第12章 胶体化学.pdf

第十二章胶 体 化 学第十二章胶 体 化 学分散系统的分类及其主要特征分散系统的分类及其主要特征分散系统：一种或几种物质分散在另一种物质中分散系统：一种或几种物质分散在另一种物质中分散相分散相分散介质（连续相）分散介质（连续相）分散系统的分类：分散系统的分类：(1) 按分散相（分散质）粒子的大小按分散相（分散质）粒子的大小 (至少一维至少一维) 分子分散系统分子分散系统 10-6m连续相连续相分散相分散相(2) 按分散相和分散介质的聚集状态分类：液溶胶：液体作为分散介质按分散相和分散介质的聚集状态分类：液溶胶：液体作为分散介质固溶胶：固体作为分散介质 固-固溶胶如有色玻璃，不完全互溶的合金 固-液溶胶如珍珠，某些宝石 固-气溶胶如泡沫塑料，沸石分子筛固溶胶：固体作为分散介质 固-固溶胶如有色玻璃，不完全互溶的合金 固-液溶胶如珍珠，某些宝石 固-气溶胶如泡沫塑料，沸石分子筛气溶胶：气体作为分散介质 气-固溶胶如烟，含尘的空气 气-液溶胶如雾，云气溶胶：气体作为分散介质 气-固溶胶如烟，含尘的空气 气-液溶胶如雾，云液-固溶胶如油漆，液-固溶胶如油漆，AgI 溶胶 液-液溶胶如牛奶，石油原油等乳状液 液-气溶胶如泡沫溶胶 液-液溶胶如牛奶，石油原油等乳状液 液-气溶胶如泡沫(3) 按胶体的稳定性分类：按胶体的稳定性分类：憎液溶胶半径在憎液溶胶半径在 1 －－1000 nm 之间的难溶物固体粒子分散在液体介质中，有很大的相界面，易聚沉，是 热力学上的不稳定、不可逆系统。

之间的难溶物固体粒子分散在液体介质中，有很大的相界面，易聚沉，是 热力学上的不稳定、不可逆系统憎液溶胶的特性：憎液溶胶的特性：（（a）特有的分散程度）特有的分散程度（（b）多相不均匀性）多相不均匀性（（c）热力学不稳定性）热力学不稳定性亲液溶胶半径在胶体粒子范围内的大分子溶解在合适的溶剂中，是热力学上稳定、可逆的系统亲液溶胶半径在胶体粒子范围内的大分子溶解在合适的溶剂中，是热力学上稳定、可逆的系统半透膜扩散半透膜扩散Samples蛋白质蛋白质, Fe(OH)3盐，糖不能通过慢盐，糖不能通过慢胶体胶体通过快通过快晶体晶体(1862) (colloid) 希腊语 ：希腊语 ：glue托马斯托马斯· 格雷厄姆格雷厄姆 ( Thomas Graham )§§12.1 胶体系统的制备和净化胶体系统的制备和净化溶胶的制备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可分为两类：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可分为两类： (1) 分散法：用机械、化学等方法使固体的粒子变小分散法：用机械、化学等方法使固体的粒子变小。

研磨研磨(胶体磨胶体磨)；超声分散；电弧 等超声分散；电弧 等2) 凝聚法 ：使分子或离子聚结成胶粒凝聚法 ：使分子或离子聚结成胶粒通常所制备的溶胶中粒子的大小不是均一的，而是一个 多级分散系统（多分散系统）→ 单分散系统通常所制备的溶胶中粒子的大小不是均一的，而是一个 多级分散系统（多分散系统）→ 单分散系统溶胶的净化主要有渗析法和超过滤法等溶胶的净化主要有渗析法和超过滤法等单分散溶胶单分散溶胶)制备制备:快速生成结晶中心 → 晶体生长快速生成结晶中心 → 晶体生长Supersaturated concentrationσσσσ越小，溶胶的单分散度越高越小，溶胶的单分散度越高.赤铁矿赤铁矿Fe2O3赤铁矿赤铁矿Fe2O3赤铁矿赤铁矿Fe2O3Absorbed 吸收吸收Transmitted 透过透过Scattered 散射散射§§12.2 溶胶的光学性质溶胶的光学性质1. 丁铎尔效应（超显微镜）丁铎尔效应（超显微镜）透过透过、散射、散射 、反射、反射 、吸收、吸收丁铎尔效应可用来区分溶胶和真溶液丁铎尔效应可用来区分溶胶和真溶液2. 瑞利公式瑞利公式0222 022 022422 )cos1(229InnnnlCVIαλπαλπ+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+−=+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+−=从瑞利公式可得出如下结论：从瑞利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。

