胶体化学第一篇： 理论胶体化学

1、胶体化学及其应用 第一篇：理论胶体化学 第一篇 理论胶体化学 第一章 胶体化学概论 1.1 分散体系与胶体 1.2 胶体化学的研究内容及意义 1.3 胶体化学的广泛应用 第二章 胶体体系的基本性质 2.1 胶体的动力学性质 2.2 胶体的光学性质 2.3 胶体的电学性质 2.4 胶体的稳定与聚沉 第一篇 理论胶体化学 第三章 界面现象与表面活性 3.1 表面张力 3.2 弯曲界面的一些现象 3.3 固体表面上的气体吸附 3.4 液体表面上的吸附 3.5 固体在溶液中的吸附 3.6 表面活性剂 第四章 高分子溶液与凝胶 4.1 高分子溶液 4.2 凝胶 第五章 胶体体系的制备与净化 5.1 胶体

2、体系的制备 5.2 溶胶的净化 第六章 吸附剂 6.1 吸附剂的结构特点和性能参数 6.2 活性炭 6.3 硅胶 6.4 活性氧化铝 6.5 粘土 6.6 吸附树脂 6.7 硅藻土 6.8 分子筛 第二篇：应用胶体化学 第七章第七章 固体颗粒和固液分散体系固体颗粒和固液分散体系 7.1 胶体的制备 7.2 颗粒的平均粒径与粒度分布 7.3 钻井液 7.4 水泥浆 7.5 陶瓷 7.6 颜料、涂料和油墨 7.7 牙膏磨料 7.8 塑料和橡胶中的填料 7.9 水和污水的处理 7.10 浮选 7.11 造纸 第二篇：应用胶体化学 第八章 乳状液与表面活性剂乳状液与表面活性剂 8.1 乳化与破乳技术

3、8.2 乳状液性质测定 8.3 化妆品 8.4 食品 8.5 纺织与染整 8.7 农药 8.8 原油乳化与脱水 8.9 沥青乳状液 8.10 微乳液与三次采油 8.11 乳液聚合 8.12 洗涤用品 8.13 液膜分离 第九章第九章 表面改性表面改性 9.1 玻璃纤维的表面处理 9.2 填料表面改性 9.3 改性硅胶 9.4 活性炭改性 9.5 粘土表面改性 9.6 颜料表面改性 第二篇：应用胶体化学 第十章第十章 微胶囊微胶囊 10.1 基本概念 10.2 微胶囊的功能 10.3 微囊化方法和步骤 10.4 性能测试 10.5 医药工业方面的应用 10.6 食品工业 10.7 农业上的应用

4、10.8 染料与颜料包封举例 第二篇：应用胶体化学 第一章 胶体化学概论 例如： 云 牛奶 珍珠 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 medium)。 1.1 分散体系与胶体 分散系 分散系分散系 ：一种或几种物质以一定分散程度分散在另：一种或几种物质以一定分散程度分散在另 一种物质中所形成的体系，称为分散体系。被分散一种物质中所形成的体系，称为分散体系。被分散 的物质称为分散质。另一种物质称为分散剂。最简的物质称为分散质。另一种物质称为分散剂。最简 单的

5、分散体系总是由两相组成，例如大气层中的尘单的分散体系总是由两相组成，例如大气层中的尘 埃、水滴称为分散质，空气称为分散剂，又如工业埃、水滴称为分散质，空气称为分散剂，又如工业 废水中的杂质、泥砂等是分散质，水是分散剂。如废水中的杂质、泥砂等是分散质，水是分散剂。如 此可见，分散质是不连续相，分散剂是连续相。此可见，分散质是不连续相，分散剂是连续相。 分散系 = 分散质 + 分散剂 例如： 云雾 水滴 空气 汽水 CO2 水 矿石 金属化合物 岩石 溶液 溶质 溶剂 按分散相粒子直径的大小，通常有三种分散系统 1、分子分散系统溶液 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

6、相，分子直径在1 nm 以下 。 稳定、均匀、透明，能透过滤纸和半透膜，对光的散 射弱 2、胶体分散系统溶胶，高分子分散体系 分散相粒子的直径在1 nm100 nm之间，目测是均 匀的，但实际是多相不均匀系统。 稳定，能透过滤纸但不能透过半透膜 高分子溶液（单相）：对光的散射弱； 溶胶（多相）：对光的散射强 分散系 3、粗分散系统悬浊液和乳状液 当分散相粒子直径大于100 nm，目测是混浊不均匀 系统，放置后会沉淀或分层。 多相：包括悬浊液和乳状液。不稳定，不能透过滤 纸和半透膜，无光的散射 胶体分类 本世纪初，人们根据胶体系统的性质把胶 体区分为两类：亲液胶体和憎液胶体。如蛋白 质、明胶等容

7、易与水形成胶体的溶液叫作亲液 胶体，而那些本质上不溶于介质的物质必须 经过适当处理后，才可以将它分散在某种介质 中，叫作憎液胶体。例如金溶胶、硫砷溶胶等 等，都是典型的憎液胶体。 胶体分类 根据胶体系统的性质分类： （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。 本章主要讨论憎液溶胶 （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

