《胶体化学定稿》ppt课件

1、第十二章第十二章 胶体化学胶体化学 胶体化学是物理化学的一个重要分支。它胶体化学是物理化学的一个重要分支。它所研讨的领域是化学、物理学、资料科学、生所研讨的领域是化学、物理学、资料科学、生物化学等诸多学科的交叉与重叠，它已成为这物化学等诸多学科的交叉与重叠，它已成为这些学科的重要根底实际。些学科的重要根底实际。 胶体化学的实际和技术如今已广泛运用于胶体化学的实际和技术如今已广泛运用于化工、石油开采、催化、涂料、造纸、农药、化工、石油开采、催化、涂料、造纸、农药、纺织、食品、化装品、染料、医药和环境维护纺织、食品、化装品、染料、医药和环境维护等工业部门和技术领域。等工业部门和技术领域。 胶体系统

2、的光学性质胶体系统的光学性质 胶体系统的动力性质胶体系统的动力性质 胶体系统的电学性质胶体系统的电学性质 憎液溶胶的胶团构造憎液溶胶的胶团构造 憎液溶胶的稳定实际憎液溶胶的稳定实际DLVO实际实际 憎液溶胶的聚沉憎液溶胶的聚沉 乳状液乳状液 12.1 胶体分散系统及其根本性质胶体分散系统及其根本性质 胶体化学研讨的对象是粒子直径至少在某个胶体化学研讨的对象是粒子直径至少在某个方向上在方向上在 1 1000 nm 之间的分散系统。之间的分散系统。分散系统：一种或几种物质分散在另一种物分散系统：一种或几种物质分散在另一种物质之中所构成的系统；质之中所构成的系统；分分 散散 相：被分散的物质；相：被

3、分散的物质；分散介质：另一种延续分布的物质分散介质：另一种延续分布的物质真溶液真溶液胶体分散系统胶体分散系统粗分散系统粗分散系统 根据分散相的根据分散相的大小，可分为：大小，可分为： 表表 12.0.1 分分散散系系统统的的分分类类及及特特征征 系系统统 分分散散相相粒粒子子 直直径径 d 实实例例 真真溶溶液液 d 1 nm 各各种种分分子子、原原子子、离离子子溶溶液液 如如乙乙醇醇水水溶溶液液、 NaCl 水水溶溶液液、空空气气等等 胶胶体体系系统统 1d 1000 nm 乳乳状状液液、悬悬浮浮液液、泡泡沫沫 如如牛牛奶奶、豆豆浆浆、泥泥浆浆等等 胶体系统中的分散相可以是一种物质，也可以是

4、多种胶体系统中的分散相可以是一种物质，也可以是多种物质，可以是由许多原子或分子组成的粒子，也可以是一物质，可以是由许多原子或分子组成的粒子，也可以是一个大分子。个大分子。 胶体系统通常还可分为三类：胶体系统通常还可分为三类：1溶胶溶胶 分散相不溶于分散介质，有很大的分散相不溶于分散介质，有很大的相界面，很高的界面能，因此是热力学不稳相界面，很高的界面能，因此是热力学不稳定系统；定系统；2高分子溶液高分子溶液 以分子方式溶于介质，没有相以分子方式溶于介质，没有相界面，为均相热力学稳定系统；界面，为均相热力学稳定系统；3缔合胶体缔合胶体 分散相为外表活性剂缔合构成的分散相为外表活性剂缔合构成的胶束

5、，分散相与分散介质间有很好的亲和性，胶束，分散相与分散介质间有很好的亲和性，也是均相热力学稳定系统。也是均相热力学稳定系统。 表表 1 12 2. .0 0. .2 2 分分散散系系统统按按聚聚集集状状态态分分类类 分分散散介介质质 分分散散相相 名名称称 实实例例 气气 液液 固固 气气溶溶胶胶 云云、雾雾、喷喷雾雾 烟烟、粉粉尘尘 液液 气气 液液 固固 泡泡沫沫 乳乳状状液液 溶溶胶胶或或悬悬浮浮液液 肥肥皂皂泡泡沫沫 牛牛奶奶、含含水水原原油油 金金溶溶胶胶、油油墨墨、泥泥浆浆 固固 气气 液液 固固 固固溶溶胶胶 泡泡沫沫塑塑料料 珍珍珠珠、蛋蛋白白石石 有有色色玻玻璃璃、某某些些合

