物理化学核心教程（其次版）思考题习题答案-第10章 胶体分散系

本文格式为Word版，下载可任意编辑——物理化学核心教程（其次版）思考题习题答案—第10章胶体分散系第十章胶体分散系统

一．基本要求

1．了解胶体分散系统的特有的分散程度、多相不均匀性和热力学不稳定性等三个主要基本特性。

2．了解憎液溶胶在动力性质、光学性质和电学性质等方面的特点，以及如何应用这些特点，对憎液溶胶胶粒的大小、形状和的带电状况等方面进行研究。

3．把握憎液溶胶在稳定性方面的特点，知道外加电解质对憎液溶胶稳定性影响的本质，会判断电解质的聚沉值和聚沉能力的大小。

4．了解大分子溶液与憎液溶胶的异同点，了解胶体分散系统的平均摩尔质量的多种测定方法。

5．了解凝胶的基本性质和纳米科技的基本内容和广泛的应用前景。

二．把握学习要点的建议

胶体分散系统以其特有的分散程度、多相不均匀性和热力学不稳定性这三个基本特性，使得与一般的分子分散系统或粗分散系统在性质上有很大的不同，主要表现在：动力性质、光学性质和电学性质等方面。不能把憎液溶胶的三个基本特性与它在动力、光学和电学方面的性质混为一谈。

了解憎液溶胶的动力性质、光学性质和电学性质，目的是将它区别于分子分散系统和粗分散系统，利用这些性质可以对胶粒的大小、形状和带电状况进行研究。

大分子溶液与憎液溶胶在组成上完全是两回事，大分子溶液是分子分散系统，是亲液溶胶，仅仅是由于大分子溶液的分子大小与憎液溶胶胶粒的大小相仿，在粒度效应方面有一点共同之处，才放在一起研究，其实两者在光学性质、电学性质和受外来电解质影响方面有很大的区别。大分子是由小分子单体聚合而成的，由于聚合的程度不同，所形成分子的大小也不同，所以大分子物质的摩尔质量只是一个平均值，而且随着摩尔质量测定方法的不同，所得的摩尔质量的值也不同。

纳米科技目前是大量学科的研究热点，采用较多的溶液相制备纳米材料的的方法是类似于制备溶胶的方法，学好胶体分散系统的性质，对纳米材料的研究有很大的帮助。

这一章的计算题不多，主要是把握憎液溶胶的制备、净化、各种性质以及广阔的应用前景。

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三．思考题参考答案

1．憎液溶胶有哪些特征？答：主要有三个特征：

（1）特有的分散程度。胶粒的大小一般在1－100nm之间，所以有动力稳定性强、不能通过半透膜、扩散慢和对光的散射作用明显等特点。

（2）多相不均匀性。胶团结构繁杂，胶粒是大小不等的超微不均匀质点，胶粒与介质之间存在相界面。

（3）热力学不稳定性。由于胶粒小、表面积大、表面能高，所以有自动聚结以降低表面能的趋势。在制备溶胶时要加适量的稳定剂，这样在胶粒外面就会形成带电的溶剂化层，利用一致电荷相斥的性质，保护胶粒不聚沉。

2．有稳定剂存在时胶粒优先吸附哪种离子？

答：制备溶胶时，一般是将略过量的某一反应物作为稳定剂。胶核优先吸附的是与作为胶核的化合物中一致的那个离子。例如，在制备AgI溶胶时，若用略过量的KI作为稳定剂，则AgI胶核优先吸附I?离子，若用略过量的AgNO3作为稳定剂，则AgI胶核优先吸附Ag?离子，利用同离子效应保护胶核不被溶解。若稳定剂是另外的电解质，胶核将优先吸附使自己不被溶解的离子，或转变成溶解度更小的沉淀的那种离子。在寻常状况下，胶核优先吸附水化作用较弱的阴离子，所以自然界中的自然溶胶如泥浆水、豆浆和自然橡胶等，其胶粒都带负电。

3．把人工培育的珍珠长期珍藏在枯燥箱内，为什么会失去原有的光泽?能否再恢复?

