第二章 胶体的性质1

1、第二章第二章 胶体的基本性质胶体的基本性质晁春艳晁春艳 第二章第二章 胶体的基本性质胶体的基本性质2.1 2.1 胶体的运动性质胶体的运动性质2.2 2.2 胶体的光学性质胶体的光学性质2.3 2.3 胶体的电学性质胶体的电学性质2.4 2.4 胶体的流变性质胶体的流变性质2.5 2.5 胶体稳定性胶体稳定性2.1 胶体的运动性质胶体的运动性质一、布朗一、布朗(Brown)运动运动 1827 年植物学家年植物学家布朗（布朗（Brown)用显微镜用显微镜观察到悬浮在液面上的花粉粉末不断地作不观察到悬浮在液面上的花粉粉末不断地作不规则的运动。规则的运动。 后来又发现许多其它物质如煤、后来又发现许多

2、其它物质如煤、 化石、金属等化石、金属等的粉末也都有类似的现象。人们称微粒的这种运动的粉末也都有类似的现象。人们称微粒的这种运动为为布朗运动布朗运动。 1903年发明了年发明了超显微镜超显微镜，为研究布朗运动提，为研究布朗运动提供了物质条件。供了物质条件。 用超显微镜可以用超显微镜可以观察到溶胶粒子不断观察到溶胶粒子不断地作不规则地作不规则“之之”字字形的运动，从而能够形的运动，从而能够测出在一定时间内粒测出在一定时间内粒子的平均位移。子的平均位移。 通过大量观察，得出结论：通过大量观察，得出结论：粒子越小，布粒子越小，布朗运动越激烈。朗运动越激烈。其运动激烈的程度不随时间而其运动激烈的程度不

3、随时间而改变，但改变，但随温度的升高而增加。随温度的升高而增加。 1905年和年和1906年年爱因斯坦（爱因斯坦（Einstein)和斯莫鲁霍夫斯基和斯莫鲁霍夫斯基(Smoluchowski)分别分别阐述了阐述了Brown运动的运动的本质。本质。 Brown运动是分散介质分子以不同大小和运动是分散介质分子以不同大小和不同方向的力对胶体粒子不断撞击而产生的，不同方向的力对胶体粒子不断撞击而产生的，由于受到的力不平衡，所以连续以不同方向、由于受到的力不平衡，所以连续以不同方向、不同速度作不规则运动。随着粒子增大，撞击不同速度作不规则运动。随着粒子增大，撞击的次数增多，而作用力抵消的可能性亦大。的次

4、数增多，而作用力抵消的可能性亦大。当半径大于当半径大于5 m，Brown运动消失。运动消失。 在溶液中胶体粒子主要受到三种力的在溶液中胶体粒子主要受到三种力的作用作用（1 1）重力，粒子在重力作用下是上）重力，粒子在重力作用下是上浮或是下沉取决于其对溶剂的相对密度；浮或是下沉取决于其对溶剂的相对密度；（2 2）粒子运动时受到的粘滞力；（）粒子运动时受到的粘滞力；（3 3）粒）粒子和分子的固有动能。子和分子的固有动能。 Einstein认为，溶胶粒子的认为，溶胶粒子的Brown运动与分子运动类运动与分子运动类似，平均动能为似，平均动能为 并假设粒子是球形的，运用分子运动论的一些基本概念并假设粒子

5、是球形的，运用分子运动论的一些基本概念和公式，得到和公式，得到Brown运动的公式为：运动的公式为：32kT式中式中 是在观察时间是在观察时间t内粒子内粒子沿沿x轴方向的平均位移；轴方向的平均位移；xr为胶粒的半径；为胶粒的半径；为介质的粘度；为介质的粘度；NA为阿伏加德罗常数。为阿伏加德罗常数。 这个公式把粒子的位移与粒子的大小、介质粘度、温这个公式把粒子的位移与粒子的大小、介质粘度、温度以及观察时间等联系起来。度以及观察时间等联系起来。rtNRTXA3 扩散扩散设通过设通过AB面面的扩散质量为的扩散质量为m，则扩散速度为，则扩散速度为 ，它与浓度梯度和它与浓度梯度和AB截面积截面积A成正比

