胶体溶液解析

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1、第四章 胶体溶液第一节 分散系一种或几种物质分散在另一种物质中所形成的体系叫分散系。 被分散成微 粒的物质叫分散质或分散相；能容纳分散相的连续介质叫分散剂或分散介质。分散系的形式是多种多样的。学生思考：举例说明分散系、分散质、分散剂的概念。分散质粒子大小在1nm100n m之间的体系叫胶体分散系。第二节 溶胶溶胶是胶体溶液的简称，其分散质粒子（胶粒）的大小在1nm100nm之间, 是由大量的分子或离子组成的聚集体，在分散质和分散剂之间存在有相界面。溶 胶具有高度分散性、多相性和聚结不稳定性，由此导致了溶胶在光学、动力学和 电学等方面具有一些特殊性质。一、溶胶的基本性质（一）溶胶的光学性质丁铎尔

2、现象：在暗室中，用一束聚焦的光束照射溶胶，在与光束垂直的方 向观察，可以看到溶胶中有一道明亮的光柱，这种现象称为丁铎尔现象。（二）溶胶的动力学性质 溶胶粒子时刻处于无规则的运动状态，因而表现出扩散、沉降等与胶粒大小 及形状等属性有关的运动特性，称之为溶胶的动力学性质。1. 布朗运动：溶胶的胶粒，在介质中不停地作不定向的、无规则的运动现 象，称为布朗运动。由于分散介质的分子从各个方向以不等的力撞击溶胶粒子， 胶粒在每一瞬间受到碰撞的合力大小和方向不同，所以胶粒处于不停的无秩序运 动状态。2. 扩散：当溶胶中的胶粒存在浓度差时，胶粒将从浓度大的区域向浓度小 的区域迁移，这种现象称为胶粒的扩散。溶胶

3、粘度越小，浓度差越大，温度越高，越容易扩散。3. 沉降：溶胶粒子受重力作用逐渐下沉的现象称为沉降。溶胶胶粒较小， 扩散和沉降两种作用同时存在。一方面由于布朗运动使胶粒向上扩散，另一方面 由于重力作用使胶粒向下沉降。当扩散和沉降这两种相反作用的速度相等时，系 统处于平衡状态，称为沉降平衡。平衡时，胶粒的浓度从上到下逐渐增大，形成 一个稳定的浓度梯度。（三）电学性质电泳：在外电场的作用下，溶胶粒子在介质中定向移动的现象称为电泳。例如，在一个U型管中注入棕红色的Fe（OH）溶胶，小心地在Fe（OH）溶胶上面33注入适量的NaCl溶液。然后分别插入电极，接通直流电源，一段时间后，可以 看到负极一端的棕

4、红色界面上升，正极一端的棕红色界面下降。结果表明，这种 溶胶的胶粒带正电，向负极移动。图示如下：实验证明，大多数金属氢氧化物溶胶的胶粒带正电，称为正溶胶；大多数金 属硫化物、非金属氧化物、硅胶、金、银等溶胶的胶粒带负电，称为负溶胶。研究电泳现象，不仅有助于了解溶胶的结构及其电学性质，而且在蛋白质、多肽、 氨基酸和核酸等物质的分离和鉴定方面有着广泛的应用。课堂练习：要求背诵丁铎尔现象、布朗运动、扩散、沉降和电泳的概念。二、溶胶的结构（一）胶粒带电的原因（教学重、难点）溶胶的电学性质，表明胶粒带电。胶粒带电有两种主要原因：1.胶核界面的选择性吸附溶胶是高度分散的多相体系，分散质具有很大 的表面积，

5、溶胶粒子中的胶核（原子、离子或分子的聚集体）具有吸附其他物质 而降低其界面能的趋势，通常会选择性地吸附分散系中与其组成类似的离子，使 其界面带有一定量的电荷。例如，制备氢氧化铁溶胶，化学反应式为：FeCl3+3H2OfFe(OH)3+3HCl溶液中有部分Fe(OH)3与HC1作用，化学反应式为：Fe(OH)3+HClfFeOCl+2H2OFeOClFeO+Cl-由若干个 Fe(OH)3 分子聚集成直径为 1nm 100nm 的固体粒子，它是溶胶粒 子的核心，称为胶核。胶核能选择性地吸附溶液中与其组成类似的FeO+而带正 电荷，而溶胶中电性相反的Cl-(称反离子)则留在介质中。又如，利用硝酸银和

