胶体分散系统与粗分散系统研究知识讲解

1、胶体分散系统与粗分散系统研究 (3)胶体分散系统及粗分散系统胶束溶液（胶体电解质）溶胶（憎液胶体）大分子溶液（亲液胶体）悬浮液及悬浮体乳状液泡沫胶体分散系统胶体分散系统（粒子大小在1nm1000nm之间）粗分散系统粗分散系统（粒子大小大于1000nm）.溶胶的性质溶胶的性质 (1)溶胶的主要特征是： 高度分散的（分散相在1nm1000nm）、微不均匀的（多相的）、热力学不稳定系统。 (2)溶胶的性质 溶胶的光学性质 由于溶胶的光学不均匀性，当一束波长大于溶胶分散相粒子尺寸的入射光照射到溶胶系统，可发生散射现象散射现象丁达尔丁达尔(Tyndall)现象现象。 丁达尔现象的实质是溶胶对光的散射作用

2、(散射是指除入射光方向外，四面八方都能看到发光的现象)，它是溶胶的重要性质之一，如图1所示。 溶胶图1丁达尔现象透镜光源丁达尔效应散射光的强度可用瑞利瑞利(Rayleigh)公式表示： 02202220222402cos1229InnnnlnvI 式中，I0为入射光强度，0为入射光波长，n为体积粒子数，v为粒子体积，n2、n0为折射率，l为观察者至散射中心的距离，为散射角。上式表明，散射光强度与4成反比，且 差值愈大，则I愈强，此外与粒子的体积平方v及体积粒子数均成正比。 2022nn 用丁达尔效应可鉴别小分子溶液、大分子溶液和溶胶。小分子溶液无丁达尔效应，大分子溶液丁达尔效应微弱，而溶胶丁达

3、尔效应强烈。 溶胶的动力性质 由于溶胶中体积粒子数梯度的存在引起的粒子从体积粒子数高区域向低区域的定向迁移现象叫扩散扩散。 扩散遵从费克费克(Fick)(第一第一)扩散定律扩散定律： T)(ddxnDAtN式中, 为单位时间内通过截面积A扩散的粒子数, 为定温下体积粒子数梯度,D为扩散系数。 tNddT)(xn溶胶中的分散相粒子的扩散遵守费克定律。 图2布朗运动(a) 溶胶中分散相粒子的扩散作用是由布朗布朗(Brown)运动运动引起的。溶胶中的分散相粒子由于受到来自四面八方的做热运动的分散介质的撞击而引起的无规则的运动叫布朗运动。布朗运动及其引起的扩散作用是溶胶的重要动力性质动力性质之一，如图

4、2所示。 分散相在分散介质中的沉降速度 由下式表示： txdd92dd0B2grtx式中，r为粒子半径，B,0分别为粒子及介质的体积质量，为介质粘度，g为重力加速度。 分散相粒子本身的重力使粒子沉降；而介质的粘度及布朗运动引起的扩散作用阻止粒子下沉；两种作用相当时达到平衡，称之为沉降平衡沉降平衡。 可应用沉降平衡原理，计算系统中体积粒子数的高度分布： )(1ln120BB12hhRTgMnn式中，n2、n1分别为高度h2及h1处的体积粒子数。 溶胶中的分散相由于受自身的重力作用而下沉的过程称为沉降沉降。 溶胶的流变性质 流变性质流变性质是指物质(液体或固体)在外力作用下流动与变形的性质。 以液

5、体在管道中进行层流时的情况为例（见图3），两液层间产生的摩擦阻力F为： F 式中，为比例系数，称为牛顿粘度牛顿粘度，单位为sm或kgsm,A为液层接触面积,D为切变梯度。 图3流体在管道中呈层流流动时速度的径向分布y xy 符合该式的流体叫牛顿流体牛顿流体。许多大分子溶液及溶胶常为非牛顿流体。 对刚性的球形质点构成的稀溶胶，其粘度可由下式计算： （2.5） 式中, 为粒子的体积总和与溶胶系统总体积之比, 为介质粘度。 该式称为爱因斯坦爱因斯坦(Einstein)公式公式。 溶胶的电学性质 (i)带电界面的双电层结构 大多数固体物质与极性介质接触后，在界面上会带电,从而形成双电层双电层。 关于双

