胶体化学作业

1、1、 请结合双电层模型、DLVO理论分析胶体的稳定性及其影响因素？重点分析电解质的影响规律。2、 固体表面吸附规律，物理吸附和化学吸附的区别，吸附的测量原理、方法和相关应用。3、 固体表面带电原因及规律，动电电位测量原理、方法及其应用。4、 常用的表面分析技术有哪些？各有什么特点？从中可得到哪些信息？简述各种分析技术的工作原理。5、 应用学过的知识，结合研究课题或感兴趣的某一方面内容，写一篇胶体与界面化学学科前沿发展状况的小论文。（3000字左右，按照矿大学报的格式写）要求：封面用硕士课程考试专用封面，日期写5月20号，装订成册，5月30号前交给刘刚。1、 请结合双电层模型、DLVO理论分析胶

2、体的稳定性及其影响因素？重点分析电解质的影响规律。答：据胶体的各种性质。溶胶稳定的原因可归纳为：(1) 溶胶的动力稳定性 胶粒因颗粒很小，布朗运动较强，能克服重力影响不下沉而保持均匀分散。这种性质称为溶胶的动力稳定性。影响溶胶动力稳定性的主要因素是分散度。分散度越大，颗粒越小，布朗运动越剧烈，扩散能力越强，动力稳定性就越大，胶粒越不溶易下沉。此外分散介质的粘度越大，胶粒与分散介质的密度差越小，溶胶的动力稳定性也越大，胶粒也越不溶易下沉。(2) 胶粒带电的稳定作用和DLVO理论下图表示的是一个个胶团。蓝色虚线圆是扩散层的边界，虚线圆以外没有净电荷，呈电中性。因此，当两个胶团不重迭时，如左图，它们

3、之间没有静电作用力，只有胶粒间的引力，这种引力与它们之间距离的三次方成反比，这和分子之间的作用力（分子之间的作用力与分子之间距离的六次方成反比）相比，是一种远程力，这种远程力驱使胶胶核胶核胶核胶核团互相靠近。当两个胶团重迭时，如右图，它们之间就产生静电排斥力。重叠越多，静电排斥力越大。如果静电排斥力大于胶粒之间的吸引力，两胶粒相撞后又分开，保持了溶胶的稳定。胶粒必须带有一定的电荷才具有足够的静电排斥力，而胶粒的带电量与电势的绝对值成正比。因此，胶粒具有一定的电势是胶粒稳定的主要原因。1941年deriaguin 和landau已经1948年由ver-wey和overbeek分别提出了带电胶体粒

4、子稳定的理论，简称DLVO理论。该理论认为：a 胶团之间既存在着斥力势能，也存在着引力势能。b 溶胶的相对稳定性或是聚沉取决于斥力势能或是引力势能的相对大小c 斥力势能、引力势能以及总势能都随着粒子间距离的变化而变化，但是，由于斥力势能以及引力势能与距离关系的不同，因此必然会出现在某一区域内引力势能占优势；而在另一范围内斥力势能占优势的现象。d 理论推导表明，加入电解质时，对引力势能的影响不大，但对斥力势能的影响却是十分明显。所以电解质的加入会导致系统的总势能发生很大的变化。适当的调整电解质的浓度，可以得到相对稳定的溶胶。(3) 溶剂化的稳定作用 物质和溶剂之间所起的化合作用称为溶剂化，溶剂若

5、为水，则称水化。憎液溶胶的胶核是憎水的，但它吸附的离子都是水化的，因此增加了胶粒的稳定性。由于紧密层和分散层中的离子都是水化的，这样在胶粒周围形成了水化层。实验证明，水化层具有定向排列结构，当胶粒接近时，水化层被挤压变形，它有力图恢复定向排列结构的能力，使水化层具有弹性，这成了胶粒接近时的机械阻力，防止了溶胶的聚沉。以上影响溶胶稳定的三种因素中，尤以带电因素最重要。2、 固体表面吸附规律，物理吸附和化学吸附的区别，吸附的测量原理、方法和相关应用。答：固体表面吸附规律：固体表面的气体或液体的浓度高于其本体浓度的现象，称为固体的表面吸附。固体表面的气体与液体有在固体表面自动聚集，以求降低表面能的趋

