第九章 胶体分散系统

1、第九章第九章 胶体分散系统胶体分散系统主主 讲：行讲：行 鹏鹏 飞飞E-mail：Tel散系统的分类分散系统的分类分散系统分散系统：一些物质被分散到另一种物质中所形成的系统：一些物质被分散到另一种物质中所形成的系统 分分 散散 相相： 非连续形式存在的被分散的物质非连续形式存在的被分散的物质分散介质分散介质：连续相形式存在的物质：连续相形式存在的物质分类：分类：分散系统分散系统分散相半径分散相半径/nm均相系统均相系统（真溶液）（真溶液）小分子溶液小分子溶液 100胶体：分散度为胶体：分散度为1100 nm的分散系统的分散系统第一节第一节 溶胶的分类和基本特征溶胶的分

2、类和基本特征一、溶胶分类一、溶胶分类按分散相与分散介质聚集状态分类（列举）按分散相与分散介质聚集状态分类（列举） 分散相的分散相的粒径粒径100 nm时时，属粗分散系统，属粗分散系统 本章主要讨论的是液溶胶，特别是液液溶胶和固液溶胶本章主要讨论的是液溶胶，特别是液液溶胶和固液溶胶 气气液液固固气溶胶气溶胶液溶胶液溶胶固溶胶固溶胶介质：介质：雾雾烟烟泡沫泡沫牛奶牛奶油漆油漆沸石沸石珍珠珍珠有色玻璃有色玻璃二、基本特性二、基本特性溶胶是一定条件下形成的特殊状态，并非物质的本性，如溶胶是一定条件下形成的特殊状态，并非物质的本性，如 NaCl有机有机胶体胶体NaCl溶液溶液 水水硫磺硫磺水水溶胶溶胶真

3、溶液真溶液乙醇乙醇这种特殊状态，有三个基本特征这种特殊状态，有三个基本特征 1. 特定分散度特定分散度1100 nm 2. 相不均匀性（多相性）相不均匀性（多相性） 对介质不溶对介质不溶憎液胶体憎液胶体 高分子溶液高分子溶液亲液胶体亲液胶体 3. 热力学不稳定性热力学不稳定性 高分散度，巨大表面积和比表面能，高分散度，巨大表面积和比表面能，有自发聚集倾向，以降低表面能有自发聚集倾向，以降低表面能 高分子溶液：热力学稳定体系高分子溶液：热力学稳定体系第二节第二节 溶胶的制备和净化溶胶的制备和净化二种途径：二种途径： 溶胶溶胶1100 nm 小分子真溶液小分子真溶液 100 nm 分散分散 凝聚凝

4、聚 一、分散法（物理）一、分散法（物理）研磨法（胶体磨）研磨法（胶体磨）超声粉碎超声粉碎气流粉碎气流粉碎胶溶法胶溶法 二、凝聚法二、凝聚法 1. 物理凝聚法物理凝聚法 如钠的苯溶胶制备如钠的苯溶胶制备 接真空泵接真空泵液态空气液态空气钠钠苯苯苯苯接受管接受管2. 化学凝聚法化学凝聚法 凡能有沉淀析出的化学反应都可能用来制备相应溶胶凡能有沉淀析出的化学反应都可能用来制备相应溶胶 如水解反应制备如水解反应制备Fe (OH)3溶胶溶胶 FeCl3 +3H2O Fe (OH)3 + 3HCl3. 改变溶剂法改变溶剂法 使溶解度骤变，如使溶解度骤变，如 松香在乙醇中：溶松香在乙醇中：溶 水水点击此处演示

5、水中：不溶水中：不溶 溶胶溶胶 三、溶胶净化三、溶胶净化 溶溶胶胶溶胶溶胶化学法制备的溶胶，往往含有过多的电解质化学法制备的溶胶，往往含有过多的电解质 一定量电解质是溶胶稳定的必要条件一定量电解质是溶胶稳定的必要条件 过量电解质使溶胶不稳定过量电解质使溶胶不稳定1 渗析法渗析法 普通渗析普通渗析 半透膜半透膜电渗析电渗析 水水+半透膜半透膜水水水水2 超虑法：超虑法：小分子电解质滤去，再用介质重新分散小分子电解质滤去，再用介质重新分散 减压过滤减压过滤 加压过滤加压过滤 真空泵真空泵压缩空气压缩空气半透膜半透膜半透膜半透膜四、均匀分散胶体四、均匀分散胶体 均匀分散胶体是粒子大小基本一致的胶体，

