第十一章 胶体化学第十一章 胶体化学一、本章小结1． 胶体系统及其特点胶体：分散相粒子在某个方向上的线度在1~100 nm范围的高分散系统称为胶体憎液溶胶具有高分散性、多相性、以及热力学不稳定性的特点2． 胶体系统的光学性质丁铎尔效应：由于胶体粒子大小，小于可见光的波长，而发生的光的散射之结果散射光的强度可由瑞利公式计算： 适用条件：入射光为非偏振光，各粒子散射光之间相互干涉忽略，分散相粒子不导电单位体积散射光的强度I ⑴与胶体分散相粒子体积的平方成正比； ⑵ 与入射光波长的4次方成反比；⑶ 分散相与分散介质的折射率相差越大，散射光越强；⑷ 与粒子的数密度成正比3． 胶体系统的动力性质(a) 布朗运动(b) 扩散 菲克第一定律 D称为扩散系数，单位：m2· s-1 (c) 沉降与沉降平衡 —— 贝林分布定律4． 胶体系统的电学性质⑴ Stern双电层模型⑵ ζ电势：滑动面与溶液本体之间的电势差称为ζ电势ζ电势的正负取决于胶体所带电荷的符号，胶体带正电荷时ζ >0，胶体带负电荷时ζ < 0从电泳速度与电渗速度计算ζ电势的公式： ⑶ 溶胶的电动现象：电泳、电渗、流动电势、沉降电势⑷ 憎液溶胶的胶团结构5． 憎液溶胶的稳定与聚沉⑴ 溶胶的稳定分散相粒子的带电、溶剂化作用及布朗运动是溶胶的三个重要的稳定原因。
⑵ 溶胶的聚沉舒尔策－哈迪价数规则：(a)与胶粒带电相反的离子是主要起聚沉作用的离子；(b)聚沉离子价数越高，聚沉作用越强 聚沉能力 Me+ :Me2+ :Me3+ = 16 :26 :36 = 1:64:729(c)电解质所含聚沉离子个数及价数皆相同的不同离子，聚沉能力取决于感胶离子序；(d)电解质所含离子价数及种类皆相同，但个数不同时，离子个数多的电解质聚沉能力强；(e)若外加电解质中反离子的个数、价数、种类全相同时，则需看另外一种离子，此离子对带异号电荷的胶粒聚沉能力越强，对带同号电荷胶粒的聚沉能力越弱6． 高分子溶液的渗透压与唐南平衡在达到渗透平衡时，不仅半透膜两侧溶液成平衡，电解质也达到平衡，此即唐南平衡二、本章要求1. 了解分散系统的分类，胶体的含义；2. 了解胶体系统光学特性、动力学特性、电学特性；3. 根据扩散双电层理论书写胶团结构，理解胶体稳定与破坏的因素；4. 了解乳状液的类型及稳定性；5. 了解高分子溶液的渗透压和唐南平衡三、思考题1. 如何从分散系统线度的大小定义粗分散系统、溶胶及真溶液? 胶体系统的主要特征是什么? 答：按分散系统线度的大小定义：粒子线度在1~100 nm(即10-9~10-7 m)的分散系统为胶体，小于1nm与大于100 nm的分散系统则分别为真溶液与粗分散系统。
胶体系统的主要特征：高度分散性、多相性和热力学不稳定性2. Tyndall效应的实质及产生条件各是什么？答：Tyndall效应的实质是分散粒子对光的散射作用，只有当入射光波长大于分散粒子的尺寸时，才会产生Tyndall效应3. 何谓胶体粒子的电动现象，它说明什么问题？答：外电场作用下固、液两相的相对运动，以及外力作用下固、液两相发生相对移动时电势差的产生，称为胶体的电动现象；电动现象说明分散相和分散介质带不同性质的电荷4. 由双电层模型说明什么是热力学电势ψ0，什么是Stern电势ψδ，什么是ζ电势，如何确定ζ电势的正、负号？答：固体表面与溶液本体之间的电势差称为热力学电势ψ0；紧密层与扩散层的分界处同溶液本体之间的电势差称为Stern电势ψδ；滑动面与溶液本体之间的电势差称为ζ电势，ζ电势的正负取决于胶体所带电荷的符号，胶体带正电荷时ζ > 0；胶体带负电荷时ζ < 05. ζ电势数值为什么能衡量溶胶的稳定性？论述ζ电势受电解质影响的因素答：ζ电势大，说明异电粒子进入扩散层多，在紧密层少，胶体带电多，溶剂化层厚，溶胶就比较稳定因此ζ电势的大小是衡量胶体稳定性的尺度在溶胶中加入电解质后，与胶粒表面电荷符号相反的离子浓度增大，将压缩扩散层使之变薄，把更多的反离子挤进滑动面内，中和固体表面的电荷，使ζ电势下降。
