溶胶的物理化学性质ppt课件

1、溶胶的物理化学性质一、一、 溶胶的运动性质溶胶的运动性质二、二、 溶胶的光学性质溶胶的光学性质三、三、 溶胶的电学性质溶胶的电学性质1. 分散 由于溶胶中体积粒子数梯度的存在引起的粒子从由于溶胶中体积粒子数梯度的存在引起的粒子从体积粒子数高区域向低区域的定向迁移景象叫分体积粒子数高区域向低区域的定向迁移景象叫分散。散。 分散属于物质在无外力场时的传质过程，即自发分散属于物质在无外力场时的传质过程，即自发过程。过程。一、一、 溶胶的运动性质溶胶的运动性质v溶胶中的分散相粒子的分散遵守费克定律。 A FickdtdcDdtdm第一扩散定律： (dm/dt )为单位时间内经过截面积为单位时间内经过截

2、面积A分散的粒子数。分散的粒子数。 一、一、 溶胶的运动性质溶胶的运动性质v运用：v (1)运用Einstein第一分散公式，可以求出分散系数D(m2/s)。反之，假设有了D和，那么可算出r r为胶粒的流膂力学半径，r为平均值。v (2)计算非球形胶粒的轴比值(a/b)rNRTD第一扩散公式：61 AEinsteinNA为为Avogadro常数常数 6.0221023 mol-1； 为介质粘度；为介质粘度；r为球形胶粒半径。为球形胶粒半径。 阻力系数：阻力系数： f6r 一、一、 溶胶的运动性质溶胶的运动性质v1827年，英国植物学家布朗年，英国植物学家布朗Brown在显微镜下察在显微镜下察看

3、到花粉在水面上不停地做无规那么运动。看到花粉在水面上不停地做无规那么运动。v布朗运动：微粒的延续、无规那么运动。布朗运动：微粒的延续、无规那么运动。v分散是布朗运动的宏观表现，而布朗运动是分散的微观分散是布朗运动的宏观表现，而布朗运动是分散的微观根底。根底。v溶胶中分散相粒子的分散作用是由布郎运动引起的。溶胶中分散相粒子的分散作用是由布郎运动引起的。2. 布朗运动布朗运动一、一、 溶胶的运动性质溶胶的运动性质v1905年，Einstein研讨了布朗运动中，粒子的平均位移与粒子半径、介质粘度、温度和位移时间之间的关系，得到著名的“Einstein布朗运动公式。3E Ei in ns st te

4、ei in nX X :ARTtNr“布朗运动”公式v式中各变量均可由实验确定，故利用此式可以求出微粒半径r，也可求得Avogadero常数NA。v适用条件：主要用于胶体分散体系，粗分散体系中粒子布朗运动不明显。一、一、 溶胶的运动性质溶胶的运动性质DtXEinstein2 第二扩散公式：意义：悬浮在液体介质中微粒的平均自在路程与察看时间和意义：悬浮在液体介质中微粒的平均自在路程与察看时间和分散系数的关系。分散系数的关系。适用条件：与前式一样，实践上适用条件：与前式一样，实践上 D=(RT)/(6rNA) 一、一、 溶胶的运动性质溶胶的运动性质v爱因斯坦关于布朗运动的实际阐明了布朗运动的本质就

5、爱因斯坦关于布朗运动的实际阐明了布朗运动的本质就是质点的热运动。反过来，布朗运动也成为分子热运动是质点的热运动。反过来，布朗运动也成为分子热运动的强有力的实验证明。的强有力的实验证明。 v总之，在运动性质方面，胶体体系和分子分散体系并无总之，在运动性质方面，胶体体系和分子分散体系并无本质区别，其中的质点运动都服从同样的普遍规律本质区别，其中的质点运动都服从同样的普遍规律分子运动实际。分子运动实际。v溶胶中的分散相粒子由于受本身的重力作用而下沉的过溶胶中的分散相粒子由于受本身的重力作用而下沉的过程称为沉降。程称为沉降。v沉降是溶胶动力学不稳定性的主要表现。沉降是溶胶动力学不稳定性的主要表现。v两