6、。成正比。ddmt 如图所示，设任一平行于如图所示，设任一平行于AB面的截面上浓度是均面的截面上浓度是均匀的，但水平方向自左至右浓度变稀，梯度为匀的，但水平方向自左至右浓度变稀，梯度为 ddcx这就是这就是斐克第一定律斐克第一定律。 式中式中D为扩散系数，其物理意义为：单位浓度梯为扩散系数，其物理意义为：单位浓度梯度、单位时间内通过单位截面积的质量。度、单位时间内通过单位截面积的质量。 式中负号表示扩散发生在浓度降低的方向，式中负号表示扩散发生在浓度降低的方向， 0。ddcxddmtdd= -ddmcDAtx用公式表示为：用公式表示为：22xDt这就是这就是Einstein-Brown 位移方

7、程。位移方程。从布朗运动实验测出从布朗运动实验测出 就可求出扩散系数就可求出扩散系数D。x将布朗运动公式代入：将布朗运动公式代入：利用扩散系数利用扩散系数D,也从上式可以求粒子半径也从上式可以求粒子半径 r。已知已知 r 和粒子密度和粒子密度 ，可以计算粒子的摩尔质量。，可以计算粒子的摩尔质量。rtNRTXA3 22xDtrNRTDA 61 ANrM 334 习题习题:P55,例题例题1。二、重力场中的沉降二、重力场中的沉降 溶胶是高度分散体系，胶粒一溶胶是高度分散体系，胶粒一方面受到重力吸引而下降，另一方方面受到重力吸引而下降，另一方面由于布朗运动促使浓度趋于均一。面由于布朗运动促使浓度趋于

8、均一。 当这两种效应相反的力相等时，当这两种效应相反的力相等时，粒子的分布达到平衡，粒子的浓度粒子的分布达到平衡，粒子的浓度随高度不同有一定的梯度，如图所随高度不同有一定的梯度，如图所示。示。 这种平衡称为这种平衡称为沉降平衡沉降平衡。 达到沉降平衡时，粒子随高度达到沉降平衡时，粒子随高度分布的情况与气体类似，可以用高分布的情况与气体类似，可以用高度分布定律。度分布定律。 如图所示，设容器截面积为如图所示，设容器截面积为A，粒子为球型，半径为，粒子为球型，半径为r，粒子，粒子与介质的密度分别为与介质的密度分别为 和和 ，在，在 x1和和x2处单位体积的粒子数分别处单位体积的粒子数分别n1，n2

9、， 为渗透压，为渗透压，g为重力加速度。为重力加速度。 0 gxxrRTNnnA21031234ln 当分散相粒子大小为纳米级时，当分散相粒子大小为纳米级时，在重力场中的沉降速度极慢，粒子的在重力场中的沉降速度极慢，粒子的扩散作用不可忽视，在离心力场中离扩散作用不可忽视，在离心力场中离心力比重力大很多（可达上百万倍，心力比重力大很多（可达上百万倍，可使纳米小粒子沉降速度加快）。可使纳米小粒子沉降速度加快）。 -离心力场中的沉降作用，可以用离心力场中的沉降作用，可以用来测定聚合物的分子量。来测定聚合物的分子量。三、渗透压三、渗透压 半透膜半透膜只允许某种混合物的一些物只允许某种混合物的一些物质透

10、过而不允许另一些物质透过的薄膜。质透过而不允许另一些物质透过的薄膜。 溶剂分子通过半透膜进入溶液的现象。简称渗透 渗透现象需要具备的条件渗透现象需要具备的条件 一、一、 有半透膜存在有半透膜存在 二、半透膜两侧液体要具有浓度差二、半透膜两侧液体要具有浓度差（单位体积液体中溶剂粒子数不相（单位体积液体中溶剂粒子数不相等）。等）。渗透压渗透压 如果要阻止渗透现象的发生，可在溶液如果要阻止渗透现象的发生，可在溶液液面上施加一额外的压力，这一压力就液面上施加一额外的压力，这一压力就是溶液所具有的渗透压。渗透压用是溶液所具有的渗透压。渗透压用P P表示，表示，其单位为其单位为PaPa或或kPakPa 渗