6、有广泛的应用均匀分散胶体是粒子大小基本一致的胶体，有广泛的应用 制备需满足的条件制备需满足的条件： (1) 暴发性成核，使速率暴发性成核，使速率r晶核形成晶核形成r晶体长大晶体长大 (2) 同步长大同步长大 应用应用： (1) 验证基本理论验证基本理论 (2) 理想的标准材料理想的标准材料 (3) 新材料新材料 (4) 催化剂性能的改进催化剂性能的改进 (5) 制造特种陶瓷制造特种陶瓷 五、纳米粒子和纳米技术五、纳米粒子和纳米技术 纳米粒子：尺度为纳米粒子：尺度为1100 nm之间的粒子之间的粒子 1. 纳米粒子的结构和特性纳米粒子的结构和特性 (1) 小尺寸效应小尺寸效应 (2) 表面效应表

7、面效应 (3) 量子尺寸效应量子尺寸效应 (4) 宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应2纳米粒子的制备方法纳米粒子的制备方法 基本方法与制备憎液溶胶雷同基本方法与制备憎液溶胶雷同 纳米组装材料的制备技术纳米组装材料的制备技术 (1)自组织技术自组织技术 (2) 模板合成法模板合成法3纳米技术在药学中的应用纳米技术在药学中的应用 第三节第三节 溶胶的动力性质溶胶的动力性质热运动热运动扩散，布朗运动扩散，布朗运动 重力场重力场重力降沉和平衡重力降沉和平衡 离心力场离心力场离心降沉和平衡离心降沉和平衡 电学性质电学性质 光学性质光学性质 动力性质动力性质溶胶性质溶胶性质 一、一、Browm运动与运动与E

8、instein方程方程Browm运动运动：溶胶粒子在介质中无规则的运动：溶胶粒子在介质中无规则的运动 原因：粒子受各个方向介质分子的撞击原因：粒子受各个方向介质分子的撞击撞击的动量不能完全抵消而移动撞击的动量不能完全抵消而移动 分子热运动的宏观表现。分子热运动的宏观表现。 Einstein公式公式：Brown运动平均位移运动平均位移的计算的计算 x3RTtxLr 其关系：其关系： 若在时间若在时间 t 内观察布朗运动位移内观察布朗运动位移 ，xx很容易在显微镜下观察，由此可求得溶胶粒子半径很容易在显微镜下观察，由此可求得溶胶粒子半径 x二、扩散和渗透二、扩散和渗透 扩散：扩散：溶质从高浓度（溶

9、质从高浓度（ 大）向低浓度（大）向低浓度（ 小）移动的现象。小）移动的现象。 结果结果Gibbs能能G ，熵，熵S ，是自发进行的过程，是自发进行的过程 。 扩散速度与浓梯关系扩散速度与浓梯关系Fick第一定律第一定律 dndcD Adtdx mol s1 扩散系数扩散系数 面积面积 浓度梯度浓度梯度 1扩散扩散 扩散系数与扩散系数与Brown运动平均位移关系：运动平均位移关系：22xDt渗透压渗透压：半透膜两侧的压差：半透膜两侧的压差 =p2p1平衡时两侧化学势相等平衡时两侧化学势相等可导出稀溶液的可导出稀溶液的 = cRT( c: mol/m3 ) 2渗透渗透 渗透渗透：溶剂通过半透膜（对

10、溶质不通透）向溶质高浓度区移溶剂通过半透膜（对溶质不通透）向溶质高浓度区移动的现象动的现象 （对溶剂而言，浓度从高（对溶剂而言，浓度从高低）低） 溶剂溶剂溶液溶液半透膜半透膜（只容许溶剂通过）（只容许溶剂通过）渗透压渗透压p1p2渗透压渗透压 = p2 p1反渗透反渗透：施加外压，使溶剂分：施加外压，使溶剂分子从溶液一侧透过半透子从溶液一侧透过半透膜进入纯溶剂一侧膜进入纯溶剂一侧 三、重力沉降与沉降平衡三、重力沉降与沉降平衡溶胶粒子在外力场定向移动称溶胶粒子在外力场定向移动称沉降沉降 沉降沉降粒子浓集粒子浓集 扩散扩散粒子分散粒子分散 粒子小，力场小粒子小，力场小扩散扩散 粒子大或力场大粒子大

