物理化學(xué)第十二章膠體化學(xué)課件

1、孫立祥孫立祥魯東大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院魯東大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院物理化學(xué)物理化學(xué)2膠體化學(xué)膠體化學(xué)第十二章第十二章 3 膠體化學(xué)是物理化學(xué)的一個(gè)重要分支。它所研究的膠體化學(xué)是物理化學(xué)的一個(gè)重要分支。它所研究的領(lǐng)域是化學(xué)、物理學(xué)、材料科學(xué)、生物化學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域是化學(xué)、物理學(xué)、材料科學(xué)、生物化學(xué)等諸多學(xué)科的交叉與重疊，它已成為這些學(xué)科的重要基礎(chǔ)理論。的交叉與重疊，它已成為這些學(xué)科的重要基礎(chǔ)理論。 膠體化學(xué)的理論和技術(shù)現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于化工、石膠體化學(xué)的理論和技術(shù)現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于化工、石油開采、催化、涂料、造紙、農(nóng)藥、紡織、食品、化妝油開采、催化、涂料、造紙、農(nóng)藥、紡織、食品、化妝品、染料、醫(yī)藥和環(huán)境保護(hù)等

2、工業(yè)部門和技術(shù)領(lǐng)域。品、染料、醫(yī)藥和環(huán)境保護(hù)等工業(yè)部門和技術(shù)領(lǐng)域。4膠體化學(xué)主要研究對象是多相分散系統(tǒng)膠體化學(xué)主要研究對象是多相分散系統(tǒng) 分散系統(tǒng)：分散系統(tǒng)：一種或幾種物質(zhì)分散在另一種物質(zhì)之中所構(gòu)成一種或幾種物質(zhì)分散在另一種物質(zhì)之中所構(gòu)成的系統(tǒng)的系統(tǒng)分分 散散 相：相：被分散的物質(zhì)被分散的物質(zhì)分散介質(zhì)：分散介質(zhì)：另一種連續(xù)分布的物質(zhì)另一種連續(xù)分布的物質(zhì)5根據(jù)分散相粒子的大小，分散系統(tǒng)可分為：根據(jù)分散相粒子的大小，分散系統(tǒng)可分為：真溶液真溶液 d 1nm 膠體分散系統(tǒng)膠體分散系統(tǒng) 1 d 1000nm懸浮液懸浮液乳狀液乳狀液泡沫泡沫粉塵粉塵 溶膠溶膠高分子溶液高分子溶液締合膠體締合膠體各類分散系

3、統(tǒng)性質(zhì)、實(shí)例見下表：各類分散系統(tǒng)性質(zhì)、實(shí)例見下表：6類型類型分散相粒子直徑分散相粒子直徑分散相分散相性質(zhì)性質(zhì)實(shí)例實(shí)例真真溶溶液液分子溶液分子溶液離子溶液等離子溶液等d 1nm小分子小分子離子離子原子原子均相，熱力學(xué)穩(wěn)定系統(tǒng)，擴(kuò)散均相，熱力學(xué)穩(wěn)定系統(tǒng)，擴(kuò)散快、能透過半透膜，形成真溶快、能透過半透膜，形成真溶液液氯化鈉或蔗糖的水氯化鈉或蔗糖的水溶液?；旌蠚怏w等溶液?；旌蠚怏w等膠膠體體分分散散系系統(tǒng)統(tǒng)溶膠溶膠1 d 1000nm膠體粒子膠體粒子多相，熱力學(xué)不穩(wěn)定系統(tǒng)，擴(kuò)多相，熱力學(xué)不穩(wěn)定系統(tǒng)，擴(kuò)散慢、不能透過半透膜，成膠散慢、不能透過半透膜，成膠體體金溶膠，氫氧化鐵金溶膠，氫氧化鐵溶膠溶膠高分子溶液

