体的基本性质

1、第一章 胶体的根本性质1.1 胶体的运动性质1.2 胶体的光学性质1.3 胶体的电学性质1.4 胶体的流变性质1.5 胶体稳定性 1.1 胶体的运动性质一、布朗(Brown)运动 1827 年植物学家布朗Brown)用显微镜观察到悬浮在液面上的花粉粉末不断地作不规那么的运动。 后来又发现许多其它物质如煤、 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为布朗运动。 但在很长的一段时间里，这种现象的本质没有得到说明。 1903年创造了超显微镜，为研究布朗运动提供了物质条件。 用超显微镜可以观察到溶胶粒子不断地作不规那么“之字形的运动，从而能够测出在一定时间内粒子的平均位移。 通过大量观

2、察，得出结论：粒子越小，布朗运动越剧烈。其运动剧烈的程度不随时间而改变，但随温度的升高而增加。 1905年和1906年爱因斯坦Einstein)和斯莫鲁霍夫斯基(Smoluchowski)分别阐述了Brown运动的本质。认为Brown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，由于受到的力不平衡，所以连续以不同方向、不同速度作不规那么运动。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。当半径大于5 m，Brown运动消失。 在溶液中胶体粒子主要受到三种力的作用1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；2粒子运动时受到的粘滞力；3粒子和分

3、子的固有动能。 Einstein认为，溶胶粒子的Brown运动与分子运动类似，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和公式，得到Brown运动的公式为：式中 是在观察时间t内粒子沿x轴方向的平均位移；r为胶粒的半径；为介质的粘度；NA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、温度以及观察时间等联系起来。扩散设通过AB面的扩散质量为m，则扩散速度为 ，它与浓度梯度和AB截面积A成正比。 如下图，设任一平行于AB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 这就是斐克第一定律。 式中D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

4、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， 0。 用公式表示为：这就是Einstein-Brown 位移方程。从布朗运动实验测出 就可求出扩散系数D。将布朗运动公式代入：利用扩散系数D,也从上式可以求粒子半径 r。已知 r 和粒子密度 ，可以计算粒子的摩尔质量。习题:P55,例题1。二、重力场中的沉降 溶胶是高度分散体系，胶粒一方面受到重力吸引而下降，另一方面由于布朗运动促使浓度趋于均一。 当这两种效应相反的力相等时，粒子的分布到达平衡，粒子的浓度随高度不同有一定的梯度，如下图。 这种平衡称为沉降平衡。 到达沉降平衡时，粒子随高度分布的情况与气体类似，可以用高度分布定律。 如图所

5、示，设容器截面积为A，粒子为球型，半径为r，粒子与介质的密度分别为 和 ，在 x1和x2处单位体积的粒子数分别n1，n2， 为渗透压，g为重力加速度。 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，粒子的扩散作用不可无视，在离心力场中离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。 -离心力场中的沉降作用，可以用来测定聚合物的分子量。三、渗透压半透膜只允许某种混合物的一些物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 一、 有半透膜存在二、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等。渗透压 如果要阻止

6、渗透现象的发生，可在溶液液面上施加一额外的压力，这一压力就是溶液所具有的渗透压。渗透压用P表示，其单位为Pa或kPa 渗透压与溶液浓度和温度的关系 范特荷甫Vant Hoff, 荷兰非电解质稀溶液的渗透压与浓度、温度的关系 PV = n RT式中 P 溶液的渗透压kPa V 溶液的体积L n 溶液中溶质的物质的量(mol) R 气体常数8. 31 kPaLK-1mol-1 T 热力学温度T/K= t/C +273.15 CB 物质的量浓度mol L-1 P = CB RT渗透压的应用1渗透压是溶液依数性之一，可以测定物质的分子量；2在生物学和医药学中应用广泛；3海水淡化，废水处理等。正常人血浆