6、种方向相反的作用力两种方向相反的作用力: (1)重力；重力；(2)分散力分散力(由布朗运由布朗运动引起动引起)。v重力使粒子沉降；而介质的粘度及布朗运动引起的分散重力使粒子沉降；而介质的粘度及布朗运动引起的分散作用阻止粒子下沉。作用阻止粒子下沉。v沉降与分散相互抗衡，到达稳定形状沉降与分散相互抗衡，到达稳定形状 ，称为沉降平衡或，称为沉降平衡或堆积平衡。堆积平衡。v 3. 沉降沉降一、一、 溶胶的运动性质溶胶的运动性质v胶体粒子的布朗运动与气体分子的热运动本质上一样，因此，沉降平衡时胶粒随高度变化的分布规律可以用大气压随高度的分布方式描画。RTgheppM0h大气压随高度的分布：3A21021

7、4exp( -) ()3Nnnr g hhRT 胶胶粒粒的的浓浓度度随随高高度度的的分分布布公公式式：式中，式中，为胶粒密度，为胶粒密度，0为介质密度。为介质密度。(a) 沉降速率沉降速率(sedimentation velocity)球形颗粒所受下沉力球形颗粒所受下沉力 sfgrf)(3403s 按按StokesStokes定律颗粒将遭到反方向的摩擦力定律颗粒将遭到反方向的摩擦力 f rf6 当当 ，加速沉降将变为匀速运动，沉降速率，加速沉降将变为匀速运动，沉降速率ff s gr)(9202 (1) 在重力作用下的沉降在重力作用下的沉降沉降公式沉降公式一、一、 溶胶的运动性质溶胶的运动性质沉

8、降速率公式的运用：沉降速率公式的运用： gr)(9202 粘度测定粘度测定 在被测液体中让一定半径一定密度的在被测液体中让一定半径一定密度的小球降落，测定经过一定间隔的时间求得小球降落，测定经过一定间隔的时间求得沉降速度，由沉降速率公式计算粘度沉降速度，由沉降速率公式计算粘度沉降分析安装图沉降分析安装图在量筒中充溢已匀化的粗分散系在量筒中充溢已匀化的粗分散系统样品，测定小盘中沉降的物质统样品，测定小盘中沉降的物质量随时间的变化，由沉降速率公量随时间的变化，由沉降速率公式计算颗粒半径。式计算颗粒半径。 (b)沉降分析称重法沉降分析称重法 沉降分析主要是调查粒度分沉降分析主要是调查粒度分布。布。

9、通常运用沉降天平进展沉降通常运用沉降天平进展沉降分析。分析。 常用的沉降天平是一种扭力常用的沉降天平是一种扭力天平。天平。一、一、 溶胶的运动性质溶胶的运动性质v胶粒很小，在重力场中的沉降速度极为缓慢，有时无法测定其沉降速度。v1924年，瑞典人Svedberg发明了超离心机，转速1016万 r/min，离心力约为地心引力的106倍。v普通离心机转速普通为30005000 r/minv利用超离心机加快沉降速率，大大扩展了测定沉降速率的范围。可把它运用于胶团的摩尔质量或高聚物的摩尔质量的测定上。(2) 在离心力场中的沉降在离心力场中的沉降一、一、 溶胶的运动性质溶胶的运动性质)()()ln(29

10、122012ttxxr式中式中x1和和x2分别为离心时间分别为离心时间t1和和t2时从旋转轴到溶时从旋转轴到溶胶中某一平面的间隔胶中某一平面的间隔 。212012)(1 ()/ln(ttVDxxRTM粒子的摩尔质量：溶胶的物理化学性质一、一、 溶胶的运动性质溶胶的运动性质二、二、 溶胶的光学性质溶胶的光学性质三、三、 溶胶的电学性质溶胶的电学性质(1)丁达尔效应丁达尔效应(Tyndall effect)当一束会聚的光线透过溶胶时，在入射光的垂直方向可看到当一束会聚的光线透过溶胶时，在入射光的垂直方向可看到一个光亮的圆锥体，这称为丁达尔景象或丁达尔效应。一个光亮的圆锥体，这称为丁达尔景象或丁达尔

