胶体分散系-1.ppt

1、Chapter 8 Dispersion system,colloid：A suspension of finely divided particles in a continuous medium in which the particles are approximately 5 to 5,000 angstroms in size, do not settle out of the substance rapidly, and are not readily filtered.,2012年5月28日 崔黎丽,明矾为什么能净水？ 鱼汤为什么能冻起来？ 长江三角洲如何形成的？ 为什么日落日出

2、时天空是红色的？ 白天天空是蓝色的？,第八章 胶体分散系统,第八章 胶体分散系统,1861年Thomas Graham提出“胶体” (Colloid)一词，标志胶体化学的产生。 Colloid源自希腊文的(胶)，意为粘稠状的物质。,a nineteenth-century Scottish chemist who is best-remembered today for his pioneering work in dialysis and the diffusion of gases.,第八章 胶体分散系统,胶体 colloid：A suspension of finely divided

3、particles in a continuous medium in which the particles are approximately 5 to 5,000 angstroms in size, do not settle out of the substance rapidly, and are not readily filtered.,在一连续介质中被细微分开的粒子形成的悬浮状态，粒子尺度约5至5,000埃，不会很快从该物质中分离，也不易被滤出。,胶体化学,研究胶体分散体系的形成、稳定、破坏，以及它们的物理化学性质的一门科学。,第八章 胶体分散系统,有史以前制陶 汉朝纤维造纸

4、 后汉墨 古埃及人木材破裂岩石 1809年，列伊斯Electrophoresis 1827年，BrownBrownian motion 1857年，Faraday, TyndallTyndall effect 1861年，GrahamColloid Chemistry, 胶体化学的历史,第八章 胶体分散系统,第八章 胶体分散系统, 胶体化学与其他学科的联系,胶体化学,生命科学（人体组织、体液）,农业科学（土壤胶体）,材料科学（纳米材料）,环境科学（气溶胶）,第八章 胶体分散系统, 胶体在生物医药学方面的应用, 液体药剂：胃蛋白酶合剂 注射剂：右旋糖酐 滴眼剂：荧光素钠 药物辅料 片剂：淀粉浆

5、软膏：淀粉甘油 栓剂：甘油明胶,第八章 胶体分散系统, HgNO3，明胶和NaCl 胶态甘汞，防腐 作用大于甘汞粗粉 胶体AgCl,AgI及蛋白银 有效的杀菌剂 胶体Cu 治疗癌症 胶体Hg 用于梅毒治疗 胶体Au 轻瘫症的诊断剂等,第八章 胶体分散系统, 胶体Au的研究热点, 用于放射治疗胸膜或腹膜的渗出物和膀胱癌 骨髓扫描或肝脏造影：将胶体金装满器官后， 用闪烁照像法进行观察 胶体Au免疫结合实验：免疫学检测，如检测 HCG,甲胎蛋白，C反应蛋白等。 酶与Au的纳米颗粒混合，制备生物传感器，电 流相应得到大大提高。,第八章 胶体分散系统,第八章 胶体化学,第一节 分散系概述 第二节 溶胶的

6、制备和净化 第三节 溶胶的动力性质 第四节 溶胶的光学性质 第五节 溶胶的电学性质 第六节 溶胶的稳定性 第七节 乳状液和泡沫,学习要求,掌握分散系统的分类和胶体系统的制备； 重点掌握胶体系统的光学、动力和电学性质及其应用； 理解溶胶的稳定与聚沉的原理，学会书写胶团结构表示式，学会计算聚沉值和比较聚沉能力； 了解悬浮液、乳状液、泡沫、气溶胶以及高分子化合物溶液的性质和应用。,第八章 胶体分散系统,第八章 胶体分散系统 第一节 分散系概述,第一节 分散系概述,把一种或几种物质分散在另一种物质中就构成分散体系(disperse system) 。,1. 分散系的分类,其中： 被分散的物质称为分散相

7、(disperse phase) 另一种物质称为分散介质(disperse medium),一、分散系的分类(classification),按分子大小分类,第八章 胶体分散系统 第一节 分散系概述,2. 溶胶的分类,按聚集状态分类,第八章 胶体分散系统 第一节 分散系概述,流动性大： 气溶胶，水溶胶，高分子溶液 半流动性或半固体性：凝胶，冻胶 固体状：干凝胶,按流动性分类,第八章 胶体分散系统 第一节 分散系概述,按分散相和介质间亲合力不同分类,均相 胃蛋白酶，胰岛素，明胶，蛋白质 非均相 金溶胶，硫化砷溶胶,亲液溶胶 憎液溶胶, 憎液胶体(Hydrophobic colloid) ：,大分

