗同

4、时进行。 物镜位置选在静止层处（即电渗流动与反流动刚好 相消），此处胶粒运动速度为真实电泳速度。区带电泳实验简便、易行，样品用量少，分离效率高，是分析和分离蛋白质的基本方法。常用的区带电泳有：纸上电泳，圆盘电泳和板上电 泳等。区带电泳区带电泳将惰性固体或凝胶作为支持物，两端接正、负电极，在其上面进行电泳，从而将速度不同的各组成分离。 a 纸上电泳 用滤纸作为支持物的电 泳。先将一厚滤纸条在一定 pH的缓冲溶液中浸泡，取 出后两端夹上电极，在滤 纸中央滴少量待测溶液， 电泳速度不同的各组分即 以不同速度沿纸条运动。经一段时间后，在纸条上形成距起点不同距离的区 带，区带数等于样品中的组分数。将纸条

5、干燥并加热， 将蛋白质各组分固定在纸条上，再用适当方法进行分 析。b.凝胶电泳用淀粉、聚丙烯酰胺等凝胶作为载体，则称为凝胶电泳。 将凝胶装在玻管中，电泳后各组分在管中形成圆盘状，称为圆盘电泳；凝胶电泳的分辨率极高。例如，纸上电泳只能将血清分成五个组分，而用聚丙烯酰胺凝胶作的圆盘电泳可将血清分成25个组分。如果将凝胶铺在玻板上进行的电泳称为平板电泳。C.板上电泳在外加电场作用下，带电的分散介质通过多孔膜或半 径为110 nm的毛细管作定向移动，称为电渗。 外加电解质对电渗速度影响显著，随着电解质浓度的增加，电渗速度降低，甚至会改变电渗的方向。 电渗方法有许多实际应用，如溶胶净化、海水淡化、泥炭和

6、染料的干燥等。（2）电渗（electro-osmosis)在U型管1,2中盛电解质溶 液，将电极5,6接通直流电 后，可从有刻度的毛细管 4 中，准确读出液面的变 化。 电渗实验3为多孔膜，可用滤纸、玻璃或棉花等构成；也可用 氧化铝、碳酸钡、AgI等物质构成。如果多孔膜吸附阴离子， 则介质带正电，通电时向阴 极移动；反之，多孔膜吸附 阳离子，带负电的介质向阳 极移动。含有离子的液体在加压或重力等外力的作用下，流经 多孔膜或毛细管时会产生电势差，称为流动电势。（3）流动电势（streaming potential)由于管壁会吸附某种离子，使固体表面带电，电荷从固 体到液体有个分布梯度。当外力迫使

7、扩散层移动时，流动层与固体表面之间会 产生电势差，当流速很快时，有时会产生电火花。 在用泵输送原油或易燃化工原料时，要使管道接地或加 入电解质，增加介质电导，防止事故。在重力场的作用下，带电的分散相粒子，在分散介质中迅速沉降时，使底层与表面层的粒子浓度悬殊，从而产生电势差，这就是沉降电 势。 贮油罐中的油内常会有水滴，水滴 的沉降会形成很高的电势差，有时 会引发事故。通常在油中加入有机 电解质，增加介质电导，降低沉降 电势。 (4) 沉降电势 (sedimentation potential)二、胶粒带电的本质（水介质中） （1）离子吸附A、胶粒在形成过程中，胶核优先吸附某种离子， 使胶粒带电

8、。例如：在AgI溶胶的制备过程中，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。B、石墨、纤维等在水中不电离，但可从水或水 溶液中吸附阴、阳离子而带电。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。（2）分散（3）电离例如蛋白质分子，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P-NH3+离子而带正电。在特定pH条件下，生成的-COO-和-NH3+数量相等，

9、蛋 白质分子的净电荷为零，这pH称为蛋白质的等电点。B、黏土、玻璃等在水中电离，带负电。A、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。（4）晶格取代 例如：黏土晶格中的Al3+有一部分被Mg2+ 或Ca2+取代，使黏土晶格带负电。为维持电中性，黏土表面吸 附部分正离子，形成双电层。非水介质中Coehn规则两相接触时，相对介电常数D较大的一相带正电， 另一相带负电。三、胶团的结构 一定量的难溶物分子聚结形成胶粒中心，称为胶核 胶核选择性的吸附稳定剂中的一种离子，形成紧密 吸附层；由于电荷相吸，在紧密层外形成反号离子的 包围圈，从而形成了带与紧密层相同电荷的胶粒 胶粒与扩散层中的反

