胶体化学(2015.8)

1、l均相分散系统均相分散系统是物质彼此以分子形态分散或混合所形成的系统。此类系统的分是物质彼此以分子形态分散或混合所形成的系统。此类系统的分散相及分散介质之间无相界面存在，是散相及分散介质之间无相界面存在，是热力学稳定热力学稳定系统。系统。l非均相分散系统非均相分散系统是物质以微相形态分散在分散介质中所形成的多相系统。是物质以微相形态分散在分散介质中所形成的多相系统。 胶体化学是一门独立学科，胶体现象具有胶体化学是一门独立学科，胶体现象具有自身独特的规律性自身独特的规律性，在衣、食、住、，在衣、食、住、行等各方面会遇到胶体化学相关问题。在工农业生产中也普遍存在。行等各方面会遇到胶体化学相关问题。

2、在工农业生产中也普遍存在。如如云、雾（气云、雾（气液溶胶）、泡沫（液气溶胶）、高空灰尘（气固溶胶）、牛奶（液液溶胶）等。还液溶胶）、泡沫（液气溶胶）、高空灰尘（气固溶胶）、牛奶（液液溶胶）等。还有有石油钻井中的钻井液，原油开采中的乳化原油、调剖堵水中水凝胶石油钻井中的钻井液，原油开采中的乳化原油、调剖堵水中水凝胶等。等。l所谓所谓分散系统分散系统，是一种或几种物质分散在另一种物质中所构成的系统。如牛奶中，是一种或几种物质分散在另一种物质中所构成的系统。如牛奶中奶油液滴分散在水中，颜料分散在有机液体中形成油漆等。通常把被分散的物质奶油液滴分散在水中，颜料分散在有机液体中形成油漆等。通常把被分散的

3、物质称为称为分散相分散相，起分散作用的物质叫，起分散作用的物质叫分散介质分散介质。l分散系统可分为分散系统可分为均相分散系统均相分散系统和和非均相分散系统非均相分散系统。一、分散系统一、分散系统乳状液、微乳液、泡沫乳状液、微乳液、泡沫属于哪种分散系统？属于哪种分散系统？1.分散体系按聚集状态分类分散体系按聚集状态分类 名名 称称举举 例例 液溶胶液溶胶液液- -固溶胶固溶胶 油漆，油漆，AgIAgI溶胶溶胶液液- -液溶胶液溶胶 牛奶，石油原油等乳状液牛奶，石油原油等乳状液液液- -气溶胶气溶胶 泡沫泡沫 固溶胶固溶胶固固- -固溶胶固溶胶 有色玻璃，不完全互溶的合金有色玻璃，不完全互溶的合金

4、固固- -液溶胶液溶胶 珍珠，某些宝石珍珠，某些宝石固固- -气溶胶气溶胶 泡沫塑料，沸石分子筛泡沫塑料，沸石分子筛 气溶胶气溶胶气气- -固溶胶固溶胶 烟，含尘的空气烟，含尘的空气气气- -液溶胶液溶胶 雾，云雾，云二、分散体系分类二、分散体系分类胶体分散体系的主要特点：胶体分散体系的主要特点：具有具有高度分散高度分散的的多相多相热力学不稳定热力学不稳定体系。体系。胶体分散体系的这主要特点又是产生胶体分散体系的这主要特点又是产生其它现象其它现象的依据的依据。 亲液溶胶：亲液溶胶：被分散的物质与水或其它溶剂具有很强的亲合力的胶体分散体系。被分散的物质与水或其它溶剂具有很强的亲合力的胶体分散体系

5、。 如蛋白质水溶液、淀粉水溶液、聚乙二醇水溶液等一些高分子溶液。所以亲如蛋白质水溶液、淀粉水溶液、聚乙二醇水溶液等一些高分子溶液。所以亲液溶胶常常又称为液溶胶常常又称为高分子溶液高分子溶液。(2) (2) 憎液溶胶：憎液溶胶：被分散的物质与水或其它溶剂具有憎水特性的胶体分散体系。被分散的物质与水或其它溶剂具有憎水特性的胶体分散体系。 如金溶胶、如金溶胶、 AgIAgI或或Fe(OH)Fe(OH)3 3溶胶等常见的胶体体系溶胶等常见的胶体体系。通常有两种方法获得分散相粒子大小在胶体范围内的溶胶：通常有两种方法获得分散相粒子大小在胶体范围内的溶胶：分散法分散法即直接将大块物质粉碎为小颗粒，并使之分