4、高分子溶液1 d 1000nm高（大）分高（大）分子子均相，熱力學(xué)穩(wěn)定系統(tǒng)，擴(kuò)散均相，熱力學(xué)穩(wěn)定系統(tǒng)，擴(kuò)散慢、不能透過半透膜，成真溶慢、不能透過半透膜，成真溶液液聚乙烯醇水溶液聚乙烯醇水溶液締合膠體締合膠體1 d cmc粗粗分分散散乳狀液乳狀液泡沫泡沫懸浮液懸浮液d 1000nm粗顆粒粗顆粒多相，熱力學(xué)不穩(wěn)定系統(tǒng)，擴(kuò)多相，熱力學(xué)不穩(wěn)定系統(tǒng)，擴(kuò)散慢、不能透過半透膜或?yàn)V紙，散慢、不能透過半透膜或?yàn)V紙，形成懸浮液或乳狀液形成懸浮液或乳狀液渾濁泥水，牛奶，渾濁泥水，牛奶，豆?jié){等豆?jié){等分散系統(tǒng)分類（按分散相粒子大?。┓稚⑾到y(tǒng)分類（按分散相粒子大?。?也可依據(jù)分散相和分散介質(zhì)聚集狀態(tài)的不同分類：也可依據(jù)分

5、散相和分散介質(zhì)聚集狀態(tài)的不同分類： 分散介質(zhì)分散介質(zhì)分散相分散相名稱名稱實(shí)例實(shí)例氣氣液液固固氣溶膠氣溶膠云，霧，噴霧云，霧，噴霧煙，粉塵煙，粉塵液液氣氣液液固固泡沫泡沫乳狀液乳狀液液溶膠或懸浮液液溶膠或懸浮液肥皂泡沫肥皂泡沫牛奶，含水原油牛奶，含水原油金溶膠，油墨，泥漿金溶膠，油墨，泥漿固固氣氣液液固固固溶膠固溶膠泡沫塑料泡沫塑料珍珠，蛋白石珍珠，蛋白石有色玻璃，某些合金有色玻璃，某些合金812-1 溶膠的制備溶膠的制備聚集法聚集法小變大小變大分散法分散法大變小大變小粗分散系統(tǒng)粗分散系統(tǒng)膠體系統(tǒng)膠體系統(tǒng)分子分散系統(tǒng)分子分散系統(tǒng)d 1000nm1 d 1000nmd 波長時(shí)，發(fā)生光的反射；波長時(shí)

6、，發(fā)生光的反射； 當(dāng)粒子粒徑當(dāng)粒子粒徑 1，質(zhì)點(diǎn)表面可當(dāng)作平面處理，有：，質(zhì)點(diǎn)表面可當(dāng)作平面處理，有：式中：式中：v 電泳速度，單位為電泳速度，單位為m s1； E 電場強(qiáng)度（或稱電位梯度），單位為電場強(qiáng)度（或稱電位梯度），單位為Vm1； u 膠核的電遷移率，單位為膠核的電遷移率，單位為m2 V1 s1， 表示單位場強(qiáng)下的電泳速度；表示單位場強(qiáng)下的電泳速度； 介質(zhì)的介電常數(shù)，單位介質(zhì)的介電常數(shù)，單位F m1， = r 0 ; r 相對介電常數(shù)，相對介電常數(shù)， 0 真空介電常數(shù)；真空介電常數(shù)； 介質(zhì)的粘度，單位為介質(zhì)的粘度，單位為Pa s。Smoluchowski公式公式溶膠粒子的溶膠粒子的 電

7、勢，可利用電泳速度數(shù)據(jù)通過如下計(jì)算獲得：電勢，可利用電泳速度數(shù)據(jù)通過如下計(jì)算獲得： vuEezh=vEhze=即即52 球形粒子半徑球形粒子半徑 r 較小較小 雙電層厚度雙電層厚度 -1較大較大 Hckel 公式公式該式一般用于非水體系該式一般用于非水體系當(dāng)當(dāng)即即 r Cs+ Rb+ NH4+ K+ Na+ Li+ 負(fù)離子的聚沉能力負(fù)離子的聚沉能力 ： FClBrNO3IOH正離子水化能力強(qiáng)。正離子水化能力強(qiáng)。 r , 水化能力水化能力 , 水化層厚水化層厚, 進(jìn)入緊密層進(jìn)入緊密層少少, 聚沉能力聚沉能力 負(fù)負(fù)離子水化能力弱。離子水化能力弱。 r , 水化能力水化能力 , 水化層薄水化層薄,

