物理化学胶体分散系统

物理化学胶体分散系统第1页，课件共71页，创作于2023年2月1、把人工培育的珍珠长期收藏在干燥箱内，为什么会失去原有的光泽?能否再恢复?2、为什么晴天的天空呈蓝色？为什么日出、日落时的彩霞特别鲜艳？3、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？4、为什么明矾能使浑浊的水很快澄清？5、用电解质把豆浆点成豆腐，如果有三种电解质，石膏、氯化镁、氯化钠，哪种电解质的聚沉能力最强？6、江河入海口为什么会形成三角洲？

第2页，课件共71页，创作于2023年2月10.1胶体分散系统概述10.2溶胶的动力和光学性质10.3溶胶的电学性质10.4溶胶的稳定性和聚沉作用

第10章胶体分散系统7/15/2023第3页，课件共71页，创作于2023年2月10.1胶体分散系统概述

1.分散系统的分类2.憎液溶胶的制备3.胶团的结构4.溶胶的净化7/15/2023第4页，课件共71页，创作于2023年2月

把一种或几种物质分散在另一种物质中就构成散系统。云：水分散在空气中被分散的物质称为分散相（dispersedphase)另一种物质称为分散介质（dispersingmedium)10.1胶体分散系统概述牛奶：乳脂分散在水中珍珠：水分散在蛋白质中第5页，课件共71页，创作于2023年2月分类系统通常有三种分类方法：分子分散系统1.按分散相粒子的大小分2.

按分散介质的物态分液溶胶3.按胶体分散系统的性质分憎液溶胶胶体分散系统粗分散系统固溶胶气溶胶亲液溶胶缔合溶胶10.1胶体分散系统概述｛｛｛第6页，课件共71页，创作于2023年2月(1)分子分散系统

分散相与分散介质以分子或离子形式彼此混溶，没有界面，是均匀的单相，分子半径大小在10-9m以下。通常把这种系统称为真溶液，如CuSO4水溶液。（2）胶体分散系统

分散相粒子的半径在1~100nm的系统。目测是均匀的，但实际是多相不均匀系统。也有的将1~

1000nm的粒子归入胶体范畴。（3）粗分散系统

当分散相粒子大于1000nm，目测是混浊不均匀系统，放置后会沉淀或分层，如黄河水。1.按分散相粒子的大小分类第7页，课件共71页，创作于2023年2月2.按分散介质的物态分类（1）液溶胶

将液体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为不同状态时，则形成不同的液溶胶C.液-固溶胶如油漆，AgI溶胶等.液-液溶胶如牛奶，石油原油等A.液-气溶胶如泡沫第8页，课件共71页，创作于2023年2月2.按分散介质的物态分类（2）固溶胶

将固体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为不同状态时，则形成不同的固溶胶C.固-固溶胶有色玻璃，不完全互溶的合金.固-液溶胶珍珠，某些宝石A.固-气溶胶泡沫塑料，沸石分子筛第9页，课件共71页，创作于2023年2月固溶胶烟水晶有色玻璃第10页，课件共71页，创作于2023年2月2.按分散介质的物态分类（3）气溶胶

将气体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为固体或液体时，形成气-固或气-液溶胶B.气-固溶胶如青烟，含细尘的空气A.气-液溶胶如雾，某些云

没有气-气溶胶，因为不同的气体混合后是单相均一系统，不属于胶体范围。第11页，课件共71页，创作于2023年2月晨雾气溶胶烟白云第12页，课件共71页，创作于2023年2月3.按胶体分散系统的性质分类（1）憎液溶胶

半径为1~100nm的难溶物固体粒子保持了原有的性质，分散在液体介质中，有很大的相界面，易聚沉，是热力学上的不稳定系统。

一旦将介质蒸发，再加入介质就无法再形成溶胶，是一个不可逆系统，如氢氧化铁溶胶、碘化银溶胶等。

这是胶体分散系统中主要研究的内容。由，和等难溶物质分散在液体介质(通常是水)中形成的溶胶。第13页，课件共71页，创作于2023年2月3.按胶体分散系统的性质分类（1）憎液溶胶形成憎液溶胶的必要条件是：（A）分散相的溶解度要小。