6、合金金 憎液溶胶憎液溶胶亲液溶胶亲液溶胶 液溶胶液溶胶分散相与分散介质之间有相界面分散相与分散介质之间有相界面均相，无相界面均相，无相界面 高分子溶液高分子溶液12.2 胶体系统的光学性质胶体系统的光学性质1、Tyndall丁达尔效应丁达尔效应丁达尔效应：在暗室里，将一束聚集的光投射到胶体系统丁达尔效应：在暗室里，将一束聚集的光投射到胶体系统 上，在与入射光垂直的方向上，可察看到一上，在与入射光垂直的方向上，可察看到一 个发亮的光柱，其中并有微粒闪烁。个发亮的光柱，其中并有微粒闪烁。1869年年 Tyndall发现胶体系统有光散射景象发现胶体系统有光散射景象光散射：分子吸收一定波长的光，构成电

7、偶极子，光散射：分子吸收一定波长的光，构成电偶极子， 由其振荡向各个方向发射振动频率与入由其振荡向各个方向发射振动频率与入 射光频率一样的光。射光频率一样的光。丁达尔效应是由于胶体粒子发生光散射而引起的丁达尔效应是由于胶体粒子发生光散射而引起的系统完全均匀：一切散射光相互抵消，系统完全均匀：一切散射光相互抵消， 看不到散射光；看不到散射光；系统不均匀：散射光不会被相互抵消，系统不均匀：散射光不会被相互抵消， 可看到散射光。可看到散射光。 胶体系统的丁达尔效应是其高度的分散性和胶体系统的丁达尔效应是其高度的分散性和多相不均匀性的反响。多相不均匀性的反响。但粒子的直径不是越大越容易产生丁达尔效应：

8、但粒子的直径不是越大越容易产生丁达尔效应： 当粒子粒径当粒子粒径 波长时，发生光的反射；波长时，发生光的反射； 当粒子粒径当粒子粒径 1，质点外表可当作平面处置，有：，质点外表可当作平面处置，有： Evu或Ev 式中：式中：v 电泳速度，单位为电泳速度，单位为m s-1； E 电场强度或称电位梯度，单位为电场强度或称电位梯度，单位为Vm-1； u 胶核的电迁移率，单位为胶核的电迁移率，单位为m2 V-1 s-1， 表示单位场强下的电泳速度；表示单位场强下的电泳速度； 介质的介电常数，单位为介质的介电常数，单位为F m-1， = r 0 ; r 相对介电常数，相对介电常数， 0 真空介电常数；真

9、空介电常数； 介质的粘度，单位为介质的粘度，单位为Pa s。Smoluchowski公式公式 (斯莫鲁科夫斯基斯莫鲁科夫斯基)当当 球形粒子半径球形粒子半径r较小较小 双电层厚度双电层厚度 -1较大较大即即r 1时时: 5 . 1 Evu H ckel 公式公式该式普通用于非水体系该式普通用于非水体系 电泳运用广泛，例如：利用电泳速度不同，可将蛋白电泳运用广泛，例如：利用电泳速度不同，可将蛋白质分子、核酸分子分别；在医学上可利用血清的纸上电泳，质分子、核酸分子分别；在医学上可利用血清的纸上电泳，分别各种氨基酸和蛋白质；在陶瓷工业中，利用电泳将粘分别各种氨基酸和蛋白质；在陶瓷工业中，利用电泳将粘