6、散于介质中。即直接将大块物质粉碎为小颗粒，并使之分散于介质中。凝聚法凝聚法即将分子或离子凝聚成胶体颗粒。即将分子或离子凝聚成胶体颗粒。为了获得稳定的溶胶，还需满足两个条件：为了获得稳定的溶胶，还需满足两个条件： 在制造白色油漆时，将白色颜料（在制造白色油漆时，将白色颜料（TiO2）等在）等在油料中研磨，同时加入金属皂蕾稳定剂（分散剂）油料中研磨，同时加入金属皂蕾稳定剂（分散剂）来完成。来完成。二是需要加入二是需要加入稳定剂稳定剂。 如硫在乙醇中溶解度大，能形成真溶液，如硫在乙醇中溶解度大，能形成真溶液，但在水中溶解度极小，因此可以把硫磺的乙但在水中溶解度极小，因此可以把硫磺的乙醇溶液逐滴滴入水

7、中获得硫磺水溶胶醇溶液逐滴滴入水中获得硫磺水溶胶一是分散相在介质中的一是分散相在介质中的溶解度要小溶解度要小；例例: : 更换溶剂法更换溶剂法: :松香乙醇溶液松香乙醇溶液+ + 水水 松香水溶胶松香水溶胶 化学反应法化学反应法: : FeCl FeCl3 3( (稀水溶液稀水溶液)+)+3H3H2 2O O Fe(OH)Fe(OH)2 2溶胶溶胶 + HCl+ HCl胶溶法胶溶法超声分散法超声分散法研磨法研磨法 溶胶质点大小溶胶质点大小 1nm 1nm 100nm100nm大颗粒质点大颗粒质点大小大小 1mm 1mm大变小大变小分散法分散法小分子溶液质点小分子溶液质点大小大小 0.1nm r

8、 rBrBr ( (水化后水化后) )，稳定作用强，所以聚沉值：，稳定作用强，所以聚沉值：KNOKNO3 3 KBr KBr（其他各行数据同理）。（其他各行数据同理）。 2 2胶体体系的相互作用胶体体系的相互作用 v电性相反的溶胶互相混合，发生聚沉电性相反的溶胶互相混合，发生聚沉 互沉现象互沉现象。v聚沉的程度与两溶胶的比例有关，在聚沉的程度与两溶胶的比例有关，在等电点附近等电点附近的聚沉才完全（使胶粒上的电的聚沉才完全（使胶粒上的电荷中和）。荷中和）。例如，用明矾净水例如，用明矾净水 水中的悬浮物通常带负电（粘土负电性），明矾的水解产物水中的悬浮物通常带负电（粘土负电性），明矾的水解产物 A

9、l(OH)Al(OH)3 3 溶胶带溶胶带电，混合后发生聚沉，起到净水作用。电，混合后发生聚沉，起到净水作用。v一般来说，电性相同的溶胶混合后没有变化。但也有例外，若两种胶体上的稳定一般来说，电性相同的溶胶混合后没有变化。但也有例外，若两种胶体上的稳定剂相互作用形成沉淀而破坏胶体的稳定性，则发生聚沉。剂相互作用形成沉淀而破坏胶体的稳定性，则发生聚沉。例如：例如：n负电性的负电性的 AsAs2 2S S3 3（以（以 S S 2 2 为稳定剂）溶胶与负电性的为稳定剂）溶胶与负电性的 S S 溶胶（以溶胶（以 S S5 5O O6 62 2 为稳定剂，为稳定剂，RaffoRaffo 法制得）法制得

10、） 混合混合 S S 聚沉聚沉 原因是稳定剂的相互作用导致聚沉：原因是稳定剂的相互作用导致聚沉：OHSHOSS62252610125 1.有一种溶胶有一种溶胶A，分别加入，分别加入B、C两种电解质，两种电解质，B加入量为加入量为0.1%时，时，A溶胶被测底破坏；溶胶被测底破坏；C加入量为加入量为0.2%时，时，A溶胶被测底破坏，请溶胶被测底破坏，请判断判断B、C两种电解质哪一种对溶胶两种电解质哪一种对溶胶A影响大？影响大？B、C两种电解质的聚两种电解质的聚沉率哪一个大？若分别加入沉率哪一个大？若分别加入同浓度同浓度的的B、C两种电解质，加入两种电解质，加入B对对A的破坏比加入的破坏比加入C破坏

