M-10胶体与界面化学-总结

1、12021/3/27主要内容主要内容2绪论绪论界面现象和吸附界面现象和吸附溶胶与纳米粒子的制备溶胶与纳米粒子的制备胶体的基本性质胶体的基本性质表面活性剂溶液表面活性剂溶液乳状液乳状液泡沫泡沫凝胶凝胶2021/3/273 分散相粒子在至少一个尺度上的大小在分散相粒子在至少一个尺度上的大小在1 11000nm1000nm范围内的高度分散的分散体系称为范围内的高度分散的分散体系称为, ,其特点是其特点是。 分散体系（憎液溶胶热力学不稳定体系分散体系（憎液溶胶热力学不稳定体系, ,不可逆体系）不可逆体系） 分子胶体（亲液溶胶）分子胶体（亲液溶胶）缔合胶体（表面活性剂胶束溶液）缔合胶体（表面活性剂胶束溶

2、液）2021/3/274表面自由能表面自由能: :扩大液体表面单位面积时扩大液体表面单位面积时, ,体系自由能的体系自由能的增量。增量。表面张力表面张力: :垂直作用于单位长度相界面上垂直作用于单位长度相界面上, ,与表面平行与表面平行（平面）或相切（曲面）的收缩力。（平面）或相切（曲面）的收缩力。润湿润湿: :凝聚态物体表面一种流体被另一种流体取代的凝聚态物体表面一种流体被另一种流体取代的过程。过程。接触角接触角: :固、液、气三相交点处固、液、气三相交点处, ,固固- -液界面的水平液界面的水平 线线与气与气- -液界面在交点处切线之间的夹角液界面在交点处切线之间的夹角, ,且且总在液滴总

3、在液滴内。内。2021/3/275l/gs/ls/gcos YoungYoung方程方程9090o o 是润湿与否的分界线是润湿与否的分界线9090o o 液体润湿固体液体润湿固体; ;9090o o液体不润湿固体液体不润湿固体=180=180o o为完全不润湿为完全不润湿2021/3/276LangmuirLangmuir吸附等温式吸附等温式 描述描述了吸附量与被吸附蒸汽压力之间的定量关了吸附量与被吸附蒸汽压力之间的定量关系。他在推导该公式的过程引入了两个重要假设系。他在推导该公式的过程引入了两个重要假设: :(1) 吸附是单分子层的;(2) 固体表面是均匀的,被吸附分子之间无相互作用。达到

4、平衡时,吸附与脱附速率相等。1apap 这公式称为这公式称为 Langmuir吸附等温式吸附等温式,式中式中a称为称为吸附系数吸附系数,它的大小代表了固体表面吸附气体能力的它的大小代表了固体表面吸附气体能力的强弱程度。强弱程度。2021/3/277BETBET公式公式 由由Brunauer-Emmett-TellerBrunauer-Emmett-Teller三人提出的多分子层三人提出的多分子层吸附公式简称吸附公式简称BETBET公式公式。 他们接受了他们接受了LangmuirLangmuir理论中关于固体表面是理论中关于固体表面是的观点的观点, ,但他们认为吸附是但他们认为吸附是的。当然第一

5、的。当然第一层吸附与第二层吸附不同层吸附与第二层吸附不同, ,因为相互作用的因为相互作用的不同不同, ,因而因而也不同也不同, ,第二层及以后各层的吸附热第二层及以后各层的吸附热接近接近于于。BETBET吸附二常数公式。吸附二常数公式。/) 1(1)(ssmppcppcpVV2021/3/278溶胶制备溶胶制备纳米粒子制备方法纳米粒子制备方法根据物料状态可分为根据物料状态可分为; ;根据反应性质可分为根据反应性质可分为化学制备法和物理制备法化学制备法和物理制备法。不同的制备方法可导致纳米粒子的性能以及粒径各不相同。不同的制备方法可导致纳米粒子的性能以及粒径各不相同。 2021/3/27溶胶溶胶

6、- -凝胶法是无机盐或金属有机盐凝胶法是无机盐或金属有机盐水解先形成溶胶水解先形成溶胶, ,在一定条件下溶胶粒子以某种方式在一定条件下溶胶粒子以某种方式相互连接形成凝胶相互连接形成凝胶, ,凝胶再经凝胶再经等后等后处理得金属氧化物纳米微粉的方法。处理得金属氧化物纳米微粉的方法。 这种方法的特点是所得产物纯度高这种方法的特点是所得产物纯度高, ,易制备金属易制备金属氧化物复合粉体。氧化物复合粉体。2021/3/27,浓度过高或过低都易生成沉淀,而不形成凝胶;越不对称越利于凝胶的形成;常对凝胶形成有影响,如介质的pH值,介质中添加物的吸水性等可能对水解反应速率产生影响;一般来说升高对凝胶形成有利。