答：珍珠是一种胶体分散系统，其分散相为液体水，分散介质为蛋白质固体。珍珠长期在枯燥箱中存放，作为分散相的水在枯燥箱中逐渐被蒸发，胶体分散系统被破坏，故失去光泽。这种变化是不可逆的，珍珠的光泽不可能再恢复。寻常在珍珠表面要覆盖一层保护膜，保护水分不被蒸发，保护蛋白质不因被氧化而发黄。

4．当一束会聚光线通过憎液溶胶时，站在与入射光线垂直方向的同学，看到光柱的颜色是淡蓝色；而站在与入射光180o方向的同学看到的是橙红色，这是为什么？

答：站在与入射光线垂直方向（即侧面）的同学，看到的是胶粒的散射光。根据瑞利公式，入射光的波长越短，其散射光就越强。所以，蓝色、紫色等短波长的光简单被散射，其散射光主要呈淡蓝色。而对着入射光看的同学，看到的是经散射后的透射光。在白光中，波

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长较短的蓝色、紫色光已大部分被散射掉了，剩下的透射光中主要是以波长较长的黄光和红光为主，所以看到的透射光是橙红色的。

5．为什么有的烟囱冒出的是黑烟，有的却是青烟？

答：在燃烧不完全时，烟囱冒出的烟是黑色的，由于烟灰的粒子较大，属于粗分散系统，对入射光主要发生光的吸收和反射，人们看到的黑色是从大的烟灰粒子上反射出来的光，这种大的烟灰粒子在空气中会很快沉降。当燃烧完全时，从烟囱冒出的灰粒微小，落到了胶体的粒径范围，灰粒的直径已小于可见光的波长，对入射光主要发生散射作用。而短波长的蓝光、紫光的散射作用强，所以散射光主要呈蓝青色，所以看到的是青烟。实际上，看到的呈蓝青色的并不是小灰粒的本身，而是它发出的散射光所形成的光点，要比小灰粒的本身大好几倍。

6．为什么晴天的天空呈蓝色？为什么日出、日落时的彩霞特别娇艳？

答：太阳光是由七色光组成的。空气中有灰层微粒和小水滴，当阳光照射到地球上时，波长较短的蓝光、紫光简单被空气中的微粒散射，所以蓝紫色的散射光较强，人们看到天空呈蓝色，实际上看到的就是这种散射光。而在日出、日落时，太阳接近地平线，阳光要穿过厚厚的大气层才能被人们看到，在阳光穿越空气层时，其中波长较短的青色、蓝色和紫色光，几乎都被大气层中的微粒散射掉了，人们看到的是散射后剩余的波长较长的透射光，主要以红色和橙色的光为主，所以特别绚丽多彩。

7．为什么表示危险的信号灯用红色？为什么车辆在雾天行驶时，装在车尾的雾灯一般采用黄色？

答：由于红色光的波长很长，不简单被散射，能传得较远，可以让人在很远的地方就能看到危险的信号。

在雾天，白光中有一部分短波长的光会被微小的雾滴散射，使光线变弱，不可能传得很远，所以用白色灯做雾灯是不适合的。红色的灯光虽然能传得很远，但简单与停车信号混淆。而黄色光的波长较长，不简单被散射，所以用黄色灯来做雾灯比较适合。雾天在高速马路上开车，除了要减速以外，还必需把雾灯开启，让黄色的雾灯很远就能被后面的驾驶员看见，可以防止汽车追尾相撞。

8．为什么在做测定蔗糖水解速率的试验时，所用旋光仪的光源用的是钠光灯？答：由于在测定蔗糖水解的速率时，主要是用旋光仪测定溶液旋光度的变化，不希望有其他散射等因素干扰。钠光灯放出的是波长单一的、波长较长的黄色光，不简单被散射，光线也比较强，能使试验测定更确切。

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9．什么是?电势？?电势的正、负号是如何决定的？?电势的大小与热力学电势有什么区别？?电势与憎液溶胶的稳定性有何关系？

答：胶粒表面的电荷分布与电极表面一样，是双电层结构。胶粒在移动时会带着它吸附的紧凑层和紧凑层中离子的水化层一起移动，移动时会产生一个滑移界面，这滑移界面与本体溶液之间的电势差称为?电势。由于只有在胶粒移动时才会出现滑移界面，所以?电势也称为动电电势。?电势的正、负号与胶核首先吸附的离子符号一致，即与紧凑层所带电荷的符号一致。?电势总是小于热力学电势。?电势可以使憎液溶胶具有一定的稳定性，由于胶粒所带电荷的符号一致，在两个胶粒相互接近到一定程度时，由于同性电荷相斥，会阻止胶粒凝聚，?电势越大，溶胶就越稳定。但是，?电势会受外加电解质的影响，随着电解质的参与，?电势变小，直至等于零，这时憎液溶胶会发生聚沉而被破坏。有时参与过量的电解质，会使?电势改变符号。