10、土与杂质分别，得到高纯度的粘土等等。土与杂质分别，得到高纯度的粘土等等。2 2电渗电渗 在外电场作用下，分散介质经过多孔固体在外电场作用下，分散介质经过多孔固体膜而定向挪动的景象，称为电渗。膜而定向挪动的景象，称为电渗。 电渗产生的缘由：当固体与液体接触时，由于两相对电渗产生的缘由：当固体与液体接触时，由于两相对电子的亲和力不同，固体外表会带电，构成双电层，而毛电子的亲和力不同，固体外表会带电，构成双电层，而毛细孔那么被双电层所充溢，带相反电荷。因此通电时液体细孔那么被双电层所充溢，带相反电荷。因此通电时液体普通会向某一极运动。电渗可用于纸浆脱水、陶坯脱水等。普通会向某一极运动。电渗可用于纸浆

11、脱水、陶坯脱水等。 3流动电势流动电势 在外力作用下，在外力作用下，迫使液体经过多孔隔迫使液体经过多孔隔膜或毛细管定向膜或毛细管定向流动，在多孔隔膜两流动，在多孔隔膜两端所产生的电势差，端所产生的电势差，称为流动电势。可称为流动电势。可视为电渗的逆过程视为电渗的逆过程P：电位差计：电位差计4沉降电势沉降电势 分散相粒子在分散相粒子在重力场或离心力场重力场或离心力场的作用下迅速挪动的作用下迅速挪动时，在挪动方向的时，在挪动方向的两端所产生的电势两端所产生的电势差，称为沉降电势差，称为沉降电势。可视为电泳的。可视为电泳的逆过程逆过程四种电景象的相互关系四种电景象的相互关系： 电泳电泳 电渗电渗流动

12、电势流动电势沉降电位沉降电位液体静止，固体粒子运动液体静止，固体粒子运动固相不动，液体挪动固相不动，液体挪动外加电场引外加电场引起相对运动起相对运动相对运动产相对运动产生电位差生电位差3. 溶胶的胶团构造溶胶的胶团构造 例：例： AgNO3 + KI AgI + KNO3KI 过量过量 ：AgI 溶胶吸附溶胶吸附 I 带负电，带负电， K为反离子；为反离子；AgNO3过量：过量：AgI 溶胶吸附溶胶吸附 Ag带正电，带正电， NO3为反离子为反离子胶团构造表示：胶团构造表示：例：例：I过量，生成带负电的胶粒，过量，生成带负电的胶粒，K为反离为反离子子 胶团胶团 AgIm nI(n-x)K+x-

13、 xK+ 胶核胶核 胶粒胶粒胶团剖面图：胶团剖面图：特点：特点：胶核：首先吸附过量的胶核：首先吸附过量的成核离子，然后吸附成核离子，然后吸附反离子；反离子；2) 胶团整体为电中性胶团整体为电中性12.5 溶胶的稳定与聚沉溶胶的稳定与聚沉 溶胶是热力学不稳定系统，但有些溶胶却能在溶胶是热力学不稳定系统，但有些溶胶却能在相当长的时间内稳定存在。例如法拉第所制的红色相当长的时间内稳定存在。例如法拉第所制的红色金溶胶，静置数十年后才聚沉。金溶胶，静置数十年后才聚沉。 那么是什么缘由可以使溶胶稳定存在？又是什那么是什么缘由可以使溶胶稳定存在？又是什么缘由会导致溶胶聚沉呢？么缘由会导致溶胶聚沉呢？ 194

14、1年杰里亚金年杰里亚金(Derjaguin)和朗道和朗道(Landau)、1948年维韦年维韦(Verwey)和奥弗比克和奥弗比克(Overbeek)分别提分别提出了带电胶体粒子稳定的实际，简称出了带电胶体粒子稳定的实际，简称DLVO实际，实际，从实际上提示了溶胶稳定与聚沉的缘由。从实际上提示了溶胶稳定与聚沉的缘由。1. 溶胶的经典稳定实际溶胶的经典稳定实际DLVO实际实际溶胶粒子间的作用力：溶胶粒子间的作用力：van der Waals 吸引力：吸引力：EA -1/x2双电层引起的静电斥力：双电层引起的静电斥力：ER ae-x总作用势能：总作用势能：E = ER + EAE m axEREA