11、效应。 丁达尔效应是溶胶的特征。丁达尔效应是溶胶的特征。用丁达尔效应可鉴别小分子溶液、大分子溶液和溶胶。用丁达尔效应可鉴别小分子溶液、大分子溶液和溶胶。 小分子溶液无丁达尔效应，大分子溶液丁达尔效应微弱小分子溶液无丁达尔效应，大分子溶液丁达尔效应微弱缘由：是胶粒对光散射的结果缘由：是胶粒对光散射的结果(散射是指除入射光方向外，散射是指除入射光方向外，四面八方都能看到发光的景象四面八方都能看到发光的景象) 。1. 光散射二、二、 溶胶的光学性质溶胶的光学性质(2) Rayleigh散射定律 式中，式中，I为散射光强度；为散射光强度；I0为入射光强度；为入射光强度；c为单位体积中为单位体积中的质点

12、数；的质点数；v为单个粒子的体积；为单个粒子的体积；为入射光波长；为入射光波长；n1和和n2分别为分散介质和分散相的折射率。分别为分散介质和分散相的折射率。散射光强度与入射光波长的散射光强度与入射光波长的4次方成反比。次方成反比。散射光强度与单位体积中的质点数散射光强度与单位体积中的质点数c成正比。成正比。“浊度计的浊度计的设计原理设计原理散射光强度与粒子体积的平方成正比。散射光强度与粒子体积的平方成正比。散射光的强度可用瑞利公式表示：散射光的强度可用瑞利公式表示： 2223221042221242nncvIInn 瑞利瑞利(Lord J. W. Rayleigh)(Lord J. W. Ra

13、yleigh)散射散射光散射测定光散射测定散射光强度散射光强度 ),( RI 222122212224220cos1229),( nnnnRvIRI2. 显微镜及其对粒子大小和外形的测定(1) 超显微镜ultramicroscope普通显微镜的分辩率约为200nm，不能直接察看胶体粒子。超显微镜是在普通显微镜的根底上，采用了特殊的聚光器，使光线不直接进入物镜，背景是黑的。可在黑暗的背景下看到胶粒因光散射而呈现的闪烁亮点。不能直接看到粒子的大小和外形，但结合其它数据可以计算出粒子的平均大小并推断出胶粒的外形。二、二、 溶胶的光学性质溶胶的光学性质利用瑞利散射原理设计了一种超显微镜。利用瑞利散射原

14、理设计了一种超显微镜。超显微镜及光路图超显微镜及光路图 瑞利瑞利(Lord J. W. Rayleigh)散射散射心形超聚光器及光线路程心形超聚光器及光线路程 (2) 电子显微镜 用电子波替代光波，以电磁聚光镜替代普通聚光镜。透射电镜(TEM) 扫描电镜(SEM)扫描隧道显微镜(STM)原子力显微镜(AFM)X-Ray光电子能谱(XPS)电子探针光学显微镜OLM 透射电镜TEM 扫描电镜SEM 扫描隧道显微镜 STM 分辨身手(nm) 200 0.2 3.5(1.5) X，Y：0.1； Z：0.01 放大倍数 2 千倍 100 万倍 20 万倍数千万倍视野中小大小样品尺寸厚度微米级宽度毫米级厚

15、度小于1m 厘米级仅受样品台限制样品环境空气高真空高真空各种条件主要成像及成分分析信号透射,反射,衍射光透射,衍射, 能量损失电子二次,背散射电子, 特征X 射线隧道电流图像处置经过摄象机经过摄象机联机联机仪器价钱低高高中各种电镜与光学显微镜参数比较表各种电镜与光学显微镜参数比较表溶胶的物理化学性质一、一、 溶胶的运动性质溶胶的运动性质二、二、 溶胶的光学性质溶胶的光学性质三、三、 溶胶的电学性质溶胶的电学性质( (一一) ) 电动景象电动景象 ( (二二) ) 质点外表电荷的来源质点外表电荷的来源( (三三) ) 分散双电层实际分散双电层实际三、三、 溶胶的电学性质溶胶的电学性质( (一一)