10．在一个U型玻璃管中间，放一个用AgCl晶体组成的多孔塞，管中放浓度为

0.001mol?dm?3的KCl溶液。在多孔塞的两边，放与直流电源相接的电极。接通电源后，

管中的介质将向哪一极方向移动？假使将KCl溶液的浓度增加10倍，则介质迁移的速度是变慢了还是变快了？假使管中放的是浓度为0.001mol?dm?3的AgNO3溶液，电渗的方向会改变吗？

答：当AgCl晶体与介质水接触时，一旦发生溶解，由于Ag的体积比Cl小，扩散速度快，可以远离晶体表面，所以Ag的溶解量相对而言要比Cl大得多，而AgCl晶体又优先吸附溶液中的Cl离子，因而多孔塞带负电，则介质带正电。电渗时，带正电的介质会向负极移动。

将KCl的浓度增加，会使晶体多孔塞的?电势下降，使电渗速度变慢。

当用AgNO3代替KCl时，AgCl多孔塞优先吸附溶液中的Ag离子，使多孔塞带正电，则介质带负电，电渗的方向与方才相反。

11．为什么输油管和运输有机液体的管道都要接地？

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答：固体表面寻常都会吸附一些电荷，形成双电层结构，使得固体表面与扩散层之间形成电势差。在用泵输送石油或其它碳氢化合物时，由于用泵的压差来迫使液体滚动，在滚动的扩散层和管道表面之间会产生电势差，这就是滚动电势。假使滚动电势很大，就会产生电火花，以至引发爆炸。为了防止事故发生，都要将这种管道接地或参与有机电解质，增加它的电导，降低滚动电势。

12．为什么明矾能使浑浊的水很快澄清？

答：明矾是硫酸钾铝复盐，溶于水后产生K?，Al3?等离子。另外，Al3?离子在水中发生水解，产生Al(OH)3絮状胶体，这种胶粒带正电。混浊的水中有大量带负电的泥沙胶粒，受电解质Al3?离子的作用，很快就发生凝聚，并与带正电的Al(OH)3絮状胶体相互作用，两种带不同电荷的胶体发生混凝而迅速下沉，所以明矾能使浑浊的水很快澄清。目前的净水剂也大多用Al2(SO4)3系列的盐类。

13．用电解质把豆浆点成豆腐，假使有三种电解质：NaCl，MgCl2和CaSO4?2H2O，哪种电解质的聚沉能力最强？

答：点豆腐是用适合的电解质溶液（俗称卤水）将豆浆胶粒凝聚，变成凝胶。自然的豆浆胶粒是带负电的，电解质中的正离子起主要作用。对于负溶胶，显然NaCl的聚沉能力最弱，Mg2?和Ca2?的聚沉能力差不多，但由于MgCl2中Cl?是负一价的，而CaSO4?2H2O?中SO2是负二价的，所以相对而言，聚沉能力最强的应当是MgCl2。但由于Mg42?加多了

会有苦味，所以目前较多是用CaSO4?2H2O（即生石膏）的溶液来点豆腐。

14．在能见度很低的雾天飞机急于起飞，地勤人员搬来一个很大的高音喇叭，喇叭一开，很长一段跑道上的雾就消失了，这是为什么？

答：这叫高音消雾。声音是有能量的，喇叭的音波能促使雾粒相互碰撞，使小水滴凝结成大水滴而下降，部分更小的水滴获得能量后会气化，所以在音波作用的较近的范围内，雾会很快消失。

由清华大学席葆树教授研制的大喇叭，输出功率为20000声瓦。喇叭长5m，直径为2.86m。在雾天，这只喇叭朝飞机跑道上大吼一声，可以开出500m到1000m的清亮大道。

15．江河入海口为什么会形成三角洲？

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解：该蛋白在pH处于4.56到5.20之间，电泳的方向发生改变，说明经历了一个动电电势变小、等于零并改变符号又继续增大的过程，所以该蛋白的等电点在pH等于4.56与5.20之间。

6．298K时，有一球形胶粒的溶胶，胶粒的平均半径为5.0?10?7m的水溶胶，介质的介电常数??8.89?10?9C?V?1?m?1，溶胶的黏度??0.001Pa?s。当所用的电场强度

E?100V?m?1时，胶粒与溶液之间的动电电势??0.636V，试计算胶粒的电泳速率。

解：根据Hückel计算电泳速率的公式

u???E6??