6、碘化钾制备碘化银溶胶，化学反应式为：AgNO3+KIAgI+KNO3如改变两种反应物的相对用量，可使制备的碘化银溶胶带有不同符号的电 荷。当KI过量时，AgI胶核吸附过量的I-而带负电荷；当AgNO3过量时，AgI 胶核则吸附过量的Ag+而带正电荷。2. 胶核表面分子的解离 胶核和介质接触后，表面上的分子与分散介质 作用而解离，其中的一种离子扩散到介质中，这时胶核表面便带相反的电荷。例 如，由硅胶制备的溶胶，胶核是由许多xSiO2 yH2O分子组成的，其表面与水 作用所形成的H2SiO3是一种弱酸，可以解离成SiO32-和H+。H2SiO3jHSiO3 - +H+HSiO3-iO32-+H+H

7、+扩散到介质中去，而HSiO3-和SiO32-则滞留在胶核表面，其结果使胶粒 带负电荷，故硅胶为负溶胶。(二)、胶团的双电层结构(教学难点)反离子有两种趋势：一是受到胶核的异电吸引，有靠近胶核表面的趋势；二 是因离子的扩散作用，又有远离胶核表面的趋势。这两种相反趋势共同作用的结 果，只有一部分反离子被紧密地吸引在胶核表面，并与胶核表面的离子一起而形 成带电层，称为吸附层，其厚度约为 1个分子厚度的距离。胶核与吸附层构成胶 粒。在吸附层外面，另一部分反离子则分布于胶粒的周围，距胶核越近，浓度越 大，愈远渐稀，形成了与吸附层电荷符号相反的另一个带电层，它的厚度取决于 反离子向介质中扩散的程度，称为

8、扩散层。这种由吸附层和扩散层构成的电性相 反的两层，称为双电层。胶粒和扩散层构成胶团。胶团以外的介质称为胶团间液， 溶胶是胶团和胶团间液所构成的整体。胶粒和扩散层的电荷符号相反，电量相等， 所以整个胶团呈电中性，溶胶不显电性。在电场中，胶粒能够定向移动，是独立 运动的单位。通常所说的溶胶带电，实际是指胶粒而言的。例如，在氢氧化铁溶胶中，由m个Fe(OH)分子聚集成胶核，胶核选择性地3吸附了 n个FeO+ (mn)，同时还紧密吸附了(n-x )个Cl -，便形成了胶粒。 扩散层中有x个Cl-。氢氧化铁溶胶的胶团结构，也可用简式表示如下：胶核吸附层扩散层nFeO + (n-X)Cl x*XCr、/

9、,胶粒、“#胶团三、溶胶的稳定性和聚沉(一) 稳定性溶胶是高度分散的多相体系，具有热力学不稳定性，但纯化的溶胶却能稳定 地存在相当长的时间，具有动力学和电学稳定性。这种能够在相对较长时间内稳 定存在的性质称为溶胶的稳定性。溶胶能够保持相对稳定的主要原因是胶粒带 电、水化膜的存在和布朗运动。其中最主要的原因是胶粒带电。(二) 聚沉削弱或消除溶胶稳定的因素，胶粒就会聚集成较大的颗粒，这个过程称为凝 聚。当溶胶粒子聚集成更大的颗粒时，其布朗运动克服不了重力的作用，溶胶 粒子从分散介质中沉淀析出的现象，称为聚沉。使溶胶聚沉的方法主要有以下几 种：1 加入强电解质 溶胶对电解质很敏感，向溶胶中加入少量的

10、电解质，就 能促使溶胶聚沉。使胶粒所带的电荷数减少甚至消除，使胶粒间的斥力减小，扩 散层和水化膜随之变薄或消失，这样胶粒就能迅速凝聚而聚沉。例如，向Fe(OH)3 溶胶中加入少量的KSO溶液，立即出现聚沉，析出氢氧化铁沉淀。242. 加入带相反电荷的溶胶两种带相反电荷的溶胶按适当比例混合，彼此 所带的电荷相互抵消，引起溶胶的聚沉。如用明矶净水就是溶胶相互聚沉的实例。3. 加热加热能使溶胶发生聚沉。因为加热增加了胶粒的运动速度和碰撞 机会，削弱了胶粒的吸附作用和溶剂化程度，使溶胶发生聚沉。课堂练习：1、溶胶能够保持相对稳定的主要因素是什么？2、使溶胶聚沉的方法有哪些？第三节 高分子化合物溶液一、

11、高分子化合物的概念 相对分子量在一万以上、甚至高达几百万的化合物叫高分子化合物。它包括 天然高分子和合成高分子两类。虽然高分子化合物的相对分子质量很大，但组成一般比较简单。例如，聚糖 类的纤维素、淀粉和糖原的分子，都是由数千个葡萄糖残基（一CH 0 ）连6 10 5接而成，它们的通式可写为（C H 0 ），但各物质的分子链长度和链节的结6 10 5 n 合方式不同，因而会形成线状或分枝状结构的高分子化合物。二、高分子化合物溶液的特性 由高分子化合物所形成的溶液称为高分子化合物溶液。（一）稳定性较大 高分子化合物溶液比溶胶的稳定性更高，在无菌、溶剂不蒸发的情况下，可 以长期放置而不沉淀。在稳定性