（B）还必须有稳定剂存在，否则胶粒容易聚结，而发生聚沉现象。第14页，课件共71页，创作于2023年2月（a）特有的分散程度

粒子的大小在10-9—10-7m之间，因而扩散较慢，不能透过半透膜。（b）多相不均匀性

具有纳米级的粒子是由许多离子或分子聚结而成，结构复杂，与介质之间有明显的相界面，比表面很大。（c）热力学不稳定性

因为粒子小，比表面大，表面自由能高，是热力学不稳定体系，有自发降低表面自由能的趋势，即小粒子会自动聚结成大粒子。(2)憎液溶胶的特性第15页，课件共71页，创作于2023年2月3.按胶体分散系统的性质分类（2）亲液溶胶

半径落在胶体粒子范围内的大分子物质，溶解在合适的溶剂中形成的溶胶。亲液溶胶是热力学上稳定、可逆的系统。

一旦将溶剂蒸发，大分子化合物凝聚，再加入溶剂，又可形成溶胶。

分散相分子本身的大小已达到胶粒范围，它的扩散速率小、不能透过半透膜等性质与胶体系统相似。第16页，课件共71页，创作于2023年2月3.按胶体分散系统的性质分类（3）缔合胶体

由表面活性物质缔合形成胶束，分散在介质中，胶束半径已落在胶体粒子范围内。

或由缔合表面活性物质保护的一种微小液滴，均匀地分散在另一种液体介质中，形成半径落在胶体粒子范围内的微乳状液。

第17页，课件共71页，创作于2023年2月10.1.2憎液溶胶的制备

制备溶胶必须使分散相粒子的大小落在胶体分散系统的范围之内，并加入适当的稳定剂。制备方法大致可分为两类：1.分散法2.凝聚法

用机械设备、电能或热能等将粗分散的难溶物质分散成微小颗粒。

用化学或物理方法，将分子或离子凝聚成一定粒度的胶粒。第18页，课件共71页，创作于2023年2月10.1.3胶团的结构胶团的结构比较复杂，先有一定量的难溶物分子聚结形成胶粒的中心，称为胶核；然后胶核选择性的吸附稳定剂中的一种离子，形成紧密吸附层；胶粒与扩散层中的反号离子，形成一个电中性的胶团。

由于正、负电荷相吸，在紧密层外形成反号离子的包围圈，从而形成了带与紧密层相同电荷的胶粒；第19页，课件共71页，创作于2023年2月10.1.3胶团的结构现以制备碘化银溶胶为例过量的KI作稳定剂胶团的结构表达式：胶核

胶粒(带负电)

胶团(电中性)[(AgI)m胶核胶粒胶团胶团的图示式：nI–(n-x)K+]x–xK+

第20页，课件共71页，创作于2023年2月10.1.3胶团的结构[(AgI)mnAg+(n-x)NO3–]x+x

NO3–胶核胶粒胶团胶团的图示式：胶核

胶粒(带正电)

胶团(电中性)

胶团的结构表达式：过量的AgNO3

作稳定剂第21页，课件共71页，创作于2023年2月10.1.4溶胶的净化

在制备溶胶的过程中，常生成一些多余的电解质，如制备Fe(OH)3溶胶时生成的HCl。

净化的方法主要有渗析法和超过滤法。

少量电解质可以作为溶胶的稳定剂

过多的电解质的存在会使溶胶不稳定，容易聚沉，所以必须除去。第22页，课件共71页，创作于2023年2月1.

渗析法

简单渗析

利用浓差，多余的电解质离子不断向膜外渗透

如将装有溶胶的半透膜容器不断旋转，可以加快渗析速度。

将溶胶放在羊皮纸或动物膀胱等半透膜制成的容器内，膜外放纯水。经常更换溶剂，就可以净化半透膜容器内的溶胶。10.1.4溶胶的净化溶胶第23页，课件共71页，创作于2023年2月10.1.4溶胶的净化第24页，课件共71页，创作于2023年2月电渗析

