溶膠和凝膠課件

1、關(guān)于溶膠與凝膠第一張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2.1 溶膠的性質(zhì)2.1.1 溶膠的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)一、擴(kuò)散Fick第一定律:單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)面積A的物質(zhì)量與擴(kuò)散系數(shù)D、濃度梯度dc/dx、和截面A的面積成正比。其中：阻力系數(shù)：得：注：就體系而言，濃度梯度越大，質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散越快；就質(zhì)點(diǎn)而言， 半徑越小，擴(kuò)散能力越強(qiáng)，擴(kuò)散速度越快。第二張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月擴(kuò)散定律的應(yīng)用（1）計(jì)算球形膠體粒子半徑。 ， D （可以測(cè)定） 根據(jù)公式求算r（2）估算非球形膠體粒子的軸比。測(cè)分子量 求算等效球阻力系數(shù)f0 由D計(jì)算實(shí)際阻力系數(shù)f 由f/f0計(jì)算軸比。（3）估算最大溶劑化量。第三張，P

2、PT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月二、布朗運(yùn)動(dòng) 液體分子撞擊著懸浮粒子，當(dāng)懸浮粒子所受力不均衡時(shí)，做連續(xù)的、不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，該現(xiàn)象為Brown運(yùn)動(dòng)。1905年Einstein 提出NA Avgadro常數(shù) （6.0221023）T 絕對(duì)溫度。 粘度。 r 半徑。 公式表明：當(dāng)其他條件不變時(shí)，微粒的平均位移的平方與時(shí)間及溫度T成正比，與粘度及r成反比。第四張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月膠粒密度， 溶劑密度，r 膠粒半徑， g 重力加速度。F浮力F重力F摩擦力三、沉降和沉降平衡： 粗分散體系（如泥沙的懸浮液）中的粒子由于重力的作用 最終全部沉降下來(lái)，這種現(xiàn)象稱為沉降。高度分散體系情 況則

3、不同，一方面粒子受重力下降；另一方面由于Brown運(yùn) 動(dòng)又促使?jié)舛融呄蚓弧．?dāng)這兩種效應(yīng)相反的力相等時(shí)， 粒子的分 布達(dá)平衡，形成了一定的濃度梯度。第五張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月不同分散體系中濃度降低一半時(shí)的高度 分散體系 分散程度(r/nm)粒子濃度降低一半時(shí)的高度(m) 氧氣 0.27 5000 分散度很高的金溶膠 1.86 2.15 金溶膠 8.35 0.025 粗分散金溶膠 186 0.0000002 藤黃懸浮液 230 0.00003粒子濃度的高度分布公式如下：式中：N2、 N1分別表示 X2、 X1高度時(shí)單位體積內(nèi)的粒子數(shù)，r 為粒子半徑g為重力加速度。公式表明：粒

4、子半徑越大，濃度隨高度變化越明顯。粒度很大的粗分散體系在沉降平衡時(shí)易完全沉降，說(shuō)明這種體系的布朗運(yùn)動(dòng)極為微弱動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性表現(xiàn)在沉降；粒度減到膠體范圍內(nèi)時(shí)擴(kuò)散能力顯著增加，濃度分布更加均勻。第六張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2.1.2 溶膠的光學(xué)性質(zhì) 丁道爾效應(yīng)一、丁道爾效應(yīng) 在暗室里將一束強(qiáng)光射過(guò)膠體溶液，則從側(cè)面（即在光的垂直方向上）觀察，可以清晰地看到明顯的光徑。這一現(xiàn)象稱為Tyndall效應(yīng)。Tyndall效應(yīng)的產(chǎn)生：膠體粒子對(duì)同一方向入射光的散射。一般而言，當(dāng)粒子半徑小于入射光波長(zhǎng)的一半時(shí)，光線絕大部分透過(guò)，散射光線很弱。第七張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月由上