电解质浓度越大，异电离子价数越高，ζ电势下降的越快当双电层被压缩到与溶剂化层叠合时，ζ电势等于0当异电离子的价数高，吸附能力强，有较多的异电粒子进入溶剂化层时，可以改变ζ电势的符号6. 简述Stern扩散双电层理论要点？答：Stern扩散双电层理论要点：⑴ 分散相粒子的表面上带有相同符号的电荷，⑵ 反离子在静电力和热运动作用下，呈扩散状态分散在分散相粒子的周围，⑶ 分散相粒子周围为二层：紧密层和扩散层，⑷ 紧密层和扩散层的分界面为被吸附的溶剂化反离子中心连线所形成的假想面，称为Stern面，⑸ 当固、液两相相对移动时，滑动面在Stern面外，可知，固液表面、Stern面及滑动面与溶液本体之间的电势差分别称为热力学电势ψ0，Stern电势ψδ，ζ电势7. 试解释在新生成的Fe(OH)3沉淀中加入少量FeCl3溶液，沉淀会全溶解，如再加入一定量的硫酸盐溶液，又会析出沉淀?答：在新生成的Fe(OH)3沉淀中，加入少量FeCl3溶液，使之溶解，是一种胶溶作用，加入的FeCl3是稳定剂因Fe(OH)3吸附Fe3+而形成双电层，使胶粒带电而形成溶胶，即Fe(OH)3溶解当加入一定量的硫酸盐时，扩散层的异电离子被压缩而加入紧密层，使溶液电位减少而失去稳定性，致使溶胶聚结而沉淀。
8. 水与油不相溶，为何加入洗衣粉后即生成乳状液？答：当油分散在水中时，表面吉布斯函数增加，分散度越高，表面吉布斯函数也越大，所以是热力学不稳定系统洗衣粉主要成分是表面活性剂，加入洗衣粉能显著降低油－水界面的界面张力，而生成乳状液其次，洗衣粉中的表面活性剂分子在油—水界面上定向排列，亲水基指向水相，憎水基指向油相，形成坚固的保护膜，防止液滴聚结洗衣粉中的离子型表面活性剂还能离解成正负离子，形成双电层这些作用都使乳状液稳定四、部分习题答案T1. 某溶胶中粒子平均直径为4.2×10-9 m，设25 oC时其黏度h＝1.0×10-3Pa·s计算(1) 25 oC时，胶粒因布朗运动在1秒钟内沿x轴方向的平均位移；(2)胶粒的扩散系数解：(1) (2) T2. 某金溶胶粒子半径为30 nm，25 oC时，于重力场中达到平衡后，在高度相距0.1 mm的某指定体积内粒子数分别为277个和166个，已知金与分散介质的密度分别为19.3×103 kg·m-3及1.00×103 kg·m-3试计算阿伏加得罗常数解： T3. 通过电泳实验测定BaSO4溶胶的z电势实验中，两极间电势差150 V，距离30 cm，通电30 min溶胶界面移动25.5 mm，求该溶胶的z电势。
已知分散介质的相对介电常数e=81.1,黏度h=1.03×10-3 Pa·s相对介电常数er、介电常数e、真空介电常数e0间关系为er＝e/e0， e0＝8.854×10-12 F·m-1 1 F=1 C·V-1解： T4. 在NaOH溶液中用HCHO还原HAuCl4可制得金溶胶NaOH + HAuCl4 = NaAuO2 + 4 NaCl + 3 H2O2 NaAuO2 + 3 HCHO + NaOH = 2 Au(s) + 3 HCOONa + 2 H2ONaAuO2是上述方法制得金溶胶的稳定剂，写出该金溶胶胶团结构表示式解： {[Au]mnAuO2-·(n-x)Na+}x-·xNa+T5. 在Ba(NO3)2溶液中滴加Na2SO4溶液可制备BaSO4溶胶分别写出(1) Ba(NO3)2溶液过量，(2) Na2SO4溶液过量时的胶团结构表示式解：(1) {[BaSO4]mnBa2+·2(n-x)NO3-}2x+·2xNO3- 或 {[BaSO4]mnBa2+·(2n-x)NO3-}x+·xNO3-(2) {[BaSO4]mnSO42-·2(n-x)Na+}2x-·2xNa+ 或 {[BaSO4]mnSO42-·(2n-x)Na+}x-·xNa+T6. 在H3AsO3稀溶液中通入H2S气体，生成As2S3溶胶。
