第十一章膠體化學(xué)(0904)

1、第十四章 膠體化學(xué)Chapter Fourteen: Colloid Chemistry主講：張麗丹主講：張麗丹教授教授 博士博士聯(lián)系方式聯(lián)系方式:Tel-mail:14.0 本章學(xué)習(xí)基本要求14.1 引言14.2 膠體及分散物系概述14.3 膠體的光學(xué)性質(zhì)14.4 膠體的動力性質(zhì)14.5 膠體的電學(xué)性質(zhì)14.6 憎液溶膠的穩(wěn)定和聚沉14.7 科學(xué)家簡史14.8 科學(xué)小讀物14.9 物理化學(xué)數(shù)值計算 第十四章第十四章 膠體化學(xué)膠體化學(xué)Chapter Fourteen: Colloid Chemistry14.0 本章基本要求了解分散體系的分類及膠體的定義。理解溶膠的

2、光學(xué)性質(zhì)、動力性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)。理解膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)和膠體穩(wěn)定性與聚沉作用。14.1 引言膠體化學(xué)研究對象： 膠體化學(xué)研究領(lǐng)域包括物理、化學(xué)、材料、生物等學(xué)科的交叉。所研究的對象是高度分散的多相系統(tǒng)(即一種或幾種物質(zhì)分散在另一種物質(zhì)中所構(gòu)成的系統(tǒng))。14.2 膠體及分散物系概述一種（或幾種）物質(zhì)分散在另一種物質(zhì)中的系統(tǒng)。其中被分散的物質(zhì)，稱分散相(dispersed phase)。起分散作用的物質(zhì)，稱分散介質(zhì)(dispersing medium)。分散系統(tǒng)分散系統(tǒng)的分類分散系統(tǒng)的分類均相系統(tǒng)：溶液中的質(zhì)點很小(1nm=10-9m以下)，不形成相界面。常稱為真溶液。主要特征：透明，不發(fā)生光散射，擴(kuò)散速率

3、快，溶質(zhì)和溶劑均可透過半透膜，稱為熱力學(xué)穩(wěn)定系統(tǒng)。非均相系統(tǒng)(多相分散系統(tǒng))：分散相是由許多分子和原子或離子組成的顆粒，與分散相之間有明顯的相界面，每個粒子自成一相。多相系統(tǒng)分類：多相系統(tǒng)分類：粗分散系統(tǒng)粗分散系統(tǒng)：直徑大于1000nm=10-6m特征：不透明、渾濁、分散相不能透過濾紙，易發(fā) 生沉降與分散介質(zhì)分開。高度分散系統(tǒng)高度分散系統(tǒng)(膠體系統(tǒng))：直徑11000nm (10-910-6m之間) 。特征：擴(kuò)散慢、不能透過半透膜，高度分散，熱力 學(xué)不穩(wěn)定性。高分子化合物系統(tǒng)高分子化合物系統(tǒng)：(親液溶膠)1、具有真溶液性質(zhì)，均相，不自動聚沉，熱 力學(xué)穩(wěn)定。2、具有膠體系統(tǒng)性質(zhì)，擴(kuò)散慢，不能透過半

4、 透膜。 分散相類型 粒子半徑 分散相 性 質(zhì) 舉 例低分子 1000nm 粗顆粒 多相，熱力學(xué)不穩(wěn)定系統(tǒng)，擴(kuò) 牛奶系統(tǒng) 散慢或不擴(kuò)散，不能透過半透 豆?jié){ 膜或濾紙，懸浮液或乳濁液。按分散介質(zhì)的分散度分類按聚集狀態(tài)分類分散相分散相 分散介質(zhì)分散介質(zhì) 名名 稱稱 舉舉 例例 氣氣 泡沫泡沫 肥皂泡沫肥皂泡沫 液液 液液 乳狀液乳狀液 牛奶牛奶 固固 懸浮體懸浮體 液溶膠液溶膠 泥漿泥漿 金溶膠金溶膠 氣氣 沸石沸石 泡沫玻璃泡沫玻璃 液液 固固 固溶膠固溶膠 珍珠珍珠 某些礦石某些礦石 固固 某些合金某些合金 氣氣 - 液液 氣氣 氣溶膠氣溶膠 霧霧 云云 固固 煙煙 塵塵研究膠體化學(xué)的意義研究