5、式可以看出: (1)入射光波長(zhǎng)愈短其散射光強(qiáng)度也強(qiáng)。(2)散射光的強(qiáng)度隨粒子濃度增加而增加。(3)分散相顆粒體積越大，散射光越強(qiáng)。(4)分散相及分散介質(zhì)的折射率差別越大，散射光越強(qiáng)。雷萊研究了光的散射現(xiàn)象，并得到光散射強(qiáng)度(I)與入射光波長(zhǎng)(l)、入射光強(qiáng)度(Io)、單位體積中分散體系的粒子數(shù)(c)、粒子的體積(V)以及分散相及分散介質(zhì)的折射率n1及n2的關(guān)系式如下 二、 Rayleigh散射定律第八張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月考慮到散射光在各個(gè)方向上強(qiáng)度的差別，上述公式變?yōu)椋?當(dāng)膠體粒子直徑大于/10，超過(guò)Rayleigh定律限制，則散射光強(qiáng)度的角度分布散對(duì)稱性受到破壞，在與入

6、射光方向呈銳角的方向散射加強(qiáng)。（波長(zhǎng)為1.06微米的激光粒徑分析儀為什么可以測(cè)量50nm以上的膠體粒徑？）三、溶膠的顏色 溶膠中的質(zhì)點(diǎn)對(duì)可見(jiàn)光產(chǎn)生選擇性吸收，若溶膠對(duì)可見(jiàn)光的各部分吸收很弱，且大致相同，則溶膠是無(wú)色的；若溶膠能較強(qiáng)地選擇性吸收某一波長(zhǎng)的光，則透過(guò)光中該波長(zhǎng)部分變?nèi)酰苣z會(huì)呈現(xiàn)某種顏色。質(zhì)點(diǎn)對(duì)光的吸收主要取決于其化學(xué)結(jié)構(gòu)；如：AgCl幾乎不吸收可見(jiàn)光，所以它是白色的；AgBr和AgI只吸收藍(lán)色光，所以它們呈黃色和深黃色。Fe(OH)3膠體為紅色。 另外，膠體的顏色還與粒子對(duì)光的散射有關(guān)。第九張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月粒子直徑（nm）透射光側(cè)面光10-20黃籃25-

7、35紅暗綠35-45紅紫綠50-60籃紫黃70-80籃棕紅表21 不同粒徑銀溶膠的顏色第十張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2.1.3溶膠的電學(xué)性質(zhì) 電泳儀電泳: 電泳是指在電場(chǎng)作用下，溶膠粒子在分散介質(zhì)中的定向移動(dòng)現(xiàn)象。 一、電動(dòng)現(xiàn)象 電動(dòng)現(xiàn)象是指溶膠粒子的運(yùn)動(dòng)與電性能之間的關(guān)系。電動(dòng)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是由于雙電層結(jié)構(gòu)的存在，其緊密層和擴(kuò)散層中各具有相反的剩余電荷，在外電場(chǎng)或外加壓力下，它們發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。第十一張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 沉降(流動(dòng))電位:指在外力作用下，是分散相粒子(膠粒) 在分散介質(zhì)中迅速下降（流動(dòng)），而在液體的表面層與底層之間所產(chǎn)生的電位差。 電滲:指在

8、電場(chǎng)作用下，分散介質(zhì)(如水等)通過(guò)多孔膜或極細(xì)的毛細(xì)管而定向移動(dòng)的現(xiàn)象。第十二張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月二、質(zhì)點(diǎn)表面電荷的來(lái)源（1）電離作用：組成膠體粒子位置的電離。（集團(tuán)OH，NH2, COOH） 例如硅溶膠在弱酸性或堿性介質(zhì)中因表面硅酸的電離而帶負(fù)電荷： SiO2H2O H2SiO3 HSiO3H+ SiO32-2H+（2）離子吸附 組成膠核的離子（或能與膠核組成離子形成不溶物的離子）被優(yōu)先吸附。 （3）晶格取代 例如，粘土由鋁氧八面體和硅氧四面體的晶格組成。晶格中的A13+或Si4+有一部分被Mg2+或Ca2+取代而使粘土顆粒帶負(fù)電荷。（4）帶電磨擦 對(duì)非水系統(tǒng)。第十三張

