胶体化学 -复习要点

1、 胶体化学 Colloid Chemistry Nanjing University of Technology 1.胶体体系的重要特点之一是具有很大的表面积。 通常规定胶体颗粒的大小为1-100nm（直径） 2.胶体是物质存在的一种特殊状态，而不是一种特殊物质，不 是物质的本性。 胶体化学研究对象是溶胶（也称憎液溶胶）和高分子溶液（也 称亲液溶胶）。 气溶胶：云雾，青烟、高空灰尘 液溶胶：泡沫，乳状液，金溶胶、墨汁、牙膏 固溶胶：泡沫塑料、沸石、冰淇淋，珍珠、水凝胶、红宝石、 合金 第一章 一、胶体的定义一、胶体的定义 1100nm100nm 胶体体系粗分散体系真溶液 直径为10nm的球形质

2、点，当质点总体积为1cm3 时，其面积为 600m2 1861年，英国科学家Thomas Graham提出胶体 （colloid）概念 扩散慢；不能透过半透膜 分散系分散系: 把一种或几种物质分散在另一种物质中所形成把一种或几种物质分散在另一种物质中所形成 分散相分散相(dispersed phase): 被分散的物质被分散的物质 分散介质分散介质(dispersing medium): 容纳分散相的连续介质容纳分散相的连续介质 胶体和晶体胶体和晶体不是不同的两类物质不是不同的两类物质，而是，而是物质的物质的两两 种不同的存在状态。种不同的存在状态。 胶体是一种高度分散的系统胶体是一种高度分散

3、的系统 胶体的定义胶体的定义 （1）分子分散体系）分子分散体系-真溶液真溶液 分散相与分散介质以分子或离子形式彼此分散相与分散介质以分子或离子形式彼此 混溶，没有界面，是混溶，没有界面，是均匀的单相均匀的单相，分子半径大，分子半径大 小在小在10-9 m以下以下 。通常把这种体系称为。通常把这种体系称为真溶液真溶液， 如如CuSO4溶液。溶液。 （2）胶体分散体系）胶体分散体系 分散相粒子的半径在分散相粒子的半径在1 nm100 nm之间的体系。之间的体系。 目测是均匀的，但实际是目测是均匀的，但实际是多相不均匀体系多相不均匀体系。也有的。也有的 将将1 nm 1000 nm之间的粒子归入胶体

4、范畴。之间的粒子归入胶体范畴。 （3）粗分散体系）粗分散体系 当分散相粒子大于当分散相粒子大于1000 nm，目测是，目测是混浊不均混浊不均 匀体系匀体系，放置后会沉淀或分层，如黄河水。，放置后会沉淀或分层，如黄河水。 胶体的定义(1915 Ostwald):胶体是一种尺寸在 1100nm以至1000nm的分散体。 分散体系的分类分散体系的分类-分散相的尺寸分散相的尺寸 根据分散相粒子大小分类根据分散相粒子大小分类 分散相粒分散相粒 子大小子大小 分散系类型分散系类型分散相粒子分散相粒子性质性质实例实例 1nm溶液溶液 小分子或离小分子或离 子子 均相、稳定系统、均相、稳定系统、 分散相粒子扩

5、散分散相粒子扩散 快快 NaCl水溶水溶 液等液等 1100nm 胶胶 体体 分分 散散 系系 溶胶溶胶胶粒胶粒 多相、热力学不多相、热力学不 稳定系统、有相稳定系统、有相 对稳定性、分散对稳定性、分散 相粒子扩散较慢相粒子扩散较慢 Fe(OH)3 溶胶等溶胶等 高分子高分子 溶液溶液 高分子高分子 均相、稳定系统、均相、稳定系统、 分散相粒子扩散分散相粒子扩散 慢慢 蛋白质溶蛋白质溶 液等液等 100nm粗分散系粗分散系粗分散粒子粗分散粒子 非均相、不稳定非均相、不稳定 系统、易聚沉或系统、易聚沉或 分层分层 泥浆、乳泥浆、乳 汁等汁等 胶体的特点-纳米粒子的特点 (1) 巨大的比表面，界面

