第一讲、胶体及界面化学绪论

1、 胶体化学基础 周祖康、顾惕人编著, 北京大学出版社 胶体与界面化学 陈宗淇 等编著, 高等教育出版 应用胶体化学 候万国等编著, 科学出版社 界面与胶体的物理化学 李葵英等编著, 哈尔滨工业大学出版 应用胶体化学 郑树亮 等编著, 华东理工大学出版社 胶体与界面化学实验 北京大学出版社 应用表面化学与技术 哈尔滨工业大学出版社 机械加工工业在车、磨、削、轧等加工过程中, 普遍使用乳化液来冷却、润滑、清洗、防锈, 以提高产品的质量, 延长机床的使用寿命。乳化液由矿物油等油分与表面活性剂配制而成。乳化液在循环使用过程中, 因摩擦受热, 水分蒸发, 含盐量随之升高, 使其稳定性降低而不能使用。另外

2、, 受金属粉尘及周围环境介质( O2、CO2 和微生物等) 的影响, 乳化液逐渐腐败变质失去作用。因此, 要定期排除废乳化液, 更换新的乳化液。此外, 在工件清洗过程中形成的乳化液也需经常排放。这些废乳化液与生产车间的清扫水混合后形成的乳化液废水, 是机械加工厂的主要污染源。乳化液废水具有高度分散稳定性, 化学成分复杂, 污染物浓度高, 间歇排放, 处理难度大等特点。如何处理？一、胶体化学的发展简史 -一门古老而又年轻的学科 一提起胶体，有不少人就觉得应该是一种粘粘糊糊的液体其实不尽然，胶体的范田十分广泛，比如我们吃的馒头、喝的稀粥、豆浆，用的墨水、牙膏；早晨的雾，烟囱里冒出的黑烟，名贵的珍珠

3、、玛瑙、烟水晶等都属于胶体的范畴毫不夸张地说，我们所处的世界就是一个胶体世界胶体的制取和应用的历史渊源流长，早在战国时期就将桐油与漆混和制成油漆，在秦汉时期使用油漆漆器已很盛行。真正对体体进行科学研究的，是从十九世纪初开始的。 而今，胶体化学的应用已渗透到很多领域，生活离不开胶体，生产技术中也广泛应用，甚至连尖端科学也用得着。航天飞机如果不是用胶体固定整体，而是用铆钉、螺钉固定那么每增加一克重量，就得多花三万多美元来抵销那”一克”带来的麻烦。加拿大医学家用一种特制的胶体粘合伤口，涂在伤口表面，一秒钟即形成一层薄膜，有效地止血使伤口愈合，不产生疤痕，且能防菌抗感染。胶体化学与高分子化学、生物学互

4、相渗透，揭示了胶体化学发展的新篇章，有关胶体的许多奥妙还有待人们去发现去探求。 渗析实验与渗析实验与“胶体胶体”名词的由来名词的由来 （1861 英国科学家 T.Graham） “胶体”这个名词是英国化学家T.Graham 1861年提出的。他为了研究溶液中溶质分子的扩散速率，做了这样的实验：将一块羊皮纸缚在一个玻璃筒下端，筒内装着要研究的水溶液，并把筒浸于水中，经过一段时间后，测定水中溶质的浓度，求得了溶质透过羊皮纸的扩散速率。通过实验，他发现有些物质如无机盐、白糖等，可以透过羊皮纸，并且扩散速率是很快的；另一类物质如明胶、丹宁、蛋白质、氢氧化铝等，扩散速率缓慢，而且极难甚至不能透过羊皮纸。

5、当溶剂蒸发时，前一类物质易成晶体析出，后一类物质则不成晶体，而成粘稠的胶状物质。根据这些现象，他把物质分成两类：前者叫类晶质（crystalloid），后者叫胶体（colloid)。 后来随着科学的发展，证实，发现这样的分类并不合适。因为许多晶体物质在适当的介质中，也能制成具有胶体特征的体系。 例如，把氯化钠分散在酒精中，就具有扩散缓慢、透不过半透膜等性质。因此，应当把胶体看成是在一定分散范围内物质存在的一种状态，而不是某一类物质固有的特性。所以，“胶体”这个名词的含义开始就不很确切，现在是指具有高度分散的分散体系。 1809年，俄国的科学家列伊斯做了这样一个突验，在U形管里装入粘土胶体，然后

