溶胶的物理化学性质.ppt

溶胶的物理化学性质一、 溶胶的运动性质 二、 溶胶的光学性质 三、 溶胶的电学性质11. 扩散• 由于溶胶中体积粒子数梯度的存在引起的粒子从 体积粒子数高区域向低区域的定向迁移现象叫扩 散• 扩散属于物质在无外力场时的传质过程，即自发 过程一、 溶胶的运动性质2v溶胶中的分散相粒子的扩散遵守费克定律 • (dm/dt )为单位时间内通过截面积A扩散的粒子数 一、 溶胶的运动性质3v应用：(1)应用Einstein第一扩散公式，可以求出扩散系数 D(m2/s)反之，若有了D和η，则可算出r （r为胶粒的 流体力学半径，r为平均值）2)计算非球形胶粒的轴比值(a/b)NA为Avogadro常数 6.022×1023 mol-1；η为介质粘度；r为球形胶粒半径 阻力系数： f＝6πηr 一、 溶胶的运动性质4v1827年，英国植物学家布朗（Brown）在显微镜下观 察到花粉在水面上不停地做无规则运动v布朗运动：微粒的连续、无规则运动v扩散是布朗运动的宏观表现，而布朗运动是扩散的微观 基础v溶胶中分散相粒子的扩散作用是由布郎运动引起的2. 布朗运动一、 溶胶的运动性质5v1905年，Einstein研究了布朗运动中，粒子的平均位移与 粒子半径、介质粘度、温度和位移时间之间的关系，得到 著名的“Einstein布朗运动”公式。

• 式中各变量均可由实验确定，故利用此式可以求出微粒半 径r，也可求得Avogadero常数NA • 适用条件：主要用于胶体分散体系，粗分散体系中粒子布 朗运动不明显一、 溶胶的运动性质6意义：悬浮在液体介质中微粒的平均自由路程与观察时间和 扩散系数的关系适用条件：与前式相同，实际上 D=(RT)/(6πηrNA) 一、 溶胶的运动性质7v爱因斯坦关于布朗运动的理论说明了布朗运动的实质就 是质点的热运动反过来，布朗运动也成为分子热运动 的强有力的实验证明 v总之，在运动性质方面，胶体体系和分子分散体系并无 本质区别，其中的质点运动都服从同样的普遍规律—— 分子运动理论8v溶胶中的分散相粒子由于受自身的重力作用而下沉的过 程称为沉降v沉降是溶胶动力学不稳定性的主要表现v两种方向相反的作用力: (1)重力；(2)扩散力(由布朗运动 引起)v重力使粒子沉降；而介质的粘度及布朗运动引起的扩散 作用阻止粒子下沉v沉降与扩散相互抗衡，达到稳定状态 ，称为沉降平衡或 沉积平衡3. 沉降一、 溶胶的运动性质9v胶体粒子的布朗运动与气体分子的热运动实质上 相同，因此，沉降平衡时胶粒随高度变化的分布 规律可以用大气压随高度的分布形式描述。

式中，ρ为胶粒密度，ρ0为介质密度10(a) 沉降速率(sedimentation velocity) 球形颗粒所受下沉力 按Stokes定律颗粒将受到反方向的摩擦力 当 ，加速沉降将变为匀速运动，沉降速率(1) 在重力作用下的沉降（沉降公式）一、 溶胶的运动性质111213沉降速率公式的应用：•粘度测定 在被测液体中让一定半径一定密度的小球降落， 测定通过一定距离的时间求得沉降速度，由沉降 速率公式计算粘度η14沉降分析装置图在量筒中充满已匀化的粗分散系 统样品，测定小盘中沉降的物质 量随时间的变化，由沉降速率公 式计算颗粒半径 (b)沉降分析－称重法• 沉降分析主要是考察粒度分 布• 通常使用沉降天平进行沉降 分析• 常用的沉降天平是一种扭力 天平一、 溶胶的运动性质15v胶粒很小，在重力场中的沉降速度极为缓慢，有时无法 测定其沉降速度v1924年，瑞典人Svedberg发明了超离心机，转速10～ 16万 r/min，离心力约为地心引力的106倍 （普通离心机转速一般为3000～5000 r/min）v利用超离心机加快沉降速率，大大扩大了测定沉降速率 的范围可把它应用于胶团的摩尔质量或高聚物的摩尔 质量的测定上。