6、现象重要 例如：巨大的表面和表面能使胶体体系具有很 强的吸附能力，可以制造各种吸附剂和催化剂。 (2) 最强烈的尺寸效应 （a）熔点变化，例如：12nm的TiO2在室温下就已 熔合（正常熔点：18301850 ） （b）力学性能，例如：500oC时所得硬度相当于粗 晶块在1100oC烧结所得 （c）电学性质：Kubo效应-即粒子保持电学中性 类别粒径/nm 起始烧结温度/oC Cu Fe Ag Ni 50 50 20 20 200(1083) 200300(1593) 6080(960) 200(1453) （d）光学效应： 亲液溶胶亲液溶胶（lyophilic colloid)lyophil

7、ic colloid)：一旦将溶 剂蒸发，分散相凝聚，再加入溶剂，又可形成 溶胶，亲液溶胶是热力学上稳定、自发、可逆 的体系。 憎液溶胶憎液溶胶lyophobic colloid lyophobic colloid ：半径在1 nm100 nm之间的难溶物固体粒子分散在液体 介质中，有很大的相界面，易聚沉，是热力学 上的不稳定体系。一旦将介质蒸发掉，再加入 介质就无法再形成溶胶，是 一个不可逆体系， 如氢氧化铁溶胶、碘化银溶胶等。 （3）根据根据按分散相和介质之间的亲和性分类按分散相和介质之间的亲和性分类 憎液溶胶的特性憎液溶胶的特性 A A 特有的分散程度特有的分散程度 粒子的大小在10-9

8、10-7 m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象。 B B 多相不均匀性多相不均匀性 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。 C C 热力学不稳定性热力学不稳定性 因为粒子小，比表面大，表面自由能高，是热力学不稳 定体系，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。 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，否则胶粒易聚结而 聚沉。 胶体化学的研究对象和意义胶体化学的研究对象和意义 为什么自然界中

9、液滴、气泡总是圆形的？为什 么气泡比液滴更容易破裂？ 毛细现象为什么会产生？ 人工降雨依据什么原理？ 为什么会产生液体过热现象？加入沸石为什么 能消除过热现象？ 水在玻璃上能铺展，水银在玻璃上却形成液滴, 为什么？ 活性碳为什么可以做防毒面具？冰箱除臭剂？ 思考：与胶体界面现象相关的几个问题 在参观面粉厂时,不能穿带铁钉的鞋，为什么？ 土壤为什么能将水份保存起来? 如何抑制沙漠地带水的蒸发? 洗衣粉为什么有去污作用? 明矾为什么能净水? 怎样除烟去尘? 江河出口处为什么形成三角洲? 1-100nm 离子、分子离子、分子 凝聚凝聚(新相形成新相形成) 粗粒子粗粒子 分散分散（比表面增加）（比表面

10、增加） 胶体分散体系的获得胶体分散体系的获得 机械法 电分散化法 超声分散法 胶溶法 物理凝聚法 化学凝聚法 分子模板法 1. 溶胶的制备一般原则和方法溶胶的制备一般原则和方法 五、胶体的制备和性质五、胶体的制备和性质 胶体的制备胶体的制备 例如： AgCl (新鲜沉淀） AgCl(溶胶） AgNOKCl 3 加或 Fe(OH)3（新鲜沉淀） Fe(OH)3 (溶胶） 3 FeCl加 胶溶法胶溶法 是先将新生成沉淀中多余的电解质洗去，再加入 适量的电解质作稳定剂，或置于某温度下使沉淀重新 分散成溶胶。注意沉淀老化后就不易再发生胶溶。 3. 凝聚法制备溶胶凝聚法制备溶胶 凝聚法制备溶胶：处于亚稳