11、或力场大沉降沉降 扩散沉降相当扩散沉降相当平衡平衡 沉降与扩散是两个相对抗的运动沉降与扩散是两个相对抗的运动 两者对抗有三种形态两者对抗有三种形态 1. 重力沉降重力沉降 重力场重力场：不强的力场，粗分散系（不强的力场，粗分散系（104m）可有明显沉降）可有明显沉降 平衡平衡力力： F沉沉 = F阻阻 F沉沉 = F重重 F浮浮= V g V 0g F沉沉 F阻阻 gr0334 F阻阻= 6 r v (斯托克斯定律斯托克斯定律 Stokes law) 6 r v gr0334 沉降速度沉降速度 (1) 沉降分析法，测沉降分析法，测v求粒径求粒径r (2) 落球式粘度计，测落球式粘度计，测v求求

12、 应用应用 2029rvg2. 沉降平衡沉降平衡 如果粒径不太大时如果粒径不太大时 平衡平衡力力： F沉沉 = F扩扩 gr0334 dhdccLRT 21210334hhccdhRTLgrcdc 平衡浓度：平衡浓度：F沉沉 F扩扩3202114ln3cLrghhcRT 平衡浓度：平衡浓度：3202114ln3cLrghhcRT 此式表明此式表明(1) 相同粒度相同粒度r，h ，c (2) 相同高度相同高度h，r ，c2/c1 小粒小粒h1h2大粒大粒h1c1h2c2第四节第四节 溶胶的光学性质溶胶的光学性质一、溶胶的光散射现象一、溶胶的光散射现象光通过分散系统时基本现象光通过分散系统时基本现

13、象 真溶液真溶液粗分散粗分散溶胶溶胶透明透明有色有色( (补色补色) )混浊混浊乳光乳光透射透射吸收吸收反射反射散射散射吸收：取决于化学组成吸收：取决于化学组成 反射：粒径反射：粒径 波长波长散射：粒径散射：粒径 x过量反离子过量反离子x吸附同号吸附同号大离子大离子Stern模型在数学定量处理上还有困难，一般仍用扩散双电层模型在数学定量处理上还有困难，一般仍用扩散双电层模型处理，只是用模型处理，只是用 d代替代替 0 0 d 0 d胶团结构式：胶团结构式：(胶核胶核)m n定位离子定位离子 （nx）内反离子）内反离子 x外反离子外反离子 四、胶团结构四、胶团结构定位离子按定位离子按Fajans

14、规则确定规则确定 定位离子定位离子 Stern面面 滑动面滑动面 胶核胶核 吸附层吸附层 扩散层扩散层胶粒胶粒 胶团胶团 例例1 Fe (OH)3溶胶溶胶 结构式：结构式：例例2 AgI 溶胶溶胶 制备制备1：AgNO3 + KI (过量过量) AgI + KNO3 结构式：结构式：(AgI)m 制备制备2：AgNO3 (过量过量) + KI AgI + KNO3 结构式：结构式：(AgI)m 制备：制备：FeCl3 + H2O Fe (OH)3 + H+ + ClFe (OH)3 (部分部分) + H+ FeO+ +H2O( Fe (OH)3 )m n FeO+ (n-x) Cl xClK+

15、 + I n I (n-x) K+ x K+（负溶胶）（负溶胶）Ag+ + NO3 n Ag+ (n-x) NO3 x NO3（正溶胶（正溶胶)五、电泳的测定五、电泳的测定溶胶电动电势的大小决定其在电场中运动速度，因而可通过溶胶电动电势的大小决定其在电场中运动速度，因而可通过测定电泳速度求得测定电泳速度求得 平衡力：平衡力： F阻阻= F电电 F电电= q E （电量（电量 电场强度）电场强度） F阻阻= 6 r v qE= 6 r v F电电F阻阻球形带电体表面电势球形带电体表面电势 与电量与电量 q 关系：关系： 0r14qr0r164r vrE 0真空介电常数真空介电常数= 8.82 1

16、012 C2 m2 N1 r相对介电常数（无单位），水相对介电常数（无单位），水 r=81 rq1. 电泳速度求算电动电势电泳速度求算电动电势球形带电体表面电势球形带电体表面电势 与电量与电量 q 关系：关系： rqr041 rEvrr0641 动电位计算式：动电位计算式： 969 10rvE 受粒子大小和形状的影响受粒子大小和形状的影响 球形较大，或平板形，或棒形作校正球形较大，或平板形，或棒形作校正 9r49 10vE v：电泳速度（：电泳速度（m/s）E：电场强度（：电场强度（V/m）2. 电泳实验方法电泳实验方法界面移动电泳界面移动电泳：观测溶胶界面在电场中的移动观测溶胶界面在电场中的

