《膠體的基本性質(zhì)》PPT課件

第三章溶膠的基本性質(zhì)動力學性質(zhì)；光學性質(zhì)；電學性質(zhì),一、膠體分散體系的動力學性質(zhì),膠體的擴散與滲透；是膠體與分子分散體系所共有的性質(zhì)。布朗運動；膠體分散體系獨有的性質(zhì)。穩(wěn)定與沉降；是膠體與粗分散系所共有的性質(zhì)。,1、膠體的擴散與滲透,擴散的定義與本質(zhì)擴散是分子熱運動的必然結(jié)果。分子熱運動并不需要存在著濃度差才能發(fā)生；但在濃度差存在下，分子從高濃度向低濃度遷移的數(shù)目大于從低向高遷移的數(shù)目，,高濃度,低濃度,總結(jié)果使物系呈現(xiàn)出從高濃度向低濃度的凈遷移，這就是擴散擴散的本質(zhì)是分子的熱運動，擴散推動力是濃度梯度,膠粒的擴散(diffusion),膠粒也有熱運動，因此也具有擴散現(xiàn)象。膠體粒子的熱運動，在微觀上表現(xiàn)為Brown運動，在宏觀上表現(xiàn)為擴散。溶膠粒子從高濃度區(qū)間向低濃度區(qū)間遷移的現(xiàn)象稱為膠粒的擴散。物質(zhì)的擴散可用斐克第一定律和第二定律描述.,設(shè)通過A面的物質(zhì)質(zhì)量為m，則擴散速度為dm/dt，它與濃度梯度和截面積A成正比。,斐克第一定律（Ficksfirstlaw）,設(shè)任一截面A上濃度是均勻的，垂直A方向上的濃度梯度為dc/dx,D為擴散系數(shù)，其物理意義為：單位濃度梯度、單位時間內(nèi)通過單位截面積的質(zhì)量。式中負號表示擴散朝濃度降低的方向進行，,斐克第一定律：,膠體的滲透(osmosis)、滲透壓與Donnan平衡,滲透壓是稀溶液的四個依數(shù)性之一，半透膜：只能透過溶劑、不透過溶質(zhì)。對于理想稀溶液、理想半透膜：滲透壓服從公式：VnRT,=P2-P1,純?nèi)軇?溶液,半透膜,P1,P2,T,實際情況：很難找到不能透過離子的半透膜因此無法測定鹽和小分子引起的滲透壓。高分子和膠粒不能通過半透膜，所以可利用此法測算高分子和穩(wěn)定膠體的滲透壓。獲得高分子的相對分子質(zhì)量和膠體的膠束聚集數(shù).,滲透的應用反滲透（超過濾）,利用超過滲透壓的壓力，從相反方向?qū)⑷軇┳匀芤褐袎撼?，稱為反滲透。應用于海水淡化、濃縮溶液（果汁、放射性污水）。海水在25時的滲透壓為25atm，相當于210m高水柱，半透膜如何選擇？-膠體、大分子,半透膜,淡水井,反滲透原理制造淡水井,Donnan平衡，膜平衡,Donnan平衡針對的是帶電粒子和帶電高分子的滲透現(xiàn)象。如果膜的一側(cè)有膠?；虼蠓肿?，而且?guī)в须姾?，則會產(chǎn)生Donnan平衡。,-,RNac1(c1+x)Cl-(x)(1),Na+Cl-(c2-x)(c2-x)(2),堿液中的蛋白質(zhì)為Na-R,兩容器間的膜可以透過Na,但不能通過R；,據(jù)電中性原則，(1)區(qū)中的Na離子無法向(2)區(qū)擴散；但(2)區(qū)中的Na、Cl可以擴散到(1)區(qū)。由于膜的一側(cè)有了大分子，使能透過鹽的膜變成了半透膜Donnan平衡就是研究此種情況下的滲透壓。,在含有凝膠的體系中，即使沒有膜也一樣，各種凝膠的作用就像大分子，所結(jié)合的離子可以移動。此時，即使沒有膜的存在效果也是一樣。,在大分子電解質(zhì)溶液中，因大離子不能透過半透膜，而小粒子受大離子電荷影響，能夠透過半透膜，當滲透達到平衡時，膜兩邊小離子濃度不相等，這種現(xiàn)象叫唐南平衡或膜平衡。,土壤中，植物、動物的脫水收縮以及養(yǎng)分的吸收、鹽分的均衡均與Donnan平衡有關(guān)。,人的體液平衡,人體內(nèi)存在的液體稱為體液（bodyfluid）。體液中有無機物和有機物，無機物與部分以離子形式存在的有機物統(tǒng)稱為電解質(zhì)。葡萄糖、尿素等不能解離的有機物稱為非電解質(zhì)。體液以細胞膜為界，可分為兩大部分，細胞內(nèi)液（ICF）和細胞外液（ECF）。細胞外液又可分為血漿和細胞間液（如淋巴液）。,各部位體液之間處于動態(tài)平衡，部位內(nèi)部的水與電解質(zhì)也處于動態(tài)平衡，這種平衡狀態(tài)，很易受外界或機體內(nèi)部因素的影響，導致水電解質(zhì)平衡紊亂和酸堿平衡紊亂。