7、2021/3/27溶胶溶胶凝胶法的优缺点凝胶法的优缺点优点优点: :操作温度远低于玻璃熔融温度操作温度远低于玻璃熔融温度, ,节约能源节约能源, ,使得材料制备过程易使得材料制备过程易于控制于控制; ;工艺简单工艺简单, ,易于工业化易于工业化, ,成本低成本低, ,应用灵活应用灵活; ;可提高生产效率可提高生产效率; ;可保证最终产品的纯度可保证最终产品的纯度; ;制备的气凝胶是一种结构可控的新型轻质纳米多孔非晶固态材制备的气凝胶是一种结构可控的新型轻质纳米多孔非晶固态材料料, ,具有许多特殊性质具有许多特殊性质, ,因而蕴藏着广阔的应用前景。因而蕴藏着广阔的应用前景。2021/3/27缺点

8、缺点a.a. 烘干后的球形凝胶颗粒自身烧结温度低烘干后的球形凝胶颗粒自身烧结温度低, ,凝胶颗凝胶颗粒之间烧结性差粒之间烧结性差, ,块体材料烧结性不好块体材料烧结性不好; ; b.b. 干燥时收缩大。干燥时收缩大。2021/3/2713胶体晶体胶体晶体 由一种或多种单分散胶体粒子组装并规整排由一种或多种单分散胶体粒子组装并规整排列的二维或三维有序结构。列的二维或三维有序结构。占据每个晶格点的是胶体粒子占据每个晶格点的是胶体粒子, ,不是分子、离子或原不是分子、离子或原子子由胶体粒子与空气介质周期性排列的有序结构由胶体粒子与空气介质周期性排列的有序结构折射率周期性变化折射率周期性变化特点特点2

9、021/3/2714Brown Brown 运动运动rtLRTx 3 爱因斯坦爱因斯坦- -布朗平均位移布朗平均位移 公式公式 在时间间隔在时间间隔 t t 内粒子的平均位移内粒子的平均位移, ,m m; ; 介质的粘度介质的粘度, ,PasPas; ;r r 粒子的半径粒子的半径, ,m m; ; L L阿伏加德罗常数。阿伏加德罗常数。 x2021/3/2715 分散介质分子以大小不同和方向不同的力对胶体分散介质分子以大小不同和方向不同的力对胶体粒子不断撞击而产生的。由于受到的力不平衡粒子不断撞击而产生的。由于受到的力不平衡, ,连续连续地以不同方向、不同速度作不规则运动地以不同方向、不同速

10、度作不规则运动。随着。随着粒子粒子增大增大, ,撞击的次数增多撞击的次数增多, ,而作用力而作用力抵消抵消的的可能性增大可能性增大。BrownBrown运动产生的本质运动产生的本质2021/3/2716扩散理论扩散理论扩散扩散在有浓度梯度存在时在有浓度梯度存在时, ,物质粒子因热运动物质粒子因热运动而发生宏观上的定向迁移而发生宏观上的定向迁移, ,称为扩散。也就是说称为扩散。也就是说粒子从高浓度区向低浓度区迁移的宏观现象。粒子从高浓度区向低浓度区迁移的宏观现象。2021/3/2717xcDAtnddddS 胶体系统的扩散与溶液中溶质扩散一样胶体系统的扩散与溶液中溶质扩散一样，可用，可用Fick

11、 Fick 扩散第一定律来描述：扩散第一定律来描述： 单位时间通过某一截面的物质的量单位时间通过某一截面的物质的量d dn/n/d dt t与该与该处处的浓度梯度的浓度梯度d dc/c/d dx x及面积大小及面积大小A As s成正比成正比, ,其比例系其比例系数数D D 称为扩散系数称为扩散系数, ,负号是因为扩散方向与浓梯方负号是因为扩散方向与浓梯方向向相反相反。Fick 扩散理论2021/3/2718D D 扩散系数扩散系数 单位浓度梯度下单位浓度梯度下, ,单位时间通过单位面积的物质的量。单位单位时间通过单位面积的物质的量。单位: :m m2 2 s s -1 -1对于球形粒子对于球