6、接通电源，那些无规则运动的胶粒在U形管里争先恐后地向阳极一端移动。胶粒为什么会游泳？列伊斯经过一番研究，把原因归结在电上，由于这个现象是在电场作用下发生的。所以叫电泳现象。 1827年，英国植物学家布朗用显微镜观察悬浮在水中的藤萸粒子，发现粒子在不停地运动着，后来人们粑胶体所呈现的这个重要现象称作布朗运动。 1857年，法拉第做了一个实验，使一束光线通过玫瑰红色的金溶胶，奇迹发生了，原来和溶液一样澄清透明的金溶胶，当光线通过时从侧面看见了一条光亮的通路溶液却不具备这种性质，以此可来区别溶液和胶体后来英国物理学家丁达尔对此现象进行了广泛细致地研究，人们就把这一现象叫丁达尔效应。 1864年，英国

7、科学家格雷阿姆对胶体进行了大量实验，他根据胶体粒子不能穿过半透膜的特性，成功地用羊皮纸作半透膜的渗析法除去了胶体中的晶体颗粒，开辟了提纯胶体的道路 另外他还提出了金溶胶是粒子胶体。硅胶和氢氧化铝的沉淀是凝胶。 由于格雷阿姆在多方面开创性地研究，导致建立了一门有系统性的学科胶体化学。 但直到1907年俄国科学家法伊曼才给胶体这个概念以确切的定义。 制造陶器、汉朝利用纤维造纸、后汉发明墨水、豆腐制作等等 古埃及利用木材浸水膨胀来破裂山岩 1777年瑞典化学家做木炭吸附气体的实验 1809年俄国化学家发现土粒的电泳现象 1827年英国植物学家BROWN观察花粉的布朗运动 18571857年，法拉第发

8、现丁达尔现象年，法拉第发现丁达尔现象1861年胶体化学作为一门学科，创始人英国科学家Thomas Graham、 1907年俄国科学家法伊曼才给胶体这个概念以确切的定义 1907年 第一本胶体化学专门刊物胶体化学和工业杂志创刊；（胶体化学真正作为一门独立学科） Chinese Journal of Colloid & Pohymer Journal of Colloid & interface science 1954年 傅鹰院士（北京大学） 中国胶体化学的奠基人之一 1955年 戴安邦院士（南京大学） 中国有了第一批胶体化学毕业生 20世纪90年代以前，只有北京大学、南京大学、山东大学 华东

9、师范大学有胶体一界面化学的研究机构 1983年在北京大学召开全国第一届胶体与界面化学会议， 2002年在山东大学召开第九届全国会议。 国内目前尚无一本正式出版的胶体与界面化学杂志 实验：将一把泥土放入水中一杯泥土一杯泥土泥沙泥沙+浑浊的小土粒浑浊的小土粒（底部）（底部） 土中的盐类土中的盐类形成真溶液形成真溶液既不下沉、也不溶解的既不下沉、也不溶解的极为微小的土壤颗粒极为微小的土壤颗粒称为胶体颗粒；含胶体称为胶体颗粒；含胶体颗粒的体系称为胶体颗粒的体系称为胶体体系体系可见：胶体是一个具可见：胶体是一个具有巨大相有巨大相界面的分散体系界面的分散体系胶体是一定分散范围内物质存在的一种状态，而不是物

10、质固有的特性。胶体是高度分散的体系，具有很大的表面积具有扩散慢和不能透过半透膜，推断胶体溶液中的质点不是以小分子而是以大粒子形式分散在介质中胶体粒子在重力场中不沉降或沉降速度极慢，推断分散质点不会太大，约1nm-1m20世纪初，人们把胶体区分为两类：亲液胶体（ 和憎液胶体（ ）。如蛋白质、明胶等容易与水形成胶体的溶液叫做亲液胶体，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的，叫做憎液胶体，例如金溶胶、硫化砷溶胶等等，都是典型的憎液胶体。 亲液胶体和憎液胶体有着本质上的区别。前者属于热力学稳定体系，后者是热力学不稳定体系。至于在扩散等性质上的相同，仅仅是表上的类

