第12章胶体化学2ppt课件

1、112.4 溶胶的电学性质溶胶的电学性质 溶胶实验发现：溶胶实验发现：外电场的作用下，固、液两相可发生相对运动外电场的作用下，固、液两相可发生相对运动反过来，外力作用下，固、液两相相对运动又产生电势差反过来，外力作用下，固、液两相相对运动又产生电势差溶胶这种与电势差有关的相对运动称为电动现象溶胶这种与电势差有关的相对运动称为电动现象2（1电泳电泳 在外电场的作用下，胶体粒子在外电场的作用下，胶体粒子在分散介质在分散介质 中定向移动的现象，中定向移动的现象，称为电泳称为电泳说明溶胶粒子带电说明溶胶粒子带电 界面法移动法电泳装置界面法移动法电泳装置 实验测出在一定时间内界面实验测出在一定时间内界面

2、移动的距离，可求得粒子的电移动的距离，可求得粒子的电泳速度泳速度1. 电动现象电动现象介绍四种电动现象：电泳、电渗、流动电势、沉降电势。介绍四种电动现象：电泳、电渗、流动电势、沉降电势。Fe(OH)3溶胶粒子带正电溶胶粒子带正电 3电势梯度电势梯度 时溶胶粒子与普通离子的运动速度时溶胶粒子与普通离子的运动速度1 11 10 00 0V Vm m 6 61 11 10 0m ms sv v 溶胶粒子与一般离子定向移动的速度数量级接近溶胶粒子与一般离子定向移动的速度数量级接近粒子的种类粒子的种类运动速度运动速度H+OHNa+K+ClC3H7COOC8H17COO溶胶粒子溶胶粒子32.618.04.

3、56.76.83.12.024电泳现象说明胶体粒子是带电的电泳现象说明胶体粒子是带电的4胶体粒子的电泳速率影响因素：胶体粒子的电泳速率影响因素：电势梯度越大、粒子带电越多、离子体积越小、介质粘度电势梯度越大、粒子带电越多、离子体积越小、介质粘度越小，电泳速度越大越小，电泳速度越大电泳速率与加入的电解质有关：随着加入电解质的增多，电泳速率与加入的电解质有关：随着加入电解质的增多，电泳速率变慢。电泳速率变慢。溶胶粒子与一般离子定向移动的速度数量级接近溶胶粒子与一般离子定向移动的速度数量级接近而溶胶粒子的质量约为一般离子的而溶胶粒子的质量约为一般离子的1000倍倍胶粒所带电荷的数量应是一般离子所带电

4、荷的胶粒所带电荷的数量应是一般离子所带电荷的1000倍倍?5电泳应用广泛，例如：电泳应用广泛，例如：利用电泳速度不同，可将蛋白质分子、核酸分子分离；利用电泳速度不同，可将蛋白质分子、核酸分子分离；在医学上可利用血清的纸上电泳，分离各种氨基酸和蛋白质；在医学上可利用血清的纸上电泳，分离各种氨基酸和蛋白质；在陶瓷工业中，利用电泳将粘土与杂质分离，得到高纯度的粘在陶瓷工业中，利用电泳将粘土与杂质分离，得到高纯度的粘土等等。土等等。6（2电渗电渗外电场作用下，溶胶粒子不动外电场作用下，溶胶粒子不动(如将其吸附固定于棉花或凝胶如将其吸附固定于棉花或凝胶等多孔性物质中等多孔性物质中)，而液体介质做定向流动

5、的现象称为电渗，而液体介质做定向流动的现象称为电渗 若没有溶胶存在，液体如水与多孔性固体物质或毛若没有溶胶存在，液体如水与多孔性固体物质或毛细管接触后，固、液两相多会带上符号相反的电荷，此细管接触后，固、液两相多会带上符号相反的电荷，此时，若在多孔材料或毛细管两端施加一定电压，液体也时，若在多孔材料或毛细管两端施加一定电压，液体也将通过多孔材料或毛细管而定向流动，这也是一种电渗将通过多孔材料或毛细管而定向流动，这也是一种电渗电渗可用于纸浆脱水、陶坯脱水等电渗可用于纸浆脱水、陶坯脱水等 7（3流动电势流动电势 在外力作用下，迫使液体在外力作用下，迫使液体通过多孔隔膜或毛细管定通过多孔隔膜或毛细管