为了加快渗析速度，在半透膜的两侧外加电场10.1.4溶胶的净化

使多余的电解质离子向相应的电极作定向移动

溶剂水不断自动更换，这样可以提高净化速度溶胶第25页，课件共71页，创作于2023年2月

用半透膜作滤纸，利用吸滤或加压的方法使胶粒与含有杂质的介质在压差作用下迅速分离。2.超过滤法

将半透膜上的胶粒迅速用含有稳定剂的介质再次分散。10.1.4溶胶的净化

在生物化学中常用超过滤法测定蛋白质分子、酶分子、病毒和细菌分子的大小。第26页，课件共71页，创作于2023年2月

电超过滤：

有时为了加快过滤速度，在半透膜两边安放电极，施以一定电压，

将电渗析和超过滤合并使用，这样可以降低超过滤压力。10.1.4溶胶的净化第27页，课件共71页，创作于2023年2月10.2溶胶的动力和光学性质1.动力性质2.光学性质第28页，课件共71页，创作于2023年2月10.2.1动力性质1.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则的运动。

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Brown运动。

但在很长的一段时间里，这种现象的本质没有得到阐明。第29页，课件共71页，创作于2023年2月10.2.1动力性质1.Brown运动1903年发明了超显微镜，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则“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。第30页，课件共71页，创作于2023年2月10.2.1动力性质1.Brown运动

通过大量观察，得出结论：粒子越小，布朗运动越激烈。

其运动激烈的程度不随时间而改变，但随温度的升高而增加。第31页，课件共71页，创作于2023年2月10.2.1动力性质1.Brown运动1905年Einstein（爱因斯坦)等人才阐述了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、不同速度作不规则运动。第32页，课件共71页，创作于2023年2月10.2.1动力性质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运动的公式为第33页，课件共71页，创作于2023年2月10.2.1动力性质r

为胶粒的半径；为介质的黏度；L

为Avogadro常量

这个公式把粒子的位移与粒子的大小、介质黏度、温度以及观察时间等联系起来。是在观察时间t内粒子沿x轴方向的平均位移；第34页，课件共71页，创作于2023年2月10.2.1动力性质2.扩散与渗透压Einstein对球形粒子导出了胶粒在时间t内,平均位移与扩散系数D之间的定量关系因为这就是Einstein-Brown位移方程。代入得第35页，课件共71页，创作于2023年2月10.2.1动力性质2.扩散与渗透压

从Brown运动实验，测出平均位移，就可求出扩散系数D有了扩散系数，就可以从上式求粒子半径r。

已知

r

和粒子密度，可以计算粒子的摩尔质量

扩散系数D的物理意义是：在单位时间内、单位浓度梯度下通过单位截面积的物质的质量。第36页，课件共71页，创作于2023年2月10.2.2光学性质光散射现象可见光的波长为400~760nm。

（1）当光束通过粗分散系统，由于粒子大于入射光的波长，主要发生反射，系统呈现混浊。

（2）当光束通过憎液溶胶时，由于胶粒直径远小于可见光的波长，主要发生散射，可以看见乳白色的光柱。

当光束通过分散系统时，一部分自由地通过，一部分被吸收、反射或散射。第37页，课件共71页，创作于2023年2月10.2.2光学性质光散射现象

（3）当光束通过分子溶液时，由于溶液十分均匀，散射光因相互干涉而完全抵消，看不见散射光。光散射现象的本质

光是一种电磁波，照射溶胶时，分子中的电子分布发生位移而产生偶极子，这种偶极子像小天线一样向各个方向发射与入射光频率相同的光，这就是散射光。

溶胶是多相不均匀系统，在胶粒和介质分子上产生的散射光不能完全抵消，因而能观察到散射现象。第38页，课件共71页，创作于2023年2月10.2.2光学性质1.Tyndall效应1869年，Tyndall发现，若令一束会聚光通过溶胶

从侧面（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。

其他分散系统也会产生一点散射光，但远不如溶胶显著。

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。第39页，课件共71页，创作于2023年2月10.2.2光学性质1.Tyndall效应光源第40页，课件共71页，创作于2023年2月10.2.2光学性质2.Rayleigh散射定律

Rayleigh研究了大量的光散射现象，发现散射光的强度与多种因素有关，主要因素为：1.散射光强度与入射光波长的四次方成反比。入射光波长越短，散射越显著。所以可见光中，蓝、紫色光散射作用强。2.分散相与分散介质的折射率相差越显著，则散射作用也越显著。3.散射光强度与单位体积中的粒子数成正比。第41页，课件共71页，创作于2023年2月10.2.2光学性质2.Rayleigh散射定律