11、透压与溶液浓度和温度的关系渗透压与溶液浓度和温度的关系 范特荷甫范特荷甫（Vant Hoff, 荷兰荷兰）非电解质稀溶液的渗透压与浓度、温度的关系非电解质稀溶液的渗透压与浓度、温度的关系 PV = n RT式中式中 P 溶液的渗透压（溶液的渗透压（kPa） V 溶液的体积（溶液的体积（L） n 溶液中溶质的物质的量溶液中溶质的物质的量(mol) R 气体常数（气体常数（8. 31 kPaLK- 1mol-1） T 热力学温度（热力学温度（T/K= t/C +273.15） CB 物质的量浓度（物质的量浓度（mol L-1） P = CB RT渗透压的应用渗透压的应用 （1）渗透压是溶液依数性之

12、一，可以测定）渗透压是溶液依数性之一，可以测定物质的分子量；物质的分子量； （2）在生物学和医药学中应用广泛；）在生物学和医药学中应用广泛； （3）海水淡化，废水处理等。）海水淡化，废水处理等。正常人血浆总渗透压正常人血浆总渗透压 正常人血浆总渗透压为正常人血浆总渗透压为720kPa800kPa 相当于血浆中能产生渗透效应的各种溶相当于血浆中能产生渗透效应的各种溶质质点的总浓度（质质点的总浓度（渗透浓度渗透浓度）为）为 280m mol L-1 310m mol L-1所产生所产生的渗透压。的渗透压。 等渗溶液等渗溶液 一定温度下，渗透压相等的两种溶液称为等渗溶液。一定温度下，渗透压相等的两种

13、溶液称为等渗溶液。 医学上等渗、低渗、高渗溶液是以医学上等渗、低渗、高渗溶液是以正常人体血正常人体血浆总渗透压浆总渗透压为标准的。为标准的。与人体血浆总渗透压相等的与人体血浆总渗透压相等的溶液称为等渗溶液。溶液称为等渗溶液。 临床上常用的等渗溶液有：临床上常用的等渗溶液有：0.278mol L-1(50g L-1)葡萄糖溶液葡萄糖溶液0.154mol L-1 (9g L-1)NaCl溶液（生理盐水）溶液（生理盐水）0.149mol L-1 (12.5g L-1)NaHCO3溶液溶液1/6mol L-1 (18.7g L-1)乳酸钠（乳酸钠（NaC3H5O3）溶液）溶液 低渗溶液低渗溶液 渗透压

14、不等的两种溶液，渗透压相对较渗透压不等的两种溶液，渗透压相对较低的溶液称为低渗溶液低的溶液称为低渗溶液 医学上：渗透压低于正常人体血浆总医学上：渗透压低于正常人体血浆总渗透压的溶液称为低渗溶液。渗透压的溶液称为低渗溶液。高渗溶液高渗溶液 渗透压不等的两种溶液，渗透压相对较渗透压不等的两种溶液，渗透压相对较高的溶液称为高渗溶液高的溶液称为高渗溶液 医学上：渗透压高于正常人体血浆总渗医学上：渗透压高于正常人体血浆总渗透压的溶液称为高渗溶液透压的溶液称为高渗溶液 临床上常用的高渗溶液有：临床上常用的高渗溶液有： 2.78mol .L-1(500g . L-1)葡萄糖溶液葡萄糖溶液 50g. L-1葡