8、進(jìn)入緊密層進(jìn)入緊密層多多, 聚沉能力聚沉能力 豆?jié){（帶負(fù)電的大豆蛋白溶膠）中加入鹵水制作豆腐的豆?jié){（帶負(fù)電的大豆蛋白溶膠）中加入鹵水制作豆腐的過程實(shí)際就是利用電解質(zhì)使溶膠發(fā)生聚沉的實(shí)例過程實(shí)際就是利用電解質(zhì)使溶膠發(fā)生聚沉的實(shí)例 65(2) 高分子化合物的聚沉作用高分子化合物的聚沉作用j搭橋效應(yīng)搭橋效應(yīng) 一個(gè)大分子通過吸附，把許多膠一個(gè)大分子通過吸附，把許多膠 粒聯(lián)結(jié)起來，變成較大的聚集體而聚沉；粒聯(lián)結(jié)起來，變成較大的聚集體而聚沉；k脫水效應(yīng)脫水效應(yīng) 高分子對水的親合力強(qiáng)，它的存高分子對水的親合力強(qiáng)，它的存 在，使膠粒脫水，失去水化外殼而聚沉；在，使膠粒脫水，失去水化外殼而聚沉；電中和效應(yīng)電中和

9、效應(yīng) 離子型的高分子，吸附到帶電離子型的高分子，吸附到帶電 膠粒上，中和了粒子表面電荷，使粒子間膠粒上，中和了粒子表面電荷，使粒子間 斥力降低，進(jìn)而聚沉。斥力降低，進(jìn)而聚沉。66若在溶膠中加入較多的高分子化合物，許多個(gè)高分于化合物若在溶膠中加入較多的高分子化合物，許多個(gè)高分于化合物的一端吸附在同一個(gè)分散相粒子的表面上，如（的一端吸附在同一個(gè)分散相粒子的表面上，如（b）圖所示，）圖所示，將分散相粒子完全包圍起來，對溶膠則起到保護(hù)作用。將分散相粒子完全包圍起來，對溶膠則起到保護(hù)作用。6712.6 乳狀液乳狀液由兩種不互溶或部分互溶的液體所形成的粗分散系統(tǒng)，稱為由兩種不互溶或部分互溶的液體所形成的粗

10、分散系統(tǒng)，稱為乳狀液乳狀液。類型類型水包油，水包油，O/W，油分散在水中油分散在水中油包水，油包水，W/O，水分散在油中水分散在油中O + W + 乳化劑乳化劑 乳狀液乳狀液乳化劑乳化劑表面活性劑表面活性劑固體粉末固體粉末681. 乳狀液類型的鑒別乳狀液類型的鑒別(1)染色法：染色法：將油（水）溶性染料滴入乳狀液，將油（水）溶性染料滴入乳狀液， 在顯微鏡下觀察，染色的一相為油在顯微鏡下觀察，染色的一相為油 （水）相。（水）相。(2)稀釋法：稀釋法：將乳狀液滴入水中或油中，若乳狀將乳狀液滴入水中或油中，若乳狀 液在水中能稀釋，即為液在水中能稀釋，即為O/W型；在型；在 油中能稀釋，即為油中能稀釋

11、，即為W/O型。型。(3)導(dǎo)電法：導(dǎo)電法：O/W型乳狀液的導(dǎo)電性能遠(yuǎn)好于型乳狀液的導(dǎo)電性能遠(yuǎn)好于 W/O型乳狀液，通過測電導(dǎo)可區(qū)別型乳狀液，通過測電導(dǎo)可區(qū)別 兩者。兩者。692. 乳狀液的穩(wěn)定乳狀液的穩(wěn)定(1) 降低界面張力降低界面張力 (a) 加入表面活性劑，加入表面活性劑， ，G表表 ，穩(wěn)定性，穩(wěn)定性 (b) 表面活性劑的表面活性劑的HLB值可決定形成乳狀液值可決定形成乳狀液 的類型：的類型： HLB值值 2-6: 形成形成W/O型乳狀液；型乳狀液； HLB值值12-18: 形成形成O/W型乳狀液。型乳狀液。70 大頭朝外，小頭向內(nèi)，表面活性劑可緊密排列，形成大頭朝外，小頭向內(nèi)，表面活性劑