7、总渗透压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质质点的总浓度渗透浓度为 280m mol L-1 310m mol L-1所产生的渗透压。 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。 医学上等渗、低渗、高渗溶液是以正常人体血浆总渗透压为标准的。与人体血浆总渗透压相等的溶液称为等渗溶液。 临床上常用的等渗溶液有：0.278mol L-1(50g L-1)葡萄糖溶液0.154mol L-1 (9g L-1)NaCl溶液生理盐水0.149mol L-1 (12.5g L-1)NaHCO3溶液1/6mol L-1 (18.7g L-1)乳酸钠NaC3

8、H5O3溶液 低渗溶液 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 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。高渗溶液 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 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 临床上常用的高渗溶液有： 2.78mol .L-1(500g . L-1)葡萄糖溶液 50g. L-1葡萄糖氯化钠溶液生理盐水中含有50g . L-1葡萄糖临床上大量输液应注意 临床上大量输液时应使用等渗溶液，以维持正常的血浆渗透压。在等渗条件下,红细胞能维持其正常的形态和生理活性。 假设输入大量的低渗溶液，会降低血浆渗透压，导致红细胞

9、涨大乃至破裂而出现溶血现象 当输入大量的高渗溶液时，又会使血浆渗透压过高，使红细胞皱缩而出现胞浆别离的现象。皱缩的红细胞易粘在一起形成“团块，它能堵塞小血管而形成血栓。海水淡化 地球外表的70.8被水覆盖着，总水量达13.56亿立方千米。但是被水覆盖的地球外表中97.2是浩翰的海洋，而陆地水面只占2.8，其中淡水更是少得可怜，只占0.64。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；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。 其实，海水淡化

10、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。 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。 海水浓的海水淡水半透膜（醋酸纤维素膜）海水淡化原理(反渗透 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水的主要方法。 半透膜材料 1.醋酸纤维素 2.芳香聚酰胺 3.复合膜 4.无机膜 反渗透技术在国内外的开展十分迅速，应用

11、越来越广泛：(1)应用于海水淡化，污水处理及饮用水的净化； (2)利用超滤膜对特殊分子量的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液透析等 ；(3)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 。 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高塔发电的设想更是引入注目 。 由于海水渗透压可达25atm，只要有适宜的半透膜，河水便会通过半透膜不断进入塔内与海水混合，只要水塔高度小于250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，还将海水不断泵入塔中维持渗透压值。 一、光散射现象 当光束通过分散体系时，一局部自由地通过，一局部被吸收、反射或

12、散射。可见光的波长约在400700 nm之间。 1当光束通过粗分散体系，由于粒子大于入射光的波长，主要发生反射，使体系呈现混浊。 2当光束通过胶体溶液，由于胶粒直径小于可见光波长，主要发生散射，可以看见乳白色的光柱。 3当光束通过分子溶液，由于溶液十分均匀，散射光因相互干预而完全抵消，看不见散射光。1.2 胶体的光学性质光散射的应用1、溶胶颜色的定性解释2、大分子分子量的测定3、粒子大小的测定1丁铎尔效应2瑞利公式 当可见光束投射于胶体系统时，如胶体粒子的直径小于可见光波长，那么发生光的散射现象，产生丁铎尔效应的实质是光的散射 单位体积的散射光强度与每个粒子体积的平方成正比。 散射光强度与入射

13、光波长的4次方成反比。蓝、紫光散射强，红光散射弱 分散相与介质的折射率相差愈大，散射光强度愈强。 散射光强度与粒子的数密度成正比。二、丁铎尔效应Tyndall效应 Tyndall效应实际上已成为判别溶胶与分子溶液的最简便的方法。可用来观察溶胶粒子的运动以及测定大小和形状。 1869年Tyndall发现，假设令一束会聚光通过溶胶，从侧面即与光束垂直的方向可以看到一个发光的圆锥体，这就是Tyndall效应。其他分散体系也会产生一点散射光，但远不如溶胶显著。 溶胶三、 显微观测 1、放大倍数与分辨率 所谓分辨率或分辩极限就是两个物体能够分辩得开的最小距离。 图3-16 （A）分辨率d的几何关系 （B