6、电层结构，按照斯特恩(Stern)模型，表示为图(a)。 若固体表面带正电荷，则双电层的溶液一侧由两层组成，第一层为吸附在固体表面的水化反离子层(与固体表面所带电荷相反)，称为斯特恩层斯特恩层(stern)，因水化反离子与固体表面紧密靠近，又称为紧密层紧密层；第二层为扩散层扩散层。由固体表面至溶液本体间的电势差e叫热力学电势；热力学电势；由斯特恩面至溶液本体间的电势差叫斯斯特恩电势特恩电势；而由滑动面至溶液本体间的电势差叫电势电势，亦叫动电动电电势电势。 图4斯特恩模型斯特恩模型e斯特恩层(紧密层)+ + + + +-+-+-扩散层-固体表面斯特恩面滑动面(a)(b) (ii)胶团的结构 以K

7、I溶液滴加至AgNO3溶液中形成的AgI溶胶为例，其胶团结构可用下图表示： 固相(AgI)mnAg+ 紧密层(n-x)NO3-x+ 扩散层 xNO3 溶液本体 胶核 滑动面 胶粒 胶团 (iii)电动现象 由于胶粒是带电的，所以在电场作用下，或在外加压力、自身重力下流动、沉降时产生电动现象电动现象,表现出溶胶的电学性质。 电泳电泳在外加电场作用下，带电的分散相粒子在分散介质中向相反符号电极移动的现象，如图5; 电渗电渗在外加电场作用下，分散介质(由过剩反离子所携带)通过多孔膜或极细的毛细管移动的现象（此时带电的固相不动），如图6所示。 + + + + + + + + + + + + + + +

8、 +图6 电渗+图5 电泳 流动电势流动电势在外加压力下，迫使液体流经相对静止的固体表面(如多孔膜)而产生的电势叫流动电势(它是电渗的逆现象)，如图7所示。 沉降电势沉降电势由于固体粒子或液滴在分散介质中沉降使流体的表面层与底层之间产生的电势差叫沉降电势(它是电泳的逆现象)，如图8所示。 气体V压力毛细管图7流动电势图8 沉降电势+V3溶胶的稳定性溶胶的稳定性 (1)溶胶的动力稳定性 由于溶胶中分散相粒子的布朗运动在分散介质中不停地做无序迁移而能在一段时间内保持溶胶稳定存在称为溶胶的动力稳定性动力稳定性。 (2)溶胶的稳定理论DLVO理论理论 理论要点如下： 在胶粒之间，存在着两种相反作用力所

9、产生的势能。一是由扩散双电层相互重叠时而产生的斥力势能斥力势能U；另一是由分子间存在的远程vd力（1/x2）或1/x）而产生的吸力势能UA。此两种势能之和UUUA即系统的总势能，U的变化决定着系统的稳定性。U，UA均是胶粒之间的距离x的函数，如图9所示。 图 9胶粒间斥力势能、吸力 势能及总势能曲线UR exp-xUmaxFCx0Born排斥U势垒UUAnx1 德拜参量 4电解质及高聚物分子对溶胶聚沉的影响电解质及高聚物分子对溶胶聚沉的影响 (1)电解质对溶胶聚沉的影响 少量电解质的存在对溶胶起稳定作用；过量电解质的存在对溶胶起破坏作用(聚沉)。 使一定量溶胶在一定时间内完全聚沉所需最小电解质

10、的物质的量浓度，称为电解质对溶胶的聚沉值聚沉值。 反离子反离子对溶胶的聚沉起主要作用，聚沉值与反离子价数有关：聚沉值比例 ， 即聚沉值与反离子价数的6次方成反比。这叫舒尔采舒尔采(Schulze)-哈迪哈迪(Hardy)规则规则。 66631:21:1114. 0:6 . 1:100 离子起聚沉作用的机理是： (i)反离子价数愈高，则扩散层的厚度愈薄，降低扩散层重叠时产生的斥力越显著 (ii)反离子浓度愈高，则进入Stern层的反离子愈多，从而降低了，而电势，即降低扩散层重叠时的斥力 同号离子对聚沉亦有影响，这是由于同号离子与胶粒的强烈的vd力而吸附，从而改变了胶粒的表面性能，降低了反离子的聚