12、可緊密排列，形成厚壁，使乳狀液穩(wěn)定。厚壁，使乳狀液穩(wěn)定。（2 2）形成定向楔的界面）形成定向楔的界面 二價(jià)堿金屬皂類，二價(jià)堿金屬皂類，形成形成W/O型乳狀液：型乳狀液：一價(jià)堿金屬皂類，一價(jià)堿金屬皂類， 形成形成O/W型型乳狀液：乳狀液：71（3）形成擴(kuò)散雙電層）形成擴(kuò)散雙電層 離子型表面活性劑可形成擴(kuò)散雙電層，使乳狀液穩(wěn)定。離子型表面活性劑可形成擴(kuò)散雙電層，使乳狀液穩(wěn)定。（4）界面膜的穩(wěn)定作用）界面膜的穩(wěn)定作用 增強(qiáng)界面膜的強(qiáng)度，可增加乳狀液的穩(wěn)定性。增強(qiáng)界面膜的強(qiáng)度，可增加乳狀液的穩(wěn)定性。72（5）固體粉末的穩(wěn)定作用）固體粉末的穩(wěn)定作用某些固體粉末也可起乳化穩(wěn)定劑的作用：某些固體粉末也可起乳

13、化穩(wěn)定劑的作用：親水親水的固體粉末，可形成的固體粉末，可形成O/W型的乳狀液，型的乳狀液，如粘土等，如粘土等，親油親油的固體粉末，可形成的固體粉末，可形成W/O型的乳狀液，型的乳狀液，如石墨、煤煙等如石墨、煤煙等733. 乳狀液的去乳化乳狀液的去乳化破乳方法：破乳方法：物理方法：物理方法：加熱，離心分離，靜電破乳，超聲波破乳；加熱，離心分離，靜電破乳，超聲波破乳；物理化學(xué)方法：物理化學(xué)方法：加入破乳劑加入破乳劑使乳狀液破壞的過程，稱為破乳或去乳化作用。使乳狀液破壞的過程，稱為破乳或去乳化作用。74 不能形成牢固膜的表面活性物質(zhì)代替原來的乳化劑。不能形成牢固膜的表面活性物質(zhì)代替原來的乳化劑。例如

14、異戊醇，它的表面活性很強(qiáng)，但因碳?xì)滏湻植娑鵁o例如異戊醇，它的表面活性很強(qiáng)，但因碳?xì)滏湻植娑鵁o法形成牢固的界面膜。法形成牢固的界面膜。 加入某些能與乳化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)，消除乳化加入某些能與乳化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)，消除乳化 劑的保護(hù)作用。例如在以油酸鈉為穩(wěn)定劑的乳狀液中加劑的保護(hù)作用。例如在以油酸鈉為穩(wěn)定劑的乳狀液中加入無機(jī)酸，使油酸鈉變成不具有乳化作用的油酸，而達(dá)入無機(jī)酸，使油酸鈉變成不具有乳化作用的油酸，而達(dá)到破乳的目的。到破乳的目的。 加入類型相反的乳化劑，如向加入類型相反的乳化劑，如向OW型的乳狀液中加入型的乳狀液中加入WO型的乳化劑。型的乳化劑。75Donnan平衡 在大分子電解