15、萄糖氯化钠溶液（生理盐水中含葡萄糖氯化钠溶液（生理盐水中含有有50g . L-1葡萄糖）葡萄糖）临床上大量输液应注意临床上大量输液应注意 临床上大量输液时应使用临床上大量输液时应使用等渗溶液等渗溶液，以维持，以维持正常的血浆渗透压。在等渗条件下正常的血浆渗透压。在等渗条件下,红细胞能维持红细胞能维持其其正常的形态正常的形态和生理活性。和生理活性。 若输入大量的低渗溶液，会降低血浆渗透压，若输入大量的低渗溶液，会降低血浆渗透压，导致红细胞涨大乃至破裂而出现导致红细胞涨大乃至破裂而出现溶血现象溶血现象 当输入大量的高渗溶液时，又会使血浆渗透当输入大量的高渗溶液时，又会使血浆渗透压过高，使红细胞皱缩

16、而出现压过高，使红细胞皱缩而出现胞浆分离胞浆分离的现象。的现象。皱缩的红细胞易粘在一起形成皱缩的红细胞易粘在一起形成“团块团块”，它能堵，它能堵塞小血管而形成血栓。塞小血管而形成血栓。 地球表面的地球表面的70.8被水覆盖着，总水量达被水覆盖着，总水量达13.56亿亿立方千米。但是被水覆盖的地球表面中立方千米。但是被水覆盖的地球表面中97.2是浩翰的是浩翰的海洋，而陆地水面只占海洋，而陆地水面只占2.8，其中淡水更是少得可怜，其中淡水更是少得可怜，只占只占0.64。我们遇到的是一个非常矛盾的现象：一方。我们遇到的是一个非常矛盾的现象：一方面，地球上的水并不少，但绝大多数是又苦又咸的海水；面，地

17、球上的水并不少，但绝大多数是又苦又咸的海水；另一方面，人类生存所必需的淡水却越来越少。怎么办？另一方面，人类生存所必需的淡水却越来越少。怎么办？人类早已有了改造大自然的能力，我们不能看着水而大喊人类早已有了改造大自然的能力，我们不能看着水而大喊没有水。向海水要淡水，这是从根本上解决水危机的唯一没有水。向海水要淡水，这是从根本上解决水危机的唯一出路。出路。海水淡化海水淡化 其实，海水淡化早就是人们重视的一项技术，如今已其实，海水淡化早就是人们重视的一项技术，如今已有多种海水淡化的方法，如多级闪蒸法、电渗析法、溶剂有多种海水淡化的方法，如多级闪蒸法、电渗析法、溶剂萃取法、冷冻法、反渗透法等。其中，

18、反渗透法是耗能最萃取法、冷冻法、反渗透法等。其中，反渗透法是耗能最少的一种方法，而且用它可直接得到清洁的淡水。少的一种方法，而且用它可直接得到清洁的淡水。 反渗透海水淡化装置包括去除混浊物质的前处理设备反渗透海水淡化装置包括去除混浊物质的前处理设备、高压泵、反渗透装置、后处理设备、浓缩水能量回收器、高压泵、反渗透装置、后处理设备、浓缩水能量回收器等。其中最核心的装置就是反渗透装置，而这个装置中最等。其中最核心的装置就是反渗透装置，而这个装置中最核心的部件就是反渗透膜。核心的部件就是反渗透膜。 海水淡化海水淡化海水海水浓的海水浓的海水淡水淡水半透膜（醋酸纤维半透膜（醋酸纤维素膜）素膜）海水淡化原

19、理海水淡化原理( (反渗透）反渗透） 海水淡化，目前已成为一些海岛、远海水淡化，目前已成为一些海岛、远洋客轮、某些缺少饮用淡水的国家获得淡洋客轮、某些缺少饮用淡水的国家获得淡水的主要方法。水的主要方法。 半透膜材料半透膜材料 1.1.醋酸纤维素醋酸纤维素 2.2.芳香聚酰胺芳香聚酰胺 3.3.复合膜复合膜 4.4.无机膜无机膜 反渗透技术在国内外的发展十分迅速，应用越来反渗透技术在国内外的发展十分迅速，应用越来越广泛：越广泛：(1)(1)应用于海水淡化，污水处理及饮用水的净化；应用于海水淡化，污水处理及饮用水的净化； (2)(2)利用超滤膜对特殊分子量的大分子物质截留的利用超滤膜对特殊分子量的