17、移动 显微电泳显微电泳：显微镜下直接对粒子的运动进行测定显微镜下直接对粒子的运动进行测定 +dPt电极电极溶胶溶胶辅助液辅助液第六节第六节 溶胶稳定性溶胶稳定性一、胶体稳定性一、胶体稳定性稳定溶胶的因素稳定溶胶的因素 ：1. 动力稳定性（扩散力）：扩散，动力稳定性（扩散力）：扩散，Brown运动，有利稳定运动，有利稳定粒径越小、介质粘度越大，越使溶胶稳定粒径越小、介质粘度越大，越使溶胶稳定2. 表面带电（静电斥力）：表面带电（静电斥力）：带电后的电性斥力，是溶胶稳定的主要原因带电后的电性斥力，是溶胶稳定的主要原因3. 溶剂化溶剂化（水化膜斥力水化膜斥力 ）：降低表面能，有利稳定）：降低表面能，

18、有利稳定4. 添加高分子保护添加高分子保护热力学因素热力学因素：高分散度，比表面能大，有自发聚集倾向：高分散度，比表面能大，有自发聚集倾向 二、溶胶的聚沉二、溶胶的聚沉电解质影响溶胶电性，溶胶对其十分敏感电解质影响溶胶电性，溶胶对其十分敏感 适量电解质是溶胶稳定必要条件适量电解质是溶胶稳定必要条件 适量定位离子使溶胶荷电而稳定（制备时不可净化过度）适量定位离子使溶胶荷电而稳定（制备时不可净化过度） 过多电解质使溶胶发生聚沉过多电解质使溶胶发生聚沉 聚沉原因聚沉原因：反离子压缩双电层，使：反离子压缩双电层，使 d ， ， = 0时最不稳定时最不稳定 聚沉值聚沉值：使溶胶聚沉所加的电解质的最低浓度

19、：使溶胶聚沉所加的电解质的最低浓度 不同电解质聚沉能力不同电解质聚沉能力(聚沉值聚沉值)不同，其规律不同，其规律 聚沉聚沉：溶胶聚结沉降现象：溶胶聚结沉降现象 1电解质对溶胶稳定性的影响电解质对溶胶稳定性的影响聚沉值：聚沉值： 使溶胶聚沉所加的电解质的最低浓度使溶胶聚沉所加的电解质的最低浓度 不同电解质聚沉能力不同，可用聚沉值来衡量，其规律有不同电解质聚沉能力不同，可用聚沉值来衡量，其规律有 (1) 反离子：反离子： 价数：价数： 1价价: 2价价: 3价价 = 66111:23同价：水化半径越小，越易靠近质点，聚沉能力越强同价：水化半径越小，越易靠近质点，聚沉能力越强 (2) 同号离子同号离

20、子：对溶胶有稳定作用，价数越高作用越强：对溶胶有稳定作用，价数越高作用越强 (3) 有机化合物的离子有机化合物的离子：通常有强吸附能力，有很强的聚沉能力：通常有强吸附能力，有很强的聚沉能力 (4) 不规则聚沉不规则聚沉：溶胶对高价反离子强烈吸附的结果：溶胶对高价反离子强烈吸附的结果 2溶胶的相互聚沉作用溶胶的相互聚沉作用1电解质对溶胶稳定性的影响电解质对溶胶稳定性的影响带相反电荷的溶胶互相混合发生聚沉带相反电荷的溶胶互相混合发生聚沉 (1) 保护作用保护作用：有足量的大分子化合物：有足量的大分子化合物 原因：高分子覆盖溶胶表面可起保护作用原因：高分子覆盖溶胶表面可起保护作用 应用：如墨汁，油漆

21、，照相乳剂应用：如墨汁，油漆，照相乳剂(2) 絮凝作用絮凝作用：少量：少量大分子化合物大分子化合物 原因：大分子的搭桥效应、脱水效应、电中和效应原因：大分子的搭桥效应、脱水效应、电中和效应 应用：如污水处理，选矿，土壤改造，造纸应用：如污水处理，选矿，土壤改造，造纸 优点：效率高，絮块大，沉降快，具选择性优点：效率高，絮块大，沉降快，具选择性 停靠基团停靠基团稳定基团稳定基团3大分子化合物的作用大分子化合物的作用絮凝：疏松的棉絮状沉淀絮凝：疏松的棉絮状沉淀 三、溶胶稳定的三、溶胶稳定的DLVD理论理论(1) Van der Walls 引力（远程力）引力（远程力） (2) 静电斥力（近程力）静

