第十四章胶体分散系统和大分子溶液

1、第十四章胶体分散系统和大分子溶液【复习题】【1】用AS2O3与略过量的H2s制成的硫化神 As2s3溶胶，试写出其胶团的结构式。 用FeCl3在热水中水解来制备 Fe(OH)3溶胶，试写出Fe(OH)3溶胶的胶团结构。【解析】H 2s是弱酸，考虑它的一级电离，故其胶团结构式为：(As2s3)m "HS-、n-x)H + x- xH +Fe(OH)3溶胶的胶团结构式为Fe(OH) 3m n Fe(OH)2+ (n-x)Cl x- xCl-。【2】在以KI和AgNO3为原料制备AgI溶胶时，或者使 KI过量，或者使 AgNO3过量，两 种情况所制得的 AgI溶胶的胶团结构有何不同？胶核吸

2、附稳定离子时有何规律？【解析】(AgI) m胶核在KI存在时吸附I-离子，当AgI过量时则吸附 Ag+,胶核吸附离子的规律为，首先吸附使胶核不易溶解的离子及水化作用较弱的离子。【3】胶粒发生Brown运动的本质是什么？这对溶胶的稳定性有何影响？【解析】Brown运动的本质是质点的热运动，它使溶胶产生扩散、渗透压、沉降核沉降平衡。【4】Tyndall效应是由光的什么作用引起的？其强度与入射光波长有什么关系？粒子大小范围落在什么区间内可以观察到Tyndall效应？为什么危险信号要用红色灯显示？为什么早霞、晚霞的色彩？【解析】Tyndall效应是由光散射作用形成的。其强度与入射光强度的关系为：_ .

3、 2.2.，22 Q.24n a vV n1 n2I =772 . _ 2九 31 +2n2 JA为入射光的振幅；入为入射光的波长；Y为单位体积中的粒子数；V为单个粒子的体积，n1和n2为分散相的分散介质的折射率。可见，Tyndall效应的强度与入射光的波长的4次方成反比。在1100nm范围内可观察到 Tyndall效应。危险信号要用红色灯显示的主要原因是红光的波长较长不易散射。当阳光穿过大气层时， 波长较短的紫光散射衰减较多，透射后 剩余”的日光中颜色偏于波长较长的红光，因此， 我们在太阳高度角很低的日出、日落时，看到的太阳光盘是橙红色的，这种偏于红色的阳光再通过天空中散射粒子散射后仍然是波

4、长较长的光居多，因此，霞光大多偏于红、橙、黄等特别鲜艳的色彩。【5】电泳和电渗有何异同点？流动电势和沉降电势有何不同？这些现象有什么应用？【解析】在外电场力作用下，胶体粒子在分散介质中作定向移动称为电泳；在外场力作用下 可观察到分散介质会通过多孔膜或极细的毛细管而移动，即固定相不动而液相移动称为电渗。在外场作用下，使液体在毛细管中流经的孔膜时，在膜的两边会产生电势差，成为流动电势，流动电势差使分散的粒子在分散介质中迅速沉降，则在液体表面层与底层之间产生电势差，称为沉降电势。这些现象都称为电动现象，这些现象在电镀、电泳涂漆、石油乳液油 水分离以及不同条件下蛋白质的分离中都有广泛的应用。【6】在由

5、等体积的 0.08mol dm-3的KI和0.10 mol dm-3的AgNO3溶液配制的AgI溶胶中, 分别加入浓度相同的下述电解质溶液，请由大到小排出其聚沉能力的大小次序。(1) NaCl; (2)Na2SO4； (3)Mg SO 4； (4)K 3Fe(CN) 6【解析】其聚沉能力的大小次序为：(4) > (2) > (3) > (1)【7】在两个充有0.001 mol dm-3KCl溶液的容器之间放一个由 AgCl晶体组成的多孔塞 淇细 孔道中也充满 KCl溶液.在多孔塞两侧放两个直流电源的电极。问通电时，溶液将向哪一方 向移动？若该该用0.01 mol dm-3的K