15、E势势能能x第一最小值第一最小值第二最小值第二最小值第一最小值第一最小值0粒子的平动能粒子的平动能(3/2) RT Emax时，溶胶不稳时，溶胶不稳定定EA曲线的外形由粒子本性决议，不受电解质影响；曲线的外形由粒子本性决议，不受电解质影响；ER曲线的外形、位置剧烈地受电解质浓度的影响。曲线的外形、位置剧烈地受电解质浓度的影响。EREAEc1c2c3势势 能能0电解质浓度电解质浓度：ER，Emax， 溶胶稳定溶胶稳定性性电解质浓度对胶体粒子势能的影响：电解质浓度对胶体粒子势能的影响：电解质浓度：电解质浓度： c3 c2 c1所以溶胶稳定的缘由：所以溶胶稳定的缘由：1)胶粒带电胶粒带电 添加胶粒间

16、的排斥作用；添加胶粒间的排斥作用；2)溶剂化作用溶剂化作用 构成弹性水化外壳，添加溶胶聚构成弹性水化外壳，添加溶胶聚合的阻力；合的阻力；3)Brown运动运动 使胶粒抑制受重力影响而不下沉使胶粒抑制受重力影响而不下沉 除胶粒带电是溶胶稳定的主要缘由外，溶除胶粒带电是溶胶稳定的主要缘由外，溶剂化作用和布朗运动也是溶胶稳定的有利要素。剂化作用和布朗运动也是溶胶稳定的有利要素。2. 憎液溶胶的聚沉憎液溶胶的聚沉 溶胶粒子合并、长大，进而发生沉淀的溶胶粒子合并、长大，进而发生沉淀的景象，称为聚沉。溶胶从本质上说是不稳景象，称为聚沉。溶胶从本质上说是不稳定的，许多要素可导致溶胶聚沉，如加热定的，许多要素

17、可导致溶胶聚沉，如加热、辐射、参与电解质等。溶胶对电解质很、辐射、参与电解质等。溶胶对电解质很敏感，这方面的研讨也较深化。敏感，这方面的研讨也较深化。电解质的聚沉作用电解质的聚沉作用 少量的电解质可对溶胶起稳定作用，但电解少量的电解质可对溶胶起稳定作用，但电解质参与过多时，尤其是含高价反离子电解质的参质参与过多时，尤其是含高价反离子电解质的参与，往往会使溶胶发生聚沉。与，往往会使溶胶发生聚沉。聚沉值聚沉值 使溶胶发生明显的聚沉所需电解质的使溶胶发生明显的聚沉所需电解质的 最小浓度；最小浓度； 聚沉才干聚沉才干 聚沉值的倒数聚沉值的倒数 电解质对溶胶的聚沉规律：电解质对溶胶的聚沉规律： (i)反

18、离子的价数起主要作用反离子的价数起主要作用 价数价数，聚沉值，聚沉值，聚沉才干，聚沉才干 聚沉值聚沉值 1/Z 6，聚沉才干，聚沉才干 Z 6 Schultz-Hardy规那么规那么(ii) 同价离子，有感胶离子序同价离子，有感胶离子序 正离子的聚沉才干：正离子的聚沉才干： H+ Cs+ Rd+ NH4+ K+ Na+ Li+ 负离子的聚沉才干负离子的聚沉才干 ： FClBrNO3IOH正离子水化才干强正离子水化才干强, r, 水化才干水化才干, 水化层厚水化层厚, 进入严密层少进入严密层少, 聚沉才干聚沉才干负离子水化才干弱负离子水化才干弱, r, 水化才干水化才干, 水化层薄水化层薄, 进