11、态的均相体系析 出分散相粒子，其与过饱和溶液中的结晶及过饱 和蒸气的凝结类似。 （1）凝聚法基本原理）凝聚法基本原理 由溶液中析出胶粒由溶液中析出胶粒 形成晶核形成晶核 （nucleation） 晶体成长晶体成长 晶核生成速度晶核生成速度v1: 1= s s cc vk c 晶核生长速度晶核生长速度v2: 2 = () s D vAcc k为常数，为常数，c为过饱和溶液浓度；为过饱和溶液浓度；cs为饱和溶解度；为饱和溶解度；D 为扩散系数；为扩散系数；A为粒子表面积，为粒子表面积， 为一层结晶的厚度为一层结晶的厚度 （3）化学凝聚法）化学凝聚法 通过各种化学反应形成不溶化合物。例如： A.复分

12、解法 AgNO3（稀）+ KCl（稀） AgCl (溶胶） +KNO3 B. 水解法 FeCl3 （稀）+3H2O （热） Fe(OH)3（溶胶）+3HCl C.氧化法 2H2S(稀）+ O2(g) H2O +3S (溶胶） Fe2SiO4 +1/2O2 + 5H2O 2Fe(OH)3(溶胶）+Si(OH)4(溶胶） D. 还原法 2HAuCl4(稀）+ 3HCHO +11KOH 2Au(溶胶）+3HCOOK + 8KCl + 8H2O 制成胶体后，需要将胶体中多余的电解质及杂质 除去，溶胶才能稳定，这就称为溶胶的净化。 用凝聚法制得的溶胶的净化方法： 过滤：胶体粒子小，可通过普通滤纸的孔隙，

13、而粗 粒子不能通过； 沉降：胶体不沉； 离心分离。 4. 溶胶的净化溶胶的净化 1 胶体的光学性质胶体的光学性质 2 胶体的运动性质胶体的运动性质 3 胶体的电学性质胶体的电学性质 4 胶体的稳定性胶体的稳定性 5 胶体的流变性质胶体的流变性质 （二）（二） 胶体的基本性质胶体的基本性质 一束光透过胶体，形成光亮的一束光透过胶体，形成光亮的“通路通路”的现象。的现象。 丁达尔现象丁达尔现象 鉴别胶体的最简便方法鉴别胶体的最简便方法 形成原因：形成原因： 胶体微粒胶体微粒（dd Cs+ Rb+ NH4+ K+ Na+ Li+ 对一价阴离子： F- Cl- Br- NO3- I- (c) 与胶粒电

14、性相同的离子，一般说来，价数越高， 水合半径越小（盐析作用） ，聚沉能力越弱 (2) 溶胶的相互聚沉作用溶胶的相互聚沉作用 当两种带相反电荷的溶胶所带电量相等时，当两种带相反电荷的溶胶所带电量相等时， 相互混合也会发生聚沉。相互混合也会发生聚沉。 (3) 高分子化合物的作用高分子化合物的作用 在溶胶中加入少量高分 子化合物可使溶胶聚沉， 称为敏化作用敏化作用(絮凝作用)。 在溶胶中加入足够多 的高分子化合物，则会阻 止溶胶的聚沉，称为空间空间 保护作用保护作用。 表面张力与表面自由能表面张力与表面自由能 对于单组分体系，这种特性主要来自于同一物质在不同相 中的密度不同；对于多组分体系，则特性来

15、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，它们所处的环境不同。 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(各向同性)； 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，其作用力不能相互抵销，因此，界面层分子由于其处在 一不均匀对称的力场会显示出一些独特的性质。 界面化学界面化学 2021-6-21 表面功（表面功（surface work） dWA 式中 为比例系数，它在数值上等于当T，P及组 成恒定的条件下，增加单位表面积时所必须对体 系做的可逆非膨胀功。 由于表面层分子的

16、受力情况与本体中不同，因此 如果要把分子从内部移到界面，或可逆的增加表面积， 就必须克服体系内部分子之间的作用力，对体系做功。 温度、压力和组成恒定时，可逆使表面积增加dA 所需要对体系作的功，称为表面功。用公式表示为： 2021-6-21 表面自由能表面自由能(surface free energy) B BB B BB B BB B BB dddd dddd dddd dddd dnAPVTSG dnAVPTSF dnAPVSTH dnAVPSTU B , )( nVS A U B , )( nPS A H B , )( nVT A F B , )( nPT A G 由此可得： 考虑了 表

