物理化学第十章-胶体分散系统

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10.5大分子概说10.6Donnan平衡10.7凝胶

第10章胶体分散系统10.1胶体分散系统概述把一种或几种物质分散在另一种物质中就构成分散体系。被分散的物质称为分散相（dispersedphase连续相的物质，即分散相所处的介质称为分散介质（dispersingmedium)。云牛奶珍珠分子分散系统:<10-9m,均匀的单相，通常称为真溶液，如CuSO4水溶液。1.按分散相粒子的大小分胶体分散系统:1~1000nm,目测是均匀的粗分散系统:>1000nm,目测是混浊不均匀体系，放置后会沉淀或分层分散系统的分类2.按分散介质的物态分液溶胶固溶胶气溶胶分散介质分散相名称实例液体气体泡沫肥皂泡沫液体液体乳状液牛奶液体固体溶胶/悬浮液Fe(OH)3溶胶/泥浆固体气体固体泡沫馒头，泡沫塑料固体液体凝胶珍珠固体固体固溶胶有色玻璃气体液体气溶胶雾、云气体固体悬浮体烟．尘3.按胶体分散系统的性质分憎液溶胶:由AgI(s)，Cu(s)和Fe(OH)3(s)等难溶物质分散在液体中形成的,有很大的相界面，易聚沉，是热力学上的不稳定系统。

亲液溶胶:大分子溶液,

是热力学上稳定系统。缔合溶胶:由表面活性物质缔合形成胶束,

是热力学上稳定系统。10.1.2憎液溶胶的制备小分子溶液溶质<1nm溶胶1~1000nm粗分散系统>1000nm小变大凝聚法大变小分散法更换溶剂法化学反应法研磨法超声分散法物理凝聚法电弧法FeCl3(稀溶液)+3H2O→Fe(OH)3+3HCl

煮沸eg.化学反应法更换溶剂法

松香乙醇溶液+水松香水溶胶

10.1.3胶团的结构Fajans规则：溶胶粒子优先吸附与其有相同化学元素

的离子。例，用AgNO3和KI溶液制备AgI溶胶，

KI过量时，AgI粒子优先吸附I-而带负电荷；

AgNO3过量时，AgI粒子优先吸附Ag+而带正电荷。例，用AgNO3和KI溶液制备AgI溶胶AgNO3过量NO3-NO3-NO3-Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+(AgI)mNO3-NO3-NO3-NO3-NO3-[(AgI)m·nAg+·(n-x)NO3-]x+·xNO3-胶核紧密层胶粒扩散层滑动面胶团KI过量(AgI)mI-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-K+K+K+K+K+K+K+K+K+KK+K+[(AgI)m·nI-·(n-

x)K+]x-·xK+胶核紧密层胶粒

扩散层滑动面胶团10.1.4溶胶的净化溶胶制备中，常生成多余的电解质，如制备Fe(OH)3溶胶时生成的HCl。少量电解质可作为溶胶的稳定剂，但是过多的电解质会使溶胶不稳定，容易聚沉，所以必须除去。净化的方法主要有渗析法和超过滤法。(1)渗析法

简单渗析:多余的电解质离子不断向膜外渗透，经常更换溶剂，就可净化溶胶。电渗析:

为了加快渗析速度，在半透膜两侧外加一个电场，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，

用半透膜作过滤膜，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。将半透膜上的胶粒迅速用含有稳定剂的介质再次分散。（2）超过滤法10.2.1动力性质1.Brown运动

10.2溶胶的动力和光学性质

布郎运动（溶胶的运动性质之一）——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。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。

由于体积粒子数梯度的存在引起的粒子从高体积粒子数区向低体积粒子数区的定向迁移现象叫扩散。C1>C2，胶粒从C1区向C2区迁移:单位时间内通过截面积A扩散的粒子数；:定温下，体积粒子数梯度；D:

扩散系数。2.扩散与渗透压胶粒不能透过半透膜，介质分子或外加的电解质离子可以透过半透膜

溶胶的渗透压可以借用稀溶液渗透压公式计算：3.沉降与沉降平衡溶胶的胶粒:

受到重力吸引而下降由于Brown运动促使浓度趋于均一

当这两种效应相反的力相等时，粒子的分布达到平衡，这种平衡称为沉降平衡

上层粒子小而稀疏，下层粒子大而密集。10.2.2光学性质

当光束通过分散体系时，部分自由地通过，部分被吸收、反射或散射。可见光的波长约在400~700nm之间。当光束通过粗分散体系，粒子大于入射光的波长，主要发生反射，使体系呈现混浊。当光束通过分子溶液，分子直径小于可见光波长，主要发生散射,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。当光束通过胶体溶液，胶粒直径相当可见光波长，主要发生散射，由于溶胶是多相不均匀体系，在胶粒和介质分子上产生的散射光不能完全抵消，能观察到散射现象,可以看见乳白色的光柱。Tyndall效应:若令一束会聚光通过溶胶，从侧面可以看到一个发光的圆锥体。用Tyndall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——丁达尔效应微弱溶胶——丁达尔效应显著Rayleigh关系式I–

