胶体的动电性质课件

1、胶体化学 胶体分散体系的物化性质胶体稳定性； 粗分散体系； 高分子溶液；胶体化学 胶体分散体系的物化性质胶体科学发展简史 Selmi（1845）,M.Faraday（1858）：分别制得了氯化银、硫和普鲁士蓝在水中的假溶液和红色的金溶胶。 T. Graham（1861）：第一次以胶体名词来描述一些难以透过半透膜（羊皮纸）的物质，如蛋白、明胶、阿拉伯树胶等。 J. Tyndall（1869）：发现丁铎尔效应，区别溶胶和溶液。 R.Zigmondy和H.Siedentopf（1903）：发明超显微镜 W.Ostwald（1907）：创刊胶体化学和工业杂志 B.V.Derjaguin和L.D.Lan

2、dau（1941）及 E.J.W.Verwey和J.Th.G.Overbeek（1948）：将范德华引力和双电层间的静电斥力结合，阐明了静电胶体稳定原因。 J.M.H.M.Scheutjens, G.J.Fleer, P.G.deGennes（1970）：将统计力学理论用于高分子稳定胶体的研究。胶体科学发展简史 Selmi（1845）,M.Faraday名词解释 胶体：有时亦称“胶质”。原指能成胶态的物质。现在已知各种物质在适当的条件下，都能成胶态存在，所以将物质划分为胶质和晶质，已不确切。在某些地方，也将胶体作为胶体溶液。 胶体系统：由IUPAC规定，包括溶胶、高分子溶液和缔合胶体（胶体电解

3、质）。 分散系统：一种或数种物质分散在另一种物质中所形成的系统。分散介质：分散其它物质的物质。分散相：被分散的物质。名词解释 胶体：有时亦称“胶质”。原指能成胶态的物质。现在已胶体的分类 （1）胶体的分类 （1）胶体的分类 （2）乳状液的分类： 乳状液（Emulsion） 0.5mm 10 mm 微小乳状液（Minemulsion） 0.2mm 0.5mm 微乳状液（Microemulsion） 0.2 mm胶体的分类 （2）乳状液的分类：胶体系统的制备分散法 机械分散法（研磨法） 超声波分散法：以106Hz的频率振荡起分散作用 电分散法：以高压直流电产生电弧，使电极金属气化 胶溶法：凝聚法

4、化学凝聚法：由化学反应，使生成物过饱和并形成溶胶物理凝聚法：如溶剂置换法等胶体系统的制备分散法溶胶的制备 举例 1超声波分散法： 将两电极与106Hz的高频电接通，在石英片上产生 106Hz的振荡，高频率的机械波经过油及容器传入试管。由于机械波产生的密度疏密交替，对被分散的物质产生强烈的撕碎作用。1 石英片2 电极3 变压器油4 试样溶胶的制备 举例 1超声波分散法：1 石英片溶胶的制备 举例 2胶溶法 在新生成的沉淀中加入适量电解质，使沉淀重新分散而形成溶胶。 取10 ml 20 FeCl3放在小烧杯中，加水稀释到100ml，然后用滴管逐滴加入10 NH4OH到稍微过量为止。过滤生成的Fe(

5、OH)3沉淀，用蒸馏水洗涤数次。将沉淀放入另一烧杯中，加10ml蒸馏水，再用滴管滴加约10滴左右的20FeCl3溶液，并用小火加热，最后得到棕红透明的Fe(OH)3溶胶。溶胶的制备 举例 2胶溶法 在新生成的沉淀中加入适量溶胶的制备 举例 3物理凝聚法（溶剂置换法）将少量10%松香的乙醇溶液，用滴管逐滴地滴入到盛有水的烧杯中，同时剧烈搅拌，可得到带负电的半透明的溶胶。取少量硫磺放在试管中，加2ml乙醇，加热至沸腾，使硫磺充分溶解，趁热将上部清液倒入盛有20ml水的烧杯，并搅拌之，得到硫溶胶。溶胶的制备 举例 3物理凝聚法（溶剂置换法）胶体的纯化 渗析利用半透膜进行过滤纯化 电渗析以外电场增加离