2) 在离心力场中的沉降一、 溶胶的运动性质16式中x1和x2分别为离心时间t1和t2时从旋转轴到溶胶 中某一平面的距离 17溶胶的物理化学性质一、 溶胶的运动性质 二、 溶胶的光学性质 三、 溶胶的电学性质18(1)丁达尔效应(Tyndall effect) • 当一束会聚的光线透过溶胶时，在入射光的垂直方向可看 到一个光亮的圆锥体，这称为丁达尔现象或丁达尔效应 • 丁达尔效应是溶胶的特征 • 用丁达尔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 ）• 原因：是胶粒对光散射的结果(散射是指除入射光方向外 ，四面八方都能看到发光的现象) 1. 光散射二、 溶胶的光学性质19(2) Rayleigh散射定律式中，I为散射光强度；I0为入射光强度；c为单位体积中的 质点数；v为单个粒子的体积；λ为入射光波长；n1和n2分 别为分散介质和分散相的折射率• 散射光强度与入射光波长的4次方成反比 • 散射光强度与单位体积中的质点数c成正比浊度计”的 设计原理） • 散射光强度与粒子体积的平方成正比散射光的强度可用瑞利公式表示： 20瑞利(Lord J. W. Rayleigh)散射光散射测定散射光强度 212. 显微镜及其对粒子大小和形状的测 定(1) 超显微镜（ultramicroscope）v普通显微镜的分辩率约为200nm，不能直接观察胶体粒 子。

v超显微镜是在普通显微镜的基础上，采用了特殊的聚光 器，使光线不直接进入物镜，背景是黑的可在黑暗的 背景下看到胶粒因光散射而呈现的闪烁亮点v不能直接看到粒子的大小和形状，但结合其它数据可以 计算出粒子的平均大小并推断出胶粒的形状二、 溶胶的光学性质22利用瑞利散射原理设计了一种超显微镜超显微镜及光路图 23瑞利(Lord J. W. Rayleigh)散射心形超聚光器及光线路程 24(2) 电子显微镜用电子波代替光波，以电磁聚光镜代替普通聚光 镜v透射电镜(TEM)v 扫描电镜(SEM)v扫描隧道显微镜(STM)v原子力显微镜(AFM)vX-Ray光电子能谱(XPS)v电子探针25光学显微镜 OLM 透射电镜 TEM 扫描电镜 SEM 扫描隧道显 微镜STM 分辨本领 (nm)200 0.2 3.5(1.5) X，Y：0.1； Z：0.01 放大倍数 2 千倍 100 万倍 20 万倍数千万倍 视野中小大小样品尺寸厚度微米级 宽度毫米级厚度小于 1μm 厘米级仅受样品台 限制 样品环境空气高真空高真空各种条件 主要成像及 成分分析信 号透射,反射, 衍射光透射,衍射, 能量损失电 子二次,背散 射电子, 特 征X 射线隧道电流图像处理通过摄 象机通过摄 象机联机联机 仪器价格低高高中各种电镜与光学显微镜参数比较表26溶胶的物理化学性质一、 溶胶的运动性质 二、 溶胶的光学性质 三、 溶胶的电学性质27(一) 电动现象 (二) 质点表面电荷的来源 (三) 扩散双电层理论三、 溶胶的电学性质28(一) 电动现象(1) 电泳• 在外加电场作用下，带电 的分散相粒子在分散介质 中向相反符号电极移动的 现象叫电泳。

三、 溶胶的电学性质29v外加电势梯度越大，胶粒带电越多，胶粒越小 ，介质的粘度越小，则电泳速度越大v通过电泳试验可以确定胶粒的电荷符号v溶胶的电泳现象证明了胶粒是带电的，实验证 明，若在溶胶中加入电解质，则对电泳会有显 著影响随溶胶中外加电解质的增加，电泳速 度常会降低以致变为零(等电点)，甚至改变胶粒 的电泳方向，外加电解质可以改变胶粒带电的 符号 v研究胶粒电泳的仪器称为电泳仪30(2)电渗v在外电场作用下， 液体介质通过固定 的多孔固体或毛细 管束作定向运动的 现象（此时带电的 固相不动）叫电渗 v和电泳一样，溶胶 中外加电解质对电 渗速度的影响也很 显著，随电解质的 增加，电渗速度降 低，甚而会改变液 体流动的方向v通过测定液体的电 渗速度可求算溶胶 胶粒与介质之间的 总电势31(3)流动电势：v在外力作用下，使溶胶中固、液两相发生相对运动，则可 能形成电场若用压力将液体挤过粉末压成的多孔塞，则 在塞的两侧产生电位差，即所谓流动电势，是电渗的反过 程32v流动电势的大小与介质的电导率成反比v碳氢化合物的电导通常比水溶液要小好几个 数量级，这样在泵送此类液体时，产生的流 动电势相当可观，高压下极易产生火花，加 上这类液体易燃，因此必须采取相应的防护 措施，以消除由于流动电势的存在而造成的 危险。