?9?0.636V?8.89?10C?V?1?m?1?100V?m?16?3.14?0.001Pa?s

?3.0?10?5m?s?1

7．在充满0.001mol·dm-3AgNO溶液的U形电渗管中，中间放置一个AgCl（s）多3孔塞，塞中的细孔中都充满了溶液。在多孔塞的两侧分别放置电极，并通以直流电。通电一段时间后，在电渗管上方的刻度毛细管中，液面的变化表示介质向哪个电极移动?假使将管中的溶液换为0.01mol·dm-3的AgNO3溶液，并保持直流电的电压一致，问介质电渗的速度将如何改变?假使用KCl溶液来代替AgNO3溶液，则电渗的方向有何变化？

解：将AgCl（s）多孔塞置于AgNO3溶液中，由于同离子效应，AgCl（s）优先吸附Ag+，所以AgCl多孔塞带正电，则介质溶液带负电。在直流电的电场中，介质会向正极移动。当

AgNO3溶液的浓度增加，使动电电位变小，介质的电渗速度会减慢。

若以KCl溶液代替AgNO3溶液，由于同离子效应，多孔塞优先吸附Cl?，所以AgCl多孔塞带负电，则介质溶液带正电，电渗的方向刚好相反，会向负极移动。

8．由0.01dm30.05mol·kg-1的KCl和0.1dm30.002mol·kg-1的AgNO3溶液混合，生成AgCl溶胶。若使用以下电解质：KCl，AlCl3和ZnSO4将溶胶聚沉，请排出聚沉值由小到大的顺序。

解：这两种溶液混合，KCl略过量，作为稳定剂，所以生成的AgCl胶核优先吸附Cl，胶粒带负电。外加电解质中正离子的电价越高，聚沉能力就越强，而聚沉值则就越小。所以这些电解质的聚沉值由小到大的顺序为：AlCl3＜ZnSO4＜KCl。

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9．在H3AsO3的稀溶液中，通入略过量的H2S气体，生成As2S3溶胶。若用以下电解质将溶胶聚沉：Al(NO3)3，MgSO4和K3Fe(CN)6，请排出聚沉能力由大到小的顺序。

解：用过量的H2S气体作为稳定剂，H2S发生一级解离，生成HS?离子，生成的As2S3

胶核优先吸附HS?离子，胶粒带负电。外加电解质中正离子的电价越高，聚沉能力越强，所以聚沉能力由大到小的顺序为：Al(NO3)3＞MgSO4＞K3Fe(CN)6。

10．墨汁是一种胶体分散系统，在制作时，往往要参与一定量的阿拉伯胶（一种大分子物质）作稳定剂，主要原因是什么？

解：墨汁是碳的微粒分散在水中形成的胶体分散系统，它不稳定，简单发生聚沉。加适量的大分子化合物，大分子吸附在小的碳颗粒周边，使碳颗粒不易凝聚，对溶胶起保护作用。

11．混合等体积的0.08mol·dm-3KI和0.1mol·dm-3AgNO3溶液所得的溶胶。(1)试写出胶团的结构式。(2)指明胶粒电泳的方向。

(3)比较MgSO4，Na2SO4和CaCl2电解质对溶胶聚沉能力的大小。

解：(1)由于AgNO3的浓度大于KI的浓度，所以等体积混合时，AgNO3过量，生成的AgI胶核优先吸附Ag?，使胶粒带正电。则胶团的结构式为

??x??[(AgI)m?nAg?(n?x)NO3]?xNO3

(2)由于胶粒带正电，电泳时往负极方向移动。

(3)要使胶粒带正电的溶胶聚沉，外加电解质中负离子的电价（绝对值）越大，聚沉能力也就越强。所以聚沉能力大小的次序为：Na2SO4>MgSO4>CaCl2。虽然前两种电解质中负离子一致，但由于Na2SO4中正离子是一价的，聚沉能力要比正离子是二价的稍大一些。