17、面功，热 力学基本公 式中应相应 增加 dA一 项，即： 2021-6-21 表面自由能表面自由能(surface free energy) 广义的表面自由能定义： 狭义的表面自由能定义： 保持温度、压力和组成不变，每增加单位表面 积时，Gibbs自由能的增加值称为表面Gibbs自由 能，或简称表面自由能或表面能，用符号 或 表示，单位为Jm-2。 B , , () p T n G A 保持相应的特征变量不变，每增加单位表面积 时，相应热力学函数的增值。 2021-6-21 表面张力（表面张力（surface tension） 在两相(特别是气-液)界面上，处 处存在着一种张力，它垂直于表面的

18、 边界，指向液体方向并与表面相切。 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。 把作用于单位边界线上的这种力 称为表面张力，用 表示，单位是 Nm-1。 2021-6-21 表面张力（表面张力（surface tension） 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（F=（W1+W2）g）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。 20

19、21-6-21 影响表面张力的因素影响表面张力的因素 （1）分子间相互作用力的影响 （2）温度的影响 温度升高，表面张力下降。 （3）压力的影响 表面张力一般随压力的增加而下降。因为压力增 加，气相密度增加，表面分子受力不均匀性略有好转。 另外，若是气相中有别的物质，则压力增加，促使表 面吸附增加，气体溶解度增加，也使表面张力下降。 对纯液体或纯固体，表面张力决定于分子间形成 的化学键能的大小，一般化学键越强，表面张力越大。 (金属键) (离子键) (极性共价键) (非极性共价键) 两种液体间的界面张力，界于两种液体表面张力之间。 2021-6-21 压力的影响压力的影响 压力与表面张力关系的

20、实验研究不易进行，一般说来，压 力对表面张力的影响可以从下面三个方面考虑 a.p增加，两相间密度差减少，减小 b. p增加，气体在液体表面上的吸附使表面能降低（吸附 放热），因此减小 c.p增加，气体在液体中的溶解度增大，表面能降低 以上三种情况均表明， p增加，减小 2021-6-21 压力的影响压力的影响 但从有关公式可知 , , (1 31) T p T A pA , , T p T A V pA 上式表明，p增加，增加 实验结果是，在某些情况下p增加，减小。这可用气体吸附或 溶解来解释，但在另一些情况下，p增加，增加。显然，这与 上述解释相反。 可见，压力对表面张力的影响相当复杂，这是

21、因为增加压力必 须引入第二组分（如惰性气体），而第二组分又往往会通过吸 附或溶解来影响表面张力。当第二级分的吸附或溶解对表面张 力的影响远远超过压力本身的作用则往往表现为第一种情况， 而当吸附或溶解的影响很小时，则又表面为第二种情况。 测定液体表面张力的方法 1.毛细管上升法 2.环法 3.气泡最大压力法 2021-6-21 4.4 表面自由能和表面张力的微观解释表面自由能和表面张力的微观解释 由于表面相分子处于一合力指向液体内部的不对称力场 之中，因此，表面层分子有离开表面层进入体相的趋势。 这一点可从液体表面的自动收缩得以证明。这也说明了处 于表面层的分子具有比体相内部的分子更高的能量。

22、换言之，增加液体的表面积就必须把一定数量的内部分 子迁移到表面上，要完成这个过程必须借助于外力做功。 因此，体系获得的能量便是表面过剩自由能。可见，构成 界面的两相性质不同及分子内存在着相互作用力是产生表 面自由能的原因。 2021-6-21 表面自由能和表面张力的微观解释表面自由能和表面张力的微观解释 液体表面为什么会存在张力是一个长期困扰表面化学家 的问题，实际上，表面张力同样是分子间存在相互作用力 的结果。 从液体表面的特性来看，表面上的分子比体相内部的分 子能量更高，而按照分子分布的规律，表面上的分子的密 度将小于内部分子。于是表面分子间的距离较大，因此， 表面上的分子沿表面方向存在着