11、效果好，请判断破坏效果好，请判断B、C两种电解质哪一种带电荷两种电解质哪一种带电荷更高？更高？ 2.电解质的聚沉值越高，破坏稳定胶体体系能力越强或越弱？为电解质的聚沉值越高，破坏稳定胶体体系能力越强或越弱？为什么什么 3.硅酸钠在酸性介质要形成凝胶，若硅酸钠在酸性介质要形成凝胶，若硅酸钠加入到过量的盐酸硅酸钠加入到过量的盐酸溶溶液中，请判断形成的胶体带正电荷或带负电和？化学胶团的结构并液中，请判断形成的胶体带正电荷或带负电和？化学胶团的结构并标明其结构名称。标明其结构名称。硅酸硅酸硅酸硅酸H+H+H+H+H+H+H+H+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-固相固相紧密层

12、紧密层扩散层扩散层 (H2SiO3)m nH+（n-x）Cl-x+xCl- -胶核胶核胶粒胶粒滑动面滑动面胶团胶团若把盐酸加入硅酸钠溶液中（硅酸钠过量），胶团结构如何书写？若把盐酸加入硅酸钠溶液中（硅酸钠过量），胶团结构如何书写？硅酸硅酸硅酸硅酸SiO32-Na+Na+SiO32-SiO32-SiO32-SiO32-SiO32-Na+Na+Na+Na+Na+Na+固相固相紧密层紧密层扩散层扩散层 (H2SiO3)m nSiO32-（n-x）Na+x-x Na+胶核胶核胶粒胶粒滑动面滑动面胶团胶团1.1.基本概念基本概念 絮凝物、絮凝剂与絮凝作用絮凝物、絮凝剂与絮凝作用：在溶胶或悬浮体内加入少量

13、的可溶：在溶胶或悬浮体内加入少量的可溶性高分子化合物，可导致溶胶迅速沉淀，沉淀呈疏松的棉絮状，这类沉性高分子化合物，可导致溶胶迅速沉淀，沉淀呈疏松的棉絮状，这类沉淀为絮凝物，这种现象称为絮凝作用。能产生絮凝作用的高分子化合物淀为絮凝物，这种现象称为絮凝作用。能产生絮凝作用的高分子化合物称为絮凝剂。称为絮凝剂。 絮凝作用机理絮凝作用机理：高分子的絮凝作用与电解质的聚沉作用完全不同，：高分子的絮凝作用与电解质的聚沉作用完全不同，由电解质所引起的聚沉过程比较缓慢，所得到的沉淀颗粒紧密、体积小，由电解质所引起的聚沉过程比较缓慢，所得到的沉淀颗粒紧密、体积小，这是由于电解质压缩溶胶粒子的扩散双电层所引起

14、的。高分子絮凝作用是这是由于电解质压缩溶胶粒子的扩散双电层所引起的。高分子絮凝作用是由于吸附溶胶粒子以后，高分子化合物本身的链段旋转和运动，相当于本由于吸附溶胶粒子以后，高分子化合物本身的链段旋转和运动，相当于本身的身的“痉挛痉挛”作用，将固体粒子聚集在一起而产生沉淀。作用，将固体粒子聚集在一起而产生沉淀。 2.高分子絮凝剂作用机理高分子絮凝剂作用机理（1）电解质对双电层的作用）电解质对双电层的作用胶核+-A吸 附层扩 散 层E电位B胶粒胶团电位曲 线 加入电解质，使固体颗粒的加入电解质，使固体颗粒的表面形成的双电层有效厚度减少，表面形成的双电层有效厚度减少，使范德华引力占优势而达到彼此使范德

15、华引力占优势而达到彼此吸引，最后达到凝聚。吸引，最后达到凝聚。+高分子聚合 物 胶体 脱稳胶体脱稳胶体絮 凝体 （2）吸附架桥作用机理）吸附架桥作用机理 当加入少量高分子电解质时，由于胶粒对高分子物质有强烈的吸附作当加入少量高分子电解质时，由于胶粒对高分子物质有强烈的吸附作用，高分子长链一端吸附在一个胶粒表面上，另一端又被其他胶粒吸附，用，高分子长链一端吸附在一个胶粒表面上，另一端又被其他胶粒吸附，形成一个高分子链状物。高分子长链像各胶粒间的桥梁，将胶粒联结在一形成一个高分子链状物。高分子长链像各胶粒间的桥梁，将胶粒联结在一起形成絮凝体，最终沉降。起形成絮凝体，最终沉降。（3）沉淀物卷扫作用机