6、定向流动，在多孔隔膜两端所产向流动，在多孔隔膜两端所产生的电势差，称为流动电势生的电势差，称为流动电势电渗的逆过程电渗的逆过程P：电位差计：电位差计8（4沉降电势沉降电势 分散相粒子在重力场或分散相粒子在重力场或离心力场的作用下迅速移动离心力场的作用下迅速移动时，在移动方向的两端所产时，在移动方向的两端所产生的电势差，称为沉降电势生的电势差，称为沉降电势电泳的逆过程电泳的逆过程9说明：溶胶粒子和分散介质带有不同性质的电荷说明：溶胶粒子和分散介质带有不同性质的电荷 溶胶粒子为什么带电？溶胶粒子为什么带电？ 溶胶粒子周围的分散介质中，反离子与胶粒所带电荷溶胶粒子周围的分散介质中，反离子与胶粒所带电

7、荷 符号相反的离子是如何分布的？符号相反的离子是如何分布的？ 电解质是如何影响电动现象的？电解质是如何影响电动现象的？ 双电层理论双电层理论 电泳电泳 电渗电渗流动电势流动电势沉降电势沉降电势（液体静止，固体粒子运动）（液体静止，固体粒子运动）（固相不动，液体移动）（固相不动，液体移动）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四种电现象的相互关系四种电现象的相互关系10溶胶粒子带电原因：溶胶粒子带电原因： 2. 扩散双电层理论扩散双电层理论离子吸附：固体表面从溶液中有选择性地吸附某种离离子吸附：固体表面从溶液中有选择性地吸附某种离子而带电。如子而带电。如Ag

8、I溶胶：溶胶： 溶液中溶液中I 过量时，可吸附过量时，可吸附 I 而带负电，而带负电， 溶液中溶液中Ag+ 过量时，可吸附过量时，可吸附 Ag+ 而带正电。而带正电。 电离：固体表面上的分子在溶液中发生电离而带电电离：固体表面上的分子在溶液中发生电离而带电 如蛋白质中的氨基酸分子如蛋白质中的氨基酸分子: 在在 pH 低时氨基形成低时氨基形成 NH3+ 而带正电；而带正电； 在在 pH 高时羧基形成高时羧基形成 COO 而带负电。而带负电。11处在溶液中的带电固体表面，在静电力作用，必然要吸处在溶液中的带电固体表面，在静电力作用，必然要吸引等电量的、与固体表面上带有相反电荷的离子即反引等电量的、

9、与固体表面上带有相反电荷的离子即反离子或异电离子环绕在固体粒子的周围，这样便在固离子或异电离子环绕在固体粒子的周围，这样便在固液两相之间形成了双电层。液两相之间形成了双电层。下面简单介绍几个有代表性的关于双电层的理论。下面简单介绍几个有代表性的关于双电层的理论。12缺点：缺点： 1)不能解释表面电势不能解释表面电势 0 与与 电势的区别：电势的区别： 2)不能解释电解质对不能解释电解质对 电势的影响电势的影响1879年，亥姆霍兹首先提出在固液两相之间的界面上形成类似于平年，亥姆霍兹首先提出在固液两相之间的界面上形成类似于平行板电容器那样的双电层：行板电容器那样的双电层：正负离子整齐地排列于界面

10、层的两侧正负离子整齐地排列于界面层的两侧与离子半径相当与离子半径相当外加电场下：带电质点和溶外加电场下：带电质点和溶 液中的反离子液中的反离子 分别向相反电分别向相反电 极移动，产生电动现象。极移动，产生电动现象。(1) 亥姆霍兹平板电容器模型亥姆霍兹平板电容器模型双电层：质点表面电荷与周围介质中的反离子构成的电层；双电层：质点表面电荷与周围介质中的反离子构成的电层；表面电势表面电势0 ：带电质点表面与液体的电位差：带电质点表面与液体的电位差：电势：固、液两相发生相对运动的边界处与液体内部的电位差电势：固、液两相发生相对运动的边界处与液体内部的电位差013（2古依查普曼扩散双电层模型古依查普曼

11、扩散双电层模型 静电力：使反离子趋向表面静电力：使反离子趋向表面 热运动：使反离子均匀分布热运动：使反离子均匀分布 溶溶 液中的反离子只有一部液中的反离子只有一部 分紧密地排在固体表面附近，分紧密地排在固体表面附近， 相距相距约一、二个离子厚称为紧约一、二个离子厚称为紧 密层；密层；另一部分离子按一定的浓度梯另一部分离子按一定的浓度梯 度扩散到本体溶液中，离子的度扩散到本体溶液中，离子的 分分布可用玻兹曼公式表示，称布可用玻兹曼公式表示，称 为扩散层为扩散层14 古依查普曼模型正确反映了反离子在扩散层中分布古依查普曼模型正确反映了反离子在扩散层中分布的情况及相应电势的变化，这些观点在今天看来仍