23、侧向引力，距离较大时， 吸引力占优势。 2021-6-21 4.5 弯曲表面下的附加压力与蒸气压弯曲表面下的附加压力与蒸气压 弯曲表面下的附加压力 1.在平面上 2.在凸面上 3.在凹面上 Young-Laplace公式 Kelvin公式 2021-6-21 弯曲表面下的附加压力弯曲表面下的附加压力 1.在平面上 剖面图 液面正面图 研究以AB为直径的一个环作 为边界，由于环上每点的两边都 存在表面张力，大小相等，方向 相反，所以没有附加压力。 设向下的大气压力为Po， 向上的反作用力也为Po ，附加 压力Ps等于零。 Ps = Po - Po =0 2021-6-21 弯曲表面下的附加压力弯

24、曲表面下的附加压力 （2）在凸面上： 剖 面 图 附加压力示意图 研究以AB为弦长的一个球面 上的环作为边界。由于环上每点 两边的表面张力都与液面相切， 大小相等，但不在同一平面上， 所以会产生一个向下的合力。 所有的点产生的总压力为 Ps ，称为附加压力。凸面上受 的总压力为： Po+ Ps Po为大气压力， Ps为附加压力。 2021-6-21 弯曲表面下的附加压力弯曲表面下的附加压力 （3）在凹面上： 剖 面 图 附加压力示意图 研究以AB为弦长的一个球 形凹面上的环作为边界。由于环 上每点两边的表面张力都与凹形 的液面相切，大小相等，但不在 同一平面上，所以会产生一个向 上的合力。 所

25、有的点产生的总压力为Ps ， 称为附加压力。凹面上向下的总 压力为：Po-Ps ，所以凹面上所受 的压力比平面上小。 2021-6-21 杨杨- -拉普拉斯公式拉普拉斯公式 1805年Young-Laplace导出了附加压力与曲率半 径之间的关系式： 特殊式（对球面）： s 2 R P 根据数学上规定，凸面的曲率半径取正值，凹 面的曲率半径取负值。所以，凸面的附加压力指向 液体，凹面的附加压力指向气体，即附加压力总是 指向球面的球心。 一般式： ) 11 ( 2 1 s RR P 2021-6-21 Young-Laplace 一般式的推导一般式的推导 1. 在任意弯曲液面上取小矩形曲面ABC

26、D(红色面)， 其面积为xy。曲面边缘AB和BC弧的曲率半径分别为 和 。 1 R 2 R 2. 作曲面的两个相互垂直的正截面， 交线Oz为O点的法线。 3. 令曲面沿法线方向移动dz ，使 曲面扩大到ABCD(蓝色面)，则x 与y各增加dx和dy 。 2021-6-21 Young-Laplace 一般式的推导一般式的推导 5. 增加dA面积所作的功与克服附 加压力Ps增加dV所作的功应该相 等，即： (A) d)dd( dd s s zxyPxyyx VPA 4. 移动后曲面面积增加dA和dV为： zxyV xyyx xyyyxxA dd dd )d)(d( d 2021-6-21 You

27、ng-Laplace 一般式的推导一般式的推导 6. 根据相似三角形原理可得： 2 2 2 1 1 1 dd /)d/()d( dd /)d/()d( z/RxyRyzRyy z/RxxRxzRxx 化简得 化简得 7. 将dx,dy代入(A)式,得： ) 11 ( 2 1 s RR P 8. 如果是球面，:, 2 1 则RR 2 s R P 2021-6-21 Young-Laplace特殊式的推导特殊式的推导 (1)在毛细管内充满液体， 管端有半径为R 的球状液 滴与之平衡。 外压为 p0 ，附加压力 为 ps ,液滴所受总压为： p0 + ps 2021-6-21 Young-Lapla