8、子化合物真溶液，无相界面，热力 学稳定、可逆体系。,亲液胶体(Hydrophilic colloid):,简称溶胶(sol)，有很大的相界面，易聚沉，热力学不稳定、不可逆体系。,第八章 胶体分散系统 第一节 分散系概述,三、溶胶的基本特性,第八章 胶体分散系统 第一节 分散系概述,高度分散性,粒子较大，扩散较慢，不能透过半透膜，渗透压高但有动力学稳定性 和乳光现象。,多相不均匀性,粒子是由许多离子或分子聚结而成，粒子大小不一，与介质之间有明显的相界面，比表面很大。,热力学不稳定性,因为粒子有很大的界面，很高的界面能，是热力学不稳定体系。,第二节 溶胶的制备和净化,粗分散系统,胶体系统,分子分散

9、系统,分散法 大变小,凝聚法 小变大,100nm,100-1nm,1nm,一、溶胶的制备, 分散法(dispersion method)：将大块的粗粒物质进行粉碎，制成胶体粒子（有稳定剂存在）,第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化, 凝聚法(condensation method)：将分子、原子或离子态物质相互凝聚制成胶体粒子的方法,第二节 溶胶的制备和净化,粗分散系统,胶体系统,分子分散系统,分散法 大变小,凝聚法 小变大,100nm,100-1nm,1nm,一、溶胶的制备, 分散法(dispersion method)：将大块的粗粒物质进行粉碎，制成胶体粒子（有稳定剂存在）,第八

10、章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化, 凝聚法(condensation method)：将分子、原子或离子态物质相互凝聚制成胶体粒子的方法,盘式胶体磨,研磨法,1.分散法,转速10000-20000r/min 0.2mm10nm 制备颜料、药物、大豆、干血浆等。,第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化,粉碎法（研磨法、超声分散法、高压匀浆法、气流粉碎法等）,第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化,探头型超声波粉碎机,超声法 (ultrasonic dispersion method),16000Hz 超声波发生器、 换能器、 振幅杆组成 分散制备乳液,第八章 胶体分散系

11、统 第二节 溶胶的制备和净化,胶溶法(peptizing),胶溶法又称解胶法，仅仅是将新鲜的凝聚胶粒重新分散在介质中形成溶胶，并加入适当的稳定剂。稳定剂又称胶溶剂。,第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化,电弧法,A,R,100V,主要用于制备金、银、铂等金属溶胶。 制备时在两电极上施加 100V 左右的直流电，调节电极之间的距离，使之发生电火花，这时表面金属蒸发，接着金属蒸气立即被水冷却而凝聚为胶粒。,第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化,物理凝聚法,蒸汽凝聚,雾的形成 人工降雨,外滩的雾气,2. 凝聚法,第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化,更换溶剂法,利用物质

12、在不同溶剂中溶解度的显著差别来制备溶胶，而且两种溶剂要能完全互溶。,松香的水溶胶,松香的乙醇溶液,第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化,通过各种化学反应使生成物呈过饱和状态，使初生成的难溶物微粒结合成胶粒，在少量稳定剂存在下形成溶胶，这种稳定剂一般是某一过量的反应物。,化学凝聚法,第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化, 还原法 还原剂: H2 P 甲醛 CO 甘油 有机酸 制备: 单质 Au Ag Pt,120ml蒸馏水,6g/l HAuCl44H2O 2.5ml 0.18NK2CO3 3ml,boiling,quick boiling,3-4ml甲醛分两次加入,stirr

13、ing,红色金溶胶,boiling,反应完全,并除 去过量甲醛,Zigmond金溶胶制备方法,第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化,第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化,1%柠檬酸三钠(ml) 0.30 0.45 0.70 1.00 1.50 2.00 金溶胶颜色 蓝灰 紫灰 紫红 红 橙红 橙 吸收峰(nm) 220 240 535 525 522 518 粒径(nm) 147 97.5 71.5 41 24.5 15,柠檬酸三钠制金溶胶 0.01%氯金酸水溶液(金黄色)100ml 1%柠 檬酸三钠0.7ml 紫红色溶液 冷却, 加蒸馏水至原体积,第八章 胶体分散系统 第