16、理）沉淀物卷扫作用机理 当水中加入较多无机盐等药剂后，在水中形成高聚合度的氢氧化物，当水中加入较多无机盐等药剂后，在水中形成高聚合度的氢氧化物，可以吸附卷带水中胶粒而沉淀。可以吸附卷带水中胶粒而沉淀。1.原水中悬 浮 粒 子2. 絮 状 沉 淀 物 3.残留 悬 浮 微 粒312原水中原水中悬浮物悬浮物残留悬浮微粒残留悬浮微粒絮状沉淀物絮状沉淀物沉淀物卷扫作用沉淀物卷扫作用分子量小的被吸附在分子量小的被吸附在固体颗粒表面的多，固体颗粒表面的多，桥连少，絮凝效果差。桥连少，絮凝效果差。双电层双电层分子量高，电荷密度高，与颗粒分子量高，电荷密度高，与颗粒的接触点多，但在双电层外面的的接触点多，但在

17、双电层外面的部分少，不能很好的桥连，絮凝部分少，不能很好的桥连，絮凝效果差。效果差。分子量高，电荷密度分子量高，电荷密度低的絮凝剂，许多部低的絮凝剂，许多部分伸展到液相中，提分伸展到液相中，提高了电中和效率。这高了电中和效率。这部分还可以吸附更多部分还可以吸附更多的胶体颗粒，促进絮的胶体颗粒，促进絮凝沉淀。此种絮凝剂凝沉淀。此种絮凝剂效果最好。效果最好。 任何絮凝剂的加入量都有一任何絮凝剂的加入量都有一最佳量最佳量，此时的絮凝效果最好，超，此时的絮凝效果最好，超过此值絮凝效果就下降；若超出很多，反而起了过此值絮凝效果就下降；若超出很多，反而起了保护作用（护胶）保护作用（护胶）。 高分子化合物的

18、分子量影响絮凝是明显的，高分子的高分子化合物的分子量影响絮凝是明显的，高分子的分子量越大，分子量越大，则架桥能力越强，絮凝效果也越高则架桥能力越强，絮凝效果也越高 高分子化合物絮凝作用的几个特点：高分子化合物絮凝作用的几个特点： 絮凝剂作用的高分子化合物一般要具有絮凝剂作用的高分子化合物一般要具有链状结构链状结构，凡是分子构形是交，凡是分子构形是交联的或者支链结构，其絮凝效果就差，甚至没有絮凝能力。联的或者支链结构，其絮凝效果就差，甚至没有絮凝能力。 絮凝过程是否迅速彻底，絮凝过程是否迅速彻底，取决于取决于絮凝物的大小和结构、絮凝物絮凝物的大小和结构、絮凝物的性能、絮凝剂混合条件、搅拌速度和强

19、度，容器的形状、絮凝剂浓的性能、絮凝剂混合条件、搅拌速度和强度，容器的形状、絮凝剂浓度、加入药剂的速度等。度、加入药剂的速度等。 高分子化合物的基团与絮凝有关。有良好絮凝效果的高分子化合物高分子化合物的基团与絮凝有关。有良好絮凝效果的高分子化合物至少应至少应具备能吸附固体表面的基团具备能吸附固体表面的基团，同时这种基团还能溶解于水中，所以，同时这种基团还能溶解于水中，所以基团的性质对絮凝效果有十分重要的影响基团的性质对絮凝效果有十分重要的影响 3.絮凝的影响因素絮凝的影响因素pH值值温度温度搅拌速度和时间搅拌速度和时间性质和结构性质和结构分子量分子量用量用量分离方法和工艺设计分离方法和工艺设计

20、4.聚合物的选择聚合物的选择水溶性线性高分子聚合物，通常水溶性线性高分子聚合物，通常MW大于大于106 在溶液中分子具有伸展和弹性结构在溶液中分子具有伸展和弹性结构与絮凝颗粒有相反电荷或在颗粒之间形成桥联与絮凝颗粒有相反电荷或在颗粒之间形成桥联形成的絮凝物能经受中等剪切力而不破坏形成的絮凝物能经受中等剪切力而不破坏 对产物生物活性无变性和失活作用对产物生物活性无变性和失活作用对絮凝与保留物具有选择性对絮凝与保留物具有选择性 聚电解质聚电解质(polyelectrolyte(polyelectrolyte) )是一类在分子链上带有许多可解离是一类在分子链上带有许多可解离基团的高聚物。其特点是有高

21、的分子量和高的电荷密度，因而表现出基团的高聚物。其特点是有高的分子量和高的电荷密度，因而表现出一些特殊的物理化学性能，既与简单的电解质不同，也和不带解离基一些特殊的物理化学性能，既与简单的电解质不同，也和不带解离基团的高聚物相异。团的高聚物相异。 2.2.絮凝剂的分类絮凝剂的分类从合成研制角度对其进行分类从合成研制角度对其进行分类 按聚电解质的存在方式进行分类按聚电解质的存在方式进行分类 按聚电解质分子链上所带基团的属性按聚电解质分子链上所带基团的属性 按分子结构的刚柔性按分子结构的刚柔性 按聚电解质的存在方式进行分类按聚电解质的存在方式进行分类 简单的多糖简单的多糖果胶酸、褐藻酸等果胶酸、褐