散射光强度v–分散相粒子的体积I0–入射光强度

0

–入射光波长n–体积粒子数

–散射角l–观察者与散射中心的距离n2,n0–分散相,分散介质的折射率从Rayleigh公式可得出如下结论：1.散射光总能量与入射光波长的四次方成反比。入射光波长愈短，散射愈显著。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愈显著，则散射作用亦愈显著。3.散射光强度与单位体积中的粒子数成正比。10.3溶胶的电学性质10.3.1双电层和动电电势胶粒带电原因(1)吸附：Fajans规则：溶胶粒子优先吸附与其有相同化学元素

的离子。(3)电离固体表面分子发生电离，生成的离子溶于液相，因而使固体粒子带电

如分子筛由硅氧四面体和铝氧四面体组成，由H+

，Na+等离子来平衡电荷，当离子扩散到介质中时，胶粒就带负电。

当Al3+被两价离子同晶置换后，微粒带负电就更多。(2)同晶置换带电界面的双电层结构(1)斯特恩模型+++++++++斯特恩层(紧密层)扩散层斯特恩面滑动面-------+++++++-----------+++-

0

0

是热力学电势

电势称为动电电势越大，胶粒越稳定,不容易凝聚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。界面电泳仪：适用于溶胶量较大的系统电场作用力F=qE阻力f=6πηrν区带电泳、凝胶电泳：适用于生物胶体显微电泳仪：适用于样品极少10.3.3电渗固体胶粒不动而液体介质在电场作用下发生定向移动的现象。

多孔性

物质毛细管10.4.1溶胶的稳定性(1)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。聚结不稳定性:

憎液溶胶的表面能很高，是热力学上的不稳定系统。动力稳定性:(2)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10.4溶胶的稳定性和聚沉作用溶胶的稳定理论(1)DLVO理论斥力势能UR吸力势能UAx0U系统的总势能U=UR+UAFCBorn排斥势垒UUmax

当x缩小

极小值F，发生絮凝（可逆的）。当x再缩小

极大值Umax。如两胶粒的动能超过此值，

极小值C，发生聚沉（不可逆）。10.4.2电解质对溶胶稳定性的影响2.聚沉值与聚沉能力聚沉值:使溶胶明显聚沉所需外加电解质的最小浓度。聚沉能力:定性地判断电解质对溶胶稳定性的影响聚沉值越大，聚沉能力越弱。1).聚沉能力主要取决于反离子的价数Hardy-Schulze规则一、二、三阶异电荷的离子的聚沉值之比约

反离子价数愈高，聚沉值越低

2).反离子浓度愈高，聚沉值越低3).感胶离子序电荷的离子就是价数相同，其聚沉能力也有差异。一价阳离子硝酸盐对胶粒带负电的溶胶聚沉能力次序为：一价阴离子的钾盐对带正电的胶粒的聚沉能力次序为：4).与胶粒带电相同的离子略有作用价数越高，聚沉值越大，聚沉能力越弱。10.4.3影响溶胶稳定性的其他因素1.物理因素浓度增加，粒子碰撞机会增多，使胶粒易于凝聚温度升高，粒子碰撞机会增多，碰撞强度增加将溶胶放入高速离心机，由于胶粒与介质的密度不同，离心力不同而分离。2.高分子化合物的影响3.有机化合物离子的影响4.溶胶的相互聚沉将两种电性相反、带电量相当的溶胶混合，能发生相互聚沉的作用。10.5大分子概说10.5.1大分子的概念Staudinger把相对分子质量大于104的物质称之为大分子，主要有：天然大分子：如淀粉、蛋白质、纤维素和生物大分子等。人工合成大分子：如合成橡胶、聚烯烃、树脂和合成纤维等。大分子溶液的主要特征：高度分散的(分散质即大分子的线尺寸在1nm～1000nm之间)、均相的、热力学稳定系统。

三种溶液性质的比较10.6Donnan平衡

以大分子电解质Na2P（蛋白质钠盐）为例，设一半透膜只允许溶剂分子及Na+，Cl-透过。Cl-(b)Na+(b)Na+(b')P2-(b'/2)b>b’(a)开始时Na+(b'+bx)P2-(b'/2)Cl-(bx)Na+(b-bx)Cl-(b-bx)(b)平衡时μL(NaCl)=μR(NaCl)RTlnaL(NaCl)=RTlnaR(NaCl)aL(NaCl)=aR(NaCl)(b’+bx)bx=(b-bx)2平衡时

由于大分子不能透过膜，平衡时影响到小离子在两侧不均匀，就会产生额外的渗