8、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。 胶体分类 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，则形成不同的液溶胶： A. 液-固溶胶 如油漆，AgI 溶胶 B. 液-液溶胶 如牛奶，石油原油等乳状液 C. 液-气溶胶 如泡沫 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

9、 如有色玻璃，不完全互溶的合金 B. 固-液溶胶 如珍珠，某些宝石 C. 固-气溶胶 如泡沫塑料，沸石分子筛 胶体分类 胶体分类 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 为固体或液体时，形成气-固或气-液溶胶，但没有 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。 A. 气-固溶胶 如烟，含尘的空气 B. 气-液溶胶 如雾，云 胶体分类 若根据分散相和分散介质的聚集状态进行分类 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

10、象。 （2）多相不均匀性 具有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。 胶团的结构 形成憎液溶胶的必要条件是： （1）分散相的溶解度要小； （2）还必须有稳定剂存在，否则胶粒易聚结而 聚沉。 胶团的结构 胶粒的结构比较复杂，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；由于正、负电荷相吸

11、，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号离子，形成一个电中性的 胶团。 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 胶团的结构 例1：AgNO3 + KIKNO3 + AgI (AgI)m n I (n-x)K+x xK+ 胶核 胶粒 胶团 胶团的图示式： 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 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 胶团的图示式： 过

12、量的 AgNO3 作稳定剂 胶团的结构表达式： 胶核 胶粒(带正电) 胶团(电中性) 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。 在溶胶中胶粒是独立运动单位，通常所说溶胶 带电系指胶粒而言 胶团没有固定的直径和质量，同一种溶胶的值 也不是一个固定的数值 胶团的形状 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 球形质点 带状的质点 丝状的质点 胶体体系的特点 胶体是物质存在的一种特殊状态，而不是一种 特殊的物质

13、。任何一种物质在一定的条件下可以 制备成真溶液，而在另一条件下又可以制备成胶 体溶液。例如晶体氯化钠它在水中溶解成为真溶 液。若用适当的方法使它分散于苯或醚中，则形 成胶体溶液。同样，硫磺分散在乙醇中为真溶液， 若分散在水中则成为硫磺水溶液。 胶体系统特点胶体系统特点 （1）它是多相不均匀体系，分散相与分散介质之 间存在着物理界面。胶体粒子是由大量的原子或分 子组成的，胶团量可以是几万到几百万。 （2）它与真溶液不同，它在热力学上是不稳定系 统，有自动聚结的倾向； （3）由于胶粒的无规则热运动使胶体表现出反聚 沉的动力学稳定性。 总之高度分散的多相性，动力学稳定性和热力 学不稳性是胶体体系的三

14、大特性，也是胶体的其他 特性的依据。 胶体化学的研究内容 胶体化学是研究胶体分散体系和粗分散体系性质的 一门科学，主要包括三个领域： 1、分子胶体 分子胶体是指高聚物的溶液，也叫亲液胶体。 聚合物在溶液中呈分子无规线团状态存在。这些线 团的尺寸绝大部分符合上述胶体颗粒的尺寸。但是 它们同溶剂之间没有清晰的界面。 整个体系是热 力学的稳定体系。尽管该体系目前已属于高聚物科 学的研究领域，但由于它的许多性质同胶体化学相 关，所以它仍作为胶体化学的一个方面来进行研究。 胶体化学的研究内容 2、溶胶 在此我们是指分散质同分散剂有明显界面的 体系，习惯上也叫憎液胶体。它是热力学的不稳 定体系。是胶体化学

15、重要的研究对象。 一般胶体溶液与高分子化合物溶液有着许多 共同的特征。但它们之间也存在着本质的区别， 高分子溶液都是热力学稳定的均相体系，而胶体 溶液和悬浮液都是热力学不稳定体系。 胶体化学的研究内容 3、缔合胶体 表面活性剂在溶液中的浓度高于某一数值后，多 个表面活性剂分子形成胶束在胶束中还可以溶进 一些特定性质的物质，形成所谓的微乳液或液晶。 这种体系叫做缔合胶体。缔合胶体在形成过程中由 于使整个体系界面能降低而成为热力学稳定体系。 这个体系目前具有重要的实用意义。 胶体化学的研究内容 应用胶体化学的主要研究内容：制备分散体系、 稳定分散体系和破坏分散体系，还要研究利用分散体 系的各种性质

16、如电性质、力学性质、光学性质和流变 学性质等。 有些场合我们希望得到稳定的分散体系，例如油 漆、牙膏、喷雾型药剂形成一定大小的液珠，食品和 化妆品也要求制成稳定的乳状液，但在另一种场合则 希望破坏分散体的稳定性，例如沉淀的分离、天空大 雾，原油在炼制前必须有效地破乳，以除去其中的水 分等。 胶体化学的研究意义 1. 油田开发： 钻井液中颗粒大小的控制、絮凝作用；稠油乳化降粘开采 原油脱水与破乳、污水处理、油品的降凝、降粘输送等。 2农业：土壤中的离子交换、农药的乳化与分散等。 3生物学与医学： 生物流变学、血液学、电泳、渗透与膜、各种凝胶、病毒 蛋白质、制药与药理学等。 4日用品的生产与使用：