,水平衡,成年人維持水的需要量，每日平均總進水量約2500ml，通過飲水（約1200ml），攝食含的水（約1000ml）體內(nèi)氧化時釋放出的水（約300ml）攝入量等于排出量。,小兒每日水的攝入量（含體內(nèi)氧化產(chǎn)生的水）略大于排出量，其中約有攝入量的0.5-3.0保留在體內(nèi)用以生長。小兒水交換速度比成人快，體重7.0kg嬰兒每日排出水約700ml，占細胞外液的1/3，70kg體重的成人水交換率只占細胞外液的1/7，這就是小兒易引起脫水的原因。,鈉、氯平衡,氯和鈉是細胞外液的主要陰陽離子。體內(nèi)Na+約50于細胞外液，40于骨骼，約10于細胞內(nèi)K+主要分布在細胞內(nèi)液,血漿中主要電解質(zhì)有Na+、Cl、K+。細胞間液是血漿的超濾液，血漿含有較多的蛋白質(zhì)，由于蛋白質(zhì)是大分子量物質(zhì)，不易通過細胞膜，故血漿蛋白含量高于細胞間液。腦脊液就屬于細胞間液,Donnan平衡與人體,夏日補鹽還有很重要，否則就易產(chǎn)生頭昏等癥狀。這與人的腦脊液中的氯化物濃度多少有關(guān)；人腦脊液與血液之間滲透壓的平衡,根據(jù)Donnan平衡，腦脊液中的蛋白質(zhì)含量較少，故氯化物較高正常人腦脊液中的氯化物含量比血液高約20%左右，但腦脊液中的氯化物濃度隨血液中氯化物濃度而變；,在正常人血液中，血鈉為130150mmol/L，血鉀為3.55.3mmol/L，血鈣為.252.75mmol/L，血鎂為0.751.25mmol/L。氯化鈉是其主要成分。為維持腦脊液與血液之間滲透壓的平衡，應當及時適度補鹽,2、膠體的沉降,分散于氣體或液體介質(zhì)中的顆粒，都受到兩種相反方向作用力。重力：溶膠中顆粒的密度大于介質(zhì)時，顆粒在重力場作用下有向下沉降的趨勢；稱為沉降。沉降的結(jié)果使底部粒子濃度大于上部，即造成上下的濃差，擴散力：由布朗運動引起，其作用促進介質(zhì)中粒子濃度均勻；,沉降與擴散達平衡時，粒子的分布達到平衡，稱為沉降平衡。此時，顆粒濃度自上而下增加，隨高度不同有一定的濃度梯度，梯度不隨時間而變。,在重力場中的沉降；在離心力場中的沉降；離心力場中的沉降主要是在離心機中進行普通離心機：3000r/min,產(chǎn)生的離心力比地心引力大2000倍超速離心機：轉(zhuǎn)速可達1016萬轉(zhuǎn)/min,產(chǎn)生的離心力約為重力的100萬倍,3、布朗運動,膠體布朗運動的獨特性分子分散體系和粗分散系為什么沒有布朗運動？膠體分散體系為什么能觀察到布朗運動？布朗運動是分子熱運動的必然結(jié)果。大顆粒：每秒鐘在各個方向上都承受數(shù)百萬次撞擊,各個方向幾率均等，相互抵消；顆粒較大，難以發(fā)生位移。,直徑小于4m的粒子在分散介質(zhì)中都呈現(xiàn)出連續(xù)不斷的、無規(guī)則的運動，這就是布朗運動。,當半徑大于5m，Brown運動消失。,粒子如果較小，受到分子熱運動撞擊的次數(shù)就要小的多，各個方向的撞擊不能彼此抵消小粒子就發(fā)生了不斷改變方向的、無規(guī)則的運動。從運動性質(zhì)來看，溶液與膠體無本質(zhì)上的區(qū)別，溶液中，是單個分子的熱運動；溶膠的布朗運動是許多分子熱運動沖擊的綜合結(jié)果。,液體分子對溶膠粒子的撞擊,粗分散系,布朗運動產(chǎn)生的原因：分散質(zhì)粒子本身處于不斷的熱運動中。分散劑分子對分散質(zhì)粒子的不斷撞擊。,為什么顆粒越小，布朗運動越明顯？,布朗運動是RobertBrown于1827年發(fā)現(xiàn)，但是到了1905年Einstein和Smaluchowski由分子運動論觀點分別提出了布朗運動理論。,NA阿伏加德羅常數(shù)介質(zhì)粘度r粒子半徑,Perrin證實了EinsteinBrown位移公式通過觀察藤黃粒子的布朗運動，多次測定NA值。粒子數(shù)50個，r=0.212um,T=287K,=0.0012Pas,t=120s觀察位移次數(shù)50次；測得平均位移13.96um求得NA6.121023；與實際值非常接近。