11、似，不能因此而混淆两者的本质区别。所以从20世纪50年代就开始把亲液胶体改称为大分子（又称高分子）溶液，把憎液胶体称为胶体分散体系或溶胶。 分散体系是指一种或几种物质以一定的分散度分散在另一种物质中形成的体系 以颗粒分散状态存在的不连续相称为分散相；而连续相称为分散介质 颗粒某一线度大于1000nm，粗分散体系 颗粒某一线度小于1nm，真溶液体系 颗粒某一线度为11000nm 胶体体系 胶体体系包括以下三大类：胶体体系包括以下三大类：A） 颗粒分散体系。包括粗分散体系和胶体分散体系。由于体系有很高的表面自由能，是属于热力学不稳定体系。B）大分子物质的真溶液。因为没有界面，体系无界面能存在，所以

12、是热力学稳定体系，与上述分散体系不同，能自动形成大分子溶液。C）缔合胶体，即胶体电解质。它也是热力学稳定体系。现在工业上用得很多的表面活性剂，就是属于缔合胶体。 液溶胶： 分散介质为液体 灭火泡沫（GL）； 牛奶 （LL）； 墨水（SL） 固溶胶：分散介质为固体 泡沫塑料（GS）； 珍珠（LS）； 有色玻璃（SS） 气溶胶：分散介质为气体 雾（LG） ； 烟尘（SG） 三个领域三个领域分子胶体（亲液溶胶）缔合胶体（表面活性剂胶束溶液）粗分散体系和溶胶（憎液溶胶）研究的主要内容研究的主要内容胶体的基本特性： 特有的分散程度、多相性、聚结不稳定性 研究物质的界面特性界面化学 表面张力、表面能、表面

13、现象、表面吸附、单分子膜、表面润湿等研究一群质点所构成的分散体系的性质胶体化学 动力性质、电性质、光学性、流变性质、胶体的聚结与稳定性等研究对象与研究内容研究对象与研究内容分散体系分散体系分散体系的形成与稳定分散体系的形成与稳定光学性能、流变性能光学性能、流变性能智能流体、电磁流变体智能流体、电磁流变体界面现象界面现象润湿、吸附、界面润湿、吸附、界面电现象、界面双电层电现象、界面双电层结构结构有序组合体有序组合体纳米材料纳米材料生物膜、仿生膜、溶液中的有序分生物膜、仿生膜、溶液中的有序分子组合体子组合体农业 生物学与医学日用品的生产与使用 轻工业环境科学 分析化学材料 海洋科学天文与气象学 油

14、田开发 分析化学中的吸附指示剂、色谱等 物理化学中的成核作用、过饱和、液晶等 生物化学和分子生物学中的电泳、膜现象 蛋白质和核酸等 化学制造中的催化剂、洗涤剂、润滑剂、粘合剂、农药 环境科学中的气溶胶、泡沫、污水处理、 材料科学中陶瓷制品、水泥、涂料等 日用品中的牛奶、豆浆等 石油工业中的油品回收、乳化风 气溶胶、烟雾的形成与大气污染 水净化与污水处理 毒气与毒剂的吸附 黏土矿物的表面改性与应用 人工降雨 天然水体中的胶体悬浮物与环境污染物之间的界面化学行为 液膜分离技术与废水处理1.利用近代物理或化学理论解决胶体与表面化学中 的基本理论等问题;量子化学研究吸附与催化;分形理论研究胶粒形貌等2