6、势。固体表面上得原子或分子与液体一样，受力也是不均匀的，而且不像液体表面分子可以移动，通常它们是定位的。物理吸附和化学吸附的区别：物理吸附：吸附力是范德华力，吸附热较小，无选择性，不稳定，易分解，单分子层或多分子层，吸附速率较快，受温度影响小。化学吸附：吸附力为化学键力，吸附热较大，有选择性，稳定性好，分子层是单分子层，吸附速率较慢，吸附速率受温度影响大。物理吸附仅仅是一种物理作用，没有电子转移，没有化学键的生成与转移，也没有原子重排等。化学吸附相当与吸附剂表面分子与吸附质分子发生了化学反应，在红外、紫外、可见光谱中会出现新的特征吸附带。吸附的测量原理、方法：常压流动法：用净化和干燥过的氮气分

7、两路进入装有吸附剂的吸附平衡管：一路通过在一定温度恒温的吸附介质液体，带出其饱和蒸汽进入混合器。另一路直接进入混合器。调节两路气体的流速以控制混合气体中吸附质蒸汽的含量。由混合器流出的混合气体进入预先处理并准确称定管得增量，直至不再改变为止，计算此蒸汽含量下的吸附量。相关应用：干燥剂、防毒面具、脱色剂、色谱、污水处理、催化剂等。3、 固体表面带电原因及规律，动电电位测量原理、方法及其应用。答：任何一个相界面，甚至一块纯金属处在真空中，其表面都会出现正、负电荷的分离，从而导致表面区（约在表面几个分子大小范围内）出现电位差。任何两个不同相的接触都会形成一个相界面，而且呈现出带电现象。其带电原因主要

8、有以下几方面：(1) 两相的电子亲合能不同，当它们接触时产生接触电位这种带电在金属与金属接触，或者金属与半导体相接触时显得特别重要。而对于固液或液液两相接触界面不太重要。(2) 两个不同相的离子的亲合能不相同这包括两个相之间正、负离子的不同分布、固体表面在电解质溶液中对各种离子的不同吸附和晶格中离子的不同溶解度。下面讨论遇得较多的后两种情况。第一种情况是固体表面对离子的吸附。如果固体是离子晶格，则它服从Fazans-Paneth 规则，即若一种离子与晶格上电荷符号相反的离子生成难溶或弱电离化合物，则此种离子能强烈地被离子晶体所吸附。如果固体是非离子型晶体，则它对离子的吸附符合Lippmann

9、方程式。它可通过下面方法推导出来。将Gibbs 吸附方程应用到电解质溶液中，则有 d d d 2式中， 为溶剂（不电离部分）的化学位； 2为溶质（电离部分）的电化学位。之所以称它为电化学位是因为它与一般化学位不同。它除了包含一般化学位外还包含在界面上所产生的电位项。(3) 固体表面的电离属于这种原因带电的情况很多。原来中性的固体表面，在不同的pH 条件下，受到溶液中H 和OH 作用而发生不同形式的电离，最后导致其表面带电。带电的情况将随溶液中pH 值而变化。例如，蛋白质溶于纯水中几乎是电中性的，可是在酸性溶液中它却带正电荷，而在碱性溶液中它却带负电荷。这是因为蛋白质同时含有羧基和氨基，是两性电

10、解质，既可看作弱酸，也可看作弱碱。它在酸性介质或碱性介质中发生如下的电离反应。 当固体具有n 型（空穴型）或p 型（电子过剩型）缺陷时，它具有俘获带负电粒子或带正电粒子的能力例如蒙脱石（一种铝硅粘土矿）是具有p 型缺陷的固体。它是由上、下两层Si -O 四面体(Si4O10 )4-和处在它们中间的Al - O 八面体所组成。其中Al3+ 被Mg2+取代而形成类质同晶。蒙脱石经验式可表示为Al1.67Mg0.33Si4O10(OH)2 ，由于低价Mg2+ 取代高价Al3+ ，因而使晶格出现过剩负电荷，故可以在其表面上俘获碱金属或碱土金属的正离子，从而保持电中性。但是蒙脱石本身是带负电荷的。不管是