14、）双光线经透镜成像示意图（A）（B）分辨率d定义为 要想缩小d的数值或提高分辨能力，途径有： 增大光锥角2，方法是加大镜头直径及减少镜头与物体间距，然而镜头的设计限制了这些参数的变化范围； 增大介质折射率n0，往往在使用高倍放大倍数的物镜镜头时，要在物体与物镜镜头间参加折射率比空气大得多的浸油，目的即在此； 降低入射光的波长0。一般光学显微镜均使用日光，灯光等可见光，这个值也就是胶体分散相的上限，再小那么光学显微镜就无法分辨了。 2、亮场显微镜 所观测的最小粒子为0.2 m ，即200nm之上粒子方可分辨。即便是用单色紫外光，用拍照方法观测到的物体也不得小于0.1m。 图3-17 （A）普通光

15、学显微镜和（B）超级显微镜示意图 3、 暗场显微镜超级显微镜 由于溶剂或分散介质光散射强度几乎为零，因此当无分散相粒子存在时，没有散射光进入显微镜，显微镜视场中一片黑暗，这正是称为暗场显微镜的缘由。假设有分散相存在，那么在黑暗背景中有闪烁亮点，亮点的亮度取决于粒子和介质的相对折射率，入射光强度以及暴露于入射光下的粒子外表面积。分散体系必须满足如下条件： 粒子的大小必须适中，超级显微镜特别满足于胶体分散体系的观测； 分散相与分散介质的折射率差值n-n0足够大； 粒子的数量浓度不能太大，保证粒子的间距大于超级显微镜分辨率d值，否那么亮点相互叠压，不能分解出单个粒子的散射光亮度。 让稀释后的溶胶或气

16、溶胶在容器中细管中流动，光从侧面射入。当粒子流过时，便产生光散射，便在显微图3-18 流动式超级显微镜示意图镜中计数，气溶胶或溶胶的体积由体积计量器计量，也可以由输入一定体积的溶胶量计量。从而求出粒子的体积数量流量。 图3-18 流动式超级显微镜示意图4、电子显微镜 光波具有波粒二重性 电子显微镜中通过加速电子运动速度可以得到小于1的值，TEM粒子与背景有明显的反差，它只能显示被测物的轮廓而不能显示出被测物的外表细节，电镜照片无立体感而言。 图3-19 （a）光学显微镜 （b）透射电子显微镜比较示意图扫描电子显微镜SEM，其电子发射、加速、聚焦原理与TEM无异，但其显示屏幕或照片上所受的并非此

17、一次发射的电子，而是如图3-20所示被测物接受一次电子打击，样品外表真空蒸镀的金或是银，但银效果较差薄膜被激发而发射的二次电子束，因此有物体的局部显示出亮点，如同电视屏幕一样通过电子束的扫描可显示出物体的全貌来。 图3-20 SEM中样品表面金薄膜激发二次电子束示意图1.3 胶体的电学性质一、双电层理论二、溶胶的电动现象 质点的外表电荷与介质中的反离子构成双电层，斯特恩双电层模型 电泳-在外电场的作用下，胶体粒子在分散介质中定向移动的现象 粒子外表带电是胶体的重要特性，电动现象那么是胶体粒子外表带电的直接表现 电渗-在外电场作用下，反离子带着分散介质定向移动的现象 流动电势-在外力作用下，迫使

18、液体通过多孔隔膜定向流动而在多孔隔膜两端产生的电势差 沉降电势-分散相粒子在重力场或离心力的作用下迅速移动时，在移动方向的两端所产生的电势差三、胶体的胶团结构 Fajans 规那么-能与晶体的组成离子形成不溶物的离子将优先被吸附。优先吸附具有相同成分的离子四、电动现象的应用1、污水处理 工业污水和生活废水中含有大量的亲水或疏水的物质残渣，生活废水中仅家用洗涤剂外表活性剂含量就可达10gg-1，还有其他很多天然的和生物来源的两亲物质，这些物质可吸附在悬浮固体和液体粒子上，使其带电；废水处理的典型实例是向水中参加NaHCO3和Al2SO43，由于Al3+的水解，生成聚合水合氧化铝无定形沉淀物，在其