6、Cl溶液，在相同的外加电场中，溶液流动的速度是变快还 是变慢？若用AgNO3溶液代替原来用的 KCl溶液,情形又将如何？【解析】当多孔塞中充满 KCl溶液时，AgCl晶体吸附Cl ,介质带正电而向负极移动，KCl浓度增加，E电位下降，介质移动速度变慢。当改用AgNO3溶液时，移动方向相反，但增加AgNO 3溶液也使运动速度变慢。【8】大分子溶液和(憎液)溶胶有哪些异同点？对外加电解质的敏感程度有何不同？【解析】高分子溶液和憎液都是由直径在1100nm的胶粒组成，都不能通过半透膜，但高分子溶液是单分子胶粒而后者是许多分子组成的胶粒，高分子溶液是热力学稳定体系，而后者粒度大，丁泽尔效应弱，对外加电

7、解质不敏感等。【9】大分子化合物有哪几种常用的平均摩尔质量？这些量之间的大小关系如何？如何用渗 透压法较准确的测定蛋白质(不在等电点)的平均摩尔质量？【解析】数均摩尔质量 M二，质均分子量 Mw, z均分子量 Mz ; 一般大分子化合物的分子大小是均匀的， M z > M w » M n ;若分子质量越不均，这三种平均值差别越大。对大分溶液，有- = RT +Ac,则以三对c作图，外推到c= 0处，得RT ,从而c M ncMn可求得数均分子量，即摩尔质量；当蛋白质不在等电电时，二2 =(z+1)c2RT【10】试解释：江河入海处，为什么常形成三角洲I?加明矶为何能使浑浊的水澄

8、清？使用不同型号的墨水，为什么有时使钢笔堵塞而写不出字来？重金属离子中毒的病人，为什么喝了牛奶可使症状减轻？做豆腐时 点浆”的原理是什么？哪些盐溶液可用来点浆”？常用的微球形硅胶做填充料的玻璃珠是如何制备的？用了胶体和表面化学中的哪些原理？请尽可能多的列举出日常生活中的有关胶体的现象及其应用。【解析】 这些现象都可以用胶体的聚沉来解释， 影响溶胶稳定性的因素是多方面的， 例如电解质的作用，胶体体系的相互作用，溶胶的浓度、温度等等。例如江河入海时，由于海是中含有 NaCl 、 MgCl 2 等电解质，使泥沙溶胶聚沉下来形成三角洲。其他有关胶体的现象如丁泽尔现象、瑞利散射使天空呈蓝色等。【11】憎

9、液溶胶是热力学上不稳定系统，但它能在相当长时间内稳定存在，试解释原因？【解析】溶胶能稳定存在的原因有三：溶胶粒子较小，有较强的布郎运动，能阻止其在重力作用下的沉降，即具有动力稳定性；胶粒表面具有双电层结构，当胶粒相互接近时，同性电荷的静电斥力及离子氛的重叠区由于过剩离子产生的渗透压， 阻碍胶粒的聚结， 即具有聚结稳定性； 由于带电离子都是溶剂化的， 在胶粒表面形成一层溶剂化膜， 有一定的弹性，其中的溶剂有较高的粘度， 使之成为胶粒相互接近时的机械障碍。 聚结稳定性是溶胶能稳定存在的重要因素。【 12 】 试从胶体化学的观点解释， 在进行重量分析时为了使沉淀完全， 通常要加入相当数量的电解质（非

10、反应物）或将溶液加热。【解析】在溶胶中加入电解质，只要浓度达到某一定数值，都会使溶胶聚沉。温度的增加也将会使溶胶粒子互碰更为频繁，因而降低其稳定性，所以在重量分析时为了使沉淀完全， 通常要加入相当数量的电解质（非反应物）或将溶液加热。【 13 】 何谓乳状液？有哪些类型？乳化剂为何能使乳状液稳定？通常鉴别乳状液的类型有哪些方法？其根据是什么？何谓破乳？何谓破乳剂？有哪些常用的破乳方法？【解析】乳状液是由两种液所构成的分散系统，有水包油乳状液（ O/W） ,油包水（W/O ） ；乳化剂作用在于使机械分散所得的液滴不相互聚结； 鉴别乳状液的方法有稀释法， 染色法和电导法；根据乳状液的内相（成形时彼