19、入严密层多进入严密层多,聚沉才干聚沉才干(2) 高分子化合物的聚沉作用高分子化合物的聚沉作用j搭桥效应搭桥效应 一个大分子经过吸附，把许多胶粒一个大分子经过吸附，把许多胶粒j 结合起来，变成较大的聚集体而结合起来，变成较大的聚集体而聚聚j 沉；沉；j脱水效应脱水效应 高分子对水的亲合力强，由于它的高分子对水的亲合力强，由于它的j 存在，使胶粒脱水，失去水化外存在，使胶粒脱水，失去水化外壳壳j 而聚沉；而聚沉；j 电中和效应电中和效应 离子型的高分子，吸附到带电离子型的高分子，吸附到带电胶胶 j 粒上，中和了粒子外表电荷，粒上，中和了粒子外表电荷，使使j 粒子间斥力降低，进而聚沉。粒子间斥力降低

20、，进而聚沉。12.6 乳状液乳状液 由两种不互溶或部分互溶的液体所构成的粗由两种不互溶或部分互溶的液体所构成的粗分散系统，称为乳状液。分散系统，称为乳状液。类型类型水包油，水包油，O/W，油分散在水中，油分散在水中油包水，油包水，W/O，水分散在油中，水分散在油中O + W + 乳化剂乳化剂 乳状液乳状液乳化剂乳化剂外表活性剂外表活性剂固体粉末固体粉末1. 乳状液类型的鉴别乳状液类型的鉴别(1)染色法：将油水溶性染料滴入乳状液，染色法：将油水溶性染料滴入乳状液， 在显微镜下察看，染色的一相为油在显微镜下察看，染色的一相为油 水相。水相。(2)稀释法：将乳状液滴入水中或油中，假设乳状稀释法：将乳

21、状液滴入水中或油中，假设乳状 液在水中能稀释，即为液在水中能稀释，即为O/W型；在型；在 油中能稀释，即为油中能稀释，即为W/O型。型。(3)导电法：导电法：O/W型乳状液的导电性能远好于型乳状液的导电性能远好于 W/O型乳状液，经过测电导可区别型乳状液，经过测电导可区别 两者。两者。2. 乳状液的稳定乳状液的稳定(1) 降低界面张力降低界面张力 (a) 参与外表活性剂，参与外表活性剂， ，G表表，稳定，稳定性性 (b) 外表活性剂的外表活性剂的HLB值可决议构成乳状液值可决议构成乳状液 的类型：的类型： HLB 3-6: 构成构成W/O型乳状液；型乳状液； HLB 12-18: 构成构成O/

22、W型乳状液。型乳状液。 大头朝外，小头向内，外表活性剂可严密陈列，大头朝外，小头向内，外表活性剂可严密陈列，构成厚壁，使乳状液稳定。构成厚壁，使乳状液稳定。2构成定向楔的界面构成定向楔的界面 二价碱金属皂类，构成W/O型乳状液：一价碱金属皂类，一价碱金属皂类， 构成构成O/W型乳状液：型乳状液：3构成分散双电层构成分散双电层 离子型外表活性剂可构成分散双电层，使乳状离子型外表活性剂可构成分散双电层，使乳状液稳定。液稳定。4界面膜的稳定作用界面膜的稳定作用 加强界面膜的强度，可添加乳状液的稳定性。加强界面膜的强度，可添加乳状液的稳定性。5固体粉末的稳定作用固体粉末的稳定作用某些固体粉末也可起乳化

23、稳定剂的作用：某些固体粉末也可起乳化稳定剂的作用：水能润湿的固体粉末，可构成水能润湿的固体粉末，可构成O/W型的乳状液，如型的乳状液，如粘土等，粘土等，油能润湿的固体粉末，可构成油能润湿的固体粉末，可构成W/O型的乳状液，如型的乳状液，如石墨，石墨， 煤煤烟等。烟等。根据根据Young方程：方程： so sw = ow cos so sw ow固固水水油油如如 so sw : cos 为正，为正， 90 o，水能润湿，水能润湿固体，固体大部分在水中，油水界固体，固体大部分在水中，油水界面向油弯曲，构成面向油弯曲，构成O/W乳状液。乳状液。如如 so 90 o，油能润湿，油能润湿固体固体, 固体大部分在油中