在分散相与分散介质都相同的情况下，Rayleigh导出了散射光强度的计算公式，称为Rayleigh公式,其简化公式为式中：散射光强度入射光波长体积粒子数每个粒子的体积与折射率等有关的常数第42页，课件共71页，创作于2023年2月10.2.2光学性质2.Rayleigh散射定律从Rayleigh散射定律可以解释：

为何当用白光照射溶胶时，正面和侧面看到的光的颜色不一样

危险讯号为何要用红色

晴天的天空为何呈蓝色

早霞和晚霞为何特别绚丽等第43页，课件共71页，创作于2023年2月第44页，课件共71页，创作于2023年2月第45页，课件共71页，创作于2023年2月第46页，课件共71页，创作于2023年2月10.3溶胶的电学性质1.电泳2.双电层和动电电势3.

电渗4.

流动电势5.

沉降电势第47页，课件共71页，创作于2023年2月10.3溶胶的电学性质电动现象分两类(1)

因电而动

胶粒是带电的，而溶胶是电中性的，所以介质所带的电荷刚好与胶粒的电荷相反。

带电胶粒在重力场的作用下发生沉降而产生沉降电势；带电的介质定向流动而产生流动电势。

在外电场作用下，胶粒向带相反电荷电极的定向移动称为电泳，介质向带相反电荷电极的定向移动称为电渗。电泳和电渗是因电而动。(2)

因动而产生电第48页，课件共71页，创作于2023年2月10.3.1电泳

主要是由于吸附胶粒带电的原因

胶粒在形成过程中，胶核优先吸附某种离子，使胶粒带电。

例如：在AgI溶胶的制备过程中，如果AgNO3过量，则胶核优先吸附Ag+，使胶粒带正电；

如果KI过量，则优先吸附I-

，胶粒带负电。

胶核优先吸附与胶核本身结构或组成相似的离子，利用同离子效应保护胶核不被溶解。第49页，课件共71页，创作于2023年2月10.3.1电泳

带电胶粒在外加电场的作用下，向带相反电荷的电极作定向移动的现象称为电泳。

研究电泳的实验方法很多，根据溶胶的量和性质的不同，可以采用不同的电泳仪。

如界面电泳仪，适用于溶胶量较大的系统

区带电泳、凝胶电泳等适用于生物胶体

显微电泳仪适用于样品极少或个别胶粒的观察第50页，课件共71页，创作于2023年2月10.3.1电泳界面移动电泳仪

先在漏斗中装入待测溶胶

打开活塞，使溶胶进入U型管

溶胶在左、右两臂的液面与活塞等高时，关闭活塞

在活塞上部的管中加入超滤液或等渗溶液第51页，课件共71页，创作于2023年2月10.3.1电泳

小心打开活塞，接通电源，观察液面的变化。

根据通电时间和液面升高或下降的刻度，计算电泳的速度。

选择合适的介质，使电泳过程中保持液面清晰。

若是无色溶胶，必须用紫外吸收等光学方法读出液面的变化。第52页，课件共71页，创作于2023年2月10.3.1电泳影响电泳的因素有：电泳的应用:浓缩天然橡胶的乳液，将橡胶镀在金属、布匹或木材上，电泳涂漆、精炼陶土、石油原油的破乳及不同蛋白质的分离等(1)胶粒的大小、形状和所带表面电荷的数目(2)介质中电解质的种类、离子强度和溶液的pH(3)电泳的温度和外加电场强度等

外加电解质会显著影响电泳速率，使速率降低直至变为零，甚至还会改变胶粒电泳的方向。第53页，课件共71页，创作于2023年2月10.3.2双电层和动电电势扩散双电层模型

胶粒虽小到肉眼看不见，但从微观角度看它仍是一个很大的固体，同样可以用讨论电极表面电荷分布的方法来讨论胶粒表面的电荷结构。Gouy和Chapman提出的扩散双电层模型如下所示。