17、 洗涤剂、化妆品、各种饮料中香料的乳化、乳制品、 冰激凌、食品、胶囊制品等。 5轻工业： 造纸中的表面处理、纺织上浆、织物的表面整理、印染、 油漆、制糖与油脂的脱色精制、涂料、颜料、粘合剂等。 胶体化学的研究意义 6环壤科学：气溶胶、烟雾、水净化、污水处理、毒气与毒 剂的吸附、人工降雨等。 7分析化学：离子交换、胶束增溶、浊度、吸附指示剂、 脱色等。 8材料：水泥、超细粉材料、单分散胶粒、合金、磁性材料 特种陶瓷、纤维、橡胶与塑料中的填料和助剂、液晶等。 9海洋科学：稀有元素的吸附提取、污染油膜的处理、 海水淡化膜研究等。 10.其他：各仲吸附剂的制备、测试和使习；吸附催化利的 制备、检测和应

18、用技术等。 胶体化学的研究意义 6环境科学：气溶胶、烟雾、水净化、污水处理、毒气与毒 剂的吸附、人工降雨等。 7分析化学：离子交换、胶束增溶、浊度、吸附指示剂、 脱色等。 8材料：水泥、超细粉材料、单分散胶粒、合金、磁性材料 特种陶瓷、纤维、橡胶与塑料中的填料和助剂、液晶等。 9海洋科学：稀有元素的吸附提取、污染油膜的处理、 海水淡化膜研究等。 10.其他：各种吸附剂的制备、测试和使习；吸附催化剂的 制备、检测和应用技术等。 第二章 胶体的基本性质 2.1 胶体的动力学性质 2.2 胶体的光学性质 2.3 胶体的电学性质 2.4 胶体的稳定与聚沉 第二章 胶体的基本性质 2.1 胶体的动力学性

19、质 溶胶中的粒子分散在介质中呈显出连续不 断的、无规则的运动。粒子的热运动在微观上 表现出来的是布朗运动，而在宏观性质上表现 出来的是扩散和渗透。布朗运动是本质扩散 与渗透是同一本质表现出的两种不同现象。布 朗运动、扩散、渗透等问题都属于溶质的动力 学性质。 一、布朗一、布朗运动 (Brownian motion) 1827 年植物学家 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。 1903年发明了超显微

20、镜，为研究Brown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。 通过大量观察，得出结论：粒子越小，Brown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。 1905年和1906年Einstein和Smoluchowski分别阐 述了Brown运动的本质。 认为Brown运动 是分散介质分子以 不同大小和方向的 力对胶体粒子不断 撞击而产生的。 当半径大于5 m，Brown运动消失。 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。随着粒子增大，撞击的次数增 多，而

21、作用力抵消的可能性亦大。 二、扩散和渗透压 胶粒也有热运动，因此也具有扩散和渗透压。只 是溶胶的浓度较稀，这种现象很不显著。 如图所示，在CDFE 的桶内盛溶胶，在某一截 面AB的两侧溶胶的浓度不 同，c1c2 由于分子的热运动和胶粒的Brown运动，可以 观察到胶粒从c1区向c2区迁移的现象，这就是胶粒 的扩散作用。 设通过AB面的扩散质量为m，则扩散速度 为 ，它与浓度梯度和AB截面积A成正比。 d d m t 斐克第一定律（Ficks first law） 如图所示，设任一平行于AB面的截面上浓度是均 匀的，但水平方向自左至右浓度变稀，梯度为 。 d d c x 斐克第一定律（Ficks

22、 first law） 这就是斐克第一定律。 式中负号表示扩散发生在浓度降低的方向， 0。 d d c x d d m t dd dd mc DA tx 用公式表示为： 式中D为扩散系数，其物理意义为：单位浓度梯度、 单位时间内通过单位截面积A的质量。 斐克第一定律 （一）扩散系数一）扩散系数 上式的比例系数D称为扩散系数，在一定温度和压力下是一个 与浓度无关，仅决定于物性的常数。扩散系数愈大，质点的 扩散能力愈大。 此式即为EinsteinStokes方程.式中 粒子的密度； 介质的粘度。一般、可查表得到。 NA为阿伏加德罗 常数。用实验测得粒子的扩散系数D便可求出其胶团质量M。 它表明扩散

23、系数D受温度T、粘度及粒子大小r的影响，粒子 愈大扩散系数愈小。 扩散系数的应用扩散系数的应用 用实验测得粒子的扩散系数D便可求出其胶团质量M （二）（二） 扩散系数的测定扩散系数的测定 测定扩散系数的实验方法通常有下列两种 2、多孔塞法、多孔塞法 该法是将两种液体用一块孔径为该法是将两种液体用一块孔径为515m的烧结玻璃板分的烧结玻璃板分 隔开，浓度较大者放在上面并保持搅匀状态。烧结玻璃板隔开，浓度较大者放在上面并保持搅匀状态。烧结玻璃板 孔中的液体基本上是不流动的，也不受外部液体的干扰，所孔中的液体基本上是不流动的，也不受外部液体的干扰，所 以溶质通过烧结玻璃板的迁移全靠扩散过程。在一定时