16、 ) 电动景象电动景象 (1) (1) 电泳电泳 在外加电场作用下，带在外加电场作用下，带电的分散相粒子在分电的分散相粒子在分散介质中向相反符号散介质中向相反符号电极挪动的景象叫电电极挪动的景象叫电泳。泳。三、三、 溶胶的电学性质溶胶的电学性质v外加电势梯度越大，胶粒带电越多，胶粒越小，介质的粘度越小，那么电泳速度越大。v经过电泳实验可以确定胶粒的电荷符号。v溶胶的电泳景象证明了胶粒是带电的，实验证明，假设在溶胶中参与电解质，那么对电泳会有显著影响。随溶胶中外加电解质的添加，电泳速度常会降低以致变为零(等电点)，甚至改动胶粒的电泳方向，外加电解质可以改动胶粒带电的符号。 v研讨胶粒电泳的仪器称

17、为电泳仪。(2)电渗在外电场作用下，液体介质经过固定的多孔固体或毛细管束作定向运动的景象此时带电的固相不动叫电渗。和电泳一样，溶胶中外加电解质对电渗速度的影响也很显著，随电解质的添加，电渗速度降低，甚而会改动液体流动的方向。经过测定液体的电渗速度可求算溶胶胶粒与介质之间的总电势。(3)流动电势：在外力作用下，使溶胶中固、液两相发生相对运动，那么能够构成电场。假设用压力将液体挤过粉末压成的多孔塞，那么在塞的两侧产生电位差，即所谓流动电势，是电渗的反过程。v流动电势的大小与介质的电导率成反比。v碳氢化合物的电导通常比水溶液要小好几个数量级，这样在泵送此类液体时，产生的流动电势相当可观，高压下极易产

18、生火花，加上这类液体易燃，因此必需采取相应的防护措施，以消除由于流动电势的存在而呵斥的危险。v 例如，在泵送汽油时规定必需接地，而且常参与油溶性电解质，以添加介质的电导，降低或消除流动电势。(4)沉降电势：胶体粉末在液相中下沉时在液体中产生电位降，称为沉降电势。它是电泳的逆景象。例如，贮油罐中的油中常含有水滴，由于油的电导率很小，水滴的沉降常构成很高的沉降电势，甚至到达危险的程度。常采用参与有机电解质的方法添加介质的电导，从而降低或消除沉降电势。电泳、电渗、流动电势和沉降电势统称为电动景象。电泳、电渗、流动电势和沉降电势统称为电动景象。它们或是因电而动电泳和电渗，或是因动而电流动它们或是因电而

19、动电泳和电渗，或是因动而电流动电势和沉降电势，都是胶粒带电的必然结果。电势和沉降电势，都是胶粒带电的必然结果。(二) 质点外表电荷的来源 (1)电离粘土颗粒、玻璃等硅酸盐在水中能电离，故其外表荷负电，而与其接触的液相荷正电。硅溶胶在弱酸性和碱性介质中荷负电，也是由于质点外表上硅酸电离的结果。 (2)离子吸附在水或水溶胶中吸附H、OH或其它离子，从而使质点带电，许多溶胶的带电常属于此类。能和组成质点的离子构成不溶物的离子，最易被质点外表吸附“Fajans规那么。三、三、 溶胶的电学性质溶胶的电学性质(3) 晶格取代晶格取代是呵斥粘土颗粒带电的主要缘由。(4) 非水介质中质点荷电的缘由没有公认的实

20、际。以前说法：质点和介质间因摩擦而引起带电。目前许多人以为：非水介质中质点荷电也来源于离子选择性吸附。v溶胶粒子带电，这些电荷的主要来源是从水溶液中溶胶粒子带电，这些电荷的主要来源是从水溶液中选择性地吸附某种离子：选择性地吸附某种离子：v 吸附正离子胶粒带正电，吸附负离子带负电，但吸附正离子胶粒带正电，吸附负离子带负电，但整个溶液是电中性的，故还应有等量的反离子存在。整个溶液是电中性的，故还应有等量的反离子存在。v固粒外表吸附的离子和溶液中的反离子构成双电层。固粒外表吸附的离子和溶液中的反离子构成双电层。v双电层的厚度随溶液中离子浓度和电荷数而不同。双电层的厚度随溶液中离子浓度和电荷数而不同。