15、.现代精密仪器和方法的应用:力学显微镜研究胶粒间的力及表面上分子原子的形态;能谱仪研究分子间的相互作用.3.胶体与界面化学的方法用于医学、生理、环境、土壤、大气、海洋湖泊等学科（1）新产品开发：组装分子器件、超细材料（2）老产品的升级换代：洗涤剂、化妆品、颜料、 复印碳粉等（3）旧工艺更新：单分散固态胶粒的制造与收集、 采油工艺等1.1.胶体的制备胶体的制备溶胶质点大小溶胶质点大小1nm 1nm 1000nm1000nm小分子溶液小分子溶液质点大小质点大小 0.1nm1mm1mm更换溶剂法更换溶剂法化学反应法化学反应法物理凝聚法物理凝聚法研磨法研磨法超声分散法超声分散法电弧法电弧法例例: :松

16、香乙醇溶液松香乙醇溶液+ + 水水 松香水溶胶松香水溶胶 更换溶剂法更换溶剂法: :化学反应法化学反应法: :Fe(OH)Fe(OH)2 2溶胶溶胶+3HCl+3HClFeClFeCl3 3( (稀水溶液稀水溶液)+3H)+3H2 2O O煮沸煮沸 (1)(1)分散法分散法1.1.研磨法研磨法 ： 用胶体磨将易碎的物质磨细至胶粒范围，若是柔韧性的物质用胶体磨将易碎的物质磨细至胶粒范围，若是柔韧性的物质, ,必必须先用液氮硬化后再磨碎。图中所示的盘式胶体磨中，须先用液氮硬化后再磨碎。图中所示的盘式胶体磨中，C C和和 B B是两是两片由坚硬合金制成的磨盘，以每分钟片由坚硬合金制成的磨盘，以每分钟

17、一万转的高速反向旋转，一万转的高速反向旋转，有很大的应切力。分有很大的应切力。分散相，分散介质和稳定散相，分散介质和稳定剂同时从剂同时从A A 加入，经加入，经C C和和B B盘磨细后从两者的盘磨细后从两者的狭缝中飞出，这样形狭缝中飞出，这样形成的胶粒成的胶粒 可在可在1000nm1000nm之内。之内。 2.2.胶溶法胶溶法 ： 将制备过程中由于缺少稳定剂或由于过多电解质存在而暂时聚将制备过程中由于缺少稳定剂或由于过多电解质存在而暂时聚集在集在 一起的胶体粒子重新分散制成溶胶称为胶溶法，这方法只适一起的胶体粒子重新分散制成溶胶称为胶溶法，这方法只适用于新用于新 鲜沉淀，如果鲜沉淀，如果沉淀老

18、化后，小粒子沉淀老化后，小粒子已凝聚成大粒子，则已凝聚成大粒子，则无法再将它无法再将它 们用胶们用胶溶法重新分散。溶法重新分散。 3.3.超声分散法超声分散法 : : 超声分散法目前只用来制备乳状液。如图所示，将分散相和超声分散法目前只用来制备乳状液。如图所示，将分散相和分散介质分散介质 两种不混溶的液体放在样品管两种不混溶的液体放在样品管4 4中。样品管固定在变压中。样品管固定在变压器油浴中，在两个电极上通器油浴中，在两个电极上通入高频电流使电极中间入高频电流使电极中间的石英片发生机械振荡，的石英片发生机械振荡，产生频率产生频率 大于大于16000Hz16000Hz超声波，使样品管中的超声波

19、，使样品管中的两个液相分散混合成乳两个液相分散混合成乳状液。状液。 4.4.电弧法电弧法: : 缩短极间距离，使之发生电火花，这时表面金属蒸发，但立即被缩短极间距离，使之发生电火花，这时表面金属蒸发，但立即被水水 冷却而凝聚成胶粒。冷却而凝聚成胶粒。 1.1.化学反应法化学反应法 : : 通过复分解反应，水解反应和氧化还原等化学反应使生成通过复分解反应，水解反应和氧化还原等化学反应使生成物呈饱和状态，物呈饱和状态， 使初生成的难溶物微粒结合成胶粒，在少量稳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。稳定剂一般是某一过量