14、二节 溶胶的制备和净化,金溶胶的粒径与颜色关系,免疫胶体金技术,第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化,胰岛细胞与金溶胶标记的胰岛素抗体孵育后电镜图,第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化, 氧化法 氧化剂: Cl2 Br2 I2 O2 H2SO3 制备: 卤化物, Ag Hg Pb S等 2H2S + H2SO3 3S + 3H2O 分解法 Ni(CO)4 Ni + 4CO,C6H6,第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化, 复分解法 AgNO3 + KI KNO3 + AgI 水解法 制备:Fe Al Cr Cu等氢氧化物的溶胶,稀溶液 溶胶,第八章 胶体分散系统

15、第二节 溶胶的制备和净化,二、溶胶的净化,1. 渗析法(dialysis method),半透膜只允许分子、离子通过，溶胶粒子无法透过。,普通渗析,点击此处演示,第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化,电渗析 (electrodialysis),+,-,半透膜,半透膜,溶胶,水,水,水,水,点击此处演示,第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化,加压或吸滤的方法除去小分子电解质，再用介质重新分散。,减压过滤,加压过滤,真空泵,加压, 超过滤法(ultrafiltration),第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化,血液透析 ( hemodialysis ),第八章 胶体

16、分散系统 第二节 溶胶的制备和净化,39,三、纳米粒子 粒度范围：1100 nm,纳米粒子的特性： （1）表面效应 极高的表面能和化学活性，不稳定 性质改变（表面原子运输、构型、自旋、电子能谱） （2）体积效应 性质改变（光、电、声、磁、热） （3）量子效应 电子能级发生分裂，由连续变为不连续或变宽 （4）量子隧道效应 具有贯穿能垒的能力,第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化,40,三、纳米粒子 粒度范围：1100 nm,第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化,如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性，就会看到材料的性能产生丰富的

17、变化。,1959年费曼在美国物理学会年会上发表了一篇题为在末端处有足够的空间的讲演 人类一旦掌握了对原子逐一实行控制的技术后，能按自己的愿望人工合成物质的那一天也就为期不远了。 只要按化学家的要求把原子放在指定的位置，所需的物质就制造出来了。,想象一下纳米有多大？,1纳米, 个别原子的直径只有几分之一nm,1nm, 10个氢原子并列跨度,几千个nm, 血红细胞的直径大约为几千nm,纳米技术中的“纳” (nano)来自于希腊文，本意是“矮子”或”侏儒”(dwarf)的意思。“纳”在科学上意味着某单位的十亿分之一。,几百万个nm,拇指上的黑点直径为几百万nm,几十亿个纳米, 一个身高2米的人就是2

18、0亿纳米高,第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化,第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化,纳米材料的特性,纳米材料的表面效应纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。,第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化,粒子的大小与表面原子数的关系,第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化,纳米材料的体积效应,由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少，相应的质量极小。因此，许多现象就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明，这种特殊的现象通常称之为体积效应。,第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化,特

19、殊的光学性质 特殊的热学性质 特殊的磁学性质 特殊的力学性质 超导电性,介电性能,声学性能和化学性能等.,第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化,第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化,纳米材料的量子尺寸效应,对介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。,第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化,第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化,纳米材料的量子尺寸效应,对介于原子、分子与大

20、块固体之间的超微颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。,使药物的生产实现低成本、高效率、自动化、大规模，而药物的作用将实现器官靶向化。 新型给药系统 控缓释放；靶向制剂。,纳米药学：纳米科技 + 药学,主要发展方向： 单分散性纳米药物的设计及制备技术 纳米药物单细胞级精度传送定位技术 检测方法,第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化,纳米药物制剂：在纳米尺度上设计制备的用于预防、诊断、治疗或辅助治疗的药物制剂。 纳米载体：溶解或分

21、散药物的各种纳米粒，如纳米脂质体、药质体、聚合物纳米囊、纳米球、聚合物胶束等。 纳米粒：以高分子物质为辅料，将药物溶解、吸附或包裹于其中，分散后制成的纳米级(1l00nm)的固态或液态微粒。 纳米药物：直接将原料药物加工成的纳米粒。,第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化,纳米医学（nanomedicine） 利用分子器具和分子知识对人体进行诊断、治疗，预防疾病与刨伤，减轻病痛，促进和保持健康的科学和技术。,纳米手术刀,指尖上的400支微型针,纳米机器人在疏通血管,第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化,光学相干层析技术 将光学相干技术与激光扫描共聚焦技术相结合产生的一门新的成