5、膠體化學(xué)的意義地球大氣 醫(yī)藥衣食住行1.膠體磨:高速轉(zhuǎn)動使粗分散粒子破碎。2.氣流粉碎：用氣流沖撞粗分散粒子使之破碎。3.電?。河秒娀「邷厥菇饘贇饣魵庥隼涑赡z體。4、超聲波分散法：用超聲波使之破碎。5、膠溶法：加入電解質(zhì)，使沉淀重新成膠體。一、分散法（由大變小）利用機(jī)械設(shè)備，將粗分散物料分散成膠體。1.物理凝聚法物理凝聚法: 蒸氣凝聚法:分散質(zhì)、分散介質(zhì)一起氣化后冷凝。 過飽和法：高溫下形成溶液冷卻后成膠體。2.化學(xué)凝聚法：化學(xué)凝聚法：利用生成不溶性產(chǎn)物的化學(xué)反應(yīng)， 使析出物粒子在膠體范圍。如：FeCl3+3H2O=Fe(OH)3(膠體)+3HCl3.換溶劑法：換溶劑法：更換溶劑使溶度降低生

6、成膠體。如：將松香的乙醇溶液加到水中，形成松香水溶液。二、凝聚法（由小變大） 除去制備過程中的過量的電解質(zhì)或其它雜質(zhì)用、滲析法，通過半透膜。三、溶膠凈化14.3 膠體的光學(xué)性質(zhì)一、丁達(dá)爾效應(yīng)一、丁達(dá)爾效應(yīng) 將一束聚集光線投射到溶膠上，在與入射光垂直方向，可觀察到一個發(fā)亮的光錐，稱為丁達(dá)爾效應(yīng)，或乳光效應(yīng)。這是由于光的散射作用。 入射光波長大于分散粒子的尺寸，但基本在一個數(shù)量級上。入射光波長400760nm，分散粒子半徑11000 nm膠體的光學(xué)性質(zhì)是膠體高分散性和多相性特征的反應(yīng)膠體的光學(xué)性質(zhì)是膠體高分散性和多相性特征的反應(yīng)光源透鏡溶膠丁達(dá)爾效應(yīng)Tyndall 現(xiàn)象反射當(dāng)入射光波長小于小于粒子

7、直徑時不產(chǎn)生丁達(dá)爾效應(yīng)散射當(dāng)入射光波長大于大于粒子直徑時產(chǎn)生丁達(dá)爾效應(yīng)可見光波長：47.610-7m膠體粒子直徑：10-910-6m,散射。粗分散系統(tǒng)直徑： 10-610-5m,只有反射。真溶液，均相，乳光很弱。二、雷利公式(膠體分散系統(tǒng)散射光強(qiáng)度)：022221222142)2(InnnnCVkI式中：入射光的波長 C：單位體積內(nèi)粒子數(shù) V：單個粒子體積 n1 n2:分散相與分散介質(zhì)的折射率 I0：入射光的強(qiáng)度 k：常數(shù)討論1、IV2，真溶液體積小，乳光弱；2、I 1/4,波長越短，散射光的強(qiáng)度越強(qiáng)；白光中 紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫，最強(qiáng)？3、I n12- n22,分散相與分散介質(zhì)之間折射

8、率差大，散 射光強(qiáng)；(高分子溶液折射率差小，乳光不明顯)4、I C,在相同條件下，I1/I2=C1/C2，濁度計原理。022221222142)2(InnnnCVkI14.4 膠體的動力性質(zhì)分子運(yùn)動論氣體：熱運(yùn)動、擴(kuò)散稀溶液：依數(shù)性膠體分散系統(tǒng)：具有如上性質(zhì)布朗運(yùn)動、擴(kuò)散、沉降平衡 在顯微鏡下可看到懸浮于水中的花粉粒子處于不停息、無規(guī)則的運(yùn)動。一般小于410-6 m的粒子都有這種運(yùn)動，它是粒子熱運(yùn)動的必然結(jié)果。一、布郎運(yùn)動213rLRTtx -愛因斯坦-布朗平均位移公式 在有濃度梯度時，膠體粒子因熱運(yùn)動而發(fā)生宏在有濃度梯度時，膠體粒子因熱運(yùn)動而發(fā)生宏觀上定向遷移運(yùn)動。觀上定向遷移運(yùn)動。二、擴(kuò)散

9、 多相分散系統(tǒng)中物質(zhì)的粒子因受重力作用而下多相分散系統(tǒng)中物質(zhì)的粒子因受重力作用而下沉的過程叫沉的過程叫沉降沉降。 沉降過程產(chǎn)生濃度梯度，而擴(kuò)散過程是消除濃沉降過程產(chǎn)生濃度梯度，而擴(kuò)散過程是消除濃度梯度，當(dāng)兩者達(dá)平衡時叫做度梯度，當(dāng)兩者達(dá)平衡時叫做沉降平衡沉降平衡。即：即：沉降速度沉降速度= =擴(kuò)散速度擴(kuò)散速度三、沉降與沉降平衡 a b c分散度不同，沉降平衡不同120121lnhhRTMgcc14.5 膠體的電學(xué)性質(zhì) 膠體是熱力學(xué)不穩(wěn)定系統(tǒng)，具有較高的表面能，粒子有自動聚集的趨勢。但實際上膠體可以在相當(dāng)長的時間內(nèi)穩(wěn)定存在。由于膠體帶電膠體帶電。電泳電滲流動電位沉降電位一、電動現(xiàn)象 在外電場作用