11、哪种原因，当固体表面带电以后，它必然要吸引等电量的反号离子在它的周围。这样在紧靠带电固体表面处形成特殊的一层表面层-双电层。动电现象的特征是双电层中带电表面和大量溶液之间的相对剪切运动，根据不同情况，动电现象分为4种：电泳、电渗、层流电位、沉降电位，在每种动电现象中，所涉及的电位都是剪切面上的电位，称电位，所以又称动电位。电位可以利用动电现象直接测定。如利用微电泳仪测定电泳速度，通过电极室中的电极建立电场，用显微镜直接观察粒子在电泳池中的迁移速度，根据公式U=D/4求出电位，也可以用界面移动法测定粒子电泳速度。应用：研究胶体粒子在电场下移动的实验。4、 常用的表面分析技术有哪些？各有什么特点？

12、从中可得到哪些信息？简述各种分析技术的工作原理。答：扫描电子显微镜（SEM）和投射电子显微镜（TEM）是最常用的形貌分析技术，可用于分析导体、半导体及绝缘样品，对样品的形状也没有限制，块状及粉末状也没有限制都可以进行分析。只是样品的制备方法不同。利用仪器附带的电子衍射及能量色散X射线分析（EDXA）设备还可做结构和微区成分分析。扫描电镜利用二次电子和背散射电子成像，放大倍数在20到20万倍之间，且有很大的景深，对凹凸不平的表面显示得很清楚，立体感很强，样品制备方法也很简单，但它的分辨率不如投射电镜。扫描透射电镜（STEM）的分辨率已经达到了0.2nm，可看到薄样品的原子结构像。扫描隧道显微镜（

13、STM）、原子力显微镜（AFM）也可用来观察样品表面形貌和结构。它们能直接给出表面三维图像，并可达原子分辨率，能较清楚地确定表面原子结构，但它们要求样品表面非常平整，且STM还能分析绝缘样品。单晶的表面结构常用低能电子衍射（LEED）技术来研究。LEED利用的是入射低能电子通过晶体表面“原子光栅”的衍射现象，从实验上得到的衍射图像便可得到表面二维晶胞的大小、对称性、表面重构、表面缺陷及相变等信息。常用的组分分析方法有X光电子能谱（XPS）、俄歇电子能谱（AES）、离子散射谱（ISS）及次级离子质谱（SIMS）等。XPS是最常用的表面成分分析技术之一，它不仅能测定表面的组成元素，而且能确定各元素

14、的化学状态，能检测除H、He以外周期表中所有的元素且具有极高的灵敏度，测试过程对样品表面无损害，定量分析效果好，特别适合于做化学分析。ISS和SIMS的显著特点是它们能得到表面单层元素组分及表面结构信息，但定量分析性能较差，检测是可能对样品有破坏性。SIMS能检测包括H在内的所有元素，能给出表面单层元素、同位素、化合物的组分、分子结构及一定的晶格结构信息。5、 应用学过的知识，结合研究课题或感兴趣的某一方面内容，写一篇胶体与界面化学学科前沿发展状况的小论文。（3000字左右，按照矿大学报的格式写）我国胶体与界面化学的发展摘 要：胶体与界面化学在能源、材料、生物、化学制造和环境科学等领域具有广泛