22、藻酸等复杂的多糖复杂的多糖琼脂、阿拉伯胶等琼脂、阿拉伯胶等氨基糖氨基糖搞血凝素搞血凝素多糖素多糖素蛋白质类蛋白质类明胶、各种蛋白质明胶、各种蛋白质纤维素衍生物纤维素衍生物粘胶、羧甲基纤维素等粘胶、羧甲基纤维素等橡胶生物橡胶生物天然物质的人工衍生物天然物质的人工衍生物人工合成物质人工合成物质共聚型高聚物共聚型高聚物聚丙烯酸类聚丙烯酸类缩聚型高聚物缩聚型高聚物聚膦酸类聚膦酸类聚电解质聚电解质天然物质天然物质核酸核酸从合成研制角度对其进行分类从合成研制角度对其进行分类 按聚电解质分子链上所带基团的属性按聚电解质分子链上所带基团的属性 按聚电解质分子链上所带基团的属性，可分为按聚电解质分子链上所带基团

23、的属性，可分为阳离子、阴离子和两性阳离子、阴离子和两性聚电解质聚电解质 按分子结构的刚柔性按分子结构的刚柔性 按分子结构的刚柔性，聚电解质可分为按分子结构的刚柔性，聚电解质可分为刚性刚性分子聚电解质和分子聚电解质和柔顺性柔顺性分子电解质。有分子电解质。有相当数量的天然聚电解质是由刚性分子组成的，其分子尺寸和形状一般不会变化，只有相当数量的天然聚电解质是由刚性分子组成的，其分子尺寸和形状一般不会变化，只有在较剧烈的条件下在较剧烈的条件下( (如高温、强酸和强碱或浓的盐溶液中如高温、强酸和强碱或浓的盐溶液中) )，才可能引起变化。，才可能引起变化。 聚电解质能溶于极性溶剂中，特别是能溶于水中。在给

24、定温度下，聚电解质的溶解度聚电解质能溶于极性溶剂中，特别是能溶于水中。在给定温度下，聚电解质的溶解度取决于分子链上亲水基团与憎水基团相互抵消后剩余基团的性质。取决于分子链上亲水基团与憎水基团相互抵消后剩余基团的性质。 丙烯酸丁脂与丙烯酸的共聚物，随着羧酸丁脂相对含量的增加，改共丙烯酸丁脂与丙烯酸的共聚物，随着羧酸丁脂相对含量的增加，改共聚物在水中的溶解度降低。此外，高分子链的构象、分子量与电荷的分布聚物在水中的溶解度降低。此外，高分子链的构象、分子量与电荷的分布等，对其溶解度也有一定的影响。等，对其溶解度也有一定的影响。 聚电解质溶于水后，发生解离，例如聚丙烯酸钠解离后，聚电解质溶于水后，发生

25、解离，例如聚丙烯酸钠解离后，生成阴离子聚电解质生成阴离子聚电解质: :CH2 CH CH2 CHCOO-Na+COO-Na+CH2 CH CH2 CHC4H9+Br-C4H9+Br-NN聚丙烯基聚丙烯基N N溴丁基吡啶解离后，生成阳离子聚电解质溴丁基吡啶解离后，生成阳离子聚电解质: :(2)(2)阴离子聚电解质阴离子聚电解质 丙烯酰胺共聚物及其水解产物；聚丙烯酸系列高聚物等聚丙烯酰胺共聚物及其水解产物；聚丙烯酸系列高聚物等聚 胺甲基化改性聚丙烯酰胺胺甲基化改性聚丙烯酰胺(AMPAM) (AMPAM) ；PDMDAACPDMDAAC；DMDAAC/AMDMDAAC/AM共聚物；共聚物；环氧氯丙环氧氯丙烷吡啶季铵盐等烷吡啶季铵盐等 EOEO与与POPO的嵌段共聚物；的嵌段共聚物； 非离子合成有机胶乳。非离子合成有机胶乳。(4)(4) 淀粉、木质素多糖及其改性产物淀粉、木质素多糖及其改性产物 聚电解质的应用范围很广，作为高聚物许剂是它目前的主要用聚电解质的应用范围很广，作为高聚物许剂是它目前的主要用途，其中的代表是聚丙烯酰胺极其部分水解