6、子的迁移速度 超过滤用孔径细小的薄膜或滤片在加 压或吸滤情况下使胶粒与介质 分离的方法 凝胶渗透色谱技术胶体的纯化 渗析利用半透膜进行过滤纯化胶体系统的基本性质 光学性质 动力学性质 动电性质胶体系统的基本性质 光学性质胶体的光学性质胶体的光学性质胶体的光学性质 Tyndall效应浑浊度 It / I0 = exp-t l 散射光测定极其应用 光学显微镜和电子显微镜胶体的光学性质 Tyndall效应浑浊度 光学显微镜和电Rayleigh 电磁理论粒子尺寸小于光的波长(dl/20)，质点位点光源散射中心为各向同性，不吸光；散射粒子折光指数较小，粒子的散射光强为：静态光散射动态光散射粒径分布动电位

7、测量高分子分子量Rayleigh 电磁理论粒子尺寸小于光的波长(dl/20稀分散体的粘度Einstein 粘度定律稀分散体的粘度Einstein 粘度定律牛顿定律在层流中，液层间的剪切应力正比于液层的流速梯度。 称为粘度或动力粘度牛顿定律在层流中，液层间的剪切应力正比于液层的流速梯度。 牛顿流体与非牛顿流体Newton粘性定律：vxFAvx=0 xyz牛顿体胀流体假塑体塑性体屈服值dvx/dyF/A牛顿流体与非牛顿流体Newton粘性定律：vxFAvx=0 xEinstein 粘度定律假设：）流速很低；）极稀的刚性球分散体，球面与液体间没有滑动；）球比溶剂分子大得多为球所占的体积分数，也即分散

8、相的体积分数， 0.02h体积因子， 对O/W型，h=1.3分散相浓度较大时：Einstein 粘度定律假设：）流速很低；）极稀的刚性胶体的动力学性质布朗运动沉降速度Stokes 定律沉降平衡平动扩散及扩散系数胶体的动力学性质布朗运动费克第一、第二定律由费克定律可导出Brown位移方程和扩散方程。费克第一定律通过面积A扩散的物质量 费克第二定律点上的浓度变化速率 Einstein 溶液扩散方程费克第一、第二定律由费克定律可导出Brown位移方程和扩散方两组分系统的扩散系数由于B和A的扩散速度不同，在某截面上，B的通量jB与A的通量jA不能相互抵消，形成整体的运动即流体的宏观流动，或称对流为区别

9、分子扩散与宏观流动，必须为扩散选择参照系，使B和A相对于参照系的通量之和为零。相对于合适的参照系，消除了宏观流动的影响后，在二元系A-B中，B和A的扩散系数相同。两组分系统的扩散系数由于B和A的扩散速度不同，在某截面上，B布朗运动1827年，英国植物学家布朗(R.Brown) 发现的微小颗粒的无规则运动。布郎运动的实质是颗粒的热运动在没有外力的作用时，悬浮质点的平均平动能为：爱因斯坦-斯莫鲁霍夫斯基方程某颗粒经历t后的均方位移为布朗运动1827年，英国植物学家布朗(R.Brown) 发现布郎运动的验证 由布朗运动的均方位移求得颗粒半径，或已知颗粒半径求得阿伏加德罗常数。佩兰就曾用玛帝脂制得r

10、= 6.5m的颗粒，悬浮于尿素水溶液中，得到L = (5.57.2)1023mol1 ，它与现代准确值已很接近。 290K，以半径为0.212m的藤黄水溶胶（粘度为1.1mPas）实验，30s后，测得粒子在x轴方向上平均位移为7.09cm/s，可算得L=6.5 1023mol1 布郎运动的验证 由布朗运动的均方位移求得颗粒半径斯托克斯-爱因斯坦方程可由平均位移求得颗粒半径和扩散系数。扩散推动力为化学势梯度匀速运动，推动力等于摩擦力：由斯托克斯(G.G.Stokes)定律，摩擦阻力与运动速度成正比：布朗运动或平动斯托克斯-爱因斯坦方程可由平均位移求得颗粒半径和扩散系数。扩胶体动力学性质沉降速度（

11、）斯托克斯定律：1）球形质点的运动速度极慢，即保持层流状态。2）溶液或悬浮液是无限稀释的，质点间无作用力。3）与质点大小相比，液体介质（0）可以看作是连续的。胶体动力学性质沉降速度（）斯托克斯定律：FbFv胶体动力学性质沉降速度（）Stokes 公式球形颗粒所受下沉力即为本身重力与浮力之差，而颗粒所受到反方向的摩擦力，与沉降速度成正比，当两作用力相等，则有12gFgv=012gFgFbvFbFv胶体动力学性质沉降速度（）Stokes 公式球胶体动力学性质沉降平衡设颗粒半径为r，密度为，介质密度为0，在高度为h时的位能，式中n1和n2是h1和h2处颗粒的分子浓度。g为重力加速度。按玻尔兹曼分布，