已知H2S能解离成H+和HS-试写出As2S3胶团结构比较电解质AlCl3、MgSO4、KCl对该溶胶聚沉能力的大小解： {[As2S3]mnHS-·(n-x)H+}x-·xH+电解质聚沉能力： AlCl3 > MgSO4 > KCl T7. 以等体积的0.08 mol·dm-3 AgNO3溶液和0.1 mol·dm-3 KCl溶液制备AgCl溶胶1)写出胶团结构式，指出电场中胶体粒子的移动方向；(2) 加入电解质MgSO4、AlCl3、Na3PO4使上述溶胶发生聚沉，则电解质聚沉能力大小顺序是什么？解：(1) {[AgCl]mnCl-·(n-x)K+}x-·xK+ ， 胶粒向正极移动(2) 电解质聚沉能力： AlCl3 > MgSO4 > Na3PO4T8. 某带正电荷溶胶，KNO3作为沉淀剂时，聚沉值为50×10-3 mol·dm-3，若用K2SO4作沉淀剂，其聚沉值大约为多少?解： K2SO4的聚沉值大约为 50×10-3 / 26＝0.78×10-3 mol·dm-3T9. 在三个烧瓶中分别盛有0.02 dm3的Fe(OH)3溶胶，分别加入NaCl、Na2SO4、Na3PO4溶液使溶胶发生聚沉，最少需要加入1.00 mol·dm-3的NaCl溶液0.021 dm3；5.0×10-3 mol·dm-3的Na2SO4溶液0.125 dm3；3.333×10-3 mol·dm-3的Na3PO4溶液0.0074 dm3。
试计算各电解质的聚沉值、聚沉能力之比，并指出胶粒的带电符号解：NaCl的聚沉值为：0.021×1/(0.020＋0.021)＝0.512 mol·dm-3Na2SO4的聚沉值为：0.125×5×10-3/(0.125＋0.020)＝4.31×10-3 mol·dm-3Na3PO4的聚沉值为：3.333×10-3×0.0074/(0.0074＋0.020)＝0.9×10-3 mol·dm-3聚沉能力之比为：Fe(OH)3胶体离子带正电T10. 直径为1 mm的石英微尘从高度为1.7 m处降落到地面需要多少时间？已知石英密度2.63×103 kg·m-3，空气黏度h＝1.82×10-5 Pa·s解： 石英粒子沉降速度 u＝2 r2 (r-r0) g / 9 h＝2×(5×10-7)2×2.63×103×9.80 / (9×1.82×10-5)＝7.87×10-5 m·s-1降落到地面需要的时间 t ＝ h / u＝1.7 / 7.87×10-5 s ＝21607.8 s＝6.002 hT11. 如图所示，在27 oC时，膜内高分子水溶液的浓度为0.1 mol·dm-3，膜外NaCl浓度为0.5 mol·dm-3，R+代表不能透过膜的高分子正离子，试求平衡后溶液的渗透压为多少？R+， Cl-0.1， 0.1Na+， Cl-0.5， 0.5解：设平衡后膜内外的浓度如图所示R+， Cl-， Na+0.1，0.1+x，xNa+， Cl-0.5-x，0.5-x设NaCl的起始浓度为c0＝0.5 mol·dm-3，RCl的起始浓度为c＝0.1 mol·dm-3则 平衡时(0.1+x) x(mol·dm-3)2=(0.5-x)。