20、大分子物质截留的原理而应用于保健药品和保健食品的提纯以及血原理而应用于保健药品和保健食品的提纯以及血液透析等液透析等 ；(3)(3)有人根据反渗透的原理提出了在海水中建立淡有人根据反渗透的原理提出了在海水中建立淡水井的设想水井的设想 。 新型应用：利用渗透压发电新型应用：利用渗透压发电 利用渗透压作用在河水入海口处建造利用渗透压作用在河水入海口处建造高塔发电的设想更是引入注目高塔发电的设想更是引入注目 。 由于海水渗透压可达由于海水渗透压可达2525atm，只要有，只要有适宜的半透膜，河水便会通过半透膜不适宜的半透膜，河水便会通过半透膜不断进入塔内与海水混合，只要水塔高度断进入塔内与海水混合，

21、只要水塔高度小于小于250250米，水会从塔顶顺管路流下形成米，水会从塔顶顺管路流下形成世界最高的瀑布，并冲击发电机发电，世界最高的瀑布，并冲击发电机发电，还将海水不断泵入塔中维持渗透压值。还将海水不断泵入塔中维持渗透压值。 物质的颜色与光的关系物质的颜色与光的关系完全吸收完全吸收完全透过完全透过吸收黄色光吸收黄色光光谱示意光谱示意表观现象示意表观现象示意复合光复合光2.2 2.2 胶体的光学性质胶体的光学性质第二节第二节 胶体的光学性质胶体的光学性质1.Tyndall 效应与光散射效应与光散射 Tyndall效应实效应实际上已成为判别际上已成为判别溶胶与分子溶液溶胶与分子溶液的最简便的方法。

22、的最简便的方法。 当一束光透过溶胶时，在与光束当一束光透过溶胶时，在与光束 侧面（即与光束侧面（即与光束垂直的方向）可以看到溶胶中有明亮的光线轨迹，这垂直的方向）可以看到溶胶中有明亮的光线轨迹，这种现象称为种现象称为Tyndall效应或效应或Tyndall现象现象。其他分散体系。其他分散体系也会产生一点散射光，但远不如溶胶显著。也会产生一点散射光，但远不如溶胶显著。 2.2.光散射的本质光散射的本质 光是一种电磁波，照射溶胶时，分子中的电光是一种电磁波，照射溶胶时，分子中的电子分布发生位移而产生偶极子，这种偶极子像小子分布发生位移而产生偶极子，这种偶极子像小天线一样向各个方向发射与入射光频率相

23、同的光，天线一样向各个方向发射与入射光频率相同的光，这就是散射光。这就是散射光。 分子溶液分子溶液十分均匀，这种散射光因相互干十分均匀，这种散射光因相互干涉而完全抵消，涉而完全抵消，看不到散射光看不到散射光。 溶胶溶胶是多相不均匀体系，在胶粒和介质分是多相不均匀体系，在胶粒和介质分子上产生的散射光不能完全抵消，因而子上产生的散射光不能完全抵消，因而能观察能观察到散射现象到散射现象。I入入可见光可见光400-700nmI散散I反反I透透l l可见光可见光400-700nmd1/2l l 反射反射 d1/2l l 散射散射 当光束通过分散体系时，一部分自由地通过，当光束通过分散体系时，一部分自由地

24、通过，一部分被吸收、反射或散射。可见光的波长约在一部分被吸收、反射或散射。可见光的波长约在400700 nm之间。之间。（1）当光束通过）当光束通过粗分散体系粗分散体系，由于粒子大于入，由于粒子大于入射光的波长，主要发生射光的波长，主要发生反射反射，使体系呈现混浊。，使体系呈现混浊。 （2）当光束通过）当光束通过胶体溶液胶体溶液，由于胶粒直径小于，由于胶粒直径小于可见光波长，主要发生可见光波长，主要发生散射散射，可以看见乳白色的，可以看见乳白色的光柱。光柱。（3）当光束通过）当光束通过分子溶液分子溶液，由于溶液十分均匀，由于溶液十分均匀，散射光因相互干涉而完全抵消，散射光因相互干涉而完全抵消，