15、的应用，并渗透到国民经济的各个主要领域中。所涉及到其中的一些重大科学问题，如土壤改良、功能与复合材料、三次采油、人造血浆、药物缓释与定向、润滑和油漆涂料等，与国家安全、能源开发、环境保护和人民生活等方面密切相关，发展胶体与界面化学学科对社会与经济的可持续发展具有重要的意义。本文综述了我国胶体与界面化学学科 30 年来的研究进展，尤其是近 10 年所取得的成就，主要包括新型两亲分子有序组合体的设计与构建、界面化学与有序分子膜、胶体与界面化学在微纳米功能材料合成中的应用新进展、胶体与界面化学在生物医药中的研究新进展，以及胶体与界面化学的研究新方法，并对该学科的发展前景与趋势进行了分析。关键词：胶体

16、与界面化学；学科进展；应用；发展趋势胶体与界面化学是研究胶体分散体系和界面现象的一门科学，与能源、材料、生物、化学制造和环境科学有着密切的关系，并渗透到国民经济的各个主要领域中。所涉及到其中的一些重大科学问题，如土壤改良、功能与复合材料、三次采油、浆体的管道运输、人造血浆、药物缓释与定向、摩擦与润滑和油漆涂料等，与国家安全、能源开发、环境保护和人民生活等方面密切相关，因此在社会与经济可持续发展中具有重要的地位1。胶体与界面化学是一门古老而年轻的科学。早在 1861 年，英国化学家 Graham 首先提出了“胶体”( colloid) 这一名词，并建立了一门有系统的学科胶体化学。但是长期以来，由

17、于胶体体系的复杂性，许多规律停留在定性或半定量的描述，然而，近二十余年，这门学科有了明显发展与突破。我国胶体与界面化学的发展基本上是从解放后开始的，著名的化学家傅鹰院士是我国胶体与界面化学的主要奠基人，其对吸附理论的研究在国际上达到了很高的水平。他于 1954 年在北京大学化学系主持建立了我国第一个胶体化学教研室，并亲任室主任，培养了一批杰出的胶体化学研究生，推动了全国胶体与界面化学的发展。其后，赵国玺在表面活性剂物理化学基础研究和实际应用上，特别是在混合表面活性剂体系的研究中做出了突出贡献，并成为第一位应邀担任国际胶体与界面化学杂志( J Colloid InterfaceSci ) 编委的

18、中国学者。顾惕人在表面活性剂界面吸附和表面膜方面，周祖康在表面活性剂胶束形成、转变及胶体体系流变学性质方面，马季铭在分散体系的流变学性质以及基于有序分子组合体模板的生物矿化材料的制备方面，杨孔章在功能性 L-B 膜的制备与应用方面，陈宗淇在分散体系的流变性及胶体的稳定性方面，王果庭在分散体系稳定性与油田化学品方面，李干佐在将表面活性剂应用于三次采油、油田开发方面，陈邦林在界面化学吸附及其在河口化学理论方面均做出了突出贡献。改革开放以来，特别是自 1982 年以来的 30 年，我国胶体与界面化学学科得到了长足发展，近 10 年发展尤为迅猛。1983 年成立了中国化学会物理化学专业委员会胶体与界面

19、化学学科组，赵国玺为首任组长，马季铭为第二任组长。该学科经过 23 年的建设和发展，于 2006 年升格为胶体与界面化学专业委员会。1983 年召开了第一届全国胶体与界面化学会议，迄今已举行过 13 届。从历年全国胶体与界面化学会议的与会代表数可以看出，30 年来我国胶体与界面化学处于蓬勃发展的阶段。大批青年学者加入到胶体与界面化学的科学与技术研究队伍中，一批胶体与界面化学学者在国际上已经具有影响，进入本领域权威期刊，如Adv Colloid Interface Sci、Curr Opin Colloid Interface Sci、ACS ApplMater Interfaces、Soft

20、Matter、Langmuir、J Colloid Interface Sci 等的编辑和顾问编委的中国学者也在不断增多，表明了中国胶体与界面化学研究的进步和提高。研究论文的数量，特别是论文的水平均有很大提高，一批研究突破已经引起国际同行的密切关注并认可。2006 年 10 月 15 至 20 日，第 12届国际界面与胶体科学大会在北京国际会议中心隆重举行。本次会议充分代表了国际胶体与界面化学学科的研究水平，展示了各国学者的研究成果和最新进展，也是对中国胶体与界面科学家研究水平重视和承认的例证。近年来，由于功能材料、仿生学和生物医药等学科的迅速发展，要求在纳米尺寸（胶体) 的范围内进行分子组装