12、方面它与真溶液相似。生物高分子化合物具有许多亲水基团（如一OH、一COOH、一NH等），这些基2团与水有很强的亲和力。当高分子化合物溶解在水中时，在其表面上牢固地吸引 着许多水分子，形成一层水化膜，这层水化膜与溶胶粒子的水化膜相比，在厚度 和紧密程度上都要大得多，因而它在水溶液中比溶胶粒子稳定得多。用大量电解 质使高分子化合物从溶液中沉淀析出的过程，称为盐析。（二）粘度较大 真溶液和溶胶的粘度与纯溶剂相比，差异不大，而高分子化合物溶液的粘度 相比之下要大得多。其原因是高分子化合物具有线状或分枝状结构，在溶液中， 受到介质的牵引而运动困难，加上高分子化合物的高度溶剂化（若溶剂为水， 则为水化），

13、使自由流动的溶剂减少，故粘度较大。高分子溶液的粘度受许多因素的影响，如浓度、温度、压强及时间等。三、高分子溶液对溶胶的保护作用 在溶胶中加入适量的高分子溶液，可以显著地提高溶胶的稳定性，当受到外界因素作用时（如加入电解质），不易发生聚沉，这种现象称为高分子溶液对 溶胶的保护作用。例如，在含有明胶的硝酸银溶液中加入适量的氯化钠溶液，则 反应生成的氯化银不易出现沉淀，而容易形成氯化银胶体溶液。高分子化合物对溶胶的保护作用，一般认为是由于加入的高分子化合物都 是能卷曲的线形分子，很容易被吸附在溶胶粒子表面上，将整个胶粒包裹起来 形成一个保护层；又由于高分子化合物水化能力很强，在高分子化合物外面又形

14、成了一层水化膜，这样就阻止了溶胶粒子的聚集，从而提高了溶胶的稳定性。示 意图如下。亠禧啟未挪到保护K濬胶得到保护高分子化合物对溶胶的保护作用在生理过程中很重要。血液中的碳酸钙、磷 酸钙等微溶性的无机盐类，它们都是以溶胶的形式存在的，由于血液中的蛋白质 对这些盐类（溶胶）具有保护作用，所以它们在血液中的含量虽然比在水中的浓 度提高了近5倍，但仍然能稳定存在而不聚沉。当发生某些疾病使血液中的蛋白 质减少时，减弱了对这些盐类（溶胶）的保护作用，微溶性盐类就可能沉积在肝、 肾等器官中。医药上用于胃肠道造影的硫酸钡合剂，其中就含有足够量的高分子化合物一 阿拉伯胶，它对硫酸钡溶胶具有保护作用。当患者口服后

15、，硫酸钡胶浆就能均 匀地粘附在胃肠道壁上形成薄膜，从而有利于造影检查。医药用的防腐剂胶体银（如蛋白银），也是利用蛋白质的保护作用制成的银的胶态制剂，使银稳定地分 散于水中。问题思考：高分子溶液对溶胶具有保护作用，在医药中有何意义？四、凝胶（一）凝胶的形成在一定条件下，如浓度增大、温度下降或溶解度减小时，很多高分子化合 物溶液的粘度会逐渐变大，最后失去流动性，整个体系就会变成具有立体网状 结构的弹性半固态物质，这种物质叫做凝胶。例如，将琼脂、明胶、动物胶等物 质溶解在热水中，静置冷却后，即变成凝胶。形成凝胶的过程称为交凝。形成凝 胶的原因是，很多具有线状或分枝状结构的高分子化合物，象一堆散乱的杂草， 在彼此的接触点上相互交联，形成立体网状结构。尽管网眼很不规则，但能把分 散介质包围在网眼中间，使其不能自由流动，整个体系就变成半固体。由于构成 网架的高分子化合物具有柔顺性，所以，整个凝胶也具有弹性。凝胶中包含的溶 剂量可以很大，例如，在凝结的血块中也含有大量的水分。凡是影响高分子化合 物溶液粘度的因素，都能影响凝胶的形成。凝胶的表现形式是多种多样的。它既可以是豆腐、凉粉和干菜等；也可以是 琼脂、浆糊和皮革等；还可以是毛发、指甲、皮肤、肌肉、细胞膜、髓质和软骨 等等。可以说，人体中的水大部分都保存在凝胶中，生命过程的很多物质交换和 分布，都与凝胶密切相关，