10、号离子，形成电中性的胶团1、胶团的结构胶核吸附离子是有选择性的，首先吸附与胶核中相同 的某种离子，用同离子效应使胶核不易溶解。若无相同离子，则首先吸附水化能力较弱的负离子， 所以自然界中的胶粒大多带负电，如泥浆水、豆浆等 都是负溶胶。 2、电位离子3、胶团的结构示例例1：AgNO3 + KIKNO3 + AgI过量的 KI 作稳定剂胶团的结构表达式 ： (AgI)m n I (n-x)K+x xK+ 电位离子 反离子|_|_|胶核 胶粒 胶团胶团的图示式：例2：AgNO3 + KIKNO3 + AgI过量的 AgNO3 作稳定剂胶团的结构表达式： (AgI)m n Ag+ (n-x)NO3x+

11、 x NO3 |_|_|胶核胶粒胶团胶团的图示式：4、胶粒的形状作为憎液溶胶基本质点的胶粒并非都是球形 ，而胶粒的形状对胶体性质有重要影响。质点为球形的，流动性较好；若为带状的， 则流动性较差，易产生触变现象。例如：（1）聚苯乙烯胶乳是球形质点（2）V2O5 溶胶是带状的质点（3）Fe(OH)3 溶胶是丝状的质点当固液两相接触时，由于固体的吸附、电离等作用， 致使固液两相带有不同符号的电荷，在界面上形成了双 电层的结构。 双电层的结构模型四、双电层结构模型和电动电位1910年Gouy和1913年Chapman修正了平板型模型，提出了扩散双电层模型； 1924年Stern又提出了Stern模型。

12、1879年Helmholtz提出平板型模型；1、平板电容模型固体的表面电荷与溶液中带相反电荷的离子（即反 离子）构成平行的两层，如同一个平板电容器。整个双电层厚度为。固体表面与液体内部的总的 电位差称为质点的表面电位（ 等于热力学电势）0 ，在双电 层内，0呈直线下降。 模型过于简单，由于离子 热运动，不可能形成平板电容 器。表面电荷密度（单位面积上电 荷数）、两层间距离、表面电 位0间存在： D：介质的介电常数 2、扩散双电层模型Gouy和Chapman认为： 溶液中的反离子是扩散地分布在质点周围的空间 里，由于静电吸引，质点附近的反离子浓度大，离 质点越远，反离子浓度越小，到距表面很远处，

13、过 剩的反离子浓度为零。扩散双电层模型 水溶液中质点总是结合部分水（含部分反离子）， 这部分可以看成是质点的一部分，电泳时固-液间发生 相对位移的切动面AB面应在双电层内距表面某一距离 处，此处的电位与液体内部电位之差即为电动电位， 它是表面电位的一部分。 扩散双电层模型解释了电动现象，区分了0和， 但不能解释的符号可以改变，甚至可大于0的问题。 电位只有当粒子与介质作反向移动时才显现出来 ，所以叫电动电位电动电位。3、Stern模型Gouy和Chapman模型 中的扩散层可分为两层， 即紧密层和扩散层。吸附 在固体表面的紧密层约有 一、二个分子层的厚度， 其中由反号离子电性中心 构成Ster

14、n平面。从固体表面到Stern平面，电位从0直线下降为s 。Stern认为 ：由于离子的溶剂化作 用，胶粒在移动时，紧 密层会结合一定数量的 溶剂分子一起移动，所 以滑移的切动面由比 Stern层略右的曲线表 示。 另一层类似于扩散双电 层模型中的扩散层，电势随距离增加呈曲线下降。 当某些高价反离子或大的反离子（surfactant离子）由于高的吸附能 而大量进入紧密层时，可使 s 反号。若同号大离子因强烈的分子间力克服静电 斥力进入紧密层时，可使 s电势高于 0。五、扩散双电层的数学计算1、扩散双电层的厚度和电位随距离的分布规律 Gouy-Chapman提出3点假设：a、质点表面是无限大的平

15、面，表面电荷均匀分 布；b、扩散层中的反离子是点电荷，并按Boltzman 公式分布；c、溶剂的介电常数处处相同。引入边界条件： 当x时， =0，代入得当x0时， = 0，代入得：即扩散层内电势随离质点表面距离x呈指数下降1/K具有长度单位，用来代表双电层的厚度。结论 ： A、溶液浓度cio越大，扩散双电层1/K越小。 B、溶液浓度相同时，离子价Zi越高，扩散双电 层1/K越小。C、 cio越大， Zi越高，电位分布曲线下降越快， 扩散层越薄。2、表面电荷密度与表面电势的关系K-1相当于平行板模型的厚度，所以K-1常称 为扩散双电层的厚度。六、电动电位（六、电动电位（electrokineticelectrokinetic potential potential ）在Stern模型中，带有溶剂化层的滑移界面与溶液 之间的电位差称为 电位。在扩散双电层模型中，切动面AB与溶液本体之间 的电位差为 电位；只有在质点移动时才显示出 电位，又称电动电位。带电的固体或胶粒在移动时，移动的切动面与液体 本体之间的电位差称为 电位。1、定义2、电动电位的计算1）由电泳速度计算胶粒的泳