19、生成和沉淀的过程中同时将废水中悬浮物裹挟下来，水合氧化铝聚合物属于一种无机高分子絮凝剂。2、环境治理 渗透性不良土壤的污染是环境治理中的一个重要课题，传统治理方法有生物修复法，蒸气抽提法，由于这些方法的可操作性差，处理试剂疏松困难，应用效果不好；电渗法可以用于这类污染的处理，与传统处理方法结合使用效果更好。3、生化电泳技术 在电场作用下某些与生化过程有关的小分子和大分子发生的移动也称为电泳。这些带电粒子的电泳速度不同，可用于他们的分子和别离，这种方法即电泳法或电泳技术。 1.4 胶体的流变性质在外力作用下物质发生变形与流动的特性。液体的流动示意图 胶体分散系统的流变特性主要由以下因素决定：A分

20、散介质的粘度。B质点的浓度。C质点的形状和大小。D质点相互之间，质点与分散介质之间的作用。一、稀胶体系统的粘度和流变性 液体的粘度是液体内摩擦的量度。当两个相距为dx的平行液层之间发生相对运动时，根据Newton粘度定律可知：二、大分子溶液的粘度与分子量 1、结构粘度 纯液体和许多低分子溶液属于牛顿型流体，通常以速度梯度与切变应力作图所得曲线称为流变曲线是一直线。但大分子溶液的流变曲线是弯曲的，当切应力增加时，流动速度增加很快，称假塑型流体。 大分子溶液的粘度由两局部组成： 2、粘度与分子量 大分子溶液的粘度与分子量的大小有关，由于粘度的测量方法简单、精确，故用粘度法测定大分子的分子量被广泛使

21、用。对于有柔顺性的长链大分子，浓度与粘度的变化可用不同的经验公式表示： 在一定的溶剂中值取决于单个大分子的分子量及在溶液中的形态，与分子量的关系有下面的经验公式： 对球形分子0，即与粘度无关；棒状分子2；线团柔性分子在0.5和1之间。三、 浓分散体系的流变性质按照分散相浓度大小，将分散体系分成两类：自由型分散体系。 结合型分散体系。 1浓分散体系中的结构 a絮凝结构图9-8 絮凝结构示意图。1.分散相粒子 2.失去稳定性的表面区域 3.仍保持稳定的表面 4.充满介质的“晶胞” 图9-9 絮凝结构的脱水收缩现象(a)收缩前 （b）收缩后b浓缩结晶型结构 这是粒子靠化学键力而结合的结构。 比方硅胶

22、的制备和浓缩过程形成SiO交联的网络结构，再如以水泥、石膏和石灰为根底的建筑材料固化过程形成的结晶结构。浓缩结晶型结构是不可逆的，不可能再返回到初始的浓分散体系，也不具有触变性、塑性和弹性。四、触变性 在恒温条件下，假设对具有絮凝结构的浓分散体系施加机械作用比方搅拌，这种结构被破坏，尤其是棒状、片状和长椭球形这一类粒子会按照液体流动的方向定向，体系的表观黏度迅速降低；一旦外力取消，由于粒子的布朗运动，粒子成功的碰撞，一段时间之后，结构重新形成，体系的黏度再度增加。这种现象就是流体的触变性thixotropy。 随着外力的再次施加和撤离，触变性会反复出现。 决定分散体系的触变性的主要因素有： 分

23、散体系中必须有分散相粒子形成的结构 因此但凡对结构的形成起作用的因素皆影响触变性。 因素包括：分散相粒子的浓度必须很高，以致粒子的碰撞频率很大，方有形成结构的可能；电解质的浓度。温度。温度上升会加剧粒子的布朗运动，从而使粒子易于碰撞并形成结构 分散相粒子的不对称性影响分散体系触变性诸如棒状、长椭球形和片状粒子不但易于形成结构，而且结构破坏后当撤去外力后，粒子重新形成结构的时间比其他形状的粒子要短得多。触变性在自然界的浓分散体系中广泛存在 1.沼泽地 2.衡量油漆质量的重要标准之一 3.开采石油的钻井泥浆是塑性体，并表现出触变性 一、影响胶体稳定性的因素2.浓度的影响。浓度增加，粒子碰撞时机增多