波长愈短，散射 愈显著，所以可见光中，蓝、紫色光散射作用强散射光总能量与入射光波长的四次方成反比波长愈短，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越大，散射作用越显著考 虑涨落现象）分散相与分散介质的折射率相差越大，散射作用越显著考 虑涨落现象） (3) 散射光强度与单位体积中的粒子数成正比散射光强度与单位体积中的粒子数成正比I ：散射光强 ；：散射光强 ；I0: 入射光强；入射光强； V ：单个粒子的体积；：单个粒子的体积；C ：单位体积中的粒子数；：单位体积中的粒子数； λ λ：入射光波长：入射光波长l : 观测距离；观测距离； n : 分散相的折射率；分散相的折射率；n0：分散介质的折射率；：分散介质的折射率； α α：散射角：散射角(观测方向与入射光之间的夹角观测方向与入射光之间的夹角)；；3. 超显微镜与粒子大小的近似测定超显微镜与粒子大小的近似测定超显微镜的特点超显微镜的特点普通光学显微镜分辨率普通光学显微镜分辨率200 nm超显微镜分辨率超显微镜分辨率(间接间接) 5－－150 nm可以获得哪些有用的信息？可以获得哪些有用的信息？(1) 测定球状胶粒的平均半径；测定球状胶粒的平均半径；(2) 间接推测胶粒的形状和不对称性；间接推测胶粒的形状和不对称性；(3) 判断粒子分散均匀的程度；判断粒子分散均匀的程度；(4) 观察胶粒的布朗运动及电动现象。

观察胶粒的布朗运动及电动现象§§12.3 溶胶的动力学性质溶胶的动力学性质1. 布朗运动布朗运动 (1827)粒子越小，布朗运动越激烈 运动激烈的程度不随时间而改变， 但随温度的升高而增加分散介质分子无规则的热运动， 撞击溶胶粒子，当瞬间合力不为 零时，表现为布朗运动布朗运 动是分子热运动的必然结果粒子越小，布朗运动越激烈 运动激烈的程度不随时间而改变， 但随温度的升高而增加分散介质分子无规则的热运动， 撞击溶胶粒子，当瞬间合力不为 零时，表现为布朗运动布朗运 动是分子热运动的必然结果爱因斯坦公式（爱因斯坦公式（1905））rLRTtxπηπη3= =r ：胶粒的半径：胶粒的半径η ：介质的粘度：介质的粘度L ：阿伏加德罗常数：阿伏加德罗常数观察时间观察时间t 内粒子沿内粒子沿x 轴方向的平均位移轴方向的平均位移:x涨落现象涨落现象2. 扩散扩散扩散：有浓度梯度存在时，物质粒子因热运动 而发生的宏观上的定向迁移扩散：有浓度梯度存在时，物质粒子因热运动 而发生的宏观上的定向迁移溶胶系统中，溶胶粒子因布朗运 动由高溶胶系统中，溶胶粒子因布朗运 动由高“浓度浓度” 向低向低“浓度浓度”的定向迁移 过程 → 溶胶粒子的扩散的定向迁移 过程 → 溶胶粒子的扩散Fick 第一定律：第一定律：— 单位时间通过某一截面的物质的量与该处的浓度梯度及面积大小成正 比，其比例系数单位时间通过某一截面的物质的量与该处的浓度梯度及面积大小成正 比，其比例系数D 称为扩散系数。

称为扩散系数c大大c小小ASxcDAtn dd dd s−= −=D 扩散系数 ⎯ 单位浓度梯度下，单位时间通过单位面积的物质的量扩散系数 ⎯ 单位浓度梯度下，单位时间通过单位面积的物质的量 单位：单位：m2⋅ ⋅s–1D 可衡量物质扩散能力的大小可衡量物质扩散能力的大小球形粒子，球形粒子，D 可由爱因斯 坦－斯托克斯方程计算：可由爱因斯 坦－斯托克斯方程计算：ηπrLRTD6= =粒子越小，扩散系数越大， 扩散能力越强粒子越小，扩散系数越大， 扩散能力越强18oC时金溶胶的扩散系数时金溶胶的扩散系数r/nmD (10-9 m2s-1)10.213100.02131000.00213溶胶的胶粒一方面受到重力吸引而下降，另一方面由于布朗运动使浓度趋于均一溶胶的胶粒一方面受到重力吸引而下降，另一方面由于布朗运动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，粒子的浓度随高度不同有 一定的梯度当这两种效应相反的力相等时，粒子的 分布达到平衡，粒子的浓度随高度不同有 一定的梯度这种平衡称为这种平衡称为沉降平衡沉降平衡沉降平衡时，粒子随高度分布的情况与大气在地球表面分布类似， 符合高度分布定律，即上层粒子小而稀疏，下层粒子大而密集。