12、颗粒的分子浓度n 或数密度随高度的分布可用玻尔兹曼因子表示，胶体动力学性质沉降平衡设颗粒半径为r，密度为，介质密度胶体分散系统的动力稳定性以粒子浓度下降一半所需高度来衡量分散系统的动力稳定性。胶体分散系统的动力稳定性以粒子浓度下降一半所需高度来衡量分散扩散系数扩散系数是胶体动力学性质的一个重要参数微粒的不均匀粒径分布，重均扩散系数溶胶为非理想系统，胶粒间的相互作用不可略Dc = D0 ( 1 + KD c )摩擦系数 f 与微粒的形状有关，对于非球粒必须对 f 作校正。由实验测定的扩散系数 D，可计算得到胶粒的半径 r 及胶团量：扩散系数扩散系数是胶体动力学性质的一个重要参数分散系统动力稳定性

13、的讨论沙尘暴与泥浆雨可吸入颗粒的预报分散系统动力稳定性的讨论沙尘暴与泥浆雨沙尘暴离上海还有多远？ 余波 2001年3月18日新民晚报绿色论坛 今年全国“两会”开幕之际，又一场铺天盖地的沙尘暴袭击了首都北京。 然而，在上海，似乎市民们对今年已有两次沙尘暴来袭并未表现出足够的关注，给人一种隔岸观火的感觉：沙尘暴远在几千公里之外的甘肃、内蒙地区，离我们还远着呢！ 其实不然。这场沙尘暴3月2日从甘肃、内蒙古等地刮起，3日下午就袭击了北京，并于6日晚悄悄抵达上海各位是否还记得6日晚下了一场“泥雨”，7日晨各种车辆上都溅满了泥点儿？再远些，去年差不多也是这个时候，上海也下了一场泥雨。只不过，气象部门并未宣

14、布沙尘暴光临了上海，而是说天降“泥雨”。今年1月1日头场沙尘暴袭击北京时，有专家预测沙尘暴将袭击南京，话音未落，南京于1月3日受到沙尘暴的光顾。 沙尘暴离上海还有多远？ 余波 2001年3月18日新风级 风力等级 距地10m高处的相当风速（米/秒） 0 0 0.2 1 0.3 1.5 2 1.6 3.3 3 3.4 5.4 4 5.5 7.9 5 8.0 10.7 6 10.8 13.8 7 13.9 17.1 8 17.2 20.7 9 20.8 24.4 10 24.5 28.4 11 28.5 32.6 12 32.7 36.9风级 风力等级 距地10m高处的相当风速（米/秒距离呼和浩特

15、 北京 390km 济南 660km 南京 1170km 上海 1390km北京 济南 360km 南京 910km 上海 1100km通过距离和风速，可计算出沙粒下降至地面的时间距离呼和浩特 北京 390k各种估算 假设尘埃是由密度为2.2103 kgm-3的均一球体所组成。25C时，空气的密度和粘度分别为 1.184 kgm-3和1.845510-5 Pas。若已知沙粒的大小，可计算出降落到各地的沙粒被吹起的高度。若已知高度，则可计算降落在各地的沙粒的大小。试计算之。各种估算 假设尘埃是由密度为2.2103 kgm-例 4设风速为6级（13.8m/s），则从呼和浩特到北京的时间为：从呼和浩

16、特到上海的时间为： 假定吹起沙粒的高度为1000m，理想状态下，则分别沉降到北京和上海的颗粒粒径分别是r1和r2：由Stockes公式：降落在北京的颗粒：降落在上海的颗粒：直径分别是 23.34 mm 和 12.36 mm例 4设风速为6级（13.8m/s），则由Stockes公式空气质量预报从2000年6月起，上海的空气质量报告以 “可吸入颗粒物”取代原来的“总悬浮颗粒物”，可吸入颗粒物（飘尘）通常的直径在10mm以下，而悬浮颗粒物包括直径较大的降尘。空气质量预报内容的修改，说明了上海空气污染的严重性。飘尘对人体的危害。空气质量预报从2000年6月起，上海的空气质量报告以 “可吸胶体的动电性