11、此分散的相）和外相（作为分散介质的相）破乳，两种液体完全分离；常用的破乳的方法有加热破乳，高压电破乳和化学破乳等。【 14 】 溶胶中分散相颗粒间相互联结形成骨架， 按其作用力可以分为哪几种？各种稳定性如何？什么是触变现象？【解析】溶胶按照形成骨架的作用力可分为：弹性凝胶，钢性凝胶等。泥浆、油漆、药膏、这种溶胶Al（OH） 3,V2O5 及白土等凝胶，受到搅拌变为流体， 停止搅拌后又逐渐恢复成凝胶，与凝胶相互转化的性质称为凝胶的触变性。【15】何谓纳米材料？纳米材料通常可分为哪些类型？目前有哪些常用的制备方法？纳米材料有何特性？有哪些应用前景？【解析】纳米材料是指显微结构中的物相具有纳米级尺寸

12、的材料；可分为：纳米粒子；纳米固体；纳米组装系统；制备方法主要有：沉淀法，浸渍法，水热法，微波辐射法，超声波辐射合成法等；特性：小尺寸效应，表面效应，量子尺寸效应，宏观隧道效应等；在光学材料，催化材料，贮氢材料，磁性材料等领域有广泛的应用。【习题】【1】在碱性溶液中用 HC1O还原HAUCI4,以制备金溶胶，反应可表示为：HAuCl4 5NaOH NaAuO2 4NaCl 3H2O2NaAuO2 3HCHO NaOH > 2Au 3HCOONa 2H2O此处NaAuO2是稳定剂，试写出胶团的结构式，并标出胶核、胶粒和胶团。【解析】胶核(Au) m优先吸附与其具有共同组成的AuO 2,故胶

13、团的结构为：(Au)m -nAuO2 4n -x)Na x_xNa胶''核胶、 胶团【2】某溶胶中粒子的平均直径 4.2nm,设其黏度和纯水相同，n =0.001Pa So试计算:(1) 298K时，胶体的扩散系数 D;(2)在2s的时间里，由于 Brown运动，粒子沿x轴方向的平均位移 X。【解析】(1)由爱因斯坦方程，得RT . 1L 6： r= 1.04 10，0m2L8.314 298 .-1 _23一_3 _96.02 1023 6 3.14 1.0 102.10 10，一"一、一 rX2(2)由爱因斯坦-布朗方程，得，D= 2tx2=j2Dt =42 1.

14、04 10-10 1 =1.44 104m【3】已知某溶胶中的黏度 ”=0.001PaS,其粒子的密度近似为P=1mg-m-3,在1s时间内粒子沿x轴的平均位移x=1.4 10-5m。试计算:(1) 298K时，胶体的阔酸系数 D;(2)胶粒的平均直径 d;(3)胶团的摩尔质量 Mo【解析】(1)由爱因斯坦-布朗方程，得,2D =2t5 21.4 102 1= 9.810 J1 m2jsj(2)RT 1L 6r rRT 1L 6 二 D8.314 2981V23116.02 106 3.14 9.8 100.001 _ 9= 2.229 10 m(3)9d =2r =4.46 10 m=4.4

15、6nm3.14父(2.229父 10” 1.0x10x6.02x10235.=2.79 10 g -mol【4】设某溶胶中胶粒的大小是均一的球形粒子，已知在298K时胶体的扩散系数D=1.04 ¥0-4m2S-1,其黏度寸=0.001PaS。试计算:(1)粒的半径r;(2)由于Brown运动，粒子沿x轴方向的平均位移 x=1.44 10-5m时所需的时间;(3) 318K时胶体的扩散系数 D /,假定该胶粒的黏度不受温度的影响。【解析】由爱因斯坦方程，得c RT 1D =-L 6二 rRT 18.314 2981 V - N306.02 106 3.14 0.001 1.04 10_

16、-9= 2.1 10 m(2)由爱因斯坦-布朗方程，得,一一_5 2X2X21.44 10D = ，贝U t =30 = 0.997s 忠 1 s2t2D 2 1.04 10(3)由爱因斯坦方程，得D/RT/18.314 318 _1_2396.02 1023 6 3.14 0.001 2.10 10102= 1.11 10 ms11【5】在298K时，某粒子半径r =30nm的金溶胶，在地心力场中达到沉降平衡后，在高度相距1.0X0-4m的某指定区间内两边粒子数分别为277和166。已知金的密度为 P Au=1.93 104kg m-3,分散介质水的密度为P= 1.0 103kg m-3。试