25、看不见散射光看不见散射光。3.典经光散射理论（静态光散射）典经光散射理论（静态光散射） 1871年，年，Rayleigh研究了大量的光散射现象，导研究了大量的光散射现象，导出了散射光总能量的计算公式，称为出了散射光总能量的计算公式，称为Rayleigh公式：公式：前提条件：前提条件：介质中的粒子：介质中的粒子： (1)球形；球形； (2)非导体；非导体； (3)比入射光波长要小，比入射光波长要小，D/l1/20 (4)粒子间无相互作用粒子间无相互作用 当散射光与入射光的频率相同时，光散射为当散射光与入射光的频率相同时，光散射为弹性弹性光散射光散射。静态光射研究体系的。静态光射研究体系的平衡性质

26、平衡性质。（1）Rayleigh公式公式2202222221422219() (1)os22cnncInnvIRl散射光的角分布（对小粒子体系）223222104222124()2nncvIIInnl3. 静态光散射静态光散射式中：c为浓度（g/mL)，A2为第二个维里系数 I0 入射光强度，N为Avogadro常数 I90 为散射角90o距离散射中心rcm处每毫升溶液所产生的光强l 为入射光波长， n0为溶剂的折光系数， 为折光系数随浓度的变化率（示差折射率仪测定）/nc290900Rr II02242(/)nncKNl瑞利比：示差折射率仪测定静态光散射仪测定4. 动态光散射及其测量动态光散

27、射及其测量 在实际体系中小粒子不停地做布朗运动，散在实际体系中小粒子不停地做布朗运动，散射光频率与入射光的频率比较，发生频移。粒子射光频率与入射光的频率比较，发生频移。粒子运动速度也不完相同，有定的速度分布，故频率运动速度也不完相同，有定的速度分布，故频率也有一定的分布。这样，散射光频率将以入射光也有一定的分布。这样，散射光频率将以入射光时频率时频率w w0 0为中心展宽，或者说是散射光强随时是为中心展宽，或者说是散射光强随时是变化发生涨落。变化发生涨落。这种由于胶体体系中粒子动态性质引起的这种由于胶体体系中粒子动态性质引起的光散射变化称为光散射变化称为动态光散射动态光散射。动态光散射动态光散

28、射-DLS技术技术 散射光强随时间涨落的变化可用时间相散射光强随时间涨落的变化可用时间相关函数表征，散射光强时间相关函数定义为关函数表征，散射光强时间相关函数定义为R RI I（t t）h/(6)RkTD对于球形粒子对于球形粒子（1）利用散射光测定颗粒大小与浓度）利用散射光测定颗粒大小与浓度-浊度法浊度法5.静态散射光应用静态散射光应用21IK cv/mscvVVC34 3vr23112IK cvK CvK Cr 当分散相和分散介质等条件都相同，当分散相和分散介质等条件都相同，Rayleigh公公式可改写成：式可改写成：232221402222124()2IcnnInnvl23112IK cv

29、K CvK Cr323121rrII 保持浓度相同保持浓度相同2121ccII 保持粒子大小相同保持粒子大小相同 如果已知一种溶液的散射光强度和粒子半径如果已知一种溶液的散射光强度和粒子半径（或浓度），测定未知溶液的散射光强度，就可（或浓度），测定未知溶液的散射光强度，就可以知道其粒径（或浓度），这就是以知道其粒径（或浓度），这就是乳光计乳光计。（2）溶胶的颜色溶胶的颜色I0可见光可见光400-700nmI散散I0EcdII e()0E A cdII e其中，其中，E和和A分别为吸收系数和散射系数分别为吸收系数和散射系数对于溶液，对于溶液，Beer定律定律对于胶体溶液，对于胶体溶液，Beer定律改