物理化学核心教程电子教案第10章 胶体分散系统配有心形聚光器的显微镜显微镜物镜胶体Date10.1 胶体分散系统概述10.2 溶胶的动力和光学性质10.3 溶胶的电学性质10.4 溶胶的稳定性和聚沉作用10.5 大分子概说10.6 Donnan平衡10.7 凝胶10.8 纳米技术与应用简介 第10章 胶体分散系统Date 10.1 胶体分散系统概述 1. 分散系统的分类 2. 憎液溶胶的制备 3. 胶团的结构 4. 溶胶的净化 Date分类系统通常有三种分类方法：分子分散系统1. 按分散相粒子的大小分2. 按分散介质的物态分液溶胶3. 按胶体分散系统的性质分 憎液溶胶 胶体分散系统粗分散系统固溶胶气溶胶亲液溶胶缔合溶胶 10.1 胶体分散系统概述(1) 分子分散系统 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，分子半径大小在10-9 m以下 通常把这种系统称为真溶液，如CuSO4水溶液2）胶体分散系统 分散相粒子的半径在1100 nm的系统目测是均匀的，但实际是多相不均匀系统也有的将1 1000 nm的粒子归入胶体范畴3）粗分散系统 当分散相粒子大于1000 nm，目测是混浊不均匀系统，放置后会沉淀或分层，如黄河水。
1. 按分散相粒子的大小分类2. 按分散介质的物态分类（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，则形成不同的液溶胶C. 液-固溶胶 如油漆，AgI溶胶等B. 液-液溶胶 如牛奶，石油原油等A. 液-气溶胶 如泡沫2. 按分散介质的物态分类（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C. 固-固溶胶 有色玻璃，不完全互溶的合金B. 固-液溶胶 珍珠，某些宝石A. 固-气溶胶 泡沫塑料，沸石分子筛2. 按分散介质的物态分类（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液体时，形成气-固或气-液溶胶B. 气-固溶胶 如青烟，含细尘的空气A. 气-液溶胶 如雾，某些云 没有气-气溶胶，因为不同的气体混合后是单相均一系统，不属于胶体范围3. 按胶体分散系统的性质分类（1）憎液溶胶 半径为1 100 nm的难溶物固体粒子保持了原有的性质，分散在液体介质中，有很大的相界面，易聚沉，是热力学上的不稳定系统 一旦将介质蒸发，再加入介质就无法再形成溶胶，是 一个不可逆系统，如氢氧化铁溶胶、碘化银溶胶等 这是胶体分散系统中主要研究的内容。
由 ， 和 等难溶物质分散在液体介质(通常是水)中形成的溶胶 3. 按胶体分散系统的性质分类（1）憎液溶胶 形成憎液溶胶的必要条件是： （A）分散相的溶解度要小 （B）还必须有稳定剂存在，否则胶粒容易聚结，而发生聚沉现象 3. 按胶体分散系统的性质分类（2）亲液溶胶 半径落在胶体粒子范围内的大分子物质，溶解在合适的溶剂中形成的溶胶亲液溶胶是热力学上稳定、可逆的系统 一旦将溶剂蒸发，大分子化合物凝聚，再加入溶剂，又可形成溶胶 分散相分子本身的大小已达到胶粒范围，它的扩散速率小、不能透过半透膜等性质与胶体系统相似 3. 按胶体分散系统的性质分类（3）缔合胶体 由表面活性物质缔合形成胶束，分散在介质中，胶束半径已落在胶体粒子范围内 或由缔合表面活性物质保护的一种微小液滴，均匀地分散在另一种液体介质中，形成半径落在胶体粒子范围内的微乳状液 对球形颗粒，是指直径，俗称为纳米粒子或超细微粒；对片状物质，是指厚度，俗称纳米膜；对线状物质，指线径或管径，俗称纳米线或纳米管 10.1.2 憎液溶胶的制备 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： 1. 分散法 2. 凝聚法 用机械设备、电能或热能等将粗分散的难溶物质分散成微小颗粒。