11、沉能力。 (2)高聚物分子对聚沉的影响 在溶胶中加入适量高聚物分子可使溶胶稳定(见空间稳定理论及空缺稳定理论)，但也可使溶胶聚沉。 其聚沉作用如下： (i)搭桥效应搭桥效应高聚物分子通过“搭桥”把胶粒拉扯在一起，引起聚沉；(ii)脱水效应脱水效应高聚物分子由于亲水，其水化作用较胶粒水化作用强(胶粒憎水)，从而高聚物的加入夺去胶粒的水化外壳的保护作用。 (iii)电中和效应电中和效应离子型高聚物加入后吸附在带电的胶粒上而中和了胶粒的表面电荷。 5 胶束溶液及增溶作用胶束溶液及增溶作用 （1）胶束溶液的特征 少量表面活性剂在水中可在表面定向排列形成单分子表面膜，继续溶解则在体相中形成胶束，胶束可以

12、是球状、层状和棒状。胶束溶液是均相的热力学稳定系统。胶束溶液属于胶体分散系统。 （2）胶束的增溶作用 通过胶束容纳有机物使之在水中溶解度增加的现象称增溶作增溶作用。用。 (1)大分子溶液的主要特征 大分子溶液也叫亲液胶体，其主要特征是：高度分散的(分散质即大分子的线尺寸在1nm1000nm之间)、均相的、热力学稳定系统。 (2)大分子溶液的渗透压 小分子稀溶液产生的渗透压=cBRT，由于大分子溶液的非理想性，它所产生的渗透压渗透压可表示为： 2B3B2BB1BBMRT (3)膜平衡与唐南效应 以大分子电解质Na2P(蛋白质钠盐)为例，说明膜平衡与唐膜平衡与唐南（南（Donnan）效应效应。 6

13、大分子溶液的性质大分子溶液的性质 今将Na2P的水溶液及NaCl的水溶液分别置于膜的两侧（见图10）。图中的b及b分别为开始时，左右两侧Na+离子的浓度。bx为a或l从半透膜右侧渗透到左侧的质量摩尔浓度。 图 10 膜平衡示意图(a) 开始时Na+ (b)Na + (b)P x- (b)Cl- (b)Na+ (b)Na + (b)P 2- (b/2)Cl- (b)P 2- -Cl-Na +(b) 平衡时Na + (b+bx)P 2- (b/2)Cl- (bx)Na+ (b - bx)Cl- (b- bx) 唐南效应影响利用渗透压法测定大分子的摩尔质量的准确性，必须设法消除。(4)盐析作用和胶凝

14、作用 溶胶(憎液胶体)对电解质的存在是十分敏感的，而大分子溶液(亲液胶体)对电解质却不敏感，直到加入大量的电解质，才能使大分子溶液产生聚沉现象，我们称之盐析作用盐析作用。这是由于所加大量电解质对大分子的去水化作用而引起的。 bbbbbbbbxx(NaCl)(NaCl)RL表明，由于大分子不能透过膜，平衡时影响到小离子在两侧分布不均匀，就会产生额外的渗透压，这叫唐南效应唐南效应。 当渗透达到平衡时，可以推得，左右两侧NaCl的浓度为 大分子溶液在一定外界条件下可以转变为凝胶称为胶凝作用。 7粗分散系统粗分散系统 (1)乳状液 一种或几种液体以液珠形式分散于另一种与其不互溶(或部分互溶)液体中所形成的分散系统称之为乳状液乳状液。 乳状液分为油包水型油包水型以符号W/O表示，水包油型水包油型以符号O/W表示，如图11所示。 图11 乳状液类型示意图(a)水包油型(O/W)油内相（不连续相）水外相（连续相）(b) 油包水型(W / O)水内相（不连续相）油外相（连续相）油水油水 (2)泡沫 气体分散在液体或固体中所形成的分散系统称之为泡沫泡沫。前者为液体泡沫；后者为固体泡沫。 要得到比较稳定的液体泡沫，必须加入起泡剂起泡剂，起泡剂一般为表面活性剂物质。 人有了知识