例如，在泵送汽油时规定必须接地，而 且常加入油溶性电解质，以增加介质的电导 ，降低或消除流动电势33(4)沉降电势：v胶体粉末在液相中下沉时在 液体中产生电位降，称为沉 降电势v它是电泳的逆现象v例如，贮油罐中的油中常含 有水滴，由于油的电导率很 小，水滴的沉降常形成很高 的沉降电势，甚至达到危险 的程度v常采用加入有机电解质的办 法增加介质的电导，从而降 低或消除沉降电势•电泳、电渗、流动电势和沉降电势统称为电动现象•它们或是因电而动（电泳和电渗），或是因动而电（流动 电势和沉降电势），都是胶粒带电的必然结果34(二) 质点表面电荷的来源 (1)电离v粘土颗粒、玻璃等硅酸盐在水中能电离，故其表面荷负 电，而与其接触的液相荷正电v硅溶胶在弱酸性和碱性介质中荷负电，也是因为质点表 面上硅酸电离的结果2)离子吸附v在水或水溶胶中吸附H＋、OH－或其它离子，从而使质 点带电，许多溶胶的带电常属于此类v能和组成质点的离子形成不溶物的离子，最易被质点表 面吸附（“Fajans规则”）三、 溶胶的电学性质35(3) 晶格取代v晶格取代是造成粘土颗粒带电的主要原因4) 非水介质中质点荷电的原因v没有公认的理论。

v以前说法：质点和介质间因摩擦而引起带电v目前许多人认为：非水介质中质点荷电也起源 于离子选择性吸附36v溶胶粒子带电，这些电荷的主要来源是从水溶液中 选择性地吸附某种离子：吸附正离子胶粒带正电，吸附负离子带负电，但整 个溶液是电中性的，故还应有等量的反离子存在v固粒表面吸附的离子和溶液中的反离子构成双电层 v双电层的厚度随溶液中离子浓度和电荷数而不同三) 扩散双电层理论三、 溶胶的电学性质371. Helmholtz模型(1879)v胶粒的双电层结构类似于简 单的平行板电容器，双电层 的里层在质点表面上，相反 符号的外层则在液体中，两 层间的距离很小，约为离子 半径的数量级v表面电荷密度σ、两层间距离 δ和表面电位ψ0（由固体表面 至溶液本体间的电势差，也 叫热力学电位）之间的关系 如下：缺限：不能解释电动现象，不代表实验事实382. Gouy-Chapman模型(1910~1913)v溶液中的反离子扩散地分布在质点周围的空间里，由于 静电吸引，质点附近处反离子浓度要大一些，离质点越 远反离子浓度越小，到距表面很远处(1nm～10nm)过剩 的反离子浓度为零39v“滑动面”：电泳时 固－液之间发生相 对移动，在双电层 内距表面某一距离 △处。

vζ(Zeta)电位：滑动 面处的电位与溶液 内部的电位之差• ζ电位是表面电位ψ0的一部分 • ζ电位的大小取决于滑动面内反离子浓度的小40vζ电位的数值可以通过电泳或电渗速度的测定计 算出来 vζ电位也称为电动电位v优点：解释了电动现象，区分了热力学电位ψ0和ζ电位 ，并能解释电解质对ζ电位的影响v缺限：不能解释为什么ζ电位可以变号，有时还会高于 表面电位的问题413.Stern模型(1924)vStern认为：Gouy-Chapman的扩散双 电层可分为两层：一层为 紧靠离子表面的紧密层（ 也叫Stern层或吸附层）， 其厚度δ由被吸附离子的大 小决定；另一层相似于 Gouy-Chapman双电层中 的扩散层（电位随距离的 增加呈曲线下降），其浓 度由本体溶液的浓度决定 42vψs为Stern电位：Stern。