15、質(zhì)中通常含有少量電解質(zhì)雜質(zhì)，即使雜質(zhì)含量很低，但按離子數(shù)目計(jì)還是很可觀的。 在半透膜兩邊，一邊放大分子電解質(zhì)，一邊放純水。大分子離子不能透過半透膜，而離解出的小離子和雜質(zhì)電解質(zhì)離子可以。 由于膜兩邊要保持電中性，使得達(dá)到滲透平衡時(shí)小離子在兩邊的濃度不等。 Donnan從熱力學(xué)的角度，分析了小離子的膜平衡情況，并得到了滿意的解釋。故這種平衡稱為Donnan平衡 76聚電解質(zhì)溶液的滲透壓 由于大分子物質(zhì)的濃度不能配得很高，否則易發(fā)生凝聚，如等電點(diǎn)時(shí)的蛋白質(zhì)，所以產(chǎn)生的滲透壓很小，用這種方法測定大分子的摩爾質(zhì)量誤差太大。（1）不電離的大分子溶液 12c RT 是大分子溶液的濃度。 2c 由于大分子P

16、不能透過半透膜，而H2O分子可以，所以在膜兩邊會(huì)產(chǎn)生滲透壓。滲透壓可以用不帶電粒子的范霍夫公式計(jì)算，即：77（2）大分子電解質(zhì)帶有電荷 蛋白質(zhì)分子Pz- 不能透過半透膜，而Na+可以，但為了保持溶液的電中性，Na+也必須留在Pz-同一側(cè) 。zNa PNaPzz 以蛋白質(zhì)的鈉鹽為例，它在水中發(fā)生如下離解： 這種Na+在膜兩邊濃度不等的狀態(tài)就是唐南平衡。因?yàn)闈B透壓只與粒子的數(shù)量有關(guān)，所以： 22(1)zc RT78 在蛋白質(zhì)鈉鹽的另一側(cè)加入濃度為C1的小分子電解質(zhì)，如上圖。 雖然膜兩邊NaCl的濃度不等，但達(dá)到膜平衡時(shí)NaCl在兩邊的化學(xué)勢應(yīng)該相等，即：（3）有外加電解質(zhì)時(shí)的大分子溶液 (NaCl

17、,NaCl,左） （右） 達(dá)到膜平衡時(shí)（如下圖），為了保持電中性，有相同數(shù)量的Na+ 和Cl-擴(kuò)散到了左邊。79即ClClNaNa()()aaaa左右+Na Cl =Na Cl 左左右右設(shè)所有活度因子均為1，得：212)()xcxxzc（即12212czccx解得NaCl,NaCl,aa左右NaCl,NaCl,lnlnRTaRTa左右80 由于滲透壓是因?yàn)槟蛇叺牧Ｗ訑?shù)不同而引起的，所以：3221(2 )2() czcxcxRT左右221(24 )czccx RT將 代入 計(jì)算式得：x322222 1232122zcc cz cRTzcc81（A）當(dāng)加入電解質(zhì)太少， ，與(2)的情況類似：21

18、zcc 2322(1)()czcRcTzRT22222 1232122zcc cz cRTzcc（B）當(dāng)加入的電解質(zhì)足夠多， ，則與(1)的情況類似 ： 12czc32c RT 這就是加入足量的小分子電解質(zhì)后，使得用滲透壓法測定大分子的摩爾質(zhì)量比較準(zhǔn)確。82本章小結(jié)本章小結(jié) 膠體分散系統(tǒng)是分散相粒子尺度介于膠體分散系統(tǒng)是分散相粒子尺度介于11000 nm的分散系統(tǒng)，的分散系統(tǒng)，包括溶膠、高分子溶液和締合膠體，其中溶膠是本章討論的重包括溶膠、高分子溶液和締合膠體，其中溶膠是本章討論的重點(diǎn)。點(diǎn)。 溶膠的高分散性、多相性及熱力學(xué)不穩(wěn)定性等特征決定了其溶膠的高分散性、多相性及熱力學(xué)不穩(wěn)定性等特征決定了其基本性質(zhì)?；拘再|(zhì)。 本章重點(diǎn)介紹了其光學(xué)性質(zhì)本章重點(diǎn)介紹了其光學(xué)性質(zhì)(丁鐸爾效應(yīng)丁鐸爾效應(yīng))、動(dòng)力學(xué)性質(zhì)、動(dòng)力學(xué)性質(zhì)(布朗布朗運(yùn)動(dòng)、沉降及沉降平衡運(yùn)動(dòng)、沉降及沉降平衡)和電學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)(四種電動(dòng)現(xiàn)象及