20、的反应物。例如通过复分解反应制备例如通过复分解反应制备AsAs2 2S S3 3溶胶；溶胶； 通过水解反应制水合氧通过水解反应制水合氧化铁溶胶；用氧化还原反应制硫溶胶；用还原反应化铁溶胶；用氧化还原反应制硫溶胶；用还原反应 制金溶胶；制金溶胶；用离子沉淀反应制卤化银溶胶等。用离子沉淀反应制卤化银溶胶等。 (2)(2)凝聚法凝聚法2.2.更换溶剂法：更换溶剂法： 更换溶剂法是利用物质在不同溶剂中溶解度的差异来制备溶更换溶剂法是利用物质在不同溶剂中溶解度的差异来制备溶胶，而且胶，而且 两种溶剂要能完全互溶。例如松香在酒精中溶解度大而两种溶剂要能完全互溶。例如松香在酒精中溶解度大而在水中溶解度很小，

21、在水中溶解度很小， 将松香的酒精溶液滴将松香的酒精溶液滴入水中可制备松香的入水中可制备松香的水溶胶。同理，将硫水溶胶。同理，将硫的丙酮溶液的丙酮溶液 滴入滴入9090左右的热水中，丙酮左右的热水中，丙酮蒸发后可得到硫的水蒸发后可得到硫的水溶胶。溶胶。 3.3.蒸气骤冷法：蒸气骤冷法： 蒸气骤冷法是一种物理凝聚制备溶胶的方法。例如将汞蒸气通入蒸气骤冷法是一种物理凝聚制备溶胶的方法。例如将汞蒸气通入冷水中就可冷水中就可 以得到汞的水溶胶。在罗金斯基等人的仪器中可制备以得到汞的水溶胶。在罗金斯基等人的仪器中可制备碱金属的有机溶胶。碱金属的有机溶胶。 如图所示，将金属钠放在管如图所示，将金属钠放在管4

22、 4中，苯放在管中，苯放在管2 2中，管中，管5 5中放液氮。先将体系抽真中放液氮。先将体系抽真 空，然后适当加热空，然后适当加热管管2 2和管和管4 4，使金属钠和苯，使金属钠和苯的蒸气同时在管的蒸气同时在管5 5外壁凝外壁凝聚，当除去管聚，当除去管5 5中的液氮，中的液氮，凝聚在外壁的混合蒸气熔凝聚在外壁的混合蒸气熔化，在管化，在管3 3中可收集到钠中可收集到钠的苯溶胶。的苯溶胶。 常用方法常用方法渗析渗析：利用溶胶质点不能通过半透膜，而离：利用溶胶质点不能通过半透膜，而离子或小分子能通过半透膜的性质，将多余的子或小分子能通过半透膜的性质，将多余的电解质或小分子化合物等杂质从溶胶中除去；电

23、解质或小分子化合物等杂质从溶胶中除去；超过滤法超过滤法：超过滤法是用孔径极小而孔数极：超过滤法是用孔径极小而孔数极多的膜片作为滤膜，利用压差使溶胶流经过多的膜片作为滤膜，利用压差使溶胶流经过滤器，使杂质透过滤膜而除掉。滤器，使杂质透过滤膜而除掉。(1)(1)渗析法渗析法 由于溶胶粒子不能通过半透膜，而电解质离子可以通过。所以把由于溶胶粒子不能通过半透膜，而电解质离子可以通过。所以把需要净化的溶需要净化的溶 胶装在半透膜制成的容器内，常用的半透膜材料有胶装在半透膜制成的容器内，常用的半透膜材料有羊皮纸，动物膀胱和火棉胶羊皮纸，动物膀胱和火棉胶 等。膜外放纯溶剂，由于浓差因素，等。膜外放纯溶剂，由于浓差因素，膜内的电解质离子不断向膜外渗透，经常膜内的电解质离子不断向膜外渗透，经常 更换外面的溶剂，可达更换外面的溶剂，可达到净化溶胶的目的。有时为了加快渗析速度，在膜两侧到净化溶胶的目的。有时为了加快渗析速度，在膜两侧 外加电场，外加电场，提高离子的迁移速度，这就是电渗析。提高离子的迁移速度，这就是电渗析。 (2)(2)超过滤法超过滤法 超过