28、ce特殊式的推导特殊式的推导 2.对活塞稍加压力，将毛细管内液 体压出少许，使液滴体积增加dV， 相应地其表面积增加dA。克服附加 压力ps环境所作的功与可逆增加表 面积的吉布斯自由能增加应该相等。 32 4 d4d 3 VRVRR 代入得： 2 s R p sd dp VA 2 4 d8dARAR R 2021-6-21 附加压力与毛细管中液面高度的关系附加压力与毛细管中液面高度的关系 1.曲率半径R与毛细管半径R的 关系： R=R/cosq 2.ps=2/R=(rl-rg)gh 如果曲面为球面，则R=R。 因rlrg所以：ps=2/R=rlgh 一般式：2 cosq/R=rgh 2021-

29、6-21 几种毛细现象几种毛细现象 3、1）液体在地层和纺织品中的流动 原油和水在地层中的流动属液体在不均匀孔径的毛 细管中的流动，当忽略重力作用时，由于不同管径 的曲率半径不同，造成两部分液面的附加压力不同 （毛细压差）。因此，液体将往附加压力大的方向 流动。 若要改变其流动方向，必须施加一克服此压力差的 力，若采用表面化学方法改变体系表面张力和液面 曲率，可以改变体系毛细压差以利于实现所要求的 流动。这是三次采油的关键问题之一。 2021-6-21 几种毛细现象几种毛细现象 2）关于泡沫和乳状液的稳定性 泡沫和乳状液是由两种不相混溶的流体相形成的的分 散体系。泡沫是大量气体分散在少量液体中

30、构成的， 而乳状液是一种液体以微小液滴状态分散在另一液相 中。泡沫的片膜与片膜之间构成具有不同曲率的连续 液体，由于附加压力不同，液体从曲率小、压力大的 片膜流向曲率大、压力小的片膜边界，最后导致泡沫 排液、泡膜变薄而破裂。这是影响泡膜稳定的重要原 因。 2021-6-21 几种毛细现象几种毛细现象 3）压汞法测孔径 水银在一般固体的孔中形成凸液面，欲使水银 进入固体孔中须克服毛细压差。即 当、已知，通过测定毛细压差可计算固体的 孔径。如催化剂的孔径测定。 2 cos p r q 2021-6-21 弯曲表面上的蒸汽压弯曲表面上的蒸汽压开尔文公式开尔文公式 对小液滴与蒸汽的平衡，应有相同形式，

31、设 气体为理想气体。 mm lg lg (l)(g) dd T T GG pp pp mlmg (l)d(g)dVpVp lg l,0g,0 mlg (l)ddln pp pp VpRTp g dlnRTp mm (l)(g) GG 液体(T,pl) 饱和蒸汽(T,pg) 2021-6-21 弯曲表面上的蒸汽压弯曲表面上的蒸汽压开尔文公式开尔文公式 g0 mll g,0 (l)()ln p VppRT p m g 0 2 (l)2 ln() pVM RT pRR r 这就是Kelvin公式，式中r为密度，M 为摩尔质量。 0 lls ppp 2 R 2021-6-21 弯曲表面上的蒸汽压弯曲表

32、面上的蒸汽压开尔文公式开尔文公式 Kelvin公式也可以表示为两种不同曲率半径 的液滴或蒸汽泡的蒸汽压之比，或两种不同大小 颗粒的饱和溶液浓度之比。 1 21 2 112 ln RR M p p RT r 1 2 s 1 2 112 ln RR M c c RT l r 对凸面，R取正值，R越小，液滴的蒸汽压越高， 或小颗粒的溶解度越大。 对凹面，R取负值，R越小，小蒸汽泡中的蒸汽 压越低。 2021-6-21 开尔文公式的应用开尔文公式的应用 1）过饱和蒸汽 恒温下，将未饱和的蒸汽加压，若压力超过该温度 下液体的饱和蒸汽压仍无液滴出现，则称该蒸汽为 过饱和蒸汽。 原因：液滴小，饱和蒸汽压大，