12、形粒子, ,D D 可由爱因斯坦斯托克斯方程计算可由爱因斯坦斯托克斯方程计算: :rLRTD6可见可见, ,粒子越小粒子越小, ,扩散系数越大扩散系数越大, ,扩散能力越强。胶体粒扩散能力越强。胶体粒子扩散速率要比真溶液小几百倍。子扩散速率要比真溶液小几百倍。扩散系数2021/3/2719 沉降与沉降平衡沉降与沉降平衡 多相分散系统中的粒子，因受重力作用而下多相分散系统中的粒子，因受重力作用而下沉的过程，称为沉降。沉的过程，称为沉降。 沉降与布朗运动所产沉降与布朗运动所产生的扩散为一对矛盾的两个方面。生的扩散为一对矛盾的两个方面。沉降沉降 扩散扩散 分散相分布分散相分布真溶液 均相粗分散系统

13、沉于底部胶体系统 平衡 形成浓梯2021/3/2720)(1ln12012hhRTMgCC C C1 1, , C C2 2在高度在高度h h1 1, , h h2 2处粒子的数密度处粒子的数密度; ; M M 摩尔质量摩尔质量; ; , , 0 0 粒子、介质的密度。粒子、介质的密度。 平衡时粒子数密度随高度分布的分布定平衡时粒子数密度随高度分布的分布定律律h h1 1h h2 22021/3/2721应用介质中粒子所受重力的作用应用介质中粒子所受重力的作用, ,得到了球形粒得到了球形粒子沉降速度公式为子沉降速度公式为9gr202在其他条件相同时在其他条件相同时, ,半径增大半径增大, ,沉

14、降速度显著增加。粒沉降速度显著增加。粒子越小子越小, ,沉降速度将很快降低。沉降速度将很快降低。增加粘度增加粘度, ,提高分散粒子的介质中的稳定性提高分散粒子的介质中的稳定性, ,加入增稠加入增稠剂。剂。2021/3/2722溶胶丁达尔现象透镜光源丁达尔效应丁达尔效应丁达尔效应为什么?2021/3/2723光散射现象光散射现象 当光束通过分散体系时当光束通过分散体系时, ,一部分自由地通过一部分自由地通过, ,一部分一部分被吸收、反射或散射。被吸收、反射或散射。1 1）当光束通过粗分散体系）当光束通过粗分散体系, ,由于粒子大于入射光由于粒子大于入射光的波长的波长, ,主要发生反射主要发生反射

15、, ,使体系呈现混浊。使体系呈现混浊。 2 2）当光束通过胶体溶液）当光束通过胶体溶液, ,由于胶粒直径小于可见由于胶粒直径小于可见光波长光波长, ,主要发生散射主要发生散射, ,可以看见乳白色的光柱。可以看见乳白色的光柱。3 3）当光束通过分子溶液）当光束通过分子溶液, ,由于溶液十分均匀由于溶液十分均匀, ,散射散射光因相互干涉而完全抵消光因相互干涉而完全抵消, ,看不见散射光。看不见散射光。2021/3/2724TyndallTyndall效应的另一特点就是带色。如氯化银、溴化效应的另一特点就是带色。如氯化银、溴化银等溶胶银等溶胶, ,在光透射方向上观察在光透射方向上观察, ,呈浅红色呈

16、浅红色, ,在垂直方在垂直方向看到的却是蓝色向看到的却是蓝色, ,这个蓝色称为这个蓝色称为。许多溶胶是无色的许多溶胶是无色的, ,因为它对可见光的各波段的光吸因为它对可见光的各波段的光吸收均很弱收均很弱, ,并且吸收大致相同。如果溶胶对可见光中并且吸收大致相同。如果溶胶对可见光中的某一个波长有较强的选择性吸收的某一个波长有较强的选择性吸收, ,则透射光中该波则透射光中该波长部分将变弱长部分将变弱, ,这时透射光呈该波长光的补色光。这时透射光呈该波长光的补色光。丁达尔效应的特点丁达尔效应的特点- -带色带色2021/3/2725防雾灯用黄色黄色灯Tyndall效应判别溶胶与真溶液图2021/3/

17、2726任何溶胶中的胶粒都有这样的现象任何溶胶中的胶粒都有这样的现象: :带负电的胶粒向正极带负电的胶粒向正极移动移动, ,带正电的胶粒向负极移动带正电的胶粒向负极移动, ,人们把这种现象称为电人们把这种现象称为电泳。泳。在这个实验中在这个实验中, ,水在外加电场的作用下水在外加电场的作用下, ,通过黏土颗粒间通过黏土颗粒间的毛细通道向负极移动的现象称为电渗析。的毛细通道向负极移动的现象称为电渗析。+ + + + + + + + + + + + + + + + 电渗2021/3/2727沉降电势和流动电势 在重力场的作用下在重力场的作用下, ,带电带电的分散相的分散相粒子粒子, ,在分散介质中