17、质扩散双电层动电位电泳和电渗胶体的动电性质扩散双电层动电位胶体的动电性质胶体颗粒由于各种原因带上电荷后，介质中的离子在界面区形成扩散双电层。与电极表面情况相似。可应用“电化学”中介绍的各种双电层模型，其中以Helmholz和Gouy-Chapman的Stern模型为基础。由此导得的颗粒滑移面与分散介质体相间的动电势，是胶体系统的一种特性。胶体的动电性质胶体颗粒由于各种原因带上电荷后，介质中的离子在胶体的动电性质双电层（1）胶体的动电性质双电层（1）胶体的动电性质双电层（2）Gouy (1910) Chapman (1913) 扩散双电层模型溶液中的反离子受两个相互对抗的力的作用：静电引力使反离

18、子趋向表面，热扩散运动使其在液相中成均匀分布，反离子的平衡分布是两种对抗作用的总结果。其基本假设是：（1）质点表面是无限大的平面，表面电荷均匀分布；（2）扩散层内的反离子是点电荷，服从Boltzmann分布的点电荷；（3）溶剂对双电层影响是介电常数，其到处相同。 Goup-Chapman模型克服了Helmholtz模型的缺点，区分了表面电势和电位。胶体的动电性质双电层（2）Gouy (1910) C扩散双电层推导电位在y处 i 离子的浓度体积电荷密度Poisson 公式表面垂直方向x电中性条件扩散双电层推导电位在y处 i 离子的浓度扩散双电层厚度 1/k25C，对称电解质水溶液的k值：由电学的

19、Poisson公式可得距离表面垂直方向x的电位：定义：解微分方程，得德拜-尤格尔近似方程扩散双电层厚度 1/k25C，对称电解质水溶液的k值：由双电层厚度电解质类型 c / molm-3 k-1 /m10-2110210-211021.010-71.010-81.010-95.010-85.010-95.010-101-1型2-2型双电层厚度电解质类型 c / molm-3胶体的动电性质双电层（3）扩散双电层模型球形颗粒间的静电相互作用静电斥力位能：胶体的动电性质双电层（3）扩散双电层模型球形颗粒间的静电胶体的动电性质双电层（4） 虽然Goup-Chapman理论克服了Helmholtz模型的

20、缺陷，但仍有不少的实验与之不符：若溶液电解质浓度不是很低(0.1mol/l)，而靠近质点表面的电位相当高(200mV)，则计算的反离子的浓度高达 240mol/l。未给出电位的物理意义。按模型，电位随离子浓度增加而减小，但永远与表面电位同号，其极限值为零。胶体的动电性质双电层（4） 虽然Goup-Chap胶体的动电性质双电层（5）双电层的Stern模型 (1924)结合平板电容器和扩散双电层模型，假定：（1）离子具有一定的大小，与固体表面的作用除静电以外，还有范德华力；（2）静电作用使异电离子趋近固体表面形成Stern面，称为紧密层；（3）静电与范德华力共同作用，使部分离子在固体表面发生特性吸

21、附；（4）在Stern面以外的离子扩散分布，为扩散层。dd胶体的动电性质双电层（5）双电层的Stern模型 (19固体表面的特性吸附在Stern层中与离子的特性吸附有关的电位ze及特性化学位一般情况，离子的特性吸附因较大的尺寸（极化率大）和较低的水化程度（水化作用是离子大小的函数）而增强。一价阴离子在汞-水界面特性吸附强度： I- SCN- Br- CL- OH- F-一价阳离子的顺序： N(C2H5)4+ N(CH3)4+ Tl+ Cs+ Na+固体表面的特性吸附在Stern层中与离子的特性吸附有关的电位Stern层电位的推导带电壁表面有一离子吸附层，造成：1、离子的吸附等温线符合Langmuir式，是已占表面吸附位置的分数，n0是溶液中吸附离子的浓度2、常数K与离子特征吸附有关3、Stern层与双电层的平板电容器模型相类似4、已占据表面位置的分数等于s/s0，s0是表面饱和时的电荷密度Stern层电位的推导带电壁表面有一离子吸附层，造成：1、离胶体的动电性质双电层（6）在S