33、新相难成而导致过冷。 解决办法：引入凝结核心如人工降雨用的AgI或干冰。 2021-6-21 开尔文公式的应用开尔文公式的应用 2）过热液体 沸腾是液体从内部形成气泡、在液体表面上剧烈汽 化的现象。但如果在液体中没有提供气泡的物质存 在时，液体在沸点时将无法沸腾。我们将这种按相 平衡条件，应当沸腾而不沸腾的液体，称为过热液 体。 液体过热现象的产生是由于液体在沸点时无法形成 气泡所造成的。根据开尔文公式，小气泡形成时期 气泡内饱和蒸气压远小于外压，但由于凹液面附加 压力的存在，小气泡要稳定存在需克服的压力又必 2021-6-21 开尔文公式的应用开尔文公式的应用 须大于外压。因此，相平衡条件无

34、法满足，小气 泡不能存在，这样便造成了液体在沸点时无法沸 腾而液体的温度继续升高的过热现象。过热较多 时，极易暴沸。为防止暴沸，可事先加入一些沸 石、素烧瓷片等物质。因为这些多孔性物质的孔 中存在着曲率半径较大的气泡，加热时这些气体 成为新相种子（气化核心），因而绕过了产生极 微小气泡的困难阶段，使液体的过热程度大大降 低。 2021-6-21 开尔文公式的应用开尔文公式的应用 例例1将正丁醇（摩尔质量 M0.074kgmol-1）蒸气聚冷至 273K，发现其过饱和度约达到4时方能自行凝结为液滴， 若 273K时正丁醇的表面张力 0.0261Nm-1，密度 1103kgm-3 ，试计算 （a）

35、在此过饱和度下所凝结成液滴的半径 r ； （b）每一液滴中所含正丁醇的分子数。 解解: （a）过饱和度即为 ，根据开尔文公式 2021-6-21 开尔文公式的应用开尔文公式的应用 2021-6-21 开尔文公式的应用开尔文公式的应用 例例2 当水滴半径为当水滴半径为10-8m 时，其时，其 25饱和蒸气压的增饱和蒸气压的增 加相当于升高多少温度所产生的效果。已知水的密度加相当于升高多少温度所产生的效果。已知水的密度 为为 0.998103kgm-3，摩尔蒸发焓为摩尔蒸发焓为 44.01kJmol-1。 解：按开尔文公式，解：按开尔文公式， 又根据克拉贝龙又根据克拉贝龙-克劳修斯方程克劳修斯方程

36、 2021-6-21 开尔文公式的应用开尔文公式的应用 2021-6-21 开尔文公式的应用开尔文公式的应用 （3）毛细凝结与等温蒸馏）毛细凝结与等温蒸馏 考虑液体及其饱和蒸气与孔性考虑液体及其饱和蒸气与孔性 固体构成的体系。孔中液面与孔外液面的曲率不同，导固体构成的体系。孔中液面与孔外液面的曲率不同，导 致蒸气压力不同。在形成凹形液面的情况下，孔中液体致蒸气压力不同。在形成凹形液面的情况下，孔中液体 的平衡蒸气压低于液体的正常蒸气压。故在体系蒸气压的平衡蒸气压低于液体的正常蒸气压。故在体系蒸气压 低于正常饱和蒸气压时即可在毛细管中发生凝结。此即低于正常饱和蒸气压时即可在毛细管中发生凝结。此即

37、 所谓毛细凝结现象。硅胶能作为干燥剂就是因为硅胶能所谓毛细凝结现象。硅胶能作为干燥剂就是因为硅胶能 自动地吸附空气中的水蒸气，使得水气在毛细管内发生自动地吸附空气中的水蒸气，使得水气在毛细管内发生 凝结。凝结。 毛细凝结的另一应用是等温蒸馏。其过程是，如果在毛细凝结的另一应用是等温蒸馏。其过程是，如果在 一封闭容器中有曲率大小不同的液面与它们的蒸气相共一封闭容器中有曲率大小不同的液面与它们的蒸气相共 存，由于在相同温度下不同液面的平衡蒸气压力不同，存，由于在相同温度下不同液面的平衡蒸气压力不同， 体系中自发进行液体分子从大块液相通过气相转移到曲体系中自发进行液体分子从大块液相通过气相转移到曲