12、是正确的情况及相应电势的变化，这些观点在今天看来仍是正确的的缺点：缺点： 1)把离子视为点电荷，没有考虑离子的溶剂化；把离子视为点电荷，没有考虑离子的溶剂化； 2)没有考虑胶粒表面上的固定吸附层没有考虑胶粒表面上的固定吸附层 古依和查普曼给出古依和查普曼给出距表面距表面x处的电势处的电势与表面与表面电势为电势为0的关系：的关系：式中式中 的倒数的倒数 -1 具有双电层厚度的意义具有双电层厚度的意义 0 0e ex xk kj jj j- -= =15（3斯特恩斯特恩(Stern)双电层模型双电层模型更加接近实际的双更加接近实际的双 电层模型电层模型:固定吸附层固定吸附层Stern层）：由于静电

13、作层）：由于静电作用，反离子会牢固地结合在固体表面用，反离子会牢固地结合在固体表面，形成一个紧密的吸附层，其厚度约，形成一个紧密的吸附层，其厚度约1-2个分子厚。此固定层与胶体质点个分子厚。此固定层与胶体质点一起运动，层中有一个显著的电位降一起运动，层中有一个显著的电位降扩散层：固定层外，其余反离子呈扩散层：固定层外，其余反离子呈Boltzmann分布，分散在溶液中，形分布，分散在溶液中，形成扩散层。成扩散层。固体表面+ + + + +-+-+-斯特恩层(紧密层)扩散层-斯特恩面滑动面o 扩散双电层扩散双电层= 固定层固定层+ 扩散层扩散层其范围其范围= 从固体质点表面至反从固体质点表面至反离

14、子过剩为零离子过剩为零16固体表面+ + + + +-+-+-斯特恩层(紧密层)扩散层-斯特恩面滑动面o 固体表面固体表面斯特恩面斯特恩面滑动面滑动面表面电势表面电势0（热力学电势）（热力学电势）斯特恩电势斯特恩电势 电势滑动面电势滑动面与溶液本体之间与溶液本体之间的电位差）的电位差）17电解质的影响：电解质的影响：溶液中电解质浓度增加时，介质中反溶液中电解质浓度增加时，介质中反离子的浓度加大，将压缩扩散层使其离子的浓度加大，将压缩扩散层使其变薄，把更多的反离子挤进滑动面以变薄，把更多的反离子挤进滑动面以内，使内，使 电势在数值上变小直至为电势在数值上变小直至为0 电势的大小，反映了胶粒带电的

15、程度，电势的大小，反映了胶粒带电的程度， 电势越大，说明：电势越大，说明： = 0 时，为等电点，胶粒间无静电斥力，溶胶极易聚沉时，为等电点，胶粒间无静电斥力，溶胶极易聚沉胶粒带电胶粒带电 ，滑动面与溶液本体之间的电势差滑动面与溶液本体之间的电势差 扩散层厚度扩散层厚度18斯特恩模型斯特恩模型: 给出了给出了 电势明确的物理意义，电势明确的物理意义，解释了溶胶的电动现象，解释了溶胶的电动现象，定性地解释了电解质浓度对溶胶稳定性的影响，定性地解释了电解质浓度对溶胶稳定性的影响，使人们对双电层的结构有了更深入的认识。使人们对双电层的结构有了更深入的认识。19对于球形质点：对于球形质点： 当粒子半径

16、当粒子半径 r 较大较大 双电层厚度双电层厚度 -1较小较小即即r 1，质点表面可当作平面处理，有：，质点表面可当作平面处理，有：式中：式中：v 电泳速度，单位为电泳速度，单位为m s1； 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Vm1； u 胶核的电迁移率，单位为胶核的电迁移率，单位为m2 V1 s1， 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，单位介质的介电常数，单位F m1， = r 0 ; r 相对介电常数，相对介电常数， 0 真空介电常数真空介电常数； 介质的粘度，单位为介质的粘度，单位为Pa s。溶胶粒子的溶胶粒子的电势，可利用电