21、和材料的排列，制备具有各种功能与结构的有序分子组合体和进行仿生合成，特别是与生命现象有关的超分子组装、新型表面活性剂有序聚集体的构建和分子间相互作用的研究方兴未艾。在这些领域，我国胶体与界面化学科学家均做出了一些突出的成绩。1 界面化学与有序分子膜基于分子水平组装的有序分子膜在材料学、光学、电化学和生物仿生学等领域都有广泛的应用前景，我国已经在功能性 LB 膜构筑及其在生物仿生模拟、光学传感器应用等方面取得了较好的研究成果。近来，功能性有序分子膜在界面有序组装薄膜的构筑方面又取得了显著进展。手性是自然界的普遍现象，在生命科学、制药以及材料科学中起着重要的作用。除了分子层次的手性以外，分子以上层

22、次的手性问题研究正在日益引起人们的广泛兴趣。刘鸣华等围绕分子在界面的有序组装，首次观察到了非手性的两亲分子可以通过气液界面的组装形成具有超分子手性的组装体，系统揭示了非手性分子在界面产生手性的机制以及非手性分子的分子结构与界面组装体之间的关系。他们基于静电与 - 堆积，利用带正电荷的两亲分子以及带负电荷的卟啉分子在气液界面组装，从非手性的分子形成了手性组装体，卟啉分子的螺旋堆积起了关键作用2；基于配位作用，将非手性的萘并咪唑长链衍生物铺展在含有银离子亚相上，形成具有手性的有序膜3；基于氢键作用，非手性的长链巴比妥酸衍生物在界面通过氢键相互作用自组装形成手性超分子聚集体，以原子力显微镜观察单层

23、LB膜看到二维纳米螺旋结构4。在表面上完美地复制尺寸可调的纳米功能材料无论从理论上还是实际应用上都具有重要意义。随着仿生学的兴起，蜂窝状结构因其用料省、强度高、空间有效利用率最高等优点在工业应用上备受关注。郝京诚等发展了以双链阳离子表面活性剂与多金属氧酸盐通过相转移形成的静电复合物为构筑单元，在气/液界面制备了具有磁性、荧光等性质并易于转移的规则蜂窝状多孔膜。该结果被Angew ChemInt Ed 等化学领域著名国际期刊录用报道5，并被胶体领域的知名刊物Adv Colloid InterfaceSci 邀请撰写综述文章对该方向的研究结果进行评述6。最近，他们7以表面活性剂修饰的金纳米颗粒为构

24、筑单元，发展了一种简单、低价的溶剂挥发方法，在气/液界面制备了高度有序、不同形貌的蜂窝状薄膜，其具有良好的转移特性及层级多尺度的纳米结构。这种在界面上可复制的高度有序结构在催化、薄膜分离、微电子表面和纳米控制器等方面具有潜在的应用。此外，他们7利用金纳米颗粒的界面活性，采用一步法诱导聚苯乙烯等聚合物在气/固界面形成了规则的有机/无机复合蜂窝状薄膜，该膜具有较高的强度，可被剥离固体基底而独立存在，并在可见光区呈现出了明显的吸收增强及干涉衍射现象。2 胶体与界面化学在微纳米功能材料合成中的应用新进展由于材料的形貌与结构在很大程度上决定了材料的性能，因而具有特定形态、大小与结构的纳米材料的控制合成是

25、当前材料科学领域的一个重要研究方向，胶体与界面化学方法在形貌可控的无机微纳米功能材料合成方面发挥着十分重要的作用8，其中基于新型胶体模板的合成技术近年来得到了迅速发展，并愈来愈受到人们的普遍关注。齐利民、郭荣、房喻和褚莹等的研究团队取得了许多出色的成果。胶体晶体是由单分散的亚微米或微米级的胶体颗粒长程有序排列的组装体，胶体晶体模板法在制备三维有序大孔材料和二维有序图案化纳米结构等方面有着显著的优势。齐利民等9利用胶体晶体模板法首次成功制备了具有三维有序孔洞结构的方解石型碳酸钙单晶。这是人工合成出具有三维有序纳米孔洞结构的无机单晶，从而为三维有序纳米图案化且具有特定功能的新型无机单晶材料的可控制