12．在制备二氧化硅溶胶的过程中，存在如下反应：

SiO2?H2O???H2SiO3(溶胶)H2SiO???3Si3O?2??2H（1）试写出二氧化硅胶粒的结构式。

（2）指明胶粒电泳的方向。

（3）当溶胶中分别参与NaCl，MgCl2，K3PO4时，哪种物质的聚沉值最小？解（1）H2SiO3(溶胶)的胶核优先吸附SiO3，所以胶粒的结构式为

2??2x?[(H2SiO3)m?nSiO3?2(n?x)H]

2?（2）由于胶粒带负电，所以在电泳试验时，胶粒向正极移动。

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（3）根据Schulze-Hardy规则，对于负溶胶，外加电解质的正离子的价数越高，对

溶胶的聚沉能力越强。而聚沉值与聚沉能力相反，所以MgCl2的聚沉值最小。

13．298K时，在半透膜的一侧是0.1dm-3水溶液，其中含0.5g某大分子化合物Na6P，设大分子能完全解离，溶液是理想的。膜的另一侧是浓度为1.0×10-7mol·dm-3的NaCl稀溶液。测得渗透压为6881Pa。求大分子化合物Na6P的数均摩尔质量。

解：当膜的另一侧的电解质浓度极低时，可以忽略它的影响，近似用van’tHoff的渗透压公式计算：Π?(z?1)c2RT6881Pa?(6?1)?解得

Mn?(6?1)?0.5?10kg6881Pa?0.1?10m?10.5gMn?0.1dm3?8.314J?mol?1?K?1?298K

?3?33?8.314J?mol?1?K?1?298K

?12.6kg?mol

14．298K时，在半透膜两边，一边放浓度为0.100mol?dm?3的大分子有机物RCl，设RCl能全部解离，但R+不能透过半透膜。另一边放浓度为0.500mol?dm?3的NaCl。试计算达渗透平衡时，膜两边各种离子的浓度和渗透压。

解：达渗透平衡时，有[ClL][NaL?]??[Cl][Na]RR??即(0.1?x)x?(0.5?x)(0.5?x)解得x?0.227mm?old所以平衡时，左边：[Cl]L?0.327mol?dm右边[Cl]R?0.273mol?dmΠ??cRT

1?[(0.?0?.1x2?)2(?x0.R5T)?]?2.6765???3?3；[Na]L?0.227mol?dm；[Na]R?0.273mol?dm???3

?3?3

10Pa15．25℃时，在一个半透膜做成的袋内，装有0.1dm3很稀的盐酸水溶液，将1.3g一元大分子酸RH溶于其中，假设RH能完全解离。膜的外面是0.1dm3的纯水。达到渗透平衡时，测得膜外溶液的pH为3.26，膜电势为34.9mV，假设溶液为理想溶液。试计算

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(1)半透膜袋内溶液的pH值。(2)一元大分子酸RH的摩尔质量。

解：(1)由于一元大分子酸的酸根R?不能透过半透膜，但是溶剂分子、H?和Cl?可以。为了保持袋内的电中性，盐酸解离出来的H?和Cl?可以成对的往膜外渗透，但是RH解离出来的H?不可能往外渗透，所以半透膜袋内H?的浓度会比膜外的大。达到膜平衡时，根据膜电势的计算公式，E膜等于

RTF+E膜?ln?H????内?H???外?

根据pH的定义，pH??lgaH，在25℃时，E膜的计算公式也可以表示为E膜?0.0592?pH外?pH内?V代入膜电势的数值，

V0.0349?0.?0592?3.内2?6pHV得pH内?2.67(2)在膜内，设RH和盐酸的起始浓度分别为c1和c2，达渗透平衡后，盐酸在膜外的浓度为x。在渗透平衡时，膜内外HCl的化学势应当相等，所以有][C内l?][H内??[外H]外[Cl2??即(c1?c2?x)(c2?x)?x（1）已知膜外溶液的pH为3.26，计算得到pH内?2.67，则有

?lg?lg?3.26x?5.495?10mol?dm1mo?ldm?3x?4?3

?3(c1?c2?x)1mol?dm?3?2.67c1?c2?x?2.14?10mol?dm?3

将这两个数值代入（1）式，可求得：c2?6.91?10mol?dm由于c1?m1MRH?0.1dm3?4?3c1?2.00?10mol?dm?3?3?3

?1.3?10kgMRH?0.1dm3?2.00?10mol?dm?3?3

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解得MRH?1.3?10kg2.00?10mol?dm?3?3?3?0.1dm3?6.50kg?mol?1

即膜内大分子酸的摩尔质量为6.50kg?mol?