17、计算Avogadro常数L的值。【解析】由公式RTln % =4nr 3（ %子-外质）gL（n2-n1），可得, N13RTlnNN1一a nr3（瑞子-%质）3g（ % - n1）1168.314 298 ln217=6.26 1023 mol/4_8 3_4_343.14 （3.00 108）3 （1.98 104 1.00 103） 9.8 1.0 103【6】某金溶胶在298K时达到沉降平衡，在某一高度时粒子的密度为8.99 M08m-3,再上升0.001m粒子的密度为1.08 108m-3。设粒子为球形，已知金的密度为Pau= 1.93 104kg m-3,分散介质水的密度为P介=

18、1.0 103kg m-3。试求:（1）胶粒的平均半径r及平均摩尔质量 M;（2）使粒子的密度下降一半，需上升的高度。：2N2Ni由公式RTln出=4叮3（ P粒子-P介质）gL（X2-X1）,可得, N1343,一 、，、RT ln k = 冗 r （ P粒子-P介质）gL（ X2 - x）13二2RT 1n ：4 /一&n（P粒子-P介质）gL（X2-x）8.314 298ln1.08 1088.99 108-4 父3.14（1.93 父104-1.0父 103）父 9.8 父 6.02 M1023 父 0.001 3= 1.162 10-23m3r=2.26 10-8mM =4

19、取r3PL =4M3.14M（2.26M10“m jx 1.93x107 g，mx 6.02 父1023mol 33= 5.652 108 g mol，(2)使离子的密度下降一半时,N21N1214 3,所以 RT ln = n r3（ P粒子-P介质）gLh23RTlK-4nr3（，子-+质）gL318.314 2981n234 m 3.14x（2.26x104 ） m（1.93m 104-1.0m 103） m 9.8m6.02父 1023-3.27 104mX1 =5.5cm处的浓度为ci1 71 298K时，血红脱的超离心沉降实验中，离转轴距离% =0.65cm处的浓度为C2,且Ci/

20、 C2=9.40,转速为 =120r -1。5已知血红脱的密度为P血红皖=1.335 103kg m-3,分散介质的密度为P= 0.9982 >103kg m-3。试计算血红脱的平均摩尔质量Mo【解析】1=64.5kg .mol2 8.314 298 ln9.430 988210/2,22 乂10 父（2冗父120）父（6.52 -5.52 户01.333黑 103 /【8】在内径为0.02m的管中盛油，使直径为 d =1.588mm的钢球从其中落下，下降0.15m 需时16.7s。已知油和钢球的密度分别为P油=960kg m-3 P球=7650kg m-3。试计算在实验温度下油的黏度。

21、【解析】 钢球在油中达到平衡时，沉降力与粒滞阻力相等，则44r3( P粒子-P介质)g=6n"r总3dt43/ 一. .、-r ( P粒子-P介质)g所以 =3dx6 二 r 二一 dt4a 23-（7.94 10工）2 （7.65-0.96） 10 3 9.83C 1.558 10 . 6=1.02Kg _m,s16.7【9】试计算293K时，在地心力场中使粒子半径分别为ri=10r2=100nm ;r3=1.5nm的金溶胶粒子下降 0.01m,分别所需的时间已知分散介质水的密度为P= 1000kg m-3,金的密度为Pau= 1.93 104kg m-3,溶液的黏度近似等于水的黏

22、度，为 刈=0.001Pa So【解析】粒子在重力场中达到沉降平衡时，沉降力与粒滞阻力相等，则43/ rr 、一”（P粒子- P介质）g =6n"rdx一出LX 二6 二 r -所以垣= 4ji3r 3(4立子-P介质)g一一 一_ _5r =1.0 父10 m 时 t =2.51s6 1,00 10，1 10/4 （1.93 104 -1,0。103） 9.8 734r =100nm 时 t = 2,57 父 10 sr =1.5nm 时，t =1,12 父108s 由以上试验结果可知，胶粒(10dm y r y 10，m)在重力场中沉降速度极慢，所以重力场中，沉降平衡只适用于粗分