22、像技术，分辨率可达10 mm，且无电离辐射等优点。,第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化,第八章 胶体分散系统 第二节 溶胶的制备和净化,纳米粒子的制备方法,物理方法： 真空冷凝法(真空蒸发、加热、高频感应等)； 物理粉碎法(机械粉粹、电火花爆炸等)； 球磨法。 化学方法： 气相沉积法、沉淀法、水热合成法、溶胶凝胶法、微乳液法、还原法。,第三节 溶胶的动力性质,The continuous random motion,第八章 胶体分散系统 第三节 溶胶的动力性质,一、布朗运动,Colloidal particles are found to be in a ceaseless ran

23、dom and swarming motion. This kinetic activity of particles suspended in a liquid is called Brownian motion.,Britain Botanist (1773-1858),第八章 胶体分散系统 第三节 溶胶的动力性质,Einstein的Brown运动理论基本假定,（1）Brown运动和分子运动完全类似； （2）Brown运动是不断热运动的液体对分子微粒 冲击的结果； （3）Brown运动使溶胶有一定的动力学稳定性。,第八章 胶体分散系统 第三节 溶胶的动力性质,1905年，关于热的分子运动论

24、所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动 揭示布朗运动的本质，奠定统计力学基础,1905年，光电效应的量子理论解释，1921年诺贝尔物理学奖,1905年，提出狭义相对论,25岁年轻人的伟大论文,第八章 胶体分散系统 第三节 溶胶的动力性质,在一定的浓度梯度(concentration gradient)下溶胶粒子在介质中由高浓度区自发地向低浓度区迁移的现象。,扩散(Diffusion),Fick扩散第一定律 (Ficks first law of diffusion),扩散系数D(diffusion coefficient): 溶胶动力性质的重要参数，它是溶胶粒子在介质中的扩散能力的大小标志。,二、

25、扩散与渗透现象,第八章 胶体分散系统 第三节 溶胶的动力性质,二、扩散与渗透, 扩散(Diffusion),在一定的浓度梯度(concentration gradient)下溶胶粒子在介质中由高浓度区自发地向低浓度区迁移的现象。,第八章 胶体分散系统 第三节 溶胶的动力性质,Fick扩散第一定律 (Ficks first law ),扩散系数D(diffusion coefficient): 溶胶动力性质的重要参数，它是溶胶粒子在介质中的扩散能力的大小标志。,第八章 胶体分散系统 第三节 溶胶的动力性质,扩散系数的测定应用,对于球形粒子，由D可以计算粒子的半径,计算胶体粒子的质量和摩尔质量,第

26、八章 胶体分散系统 第三节 溶胶的动力性质,一些物质的扩散系数,第八章 胶体分散系统 第三节 溶胶的动力性质,一些药物从溶液中扩散通过天然或合成膜的扩散系数和渗透系数,第八章 胶体分散系统 第三节 溶胶的动力性质,Osmosis and osmotic pressure (), 渗透(osmosis),第八章 胶体分散系统 第三节 溶胶的动力性质,渗透压的计算,V = nRT 或 = cRT,溶胶的渗透压可以借用稀溶液渗透压公式计算：,c：胶粒的浓度,大分子溶液或胶体的电解质溶液，可以配制高浓度溶液，用渗透压法可以求它们的摩尔质量。,第八章 胶体分散系统 第三节 溶胶的动力性质,反渗透现象及其

27、应用,渗透 ( Osmosis ),反渗透 ( Reverse osmosis ),第八章 胶体分散系统 第三节 溶胶的动力性质,海水淡化,第八章 胶体分散系统 第三节 溶胶的动力性质,重力吸引：胶粒下降 布朗运动：浓度趋于均一,沉降平衡时粒子的分布的情况符合高度分布定律。,三、沉降与沉降平衡（sedimentation equilibrium）,两种效应相反的力相等时，粒子的分布达到平衡，粒子的浓度呈梯度分布,沉降平衡。,第八章 胶体分散系统 第三节 溶胶的动力性质, 重力沉降,分散相粒子在重力场中受到的下沉重力,粘滞阻力 F = 6 r v F1 = F2, 粒子匀速下降,v,=,2 r2 (r-r0) g,9h,重力沉降速度公式,= 6rv,第八章 胶体分散系统 第三节 溶胶的动力性质,分散相粒子在重力场中受到的下沉重力,扩散力,Perrin高度分布公式, 重力沉降平衡与高度分布,第八章 胶体分散系统 第三节 溶胶的动力性质,Perrin高度分布定律,分散体系 粒子直径(m) 粒子浓度降低一半时的高度(m),藤黄悬浮液 粗分散金溶胶 金溶胶 高分散金溶胶 氧气,2.3010-7 1.8610-7