24、间内以溶质通过烧结玻璃板的迁移全靠扩散过程。在一定时间内 通过该边界层通过该边界层(烧结板烧结板)的扩散量，可用任何分析方法确定。的扩散量，可用任何分析方法确定。 1 1、自由界面法、自由界面法 为了研究粒子的自由扩散，必须首先在合适的扩散池中 在溶液与溶剂之间(或在两种不同浓度的溶液之间)形成一个 明显的界面。 溶胶的渗透压 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： n RT V 由于憎液溶胶不稳定，浓度不能太大，所以测出 的渗透压及其它依数性质都很小。 但是亲液

25、溶胶或胶体的电解质溶液，可以配制高 浓度溶液，用渗透压法可以求它们的摩尔质量。 三、沉降和沉降平衡 溶胶是高度分散系统，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。 以恒定速度沉降时 通过沉降速度的测定，可以求得粒子的大小 d d x f t 沉降时粒子所受的阻力为 为摩擦系数f 6fr 对于球形粒子 d 6 d x r t 沉降时粒子所受的阻力 3 4 () 3 rg 粒子介质 沉降时粒子所受的重力 3 4d ()6 3d x rgr

26、 t 粒子介质 9d d 2 () xt r g 粒子介质 2.2 溶胶的光学性质 Tyndall 效应和 Rayleigh 公式 超显微镜的基本原理和粒子大小的测定 一、Tyndall效应和Rayleigh公式 Tyndall效应已成为判别溶胶与分子溶液的最简 便的方法。 1869年Tyndall发现，若令一束会聚光通过溶胶，从侧 面可以看到一个发光的圆锥体，这就是Tyndall效应。 其他分散体系也会产生一点散射光，但远不如溶 胶显著。 Tyndall效应的另一特点是，不同方向观察到 的光柱有不同的颜色 Tyndall效应效应 4 CuSO 溶溶液液 光源光源 Fe(OH)3溶胶 光散射现

27、象 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。可见光的波长约在 400700 nm之间。 （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，使系统呈现混浊。 （2）当光束通过胶体溶液，由于胶粒直径小于可 见光波长，主要发生散射，可以看见乳白色的光柱。 （3）当光束通过分子溶液，由于溶液十分均匀，散 射光因相互干涉而完全抵消，看不见散射光。溶液透明 光散射的本质 光是一种电磁波，照射溶胶时，分子中的电子 分布发生位移而产生偶极子，这种偶极子向各个方 向发射与入射光频率相同的光，这就是散射光。 分子溶液十分均匀，这种散射光因相互干涉而完 全抵消，看不到

28、散射光。 溶胶是多相不均匀系统，在胶粒和介质分子上产 生的散射光不能完全抵消，因而能观察到散射现象。 如果溶胶对可见光中某一波长的光有较强的选择 性吸收，则透过光中该波长段将变弱，这时透射光将 呈该波长光的补色光。 Rayleigh公式 Rayleigh研究了大量的光散射现象，对于粒子半 径在47 nm以下的溶胶，导出了散射光总能量的计算 公式，称为Rayleigh公式： 22222 2 12 22 12 4 24 () 2 A Vnn I nn 式中：A 入射光振幅， 单位体积中粒子数 入射光波长， 每个粒子的体积 分散相折射率， 分散介质的折射率 1 n 2 n V Rayleigh公式

29、从Rayleigh公式可得出如下结论： 1、 散射光总能量与入射光波长的四次方成反比。入 射光波长愈短，散射愈显著。所以可见光中，蓝、 紫色光散射作用强。 2、分散相与分散介质的折射率相差愈显著，则散射 作用亦愈显著。 3、散射光强度与单位体积中的粒子数成正比。 乳光计原理 当分散相和分散介质等条件都相同时，Rayleigh 公式可改写成： 2 4 V IK 当入射光波长不变， c V 3 4 3 Vr 3 11 3 22 Ir Ir 若有两个浓度相同的溶胶 3 IKcr 设粒子为球形，代入上式可得： 乳光计原理 11 22 Ic Ic 若胶体粒子大小相同，而浓度不同 如果已知一种溶液的散射光

30、强度和粒子半径(或 浓度)，测定未知溶液的散射光强度，就可以知道其 粒径(或浓度)，这就是乳光计。 乳光计的原理与比色计相似，所不同者在于乳 光计中光源是从侧面照射溶胶，因此观察到的是散 射光的强度。 浊度计原理 浊度的物理意义： l 1 浊度计的用处： 当光源、波长、粒子大小相同时，溶胶的浓度 不同，其透射光的强度亦不同，由浊度计算浓度。 浊度的定义为： 0 l t I /Ie t I 0 I l 透射光强度 入射光强度 样品池长度 浊度 /e/IIt1 0 当 二、超显微镜的基本原理和粒子大小的测定 普通显微镜分辨率不高，只能分辨出半径在 200 nm以上的粒子，所以看不到胶体粒子。 超显