10、下，膠粒在分散介質(zhì)中的定向移動。（膠粒帶電、帶正電的膠粒移向負(fù)極）1、電泳Fe(OH)3NaOH小介質(zhì)的黏度、粒子的大梯度粒子帶電量、外加電位電泳速度 在多孔膜（或毛細(xì)管）兩端加電壓，液體分散介質(zhì)作定向移動。2.電滲：- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - - -

11、 - - - - - - - - - - - - - - -E+v滑移面 在外力作用下，迫使分散介質(zhì)通過多孔膜作定向移動，在多孔膜兩端產(chǎn)生的電勢差。3.流動電勢：v 分散相粒子在重力場（或離心力場）作用下迅速移動，產(chǎn)生的電勢差。4.沉降電勢：+1、膠粒從溶液中選擇性吸附某種離子而帶電；2、膠粒分子本身電離作用使離子進(jìn)入溶液而帶電。二、擴(kuò)散雙電層理論膠粒帶電+-+雙電層電位：DE4問題提出：1、液體在遠(yuǎn)離膠粒的液層是流動的，在膠粒附近 不流動？2、電位與電極電位有何區(qū)別， ?3、電解質(zhì)為何能影響電位的大?。?、 電位的符號不但與固相有關(guān)，也與溶液中某 種離子過剩有關(guān)？擴(kuò)散雙電層理論+-緊密層擴(kuò)散

12、層NMBCDA擴(kuò)散雙電層模型1、緊密層是不流動層，擴(kuò)散層是流動層，兩部分形成雙電層，稱擴(kuò)散雙電層；2、MN與CD之間的電位差為，稱熱力學(xué)電位；AB與CD之間的電位差為電位；因緊密層中和掉部分電荷，所以引力 溶膠暫時穩(wěn)定 斥力0.03V 溶膠穩(wěn)定 電位絕對值Cs+Rb+K+Na+Li相同陽離子陰離子對帶正電荷溶膠的聚沉能力：Cl- Br- NO3- I-五、其他因素對溶膠聚沉的影響1、膠體系統(tǒng)的相互作用： 兩種相反電荷的溶膠混合，會發(fā)生聚沉。2、高分子化合物對溶膠的作用： 溶膠中加入少量高分子化合物，會降低溶膠的穩(wěn)定性，甚至?xí)l(fā)生聚沉。 加入較多高分子化合物時會增加溶膠的穩(wěn)定性。3、溶膠濃度的影

13、響： 溶膠濃度增大，加速聚沉。14.7 科學(xué)家簡史布朗布朗（1773-1858） 布朗布朗是英國著名植物學(xué)家，1773年12月21日生于蘇格蘭的蒙特羅斯，長期從事植物分類學(xué)研究。1827年，他在用顯微鏡觀察水中懸浮的花粉粒子時，發(fā)現(xiàn)粒子在無外力作用下，總不停地運(yùn)動。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)懸浮在液體或氣體中的微粒（直徑約為10-3m.m），稱為“布朗布朗微?！保┳饔啦煌５臒o規(guī)則運(yùn)動，后來人們把這種現(xiàn)象稱為“布朗布朗運(yùn)動”。這是一種很有名的自然現(xiàn)象，間接顯示物質(zhì)分子處于永恒的熱運(yùn)動中。 1905年愛因斯坦提出微粒運(yùn)動理論闡明了布朗布朗運(yùn)動，是由分子運(yùn)動所引起的。布朗布朗1858年6月10日在倫敦逝世，享年84歲。14.8 科學(xué)小讀物 反滲透法凈化水反滲透法凈化水 反滲透是滲透的逆向過程。若在半透膜的濃溶液一側(cè)施加一個大于滲透壓的壓力時，溶劑的流動方向?qū)⑴c原來的滲透方向相反，從濃溶液向稀溶液一側(cè)流動，這一過程即為反滲透。反滲透已廣泛應(yīng)用于各種液體的提純與濃縮，其中最普遍的應(yīng)用實例便是在水處理工藝中，用反滲透技術(shù)將原水中的無機(jī)離子、細(xì)菌、病毒、有機(jī)物及膠體等雜質(zhì)去除，以獲得高質(zhì)量的純凈水。我國是一個水資源匱乏的大國，據(jù)預(yù)測，2030年，全國實際可利用水資源量接