24、。3.温度的影响。温度升高，粒子碰撞时机增多，碰撞强度增加。4.胶体体系的相互作用。带不同电荷的胶粒互吸而聚沉。1.外加电解质的影响。 这影响最大，主要影响胶粒的带电情况，使电位下降，促使胶粒聚结。1.5 胶体稳定性和聚沉作用二、胶体的聚沉(1) 电解质的聚沉作用 在溶胶中参加少量电解质，可以使胶粒吸附的离子增加，电势提高，增加溶胶的稳定性，称为稳定剂。 在胶体体系中参加某些电解质，改变温度，参加一定浓度的大分子化合物等可使分散相粒子聚集成可别离的沉淀物-聚沉或絮凝。 当电解质的浓度足够大, 局部反粒子进入紧密层，而使电势降低, 扩散层变薄, 胶粒之间静电斥力减小而导致聚沉，那么称为聚沉剂。聚

25、沉值使一定量的溶胶在一定时间内完全聚沉所需电解质的最小浓度。从的表值可见，对同一溶胶，外加电解质的离子价数越低，其聚沉值越大。聚沉能力是聚沉值的倒数。聚沉值越大的电解质，聚沉能力越小；反之，聚沉值越小的电解质，其聚沉能力越强。不同电解质的聚沉值 (mmol/dm3) LiCl 58.4 NaCl 51 KCl 501/2 K2SO4 65 HCl 31 CaCl2 0.65 BaCl2 0.69 MgSO4 0.801/2Al2(SO4)3 0.096 AlCl3 0.093负溶胶(As2S3)正溶胶(Al2O3)NaCl 43.5KCl 46KNO3 60K2SO4 0.30K2Cr2O7

26、0.63K2C2O4 0.69K3Fe(CN)6 0.08 影响电解质聚沉能力的因素：(a) 主要取决于与胶粒所带电荷相反的离子反 离子所带的电荷数即价数。反离子的 价数越高，聚沉能力越强。Schulze-Hardy rule 电解质的聚沉值与胶粒的异电性离子的价数的6次方成反比Cj(i) : i 价电解质的聚沉值当离子在胶粒外表上有强烈吸附或发生外表化学反响时，舒哈规那么不适用。对正负离子价数相同的电解质，对溶胶产生聚沉作用的聚沉值C：在其它条件相同情况下，C=K/Z6 与前舒哈代规那么相同： 1;2;3 1/1 : 1/26 : 1/36 =100 : 1.6 : 0.16(b) 价数相同

27、的反离子的水合半径越小，聚沉 能力越强。例如:对一价阳离子,按聚沉能力排列： H+ Cs+ Rb+ NH4+ K+ Na+ Li+对一价阴离子： F- Cl- Br- NO3- I-(c) 与胶粒电性相同的离子，一般说来，价数 越高，水合半径越小，聚沉能力越弱。(2) 溶胶的相互聚沉作用 当两种带相反电荷的溶胶所带电量相等时，相互混合也会发生聚沉。明矾净水原理:水中含有泥沙等污物的负溶胶，参加KAl(SO4)2在水中水解生成Al(OH)3正溶胶。在适当量下，发生相互聚沉。 与参加电解质情况不同的是，当两种溶胶的用量恰能使其所带电荷的量相等时，才会完全聚沉，否那么会不完全聚沉，甚至不聚沉。(3) 高分子化合物的作用 在溶胶中参加少量高分子化合物可使溶胶聚沉，称为敏化作用(絮凝作用)。 在溶胶中参加足够多的高分子化合物，那么会阻止溶胶的聚沉，称为空间保护作用。三、分散剂与絮凝剂 能使固体易于分散成小粒子，或使粒子易于分散于液体介质中形成有一定稳定性的悬浮体或胶体溶液的外加物质分散剂；在较低的浓度能使分散体系失去稳定