22、电斥力（近程力） 两者总结果，形成能垒，是溶胶的稳定点两者总结果，形成能垒，是溶胶的稳定点 H势能势能VVbHV1a 1. 胶粒之间的作用力和势能曲线胶粒之间的作用力和势能曲线 HV e20r(1) 溶胶稳定性原因：需克服势垒溶胶稳定性原因：需克服势垒 (2) 表面电势对稳定性影响表面电势对稳定性影响 H势能势能VVbHV1a 2. DLVO理论对溶胶稳定性的解释理论对溶胶稳定性的解释HV e20r势垒势垒Vb：1520 kJ mol 1 增加表面电势，斥力势能增加表面电势，斥力势能 ，势垒高度，势垒高度 ，有利于稳定，有利于稳定 (3) 电解质对稳定性影响电解质对稳定性影响 过量电解质压缩双

23、电层，过量电解质压缩双电层， 值值 ，斥力势能，斥力势能 ，不利于稳定，不利于稳定 (4) 反离子价数对稳定性影响反离子价数对稳定性影响 总势能总势能V=0时电解质的浓度时电解质的浓度c与其价数与其价数z的关系：的关系：61zc 热运动：热运动：TkB23常温下常温下 ，3.7kJ mol 1 第七节第七节 乳状液及微乳状液乳状液及微乳状液一、乳状液一、乳状液鉴别类型方法鉴别类型方法:稀释法稀释法 ：能被水相稀释，为：能被水相稀释，为O/W型；能被油相稀释，为型；能被油相稀释，为W/O型型 染色法染色法 ：外相被油性染料染色，为：外相被油性染料染色，为W/O型；型； 外相被水性染料染色，为外相

24、被水性染料染色，为O/W型；型；电导法电导法：电导大，为：电导大，为O/W型；电导小，为型；电导小，为W/O型型 类型：水包油（类型：水包油（O/W）、油包水（）、油包水（W/O） 1乳状液的类型乳状液的类型乳状液乳状液：不相溶的液体相互分散形成的系统：不相溶的液体相互分散形成的系统 内相：被分散相内相：被分散相外相：分散介质外相：分散介质水水油油水水油油稳定乳剂稳定乳剂(1) 降低界面张力：处于较低能量状态降低界面张力：处于较低能量状态 (2) 形成界面膜：形成一定机械强度形成界面膜：形成一定机械强度 (3) 形成双电层：电性斥力形成双电层：电性斥力 (4) 固体粉末的稳定作用：形成良好界面

25、膜固体粉末的稳定作用：形成良好界面膜 2乳化剂的作用乳化剂的作用(1) 乳化剂的界面张力：乳化剂的界面张力： 膜水膜水 大，膜向水相弯曲，易形成大，膜向水相弯曲，易形成W/O型型 膜油膜油 大，膜向油相弯曲，易形成大，膜向油相弯曲，易形成O/W型型(2) 乳化剂的溶解度乳化剂的溶解度油水分配系数大，易形成油水分配系数大，易形成O/W型型油水分配系数小，易形成油水分配系数小，易形成W/O型型(3) 乳化剂的分子构型乳化剂的分子构型如非极性的双碳氢链，空间障碍大，易形成如非极性的双碳氢链，空间障碍大，易形成W/O型型(4) 油水的相体积比：体积分数大的液体倾向于作外相油水的相体积比：体积分数大的液

26、体倾向于作外相 3决定乳状液类型的因素决定乳状液类型的因素微乳与普通乳状液有二个显著不同：微乳与普通乳状液有二个显著不同： (1) 微乳是热力学稳定系统微乳是热力学稳定系统 (2) 微乳外观均匀透明微乳外观均匀透明 4微乳状液微乳状液微乳：粒径微乳：粒径880 nm，制备时乳化剂用量占，制备时乳化剂用量占2030， 并需加入了一些极性有机物作辅助剂并需加入了一些极性有机物作辅助剂 普通乳状液：粒径普通乳状液：粒径0.110 m，制备时乳化剂用量占，制备时乳化剂用量占110 方法方法：(1) 电解质：破坏双电层电解质：破坏双电层 (2) 改变乳化剂的类型：类型转变过程中的不稳定性使之破坏改变乳化剂的类型：类型转变过程中的不稳定性使之破坏 (3) 破坏保