用化学或物理方法，将分子或离子凝聚成一定粒度的胶粒 10.1.2 憎液溶胶的制备1. 分散法 这种磨的转速极快，每分钟高达1万转以上两个磨盘之间的距离极小，使从顶部加入的粗分散粒子在强大的应切力下被粉碎 （1） 胶体磨 这方法适用于脆而易碎的物质，对柔韧性的物质必须先硬化后再粉碎例如，将废轮胎粉碎，先用液氮处理，硬化后再研磨 干法只加入粗分散的粒子，而湿法是将粗分散粒子、稳定剂和介质一起加入，这样得到的胶体系统比较稳定 10.1.2 憎液溶胶的制备盘式胶体磨 10.1.2 憎液溶胶的制备转速约每分钟1万2万转 A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 这种方法可制备1000 nm左右的粒子 10.1.2 憎液溶胶的制备（2） 喷射磨 在装有两个高压喷嘴的粉碎室中，一个喷高压空气，一个喷物料，两束超音速物流以一定角度相交，形成涡流，将粒子粉碎3） 电弧法 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可制备粒径小于1000 nm的粒子 10.1.2 憎液溶胶的制备 将金属做成两个电极，浸在水中，盛水的盘子放在冰浴中。
制备时在两电极上施加 直流电，调节电极之间的距离，使之形成电弧 在水中加入少量NaOH 作为稳定剂这时表面金属蒸发，是分散过程接着金属蒸气立即被水冷却而凝聚为胶粒 10.1.2 憎液溶胶的制备2. 凝聚法 通过各种化学反应，使生成物呈过饱和状态， （1） 化学凝聚法 通过各种化学反应或物理方法，使分子或离子凝聚成一定粒度的胶粒 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 10.1.2 憎液溶胶的制备例如，硫化砷溶胶的制备 又如，用水解反应制氢氧化铁溶胶 稳定剂是略过量的反应物硫化氢 FeCl3 (稀)+3H2O (热) = Fe(OH)3 (溶胶)+3HCl稳定剂是反应过程中产生的FeO+ 10.1.2 憎液溶胶的制备 （2） 物理凝聚法 蒸气凝聚法 例如，将汞蒸气通入冷水中，可获得汞的水溶胶 在加热汞时生成的少量氧化物作为稳定剂更换溶剂法 例如, 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 实际是利用物质在不同溶剂中的溶解度不同,把普通溶液突然变成过饱和溶液，使溶质凝聚成胶粒 10.1.3 胶团的结构 胶团的结构比较复杂，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； 胶粒与扩散层中的反号离子，形成一个电中性的胶团。
由于正、负电荷相吸，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； 10.1.3 胶团的结构现以制备碘化银溶胶为例过量的 KI 作稳定剂 胶团的结构表达式 ： 胶核 胶粒(带负电) 胶团(电中性)(AgI)m胶核胶粒胶团胶团的图示式：n I (n-x)K+x xK+ 10.1.3 胶团的结构(AgI)m n Ag+ (n-x)NO3x+ x NO3胶核胶粒胶团 胶团的图示式：胶核 胶粒(带正电) 胶团(电中性) 胶团的结构表达式： 过量的 AgNO3 作稳定剂 10.1.4 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 净化的方法主要有渗析法和超过滤法 少量电解质 可以作为溶胶的稳定剂 过多的电解质 的存在会使溶胶不稳定，容易聚沉，所以必须除去1. 