23、散体系中粒子得实验测定。【10】密度为P粒=2.152 X03kg m-3的球形CaCl2 (s)粒子，在密度为介=1.595 >103kg m-3、黏度为“=9.75M0-4Pas的CCl4 (l)中沉降，在100s内下降了 0.0498m,计算此球形 CaC%(s)粒子的半径。9 . dx/dt 2 （ p粒子0介质）g乂 0.04989.75 101002 2,152 1 03-1.595 1 039.8=2 10 m【11】把每1.0m3中含1.5kgFe(OH)3的溶胶先稀释10000倍，再放在超显微镜下观察，在直径和深度各为0.04mm的视野中得粒子的数目平均为4.1个。设粒

24、子为球形， 其密度为P球=5.2 103kg m-3kg m-3,试求粒子的直径。廨析】lidNVi/1/3c CV6 gN nP ,_4J4 1/3c 1.5x10x5.02x10-16 M3-4.1x3.142x5.2x103= 8.774 10-8m【12】在实验室中，用相同的方法制得两份浓度不同的溶胶，测得两份溶胶的散射光强度之比为11/12=10。已知第一份溶胶的浓度 C1=0.10mol dm-3,设入射光的频率和强度等实验条件都 相同，试求第二份溶胶的浓度 C2。【解析】根据"=6c2 = c1 /1 1 =0.1/10 = 0.01moimm，I2C2/U2J【13】

25、在水中，当所用的电场强度为 E=100V-m-1时，直径为d=1.0的石英粒子的运动速度为u=30科m -so试计算在石英-水界面上E电势的数值。设溶液的捻度 刈=0.001PaS,介电常数 £ =8.89 X-9C v-1 m-1°， ，；E【解析】根据公式u = E6 二6二 u；E_ _516 3.14 0.001 Pa s 3.0 10 m s 八、，3111: 0.636V8.89 10 C V m 100V m【14】已知水与玻璃界面的 E电势为-0.050V,试计算在298K时，当在直径为1.0mm,、长1m 的毛细管两端加 40V电压时，介质水通过该毛细管的

26、电渗速度。 设水的黏度为”=0.001PaS, 介电常数 £ =8.89 x -9C V-1 m-1。【解析】电渗，电泳都是固一液相相对运动得速度，其计算公式相同。4 二 u；E；EU =0.05 8.89 10，404 314 0.001= 1.415 10"ms，【15】在三个烧瓶中同样盛 0.02dm3的Fe(OH03溶胶，分别加入NaCl、Na2SO4和Na3P。4溶 液使其聚沉，实验测得至少需加电解质的数量分别为：浓度为 1.0mol dm-3的NaCl溶液 0.012dm3;浓度为 0.005mol dm-3 的 Na2SO40.125dm3;浓度为 0.003

27、3mol dm-3 的 Na3P。4 溶 液0.0074dm3。试计算各电解质的聚沉值和它们聚沉值之比，并判断胶粒所带的电荷。【解析】聚沉值得定义：使一定得溶胶在一定时间内完全聚沉所需电解质得最小浓度：CNaCl _3= 0.521mol 刁m1.0moldm“ 0.021dm3 0.020 0.021 dm3CNa2 sO4CNa3 Po45.0 10,mol dm： 0.125dm33 一 34.31 10-mol-dm-0.020 0.125 dm3= 8.99 10mol xlm0.020 7.4 10，dm33.33 10，moldm， 7.4 10，dm3111所以，聚沉能力之比为

28、：NaCl: Na2SO4: Na3PO4 =：:= 1:119:575cNaCI CNa2SO4 CNa3PO4可见对溶胶聚沉起作用的主要是阴离子，所以该胶粒带正电荷。【16】已知在二氧化硅溶胶的形成过程中，存在下列反应：SiO H2O > H2SiO3 > SiO；，2H(1)试写出胶团的结构式，并注明胶核、胶粒和胶团；(2)指明二氧化硅胶团电泳的方向；(3)当溶胶中分别加入 NaCI、MgCI 2> K3PO4时，哪种物质的聚沉值最小？【解析】(1)2. x -心SiO2 m nSiO；一 (2n -x)H xH胶核k.胶团(2)由于胶核代负电，所以电泳的方向是向正极移