31、微镜分辨率高，可以研究半径为5150 nm 的粒子。 超显微镜观察的不是胶粒本身，而是观察胶粒发 出的散射光。是用普通显微镜来观察Tyndall效应。 超显微镜是目前研究憎液溶胶非常有用的手段之一 狭缝式超显微镜 超显微镜的类型 1. 狭缝式 照射光从碳弧光 源射出，经可调狭缝 由透镜会聚，从侧面 射到盛胶体溶液的样 品池中 超显微镜的目镜看 到的是胶粒的散射光。 显微镜 可调狭缝 碳弧电源 胶体 如果溶液中没有胶粒，视野将是一片黑暗。 配有心形聚光器的显微镜 超显微镜的类型 2. 有心形聚光器 目镜在黑暗的背景上看到的是胶粒发出的的散射光 胶体 心形聚光器 这种超显微镜有 一个心形腔，上部视

32、 野涂黑，强烈的照射 光通入心形腔后不能 直接射入目镜，而是 在腔壁上几经反射， 改变方向，最后从侧 面会聚在试样上 显微镜 从超显微镜可以获得哪些有用信息？ （1） 可以测定球状胶粒的平均半径。 （2） 间接推测胶粒的形状和不对称性。例如，球状 粒子不闪光，不对称的粒子在向光面变化时有 闪光现象。 （3） 判断粒子分散均匀的程度。粒子大小不同，散 射光的强度也不同。 （4） 观察胶粒的Brown运动 、电泳、沉降和凝聚等 现象。 2.3 溶胶的电学性质 电动现象 电渗 沉降电势和流动电势 电泳 电动现象 （1）吸附 胶粒在形成过程中，胶核优先吸附某 种离子，使胶粒带电。 例如：在AgI溶胶的

33、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。 在固体表面的带电离子称为定位离子 固体表面上产生定位离子的原因如下： 电动现象 固体表面上产生定位离子的原因如下： （2）电离 对于可能发生电离的大分子的溶胶而 言，则胶粒带电主要是其本身发生电离引起的 例如蛋白质分子，当它的羧基或胺基在水中解离 时，整个大分子就带负电或正电荷。当介质的pH较 低时，蛋白质分子带正电，pH较高时，则带负电荷 当蛋白质分子所带的净电荷为零时，这时介质的 pH称为蛋白质的等电点。在等电点时蛋白质分子的 移动已不受电场影响，它不稳定且易发生凝

34、聚。 电动现象 固体表面上产生定位离子的原因如下： （3 3）同晶置换 黏土矿物中如高岭土，主要由 铝氧四面体和硅氧四面体组成，而与周围4个氧的电 荷不平衡，要由等正离子来平衡电荷。 这些正离子在介质中会电离并扩散，所以使黏土 微粒带负电。如果被同晶置换，则黏土微粒带的负电 更多。 电动现象 固体表面上产生定位离子的原因如下： （4）溶解量的不均衡 离子型固体物质如AgI， 在水中会有微量的溶解，所以水中会有少量的银离子 和碘离子。 例如：将AgI制备溶胶时，由于Ag+ 较小，活动能 力强，扩散快，比I - 容易脱离晶格而进入溶液，使 AgI 胶粒带负电。 电泳、电渗，流动电势和沉降电势均属于

35、电动现象 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值和黏度；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。 测定电泳的仪器和方法很多，主要有三类， 即显微电泳、界面移动电泳和区域电泳。 界面移动电泳仪 首先在漏斗中装上待测溶胶，U型管下部活塞内径 与管径相同。 实验开始时，打 开底部活塞，使溶胶 进入U型管，当液面 略高于左、右两活塞 时即关上，并把多余 溶胶吸走。在管中加

36、入分散介质，使两臂 液面等高。 界面移动电泳仪 小心打开活塞 ，接通电源，观察液面的变化。 若是无色溶胶，必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。 另外要选择合适 的介质，使电泳过程 中保持液面清晰。 显微电泳仪 该方法简单、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。但只能测定显 微镜可分辨的胶粒，一般在200 nm以上。 装置中用铂黑电极， 观察管用玻璃毛细管。 电泳池是封闭的，电泳 和电渗同时进行 物镜观察位置选在静止层处（即电渗流动与反流 动刚好相消），这时观察到的胶粒运动速度可以代表 真正的电泳速度。 显微

37、电泳仪 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 将惰性的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，从而将电泳速度不同 的各组成分离。 a.纸上电泳 区带电泳 用滤纸作为支持物的电泳称为纸上电泳。 碱性缓冲溶液 移动方向 + 样品滤纸条 先将一厚滤纸条用一定 pH的缓冲溶液浸湿，在 滤纸中央滴少量待测溶 液，两端浸在含缓冲溶 液和电极的容器中 通电后，各组分因电泳 速度不同以谱带形式分开。 将纸条干燥后浸入染料溶液中着色，再进行分析。 a.纸上电泳 区带电泳 在生物化学中常

38、用电泳法分离和区别各种氨基 酸和蛋白质。 在医学中利用血清在纸上的电泳，在纸上可得 到不同蛋白质前进的次序，反映了其运动速度，以 及从谱带的宽度反映其中不同蛋白质含量的差别 a.纸上电泳 区带电泳 健康人和肝硬变患者的血清蛋白电泳图 健康人 肝硬变患者 清蛋白 清蛋白 a.纸上电泳 区带电泳 人体血清（左）和血浆（右）的电泳图 A A b. 凝胶电泳 用淀粉凝胶、琼胶或聚丙烯酰胺等 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