沉降平衡时，粒子随高度分布的情况与大气在地球表面分布类似， 符合高度分布定律，即上层粒子小而稀疏，下层粒子大而密集粒子质量越大，其平衡浓度随高度的降低也越大粒子质量越大，其平衡浓度随高度的降低也越大3. 沉降与沉降平衡沉降与沉降平衡沉降 ⇐⇒ 扩散结果沉降 ⇐⇒ 扩散结果真溶液真溶液粗分散系统粗分散系统胶体胶体√ √均相均相√ √分散相沉于底部分散相沉于底部√√←√√←平衡→平衡→分散相形成浓度梯度分散相形成浓度梯度htP粒度均匀粒度均匀Pt粒度不均匀粒度不均匀沉降分析沉降分析气溶胶属于胶体系统，气溶胶属于胶体系统，( )A) 分散相是气体，分散介质是固体或液体分散相是气体，分散介质是固体或液体(B) 分散相是气体，分散介质只能是液体分散相是气体，分散介质只能是液体(C) 分散介质是气体，分散相是固体或液体分散介质是气体，分散相是固体或液体(D) 分散介质是气体，分散相只能是液体分散介质是气体，分散相只能是液体C雾属于分散系统，其分散介质是雾属于分散系统，其分散介质是 ( )A) 液体液体(B) 气体气体(C) 固体固体(D) 液体或气体液体或气体B下列物质中不属于胶体系统的是下列物质中不属于胶体系统的是 ( )。

A) 空气空气(B) 烟烟(C) 雾雾(D) 牛奶牛奶A要直接观察胶体粒子的大小和形状，必须利用要直接观察胶体粒子的大小和形状，必须利用( )A) 普通显微镜普通显微镜(B) 丁铎尔效应丁铎尔效应(C) 电子显微镜电子显微镜(D) 超显微镜超显微镜C由于胶粒带电，而溶胶是电中性的，所以介质与胶粒的电荷相反在外电场作用下，胶粒和介质分别向相反电 荷的电极移动，这就产生了由于胶粒带电，而溶胶是电中性的，所以介质与胶粒的电荷相反在外电场作用下，胶粒和介质分别向相反电 荷的电极移动，这就产生了电泳电泳和和电渗电渗的电动现象，这是电 → 动的电动现象，这是电 → 动胶粒在重力场作用下发生沉降，而产生胶粒在重力场作用下发生沉降，而产生沉降电势沉降电势；带电的介质发生流动，则产生；带电的介质发生流动，则产生流动电势流动电势这是 动 → 电这是 动 → 电1. 电动现象电动现象以上四种现象都称为以上四种现象都称为电动现象电动现象§§12.4 溶胶的电学性质溶胶的电学性质Fe(OH)3 溶胶粒子带正电溶胶粒子带正电电泳电泳带电胶粒或大分子在外加电场的作用下向带相反电荷 的电极作定向移动。

电势梯度带电胶粒或大分子在外加电场的作用下向带相反电荷 的电极作定向移动电势梯度 100V/m 时溶胶粒子与普通离子的运动速度时溶胶粒子与普通离子的运动速度:粒子种类粒子种类运动速度运动速度 H+ OH－－Na+ K+ Cl－－C3H7COO－－C8H17COO－－溶胶粒子溶胶粒子32.6 18.0 4.5 6.7 6.8 3.1 2.0 2~4溶胶粒子与一般离子的电泳速度接近，而溶胶 粒子的质量约为一般离子的溶胶粒子与一般离子的电泳速度接近，而溶胶 粒子的质量约为一般离子的1000倍，这说明：胶粒带有大量电荷电泳应用：蛋白质分子、核酸分子的分离；纸上电泳可分离各种氨基酸 和蛋白质；分离粘土与杂质，得到高纯度的粘土等等倍，这说明：胶粒带有大量电荷。