26、备提供了一条行之有效的仿生合成途径。相关研究结果以“非常重要文章”( VIP) 的形式在AngewChem Int Ed 发表，被选为该期通讯类文章的首页插图，引起了国际同行关注。他们还利用有序排列的单层胶体晶体为模板，通过简便易行的溶液化学方法实现了图案化 ZnO2一维纳米结构阵列的大面积可控制备10-13； 建立了一种基于气液界面单层胶体晶体模板制备大面积高质量纳米网薄膜和蜂窝状薄膜的新方法，通过该方法可以非常方便地制备出大面积高度有序的无机纳米网薄膜14-17以及图案化的碳酸钙蜂窝状薄膜19-21。3 胶体与界面化学研究新方法胶体与界面化学是密切结合实际并与其他学科息息相关的学科，它涉及

27、的范围广，研究的内容丰富。从它的发展历程也可以看出，胶体与界面化学的内容在不断深入、面貌在不断更新，开拓的领域也越来越广22-24。在自身的发展过程仲，也培育出一些新的学科，或丰富了其他学科的内容。今后需要积极扩展领域，加强学科间的交流合作。今后十年，胶体与界面化学的研究方向涉及到方法的开发、计算方法和理论的建立以及体系的开发。在界面自组装方面，分子间相互作用及其协同效应是分子自组装与有序薄膜的本质，也是该领域需要解决的关键科学前沿。未来 510 年的布局与重要研究领域包括：3.1 胶体与界面化学的基本物理化学问题研究近年来，胶体与界面化学的研究内容不断更新，出现了许多新颖的研究方向，例如，特

28、殊介质中的聚集体形成研究，但这些新的研究内容并不能解决胶体与界面化学基本理论与新颖现象( 规律) 的落后，如 DLVO 理论对特殊界面电性质解释、表面活性剂包结参数( P = v/al) 对新颖聚集体( 碟形胶束、中空的有序多面聚集体) 的预示、特殊电荷界面的水合力理论与模型构筑( Hofmeister 效应与水合力) 、微/纳气液体系理论以及可逆界面浸湿等问题。建议加强对胶体与界面化学的基本物理化学问题研究，包括新颖有序分子组合体的构建和理论认识、经典胶体分散体系理论完善研究和模型构建与理论模拟25。3.2 新方法、新技术的应用新的手段与方法在胶体与界面体系不断渗透，新的学科交叉点将不断生长

29、，对胶体与界面化学的发展起重要推动作用，这些方向包括自组装过程、新组装方法和组装体的结构与功能； 胶体分散体系( 组装体和单层等软模板) 在微纳米功能材料合成中的应用； 胶体分散体系、界面与软物质科学的相关渗透研究；特殊介质如离子液体和超临界二氧化碳中组装、化学反应和功能研究；胶体化学及其在清洁能源和环境中的应用。制备新型的两亲分子是获得新颖分子有序结构的物质基础；认识和掌握两亲分子间弱相互作用力的协同规律，是创造并调控这类分子有序结构的科学前提； 针对相关领域技术发展的需求和特点，掌握分子有序结构与之相匹配的规律，是实现科学技术转化为生产力的必须环节。然而，从分子设计和化学合成角度考虑，发展新的基本构筑基元，比如获得结构和组成都更为复杂的分子，特别是有机-无机杂化的两亲分子等，将会面临更多的问题和困难。因此在相关的聚集体研究中，如何在现有的研究基础上，构筑结构更丰富、功能更多样的聚集结构，已成为胶体与界面化学研究中的重要发展方向。其中如何获得普遍性的构筑