39、。 区带电泳 区带电泳 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 自20世纪80年代以来发展起来的毛细管电泳则是 最快的分析化学研究领域之一。 在外加电场作用下，带电的介质通过多孔性物 质或半径为110 nm的毛细管作定向移动，这种现象 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、泥炭和染料的干燥等。 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，准确地 读出液面的变化。 图中，3为多孔膜，

40、可以用滤纸、玻璃或棉花等 构成；也可以用氧化铝、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。 沉降电势和流动电势 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。 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。 沉降电势和流动电势 这种因液体流动而

41、产生的电势称为流动 电势。 沉降电势和流动电势 因为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。 在用泵输送原油或易燃化工原料时，要使管道 接地或加入油溶性电解质，增加介质电导，防止流 动电势可能引发的事故。 当外力迫使扩散层移动时，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。 在四种电动现象中，以电泳和电渗最为重要。 通过电动现象的研究，可以进一步了解胶体粒子的 结构以及外加电解质对溶胶稳定性的影响。 还有电泳涂漆、高岭土的精炼、天然石油乳状 液中油水的分离以及不同蛋白质的分离等。当前工 业上的静电除尘，实际上就是烟尘气溶胶的电泳现 象。 电

42、泳的应用：使橡胶的乳状液汁凝结而使其浓缩， 可以使橡胶电镀在金属、布匹或木材上，这样镀出 的橡胶容易硫化，可以得到拉力很强的产品。 当固体与液体接触时，可以是固体从溶液中选择 性吸附某种离子，也可以是固体分子本身发生电离作 用而使离子进入溶液，以致使固液两相分别带有不同 符号的电荷，在界面上形成了双电层的结构。 早在1879年，Helmholz提出了平板型模型； 双电层理论和 电势 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； 后来Stern又提出了Stern模型。 平板型模型 Helmholtz认为固体的表面电荷与溶液中的反 号离子构成平行的两层，如

43、同一个平板电容器。 整个双电层厚度为 固体与液体总的电位差即等 于热力学电势0 ，在双电层内， 热力学电势呈直线下降。 在电场作用下，带电质点和 反离子分别向相反方向运动。 这模型过于简单，由于离子 热运动，不可能形成平板电容器 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Helmholtz双电层模型双电层模型 0 - - - - - - - - - - 扩散双电层模型 Gouy和Chapman认为，由于正、负离子静电吸引 和热运动两种效应的结果，溶液中的反离子只有一部 分紧密地排在固体表面附近，相距约一、二个离子厚 度称为紧密层； 另一部分离子按一定的 浓

44、度梯度扩散到本体溶液中， 离子的分布可用Boltzmann 公式表示，称为扩散层。 双电层由紧密层和扩散层构 成。移动的切动面为AB面 扩散双电层模型 x + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散层扩散层 A B 0 紧密层紧密层 Stern模型 Stern对扩散双电层模 型作进一步修正。 他认为吸附在固体表 面的紧密层约有一、二个 分子层的厚度，后被称为 Stern层； 由反号离子电性中心 构成的平面称为Stern平面。 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Ster

45、n层略右 的曲线表示。 Stern模型 从固体表面到Stern平面， 电位从0直线下降为 。 电势 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 电势。 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 电势； 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 电势。 只有在带电质点移动时才显示出 电势，所以它 又被称为电动电势。 电势总是比热力学电势低，外加电解质会使 电势变小甚至改变符号。 电势 c a d d d bbbb x a 外加电解质对 电势的影响 流动电势示意图 胶粒 胶粒表面双电层结构示意图 2.4 溶胶的稳定和聚沉 溶胶的稳定

46、性 影响聚沉作用的一些因素 胶体稳定性的DLVO理论大意 溶胶的稳定性 抗聚结稳定性 胶粒之间有相互吸引的能量Va和相互 排斥的能量Vr，总作用能 为Va+Vr。如图所示： 动力学稳定性 由于溶胶粒子小，Brown运动激烈， 在重力场中不易沉降，使溶胶具有动力稳定性 当粒子相距较大时，主 要为吸力，总势能为负值； 当靠近到一定距离，双电层 重叠，排斥力起主要作用， 势能升高。要使粒子聚结必 须克服这个势垒。 d ar VV 0 粒子间相互作用与其距离的关系曲线 溶胶的稳定性 d 0 粒子间相互作用与其距离的关系曲线 Va+Vr 溶胶的稳定性 胶粒表面因吸附某种离子而带电，并且此种离子 及反离子

47、都是溶剂化的，这样，在胶粒周围就形成了 一个溶剂化膜（水化膜） 溶剂化层的影响 水化膜中的水分子是比较定向排列的，当胶粒彼 此接近时，水化膜就被挤压变形，而引起定向排列的 引力又力图恢复原来的定向排列，这样就使水化膜表 现出弹性，成为胶粒彼此接近时的机械阻力 水化膜中的水有较高的黏度，这也成为胶粒相互 接近时的机械障碍 影响溶胶聚沉的一些因素 1、 电解质对于溶胶聚沉作用的影响 聚沉值 使一定量的溶胶在一定时间内完全聚沉 所需电解质的最小浓度。从已知的表值 可见，对同一溶胶，外加电解质的反号 离子的价数越低，其聚沉值越大。 聚沉能力是聚沉值的倒数。聚沉值越大的电解质 其聚沉能力越小；反之，聚沉