渗析法简单渗析 利用浓差，多余的电解质离子不断向膜外渗透 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，膜外放纯水经常更换溶剂，就可以净化半透膜容器内的溶胶 10.1.4 溶胶的净化溶胶 10.1.4 溶胶的净化电渗析 为了加快渗析速度，在半透膜的两侧外加电场 10.1.4 溶胶的净化 使多余的电解质离子向相应的电极作定向移动 溶剂水不断自动更换，这样可以提高净化速度溶胶 用半透膜作滤纸，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 将半透膜上的胶粒迅速用含有稳定剂的介质再次分散 10.1.4 溶胶的净化 在生物化学中常用超过滤法测定蛋白质分子、酶分子、病毒和细菌分子的大小 电超过滤： 有时为了加快过滤速度，在半透膜两边安放电极，施以一定电压， 将电渗析和超过滤合并使用，这样可以降低超过滤压力 10.1.4 溶胶的净化 10.2 溶胶的动力和光学性质1. 动力性质 2. 光学性质 10.2.1 动力性质1. Brown运动 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粉末不断地作不规则的运动 后来又发现许多其它物质如煤、 化石、金属等的粉末也都有类似的现象人们称微粒的这种运动为Brown运动 但在很长的一段时间里，这种现象的本质没有得到阐明 10.2.1 动力性质1. Brown运动 1903年发明了超显微镜，为研究布朗运动提供了物质条件 用超显微镜可以观察到溶胶粒子不断地作不规则“之”字形的运动从而能够测出在一定时间内粒子的平均位移 10.2.1 动力性质1. Brown运动 通过大量观察，得出结论：粒子越小，布朗运动越激烈 其运动激烈的程度不随时间而改变，但随温度的升高而增加。
10.2.1 动力性质1. Brown运动 1905年Einstein（爱因斯坦)等人才阐述了Brown运动的本质 认为Brown运动是分散介质分子以不同大小和不同方向的力对胶体粒子不断撞击而产生的. 由于受到的力不平衡，所以连续以不同方向、不同速度作不规则运动 10.2.1 动力性质 Einstein认为，溶胶粒子的Brown运动与分子运动类似，平均动能为 并假设粒子是球形的 运用分子运动论的一些基本概念和公式，得到Brown运动的公式为 10.2.1 动力性质r 为胶粒的半径；为介质的黏度；L 为 Avogadro 常量 这个公式把粒子的位移与粒子的大小、介质黏度、温度以及观察时间等联系起来是在观察时间t内粒子沿x轴方向的平均位移； 10.2.1 动力性质2. 扩散与渗透压 Einstein 对球形粒子导出了胶粒在时间t内,平均位移与扩散系数D之间的定量关系因为这就是Einstein-Brown 位移方程代入得 10.2.1 动力性质2. 扩散与渗透压 从 Brown 运动实验，测出平均位移，就可求出扩散系数D有了扩散系数，就可以从上式求粒子半径 r 已知 r 和粒子密度 ，可以计算粒子的摩尔质量 扩散系数D的物理意义是：在单位时间内、单位浓度梯度下通过单位截面积的物质的质量。
10.2.1 动力性质2. 扩散与渗透压 由于胶粒不能透过半透膜，而介质分子或外加的电解质离子可以透过半透膜，所以有从化学势高的一方向化学势低的一方自发渗透的趋势 溶胶的渗透压可以借用稀溶液渗透压公式计算：式中c为胶粒的浓度由于憎液溶胶不稳定，浓度不能太大，所以测出的渗透压及其他依数性质都很小 10.2.1 动力性质3. 沉降与沉降平衡 溶胶的胶粒一方面受到重力吸引而下降，另一方面由于Brown运动促使浓度趋于均一 当这两种效应相反的力相等时，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，如图所示 这种平衡称为沉降平衡 10.2.1 动力性质3. 沉降与沉降平衡 达到沉降平衡时，粒子随高度分布的情况与大气在地球表面分布类似，可以用高度分布定律 根据高度分布定律可知 粒子质量越大，其平衡浓度随高度的降低也越大 上层粒子小而稀疏，下层粒子大而密集 10.2.2 光学性质光散射现象可见光的波长为400760 nm （1）当光束通过粗分散系统，由于粒子大于入射光的波长，主要发生反射，系统呈现混浊 （2）当光束通过憎液溶胶时，由于胶粒直径远小于可见光的波长，主要发生散射，可以看见乳白色的光柱。
当光束通过分散系统时，一部分自由地通过，一部分被吸收、反射或散射 10.2.。