18、在分散介质中迅速沉降迅速沉降时时, ,使底层与表面层使底层与表面层的粒子浓度悬殊的粒子浓度悬殊, ,从而产生电从而产生电势差势差, ,这就是这就是沉降电势沉降电势。 沉降电势+V2021/3/2728 含有离子的含有离子的液体在加压或重力等液体在加压或重力等外力的作用下外力的作用下, ,流经流经多孔膜或毛细管时会多孔膜或毛细管时会产生电势差。产生电势差。沉降电势和流动电势 这种因液体流这种因液体流动而产生的电势称为动而产生的电势称为流动电势流动电势。气体V压力毛细管 流动电势2021/3/2729 因为因为管壁会吸附某种离子管壁会吸附某种离子, ,使固体表面带电使固体表面带电, ,电电荷从固体

19、到液体有个分布梯度。荷从固体到液体有个分布梯度。 在用泵输送原油或易燃化工原料时在用泵输送原油或易燃化工原料时, ,要使管道接地要使管道接地或加入油溶性电解质或加入油溶性电解质, ,增加介质电导增加介质电导, ,防止流动电势可防止流动电势可能引发的事故。能引发的事故。 当外力迫使扩散层移动时当外力迫使扩散层移动时, ,流动层与固体表面流动层与固体表面之间会产生电势差之间会产生电势差, ,当流速很快时当流速很快时, ,有时会产生电有时会产生电火花。火花。 2021/3/2730 胶粒胶粒在重力场作用下发生沉降在重力场作用下发生沉降, ,而产生而产生沉降电势沉降电势; ;带电的介质发生流动带电的介

20、质发生流动, ,则产生则产生流动电势流动电势。这是因动。这是因动而产生电。而产生电。 以上四种现象都称为电动现象。 由于由于胶粒带电胶粒带电, ,而溶胶是电中性的而溶胶是电中性的, ,则介质带与胶则介质带与胶粒相反的电荷。在外电场作用下粒相反的电荷。在外电场作用下, ,胶粒和介质分别向胶粒和介质分别向带相反电荷的电极移动带相反电荷的电极移动, ,就产生了就产生了电泳电泳和和电渗电渗的电动的电动现象现象, ,这是因电而动。这是因电而动。2021/3/2731 电场引电场引起运动起运动电泳电泳质点移动，介质静止质点移动，介质静止沉降电势沉降电势电渗电渗质点静止，液体移动质点静止，液体移动流动电势流

21、动电势运动产运动产生电势生电势四种电现象的相互关系：四种电现象的相互关系：2021/3/2732 当固体与液体接触时,可以是固体从溶液中选择性吸附某种离子,也可以是固体分子本身发生电离作用而使离子进入溶液,以致使固液两相分别带有不同符号的电荷,在界面上形成了双电层的结构。 对于双电层的具体结构,一百多年来不同学者提出了不同的看法。最早于1879年Helmholz提出平板型模型;双电层（double layer) 1910年Gouy和1913年Chapman修正了平板型模型,提出了扩散双电层模型;后来Stern又提出了Stern模型。2021/3/2733扩散双电层模型 Gouy和Chapman

22、认为,由于正、负离子静电吸引和热运动两种效应的结果,溶液中的反离子只有一部分紧密地排在固体表面附近,相距约一、二个离子厚度称为紧密层; 另一部分离子按一定的浓度梯度扩散到本体溶液中,离子的分布可用玻兹曼公式表示,称为扩散层。双电层由紧密层和扩散层构成。移动的切动面为AB面。2021/3/2734 溶胶相对静止时溶胶相对静止时, ,整个溶胶体系是电中性的。当分散相粒整个溶胶体系是电中性的。当分散相粒子和液体介质相对运动时子和液体介质相对运动时, ,就会产生电位差就会产生电位差, ,这种电位差叫这种电位差叫电动电动电势电势。电势（电动电势）电势（电动电势） -滑动面与溶液本体间的电势差可由滑动面与

23、溶液本体间的电势差可由电泳或电渗实验测定电泳或电渗实验测定0 0表面热力学电势表面热力学电势, , 固体表面与溶液本体间的电势差固体表面与溶液本体间的电势差2021/3/2735斯特恩（斯特恩（Stern)Stern)模型模型对古依对古依查普曼模型的修正查普曼模型的修正: :模模型型紧密层分为两部分：部分反紧密层分为两部分：部分反离子由静电引力和范德华力离子由静电引力和范德华力共同作用下紧密吸附在固体共同作用下紧密吸附在固体表面，约有一、二个分子层表面，约有一、二个分子层的厚度，称为的厚度，称为“特性吸附离特性吸附离子子”，构成，构成SternStern层；由反层；由反离子电性中心构成的平面称