21、( (三三) ) 分散双电层实际分散双电层实际三、三、 溶胶的电学性质溶胶的电学性质1. Helmholtz模型(1879)v胶粒的双电层构造类似于简单的平行板电容器，双电层的里层在质点外表上，相反符号的外层那么在液体中，两层间的间隔很小，约为离子半径的数量级。v外表电荷密度、两层间间隔和外表电位0由固体外表至溶液本体间的电势差，也叫热力学电位之间的关系如下：04D缺限：不能解释电动景象，不代表实验现实。缺限：不能解释电动景象，不代表实验现实。2. Gouy-Chapman模型(19101913)v溶液中的反离子分散地分布在质点周围的空间里，由于静电吸引，质点附近处反离子浓度要大一些，离质点越

22、远反离子浓度越小，到距外表很远处(1nm10nm)过剩的反离子浓度为零。v“滑动面：电泳时固液之间发生相对挪动，在双电层内距外表某一间隔处。v(Zeta)电位：滑动面处的电位与溶液内部的电位之差。 电位是外表电位电位是外表电位0的一部分。的一部分。 电位的大小取决于滑动面内反离子浓度的小。电位的大小取决于滑动面内反离子浓度的小。v电位的数值可以经过电泳或电渗速度的测定计算出来。v电位也称为电动电位。v优点：v 解释了电动景象，区分了热力学电位0和电位，并能解释电解质对电位的影响。v缺限：v 不能解释为什么电位可以变号，有时还会高于外表电位的问题。Stern模型(1924)vStern以为：v

23、Gouy-Chapman的分散双电层可分为两层：一层为紧靠离子外表的严密层也叫Stern层或吸附层，其厚度由被吸附离子的大小决议；另一层类似于Gouy-Chapman双电层中的分散层电位随间隔的添加呈曲线下降，其浓度由本体溶液的浓度决议。vs为Stern电位：Stern层与分散层之间的电势差。v电位与s电位向相对大小：v v (1)电位普通略低于s电位;v (2)在足够稀的溶液中 s；v (3)浓的电解质溶液中， 与s差别大。特别是含有高价反离子(counter-ion)或外表活性剂离子时，由于强的选择性吸附作用，也称为特性吸附 (specific adsorption，可使s变号，这时胶粒所

24、带电荷符号也相反。v如何确定反离子在粒子外表能否产生特性吸附？v v 在被研讨的体系中参与该反离子并同时丈量电位，假设能使粒子电荷反号，阐明有特性吸附。vStern模型的优点：v 能较好地定性解释电动景象。v引入Stern层的假定后，Gouy-Chapman的分散双电层实际更加完善，被称为GCS实际。v缺陷：v (1)实际的定量计算尚有困难；v (2)关于吸附层的详细构造、介质的介电常数随离子浓度和双电层电场的变化以及外表电荷的不均匀分布等问题均未处理。v1963年博克里斯(Bockris)、德瓦纳塞恩(Devanathan)和谬勒(Mller)在斯特恩模型的根底上做了更细致的改良。v他们提出在严密层中还需求思索特性吸附及对水分子的吸附。4. BDM实际：实际：v在内严密层中被固体外在内严密层中被固体外表吸附的反离子由于紧表吸附的反离子由于紧贴固体外表，所以是非贴固体外表，所以是非溶剂化的，至少在与固溶剂化的，至少在与固体外表接触的那一侧无体外表接触的那一侧无溶剂分子。溶剂分子。v图中图中“蓝小球代表被蓝小球代表被固体外表吸附的水偶极固体外表吸附的水偶极子。子。v假设固体外表带负电，假设固体外表带负电，能够特性吸附阴离子能够特性吸附阴离子图中图中“红球。被红球。被剧烈化学吸附的阴离子，剧烈化学