48、值越小的 电解质，其聚沉能力越强。 影响溶胶聚沉的一些因素 电解质的影响有如下一些规律： （1）聚沉能力主要决定于与胶粒带相反电荷的离子 的价数 异电性离子为一、二、三价的电解质，其聚沉 值的比例约为： 相当于 100 1.614:0. 这表示聚沉值与异电性离子价数的六次方成反比 666 111 123 : 这一结论称为Schulze-Hardy规则 影响溶胶聚沉的一些因素 （2）价数相同的离子聚沉能力也有所不同。例如不 同的碱金属的一价阳离子所生成的硝酸盐对负电性 胶粒的聚沉能力可以排成如下次序： 不同的一价阴离子所形成的钾盐，对带正电 的溶胶的聚沉能力则有如下次序： + 4 HCsRbHK

49、NaLi N 3 FClBrNOI 同价离子聚沉能力的这一次序称为感胶离子序。 它与水合离子半径从小到大的次序大致相同。 影响聚沉作用的一些因素 （3） 有机化合物的离子都有很强的聚沉能力，这可 能与其具有强吸附能力有关。 （4）电解质的聚沉作用是正负离子作用的总和 通常相同电性离子的价数愈高，则该电解质的聚 沉能力愈低，这可能与这些相同电性离子的吸附作用 有关 影响溶胶聚沉的一些因素 （5）不规则聚沉 在溶胶中加入少量的电解质可以使溶胶聚沉，电 解质浓度稍高，沉淀又重新分散而成溶胶，并使胶粒 所带电荷改变符号。 如果电解质的浓度再升高，可以使新形成的溶胶 再次沉淀。 不规则聚沉是胶体粒子对高

50、价异号离子的强烈吸 附的结果。 影响溶胶聚沉的一些因素 2. 胶粒之间的相互作用 将胶粒带相反电荷的溶胶互相混合，也会发生聚 沉。 与加入电解质情况不同的是，当两种溶胶的用 量恰能使其所带电荷的量相等时，才会完全聚沉， 否则会不完全聚沉，甚至不聚沉。 产生相互聚沉现象的原因是：可以把溶胶粒 子看成是一个巨大的离子，所以溶胶的混合类似 于加入电解质的一种特殊情况。 影响溶胶聚沉的一些因素 2. 胶粒之间的相互作用 在憎液溶胶中加入某些大分子溶液，加入的量不 同，会出现两种情况： 当加入大分子溶液的量足够多时，会保护溶胶不聚 沉，常用金值来表示大分子溶液对金溶胶的保护能力。 齐格蒙第提出的金值含义

51、： 金值越小，表明高分子保护剂的能力越强。 为了保护10 cm3 0.006%的金溶胶，在加入1 cm3 10% NaCl溶液后不致聚沉，所需高分子的最少质量称 为金值，一般用mg表示。 影响溶胶聚沉的一些因素 2. 胶粒之间的相互作用 在加入少量大分子溶液时，会促使溶胶的聚沉， 这种现象称为敏化作用； 当加入的大分子物质的量不足时，憎液溶胶的胶 粒粘附在大分子上，大分子起了一个桥梁作用，把胶 粒联系在一起，使之更容易聚沉。 例如，对SiO2进行重量分析时，在SiO2的溶胶中 加入少量明胶，使SiO2 的胶粒粘附在明胶上，便于 聚沉后过滤，减少损失，使分析更准确。 不同胶体的相互作用 胶体稳定

52、性的DLVO理论大意 在20世纪四十年代，前苏联学者Deijaguin和 Landau与荷兰学者Verwey和Overbeek分别提出了关于 各种形状粒子之间在不同的情况下相互吸引能与双电 层排斥能的计算方法。他们处理问题的方法与结论有 大致共同之处，因此以他们的姓名第一个字母简称为 DLVO理论。 DLVO理论给出了计算胶体质点间排斥能及吸引 能的方法，并据此对憎液胶体的稳定性进行了定量处 理，得出了聚沉值与反号离子电价之间的关系式，从 理论上阐明了Schulze-Hardy 规则 理论胶体化学之 表面化学 第三章 表面化学 3.1 表面张力及表面Gibbs自由能 3.2 弯曲表面下的附加压

53、力和蒸气压 3.3 溶液的表面吸附 3.4 液-液界面的性质 3.5 膜 3.6 液-固界面润湿作用 3.7 表面活性剂及其作用 3.8 固体表面的吸附 3.9 气-固相表面催化反应 表面和界面 (surface and interface) 界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区， 若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。 常见的界面有：气-液界面，气-固界面，液-液 界面，液-固界面，固-固界面。 严格讲表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间 的界面，但习惯上把液体或固体与空气的界面称为 液体或固体的表面。 1.气-液界面 空气空气 4 CuSO 溶液 气气- -液液 界面界面 2.气-固界