17、泳速度数据通过如下计算获得：电势，可利用电泳速度数据通过如下计算获得： Smoluchowski公式公式v vu uE Eezezh h=v vE Eh hz ze e= =即即20 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 Hckel 公式公式该式一般用于非水体系该式一般用于非水体系当当即即r 1时时:1. 51. 5v vE Eh hz ze e= =一些溶胶的一些溶胶的 电势电势水溶胶有机溶胶分散相分散相分散相分散介质 As2S3AuAgSiO2-0.032-0.032-0.034-0.044BiPbFeFe(OH)3+0.016+0.018+0.028

18、+0.044CdZnZnBiCH3COOC2H5CH3COOC2H5CH3COOC2H5CH3COOC2H5-0.047-0.064-0.087-0.091 /V /V /V213. 溶胶的胶团结构溶胶的胶团结构 例：例： AgNO3 + KI AgI + KNO3溶胶中的分散相与分散介质之间存在着界面。因而，按溶胶中的分散相与分散介质之间存在着界面。因而，按扩散双电层理论，可以设想出溶胶的胶团结构。扩散双电层理论，可以设想出溶胶的胶团结构。AgImIIIIIIIIIIIIIIIIK+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+KI 过量：过量：AgI溶胶吸附溶胶吸附I带负电，带负电，K为反离

19、子为反离子负溶胶负溶胶胶核胶核胶粒带负电）胶粒带负电）胶团结构表示式胶团结构表示式胶团电中性）胶团电中性）滑动面滑动面+(n-x)K mAgI-nI x x K+ 22AgNO3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NO3-NO3-NO3-NO3-NO3-NO3-NO3-NO3-NO3-NO3-NO3-NO3-（AgImAg +Ag +Ag +Ag +Ag +Ag +Ag +Ag +Ag +Ag +Ag +Ag +AgNO3 + KI AgI + KNO3(AgI)m n Ag+ (n-x)NO3x+ x NO3 |_|_|胶核胶粒（带正电）胶团（电中性）

20、正溶胶正溶胶2312.5 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，但有些溶胶却能在相当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金溶胶，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。静置数十年后才聚沉。 那么是什么原因可以使溶胶稳定存在？又是什么原那么是什么原因可以使溶胶稳定存在？又是什么原因会导致溶胶聚沉呢？因会导致溶胶聚沉呢？ 带电胶体粒子稳定的理论，简称带电胶体粒子稳定的理论，简称DLVO理论，从理理论，从理论上揭示了溶胶稳定与聚沉的原因。论上揭示了溶胶稳定与聚沉的原因。24溶胶粒子间的作用力溶胶粒子间的作

21、用力远程远程van der Waals van der Waals 引力引力双电层引起的静电斥力双电层引起的静电斥力（1 1胶团之间既存在斥力势能，也存在着引力势能。胶团之间既存在斥力势能，也存在着引力势能。溶胶的经典稳定理论溶胶的经典稳定理论DLVODLVO理论理论+ + + + + + + +- -+ +- - - - - - - - - - -+ + + + + + + +- -+ +- - - - - - - - - - -+ + + + + + + +- -+ +- - - - - - - - - - -+ + + + + + + +- -+ +- - - - - - - - - -

22、 -1 1、理论要点、理论要点25（3斥力势能、引力势能均随粒子间距离的变化而变化，但斥力势能、引力势能均随粒子间距离的变化而变化，但因两者与距离函数关系的不同因两者与距离函数关系的不同会出现在某一距离范围内会出现在某一距离范围内引力势能占优势；而在另一范围内斥力势能占优势的现象引力势能占优势；而在另一范围内斥力势能占优势的现象 （4加入电解质时，对引力势能影响不大，但对斥力势能的加入电解质时，对引力势能影响不大，但对斥力势能的影响却十分明显。电解质的加入会导致系统的总势能发生很影响却十分明显。电解质的加入会导致系统的总势能发生很大的变化。适当调整电解质的浓度，可以得到相对稳定的溶大的变化。适

23、当调整电解质的浓度，可以得到相对稳定的溶胶。胶。 （2溶胶的相对稳定性或聚沉取决于斥力势能或引力势能的溶胶的相对稳定性或聚沉取决于斥力势能或引力势能的相对大小。相对大小。斥力大于引力斥力大于引力稳定稳定斥力小于引力斥力小于引力聚沉聚沉26引力势能引力势能斥力势能斥力势能总势能总势能2 2、势能曲线、势能曲线AREEE 两胶粒相距较远时，离两胶粒相距较远时，离子氛尚未重叠，引力起子氛尚未重叠，引力起作用，作用，E0但随距离继续缩小，引但随距离继续缩小，引力迅速增加，占优势力迅速增加，占优势E27第一极小值：第一极小值：形成结构紧密而又稳定的聚形成结构紧密而又稳定的聚沉物沉物不可逆聚沉或永久性聚沉