38、率大的凹液面处。率大的凹液面处。 2021-6-21 开尔文公式的应用开尔文公式的应用 润湿和铺展润湿和铺展 当S0是液体可以在固体表面自动铺展，S越大，铺展能力 越大。当然也表示该液体在固体表面的润湿能力强。 水凝胶简介水凝胶简介 水凝胶（Hydrogel）是一类具有亲水基团，能被 水溶胀但不溶于水的具有三维网络结构的聚合物。 水凝胶的特点：水凝胶的特点： 1.它在水中能够吸收大量的水分显著溶胀，并在显著 胀之后，能够继续保持其原有结构而不被溶解； 2.良好的生物相容性、优良的物理机械性能和长期植 入的稳定性； 3.良好的水蒸气透过率和合适的气体(如O 2 和C O 2) 通过率,而且, 水

39、凝胶不会和伤口粘连, 敷贴及取出极为方 便； 4.能够感知外界刺激的微小变化，如温度、pH值、 离子强度、电场、磁场等，并能够对刺激发生敏感性的响 应，常通过体积的溶胀或收缩来实现。 水凝胶的分类水凝胶的分类 按照结合方式分类： 1.物理水凝胶，通过物理作用力结合起来，如静电作 用、氢键、链的缠绕等，是非永久性的。 2.化学水凝胶，通过化学键交联形成的三维网络聚合 物，是永久性的。 根据合成材料分类： 1.天然高分子水凝胶 2.合成高分子水凝胶 3.天然和合成高分子杂化水凝胶 根据水凝胶大小形状的不同分类： 1.宏观凝胶 2.微观凝胶 柱状 球状 膜状 纤维状 多孔海绵状 微米级 纳米级 水凝

40、胶的结构水凝胶的结构 水 凝 胶 一级结构 二级结构 三级结构 亲水基团如羧基、 酰胺基、羟基等 疏水基团如烷基等 轻度交联的三 维网络结构 呈无定形的结构 水凝胶中的水水凝胶中的水 作用作用： 溶胀剂 控制所有载物或者营养成分进入凝胶 名称名称结合方式与物质结合方式与物质 结合水 以氢键的形式与亲水 基团结合 界面水（或第二结合 水） 以范德华力与疏水基 团结合起来 游离水 在渗透压作用下分布 于聚合物链间网络中 影响水凝胶吸水量主要因素:大分子链中极性基团数量 在生物相容性方面，水凝胶具有良好的生物相容性主要原因 是聚合物网络中吸收的大量水分子并且较大程度上被交链的 大分子链，使材料具备了

41、一种流体性质 表面活性剂表面活性剂 Solution Properties Krafft point; cloud point; cmT I. Above the Krafft point, the solubility is sharply increases due to the formation of micelles. II. Some surfactants (e.g. poly(ethylene)-poly(ethylene-oxide) = PEPEO = CmEn) - based surfactants)dehydrate and phase separate upon t

42、emperature elevation (“cloud point”). III. For pluronics; poly(propylene-oxide)-poly(ethylene-oxide) = (PPO-PEO) diblock copolymer surfactants, the micelles form as a result of the dehydration of the PEO segments (“critical micelle temperature” or “CMT”). HLB and use of surfactants Amphiphilic surfa

43、ctants are characterized by the hydrophilic- lipophilic balance (HLB): a relative ratio of polar and nonpolar groups in the surfactant HLB ca. 1 to 3: Antifoams / inverse micelles HLB ca. 3 to 8: Water-in-Oil Emulsifiers HLB ca. 7 to 9: Wetting and spreading agents HLB ca. 8 to 16: Oil-in-Water Emul

44、sifiers HLB ca. 13 to 16: Detergents HLB ca. 15: Solubilizers Griffins scale: it is an arbitrary (group additivity) scale of values serving as a measure of the HLB of surfactants HLB of surfactant blends Surfactant blends are commonly used to obtain desired emulsifying properties. What is the HLB of the mixture of 40 % Span 60 (HLB = 4.7) and 60 % Tween 60 (HLB = 14.9)? HLB of