29、动。(3) NaCI与MgCI 2相比，Na+的聚沉值大于 Mg+;NaCI与K3PO4相比，K+的聚沉值大于Na+;所以聚沉值最小的是 MgCI 2。【17】设有一聚合物样品，其中摩尔质量为10.0kg moI-1的分子有10moI,摩尔质量为100kg moI-1的分子有5moI,试分别计算各种平均摩尔质量M n、M m和M z的值(设a=0.6)。“ NiMi10 10 5 10010 51二40kg moI-'、NiMi2 10 102 5 1002M w =二二85kg _mol _、NiMi600MzNiMi3i=98.2kg molMv由 NiMiW、/2 N N NiM

30、i ?1= 80kg jmol【18】把1.0g的聚苯乙烯（已知 Mn =200 kg mol-1）溶在0.1dm3的苯中，试计算所成溶液在293K时的渗透压。【解析】该溶液得物质的量浓度为：【解析】c = = 1 10 kg 二_= 0.05mol "dm，V 200kg mol 01dm渗透压为：n=cRT=0.05 8.314 293 =121.8Pa【19】已知某蛋白质的数均摩尔质量为M n =40 kg mol1 ,试分别求在 298K时，含量为0.01kg dm-3的蛋白质水溶液的冰点降低、蒸汽压降低和渗透压的值。已知在 298K时：水的蒸汽压Ps=3.168Kpa,凝固

31、点降低常数Kf=1.86K kg mol-1,水的密度（近似等于溶液的密度PH2O =1.0 M03kg m-3)【解析】 m=-0.01kg二31j = 2.5 10 4 mol -kg 140kgmol 1dm 1.0kg -dm则 Tf -kfm-1.86K mol<kg 2.5 10"4mol-kgJ -4.65 104K根据溶液依数性公式，Ap = pAxB有，xB = =°.°曾4°m = 4.545X10上pA 0.01/40 0.99148 10*-6_ _ _ _p = pax =3167.7Pa 4.545 10 =0.0144

32、Pa渗透压为：n=cRT= 0.01 8.314 298 =619.4Pa 40【20】假定聚丁二烯分子为线型，其横截面积为0.2nm2,摩尔质量为M n =100 kg mol-1,密度为P=920kg m-3o在聚合物分子充分伸展时，试计算聚丁二烯分子的平均长度。M100:【斛析】=_ =239.02 10 mc AL :20 106.0 10920【21】在293K时，有某聚合物溶解在 CCl4 (l)中，得聚合物不同浓度 c时的渗透压以CCl4(l)液柱上升的高度表示数据如下表:C/ (g dm 3)2.04.06.08.0 h/cm0.401.001.802.80已知293K时，溶液

33、的密度为 P=1594kg m-3,试计算聚合物的数均摩尔质量Mn °R RT【解析】=RT A2c c Mn又n =AnPg ,以3对c作图，由图得截距=23.0CMn的 一 8.314x289 一)5故 Mn= 106kg §molM n ： =1.06 黑 10 kg 和ol23.0l /【22】在298K时，测得某溶液在不同浓度时的相对黏度如下：C/ g( dm-3)0.1520.2710.541nr1.2261.4251.983求此聚合物得特性粘度1 。n【解析】对大分子溶液，比浓粘度)和相对粘度，与浓度得关系为：c-p -i I ki fc - i I- - I fc cc分别以 % 和叵Z对c作图，可得到两条直线， 外推至cT 0处，可得直线得截距和斜率, c c再对所得数据进行线性拟合，得特性粘度R = 0.136dm3却。【23】在298K时，具有不同相对分子质量 Mr的同一聚合物，溶解在相同有机溶剂中所得的特性黏度如下表所示：Mr43.4 1046.1 1041.3 M0”/(dm3 g-1)1.021.601.983求系统的a和K值。【解析】由g】 = karu两边取对数1nM】=lnk+« lnMr对以上数据进行现线性拟合，得直线截距为Ink,斜率为a ,得 口=4.50k=4.50 x 10-4 dm3