54、面 气气- -固界面固界面 3.液-液界面 2 H O Hg 液-液 界面 玻璃板玻璃板 Hg 2 H O 液液- -固界面固界面 4.液-固界面 5.固-固界面 铁管铁管 CrCr镀层镀层 固固- -固界面固界面 界面现象的本质 对于单组分系统，这种特性主要来自于同一物质 在不同相中的密度不同；对于多组分系统，则特性来 自于界面层的组成与任一相的组成均不相同。 表面层分子与内部分子相比所处的环境不同 体相内部分子所受四周邻近相同分子的作用力 是对称的，各个方向的力彼此抵销； 但是处在界面层的分子，一方面受到体相内相 同物质分子的作用，另一方面受到性质不同的另一 相中物质分子的作用，其作用力未

55、必能相互抵销， 因此，界面层会显示出一些独特的性质。 最简单的例子是液体及其蒸气组成的表面。 液体内部分子所受的力可 以彼此抵销，但表面分子受到 体相分子的拉力大，受到气相 分子的拉力小（因为气相密度 低），所以表面分子受到被拉 入体相的作用力。 这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势，并 使表面层显示出一些独特性质，如表面张力、表面吸 附、毛细现象、过饱和状态等。 界面现象的本质 比表面（specific surface area） 比表面通常用来表示物质分散的程度，有两 种常用的表示方法：一种是单位质量的固体所具 有的表面积；另一种是单位体积固体所具有的表 面积。即： ss 00 AA A

56、A mV 或 式中，m 和 V 分别为固体的质量和体积，As为其 表面积。目前常用的测定表面积的方法有BET法 和色谱法。 分散度与比表面 把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。 把一定大小的物质分割得越小，则分散度越高， 比表面也越大。 例如，把边长为1 cm的立方体1 cm3 ，逐渐分 割成小立方体时，比表面将以几何级数增长。 分散程度越高，比表面越大，表面能也越高 可见达到nm级的超细微粒，具有巨大的比表面 积，因而具有许多独特的表面效应，成为新材料和 多相催化方面的研究热点。 3.1 表面张力及表面Gibbs自由能 表面张力 *表面热力学的基本公式 *界面张力与温度的关系 溶液的表面张

57、力与溶液浓度的关系 表面张力（surface tension） 由于表面层分子的受力不均衡，液滴趋向于 呈球形，水银珠和荷叶上的水珠也收缩为球形。 液体表面的最基本的特性是趋向于收缩 将一含有一个活动边框的金属线框架放在 肥皂液中，然后取出悬挂，活动边在下面。 由于金属框上的肥皂膜的表面张力作用， 可滑动的边会被向上拉，直至顶部。 从液膜自动收缩的实验，可以更好地认识这 一现象 2 l 2 l 2 l 2 l 2 l2 l 2 l 2 l 2 l 2 l 2 l 2 l 2 l 2 l 2 l 2 l 2 l 2 l 2 W 2 l 2 W 2 l 2 W 2 l 2 W 2 l 2 W 2

58、l 2 W 2 l 2 W 2 l 2 W 2 l 2 W 2 l 2 W 2 l 2 W 2 l 2 W2 W 1 W 2 l 12 =()FWW g = 2 l 2 W 2 l 2 W 2 l 2 W 2 l 2 W 2 l 2 W 2 l 2 W 2 l 2 W 2 l 2 W 2 l 2 W 2 l 2 W 2 l 2 W 2 l 2 W 如果在活动边框上挂一重物， 使重物质量W2与边框质量W1所产 生的重力F与总的表面张力大小相 等方向相反，则金属丝不再滑动。 这时 2Fl l 是滑动边的长度，因膜有两个 面，所以边界总长度为2l， 就是作 用于单位边界上的表面张力。 2 W 1 W

59、 2 l 12 =()FWW g = 表面张力 在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着一种 张力，这种力垂直与表面的边界，指向液体方向并 与表面相切。 把作用于单位边界线上的这种力称为表面张 力，用 或 表示。 表面张力的单位是： 1 N m 溶液的表面张力与溶液浓度的关系 非表面活性物质 水的表面张力因加入溶质形成溶液而改变。 能使水的表面张力明显升高的溶质称为非表 面活性物质。如无机盐和不挥发的酸、碱等。 这些物质的离子有较强的水合作用，趋向于 把水分子拖入水中，非表面活性物质在表面的浓 度低于在本体的浓度。 如果要增加单位表面积，所作的功中还必须包 括克服静电引力所消耗的功，所以表面张

60、力升高。 溶液的表面张力与溶液浓度的关系 表面活性物质 加入后能使水的表面张力明显降低的溶质称为 表面活性物质。 这种物质通常含有亲水的极性基团和憎水的 非极性碳链或碳环有机化合物。亲水基团进入水 中，憎水基团企图离开水而指向空气，在界面定 向排列。 表面活性物质的表面浓度大于本体浓度，增 加单位面积所需的功较纯水小。非极性成分愈大， 表面活性也愈大。 Traube 规则 Traube研究发现，同一种 溶质在低浓度时表面张力 的降低与浓度成正比 表面活性物质的浓度对溶液表面张力的影响， 可以从 曲线中直接看出。 c 甲酸 乙酸 丙酸 丁酸 戊酸 35 50 65 0.180.360.54 3