24、离子电性中心构成的平面称为为SternStern平面。平面。2021/3/2736胶体的稳定性实指某种性质（如分散相浓度、颗粒大胶体的稳定性实指某种性质（如分散相浓度、颗粒大小、体系黏度和密度等）有一定程度的不变性。小、体系黏度和密度等）有一定程度的不变性。主要是用主要是用热力学稳定性、动力学稳定性和聚集稳定性热力学稳定性、动力学稳定性和聚集稳定性三者来表征。三者来表征。溶胶的热力学稳定性溶胶的热力学稳定性 溶胶有巨大的比表面溶胶有巨大的比表面, ,是热力学不稳定系统是热力学不稳定系统, ,胶粒胶粒迟早要发生聚沉。迟早要发生聚沉。2021/3/2737 溶胶有动力学的稳定性质。原因:Brown

25、 运动 双电层结构水化层,水化膜的存在。某些物质的存在改变了胶粒的表面性能。溶胶的聚集稳定性质。 聚集稳定性差; 聚集稳定性高。胶体的稳定性2021/3/2738聚沉值聚沉值 使溶胶发生明显聚沉时外加电解质的最小浓使溶胶发生明显聚沉时外加电解质的最小浓度称为该电解质对该溶胶的度称为该电解质对该溶胶的聚沉值聚沉值。叔尔采叔尔采哈迪（哈迪（Schulze-HardySchulze-Hardy）规则）规则a.a.符号法则符号法则: :引起溶胶聚沉的是异电荷离子引起溶胶聚沉的是异电荷离子b.b.价数规则价数规则: :异电离子价数越高异电离子价数越高, ,聚沉能力越强聚沉能力越强对一定溶胶：对一定溶胶：

26、61Zc 如如AgIAgI负溶胶负溶胶聚沉能力顺序聚沉能力顺序 NaClMgClNaClMgCl2 2FeClVV分分, ,则可观察到凝胶离浆则可观察到凝胶离浆; ;若若V V凝凝VV分分, ,则可观察到凝胶膨胀则可观察到凝胶膨胀; ;若若V V凝凝=V=V分分, ,则凝胶既不膨胀也不离浆。则凝胶既不膨胀也不离浆。弹性凝胶弹性凝胶离浆现象2021/3/2765刚性凝胶离浆现象刚性凝胶离浆现象刚性凝胶离浆是刚性凝胶离浆是的的, ,往往按溶胶往往按溶胶凝凝胶胶浓缩凝胶浓缩凝胶致密沉淀这一过程进行。致密沉淀这一过程进行。引起不可逆的引起不可逆的主要是由于凝胶中粒子间主要是由于凝胶中粒子间发生进一步的

27、强相互作用（包括粒子表面羟发生进一步的强相互作用（包括粒子表面羟基间的脱水）基间的脱水）离浆不同于物质在干燥处理时的失水离浆不同于物质在干燥处理时的失水, ,因为在因为在潮湿的空气中和低温下也可发生离浆。潮湿的空气中和低温下也可发生离浆。2021/3/2766凝胶溶胶(等温)在浓在浓Fe(OH)Fe(OH)3 3溶胶中加入少量电解质时溶胶中加入少量电解质时, ,溶胶的黏度溶胶的黏度增加并转变为凝胶增加并转变为凝胶; ;将此凝胶稍加振动将此凝胶稍加振动, ,便等温可逆转变便等温可逆转变为溶胶静置后又成凝胶为溶胶静置后又成凝胶, ,这种现象就称为触变作用。这种现象就称为触变作用。 触变作用是 从有结构体系转变为“无结构”体系,此种表示为油漆、钻井用泥浆、药膏等都要求有一定的触变性能。2021/3/27Company Logo67凝胶吸附作用凝胶吸附作用 刚性凝胶的干胶表面积较大刚性凝胶的干胶表面积较大, ,有较强的吸附有较强的吸附能力。如硅胶能力。如硅胶, ,可用吸附剂。这种凝胶无论是吸可用吸附剂。这种凝胶无论是吸附蒸气还是溶液附蒸气还是溶液, ,其体积基本不变。其体积基本不变。 而而弹性凝胶的干燥几乎无吸附能力。弹性凝胶的干燥几乎无吸附能力。2021/3/27Company Logo68 凝胶骨架空隙的大小对大分子有筛分作用凝胶骨架空隙的大小对大分子有筛分作用, ,这是这是