24、不可逆聚沉或永久性聚沉 第二极小值第二极小值 ：形成较疏松的沉积物形成较疏松的沉积物 可逆聚沉可逆聚沉引力势能引力势能斥力势能斥力势能2 2、势能曲线、势能曲线28所以溶胶稳定的原因：所以溶胶稳定的原因：1)胶粒带电胶粒带电 增加胶粒间的排斥作用；增加胶粒间的排斥作用；2)溶剂化作用溶剂化作用 形成弹性水化外壳，增加溶胶聚合的阻力形成弹性水化外壳，增加溶胶聚合的阻力3)Brown运动运动 使胶粒克服受重力影响而不下沉使胶粒克服受重力影响而不下沉除胶粒带电是溶胶稳定的主要原因外，溶剂化作用和布朗除胶粒带电是溶胶稳定的主要原因外，溶剂化作用和布朗运动也是溶胶稳定的有利因素。运动也是溶胶稳定的有利因

25、素。292. 溶胶的聚沉溶胶的聚沉 溶胶粒子合并、长大，进而发生沉淀的溶胶粒子合并、长大，进而发生沉淀的现象，称为聚沉。溶胶从本质上说是不稳定现象，称为聚沉。溶胶从本质上说是不稳定的，许多因素可导致溶胶聚沉，如加热、辐的，许多因素可导致溶胶聚沉，如加热、辐射、加入电解质等。溶胶对电解质很敏感，射、加入电解质等。溶胶对电解质很敏感，这方面的研究也较深入。这方面的研究也较深入。3030电解质的聚沉作用电解质的聚沉作用适量的电解质对溶胶起到稳定剂的作用。适量的电解质对溶胶起到稳定剂的作用。但如果电解质加入得过多，往往会使溶胶发生聚沉。但如果电解质加入得过多，往往会使溶胶发生聚沉。原因：原因：电解质的

26、浓度或价数增加时，都会压缩扩散层，使扩散电解质的浓度或价数增加时，都会压缩扩散层，使扩散层变薄，斥力势能降低，当电解质的浓度足够大时就会层变薄，斥力势能降低，当电解质的浓度足够大时就会使溶胶发生聚沉；使溶胶发生聚沉；若加入的反离子发生特性吸附时，斯特恩层内的反离子若加入的反离子发生特性吸附时，斯特恩层内的反离子数量增加，使胶粒的带电量降低，而导致碰撞聚沉。数量增加，使胶粒的带电量降低，而导致碰撞聚沉。 31聚沉值聚沉值 溶胶发生明显聚沉所需电解质的最小浓度溶胶发生明显聚沉所需电解质的最小浓度聚沉能力聚沉能力 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)反离

27、子的价数反离子的价数Z起主要作用起主要作用 价数价数，聚沉值，聚沉值，聚沉能力，聚沉能力 聚沉值聚沉值 1/Z 6，聚沉能力，聚沉能力 Z 6 舒尔茨舒尔茨 哈迪规则哈迪规则32例如：对于带负电荷的例如：对于带负电荷的As2S3 溶胶，用几种电解质溶胶，用几种电解质聚聚 沉，其聚沉值分别为：沉，其聚沉值分别为： KCl ：49.5 molm-3 ； MgCl2 ： 0.7 molm-3 ； AlCl3 ： 0.093 molm-3 ；聚沉能力之比聚沉能力之比 = 1/ 聚沉值聚沉值 KCl : MgCl2 : AlCl3 =1 : 70 : 532反离子价数之比：反离子价数之比： 16 : 26 : 36 = 1 : 64 : 72933(ii) 同价离子，有感胶离子序同价离子，有感胶离子序正离子水化能力强正离子水化能力强, r, 水化能力水化能力, 水化层厚水化层厚, 进入紧进入紧密层少密层少, 聚沉能力聚沉能力负离子水化能力弱负离子水化能力弱, r, 水化能力水化能力, 水化层薄水化层薄, 进入紧进入紧密层多密层多, 聚沉能力聚沉能力豆浆带负电的大豆蛋白溶胶中加入卤水制作豆浆带负电的大豆蛋白溶胶中加入卤水制作豆腐的过程实际就是利用电解质使溶胶发生聚沉的实例豆腐的过程实际就是利用电解质使溶胶发生聚沉