,Einstein,愛因斯坦：一個世紀的神話,1905年，是堪稱奇跡的一年。這種年份僅在16651666年有過一次,(牛頓為了躲避黑死病而呆在自己的家鄉(xiāng)，開始著手微積分、萬有引力定律和顏色理論的基礎(chǔ)工作)除此之外，科學史上沒有哪一階段可以與1905年的科學成就相媲美。,1905年，年僅26歲的愛因斯坦連續(xù)發(fā)表了關(guān)于：量子論、相對論布朗運動等方面的論文，這些論文都可以稱為-革命性的論文開啟了自然科學的新紀元。為了紀念物理學史上這一空前絕后的“奇跡年”聯(lián)合國教科文組織將2005年定為“世界物理年”,2005年4月18日是愛因斯坦逝世50周年，世界各國都在以各種方式紀念這位繼牛頓之后最為大的科學家。在全球舉行了光束穿越活動，,我校泰達應用物理學院博士生樓慈波，獲得了為紀念這一活動所設(shè)立的愛因斯坦獎，全國獲獎者共20名。該獎項由德國與瑞士政府聯(lián)合頒發(fā)，訪問了瑞士與德國的科研機構(gòu)。,Einstein的四篇著名論文,1.關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個有啟發(fā)性觀點論文完成于1905年3月，6月發(fā)表在德文刊物物理學年鑒(AnnalenderPhysik)上。該文并且延伸了MarxPlank的量子思想，即高溫物體僅以特定離散束的形式發(fā)射或吸收能量，認為光束是由粒子組成。它為量子力學基石的光的波粒二重性獲得廣泛接受鋪平了道路。,2.分子大小的新測定,該文完成于1905年4月30日。當時愛因斯坦還沒有獲得博士學位，1901年曾經(jīng)提交過一篇關(guān)于氣體分子運動論的論文，被蘇黎世大學駁回；1905年初，再次提交關(guān)于狹義相對論的論文，又被認為是“荒誕不經(jīng)”而駁回；于是，便提交了這篇.分子大小的新測定,完成于1905年5月；于1905年7月發(fā)表在物理學年鑒(AnnalenderPhysik)上。該文創(chuàng)立了支配布朗運動的數(shù)學定律是對現(xiàn)代統(tǒng)計力學的一項重大貢獻，其導出的方法可以用于空氣污染物的行為或者股票市場漲落走勢。,3、上文的續(xù)篇關(guān)于熱的分子運動論所要求的靜止液體中懸浮小粒子的運動,4.論動體的電動力學,此文為獲得諾貝爾獎的貢獻論文。,愛因斯坦研究布朗運動的起因與結(jié)果,1927年，植物學家布朗發(fā)現(xiàn)并引起人們注意這種現(xiàn)象；此后的多年，這種現(xiàn)象就一直困擾著許多科學家；許多人把水滴中花粉顆?？偸亲鲋S機運動的現(xiàn)象，解釋為這些花粉顆粒是有生命的。然而，布朗將研磨的精細巖石粉末懸浮于水中時也有類似現(xiàn)象。有人又認為是電力場推動，有人傾向于蒸發(fā)、對流、光效應。,布朗寫下了這樣的一段文字：“我確信這種運動不是由于液體流動所引起，也不是由液體的逐漸蒸發(fā)所引起，而是屬于粒子本身的運動”,布朗,英國,植物學家,為了進一步證實這種看法，布朗把觀察的對象擴大到一切物質(zhì)的微小顆粒，發(fā)現(xiàn)，一切懸浮在液體中的微小顆粒，都會作無休止的不規(guī)則運動。,愛因斯坦提出，懸浮于液體中的顆粒的四處運動，主要是分子從各個方向與其撞擊造成的。這些現(xiàn)象事實上是關(guān)于熱的本質(zhì)理論的有力證據(jù)（當時正在爭論）。導出了決定布朗運動基本數(shù)學規(guī)律。最近，科學家應用愛因斯坦的這些數(shù)學規(guī)律，設(shè)計出了“布朗棘輪”：,這些設(shè)備利用了一個事實，即布朗運動中小粒子移動的距離比大粒子遠。利用微觀化的絞盤內(nèi)鋸齒型齒輪，布朗棘輪把粒子的隨機運動轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫墓ぷ骼纾喊创笮》蛛x病毒，除掉水中的污染雜質(zhì)。,2003年，利用類似于制造微芯片的技術(shù)，普林斯頓大學的C.Sturm及其合作者建造了兩臺這樣的布朗棘輪。它看上去有點像大拇指大小。在一塊二氧化硅薄片中刻蝕出一條通道，在通道中等間隔地留下若干微小支柱，間隔足以使液體流過。微支柱寬6微米，高3微米，成45度