在胶粒与介质的界面上也形成了双电层的结构。

设胶粒带正电荷，相同数量的负电荷以扩散双电层的形式分布在胶粒周围。

在AB线以左的部分称为紧密层，以右至本体溶液部分称为扩散层。第54页，课件共71页，创作于2023年2月紧密层

10.3.2双电层和动电电势x++++++++++++AB扩散层

为热力学电势

是AB线以右的扩散层的电势差

但无法解释为何电势受外加电解质影响

第55页，课件共71页，创作于2023年2月10.3.2双电层和动电电势Stern双电层x++++++++++++AB将AB面称为Stern面AB面以左为Stern层层中离子会水合,切动面是个曲面

是曲面以右的电势差

第56页，课件共71页，创作于2023年2月10.3.2双电层和动电电势x++++++++++++AB

从固体表面到紧密层电势直线下降,用1表示

0

是热力学电势

1的值要比0小

带电的胶粒只有在移动时才会显示出切动面，才会有电势，所以电势称为动电电势

电势越大，胶粒越稳定,不容易凝聚第57页，课件共71页，创作于2023年2月10.3.2双电层和动电电势

当有外来电解质加入时，与固体所带电荷相反的离子（称为异电性离子）会进入溶剂化层，使整个双电层变薄。

电势会随着溶剂化层中离子浓度的改变而改变

的数值主要取决于与固体成平衡的离子浓度

若有足够多的电解质加入，当双电层的厚度变薄到等于切动面以左部分的厚度时，这时电势就等于零，甚至还会改变符号。第58页，课件共71页，创作于2023年2月10.3.2双电层和动电电势

影响电泳速率的因素太多，所以很难用统一的公式来计算。对于半径为r的球形胶粒，在r远小于双电层的厚度时，可以用Hückel公式计算电泳速率，即

可见，电泳速率u

受介质的黏度和介电常数的影响，受电场强度的影响，也受动电电势的影响。第59页，课件共71页，创作于2023年2月

在外加电场作用下，带电的介质通过多孔膜或半径为1~10nm的毛细管作定向移动，这种现象称为电渗

10.3.3电渗

电渗管示意图3为多孔膜，可以用滤纸、玻璃或棉花等构成

在U型管1，2中盛电解质溶液，作为介质

也可以用氧化铝、碳酸钡、AgI等物质构成

当在电极5，6上施以直流电压时，从刻度毛细管4中弯月面的移动可以观察到管中介质的移动第60页，课件共71页，创作于2023年2月10.3.3电渗

如果多孔膜吸附阴离子，则介质带正电，通电时介质向阴极移动；

反之，多孔膜吸附阳离子，带负电的介质向阳极移动。

外加电解质对电渗速度影响显著，随着电解质浓度的增加，电渗速度降低，甚至会改变电渗的方向。

电渗方法有许多实际应用，如溶胶净化、海水淡化、泥炭和染料的干燥等。第61页，课件共71页，创作于2023年2月10.4溶胶的稳定性和聚沉作用1.溶胶的稳定性3.影响溶胶稳定性的其他因素2.电解质对溶胶稳定性的影响第62页，课件共71页，创作于2023年2月10.4.1溶胶的稳定性(1)Brown运动

由于溶胶粒子小，Brown运动激烈，在重力场中不易沉降，使溶胶具有动力稳定性。

但是，如果Brown运动太激烈，增加了粒子互碰的机会，一旦粒子合并变大，在重力场中就会沉降。

Brown运动不足以维持憎液溶胶的稳定性

憎液溶胶的表面能很高，是热力学上的不稳定系统。但合格的溶胶在相当长的时间内可以保持不聚沉，这主要有两个因素：第63页，课件共71页，创作于2023年2月10.4.1溶胶的稳定性胶粒都是带电的，同一种胶粒都带相同的电荷。(2)电势

胶粒移动时，从滑移界面到本体溶液的电势差称为动电电势，或电势。

胶粒带相同的电荷，同性电荷相斥，使胶粒不易相互靠近，两个胶粒要合并必须克服一个势能垒

电势越大，势能垒也就越高，这也就是制备溶胶时必须加少量电解质作为稳定剂的原因第64页，课件共71页，创作于2023年2月10.4.2电解质对溶胶稳定性的影响1.聚沉值与聚沉能力聚沉值

使一定量的溶胶在一定时间内完全