9、，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月膠核：不溶性質(zhì)點(diǎn)如AgI吸附層：膠核附近的一部分反離子擴(kuò)散層：離膠核較遠(yuǎn)的部分反離子三、膠團(tuán)結(jié)構(gòu)第十四張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月AgI膠團(tuán)結(jié)構(gòu)(在KI溶液中)AgI膠團(tuán)結(jié)構(gòu)(在AgNO3溶液中)第十五張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月電位：在膠體粒子帶電的表面與電解質(zhì)溶液間有一滑動(dòng)界面，滑動(dòng)界面上的電勢(shì)稱電勢(shì)。Helmholtz 模型 Gouy-Chapman模型四、雙電層結(jié)構(gòu)模型和z電位第十六張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月式中：為表面電荷密度；為兩層間的距離；D為介質(zhì)的介電常數(shù)； 0為表面電位。說(shuō)明： 0隨距固體表面

10、的距離增大而直線下降；到溶膠中（很大） 00 。Helmholtz模型 Helmholtz 認(rèn)為膠粒的雙電層結(jié)構(gòu)類似于簡(jiǎn)單的平行板電容器，雙電層的里層在質(zhì)點(diǎn)表面上，相反符號(hào)的外層則在液體中第十七張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月GouyChapman模型 GouyChapman認(rèn)為溶液中的反離子是擴(kuò)散地分布在質(zhì)點(diǎn)周圍的空間里，由于靜電吸引，質(zhì)點(diǎn)附近處反離子濃度要大些，離質(zhì)點(diǎn)越遠(yuǎn)，反離子濃度越小，到距表面很遠(yuǎn)處過(guò)剩的反離子濃度為零。 由于在水溶液中質(zhì)點(diǎn)總是結(jié)合著一層水(其中含有部分反離子)，此水和其中的反離子可視為質(zhì)點(diǎn)的一部分，故在電泳時(shí)固液之間發(fā)生相對(duì)移動(dòng)的“滑動(dòng)面”應(yīng)在雙電層內(nèi)距表面

11、某一距離處。 該處的電位與溶液內(nèi)部的電位之差即為電位。 電位的大小取決于滑動(dòng)面內(nèi)反離子濃度的大小。進(jìn)入滑動(dòng)面內(nèi)的反離子越多, 電位越小，反之則越大。 電位的數(shù)值可以通過(guò)電泳或電滲速度的測(cè)定計(jì)算出來(lái)后面將有介紹。第十八張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月stern模型 stern認(rèn)為擴(kuò)散雙電層可分為兩層一層為緊靠粒子表面的緊密層其厚度 由被吸附離子的大小決定；另一層相似于GouyChapman雙電層中的擴(kuò)散層(電勢(shì)隨距離的增加呈曲線下降)其濃度由本體溶液的濃度決定。由于質(zhì)點(diǎn)表面總有一定數(shù)量的溶劑分子與其緊密結(jié)合，因此在電動(dòng)現(xiàn)象中這部分溶劑分子與粒子將作為一個(gè)整體運(yùn)動(dòng)，在固液相之間發(fā)生相對(duì)移

12、動(dòng)時(shí)也有滑動(dòng)面存在。第十九張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月紅球?yàn)槲綄与x子；蘭球代表相反電荷離子。Zeta電位：進(jìn)入滑移面內(nèi)的相反電荷離子越多Zeta電位越小，反之依然。Stern吸附擴(kuò)散雙電層理論第二十張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月U電泳時(shí)界面移動(dòng)速度，v為電滲時(shí)通過(guò)半透膜的液體體積， E為電場(chǎng)強(qiáng)度，q為半透膜毛細(xì)管總面積，為液體的介電常數(shù)，為液體的粘度系數(shù)。電泳電滲五、 電位的計(jì)算通過(guò)電泳速度數(shù)據(jù)計(jì)算電位 測(cè)定電泳或電滲速度可以計(jì)算電位第二十一張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2.1.4膠體穩(wěn)定性 Brown運(yùn)動(dòng)，范得華力靜電力，摩擦力，重力擴(kuò)散雙電層觀點(diǎn)：膠

13、粒帶電(有一定的 電位），使粒子間產(chǎn)生靜電斥力同時(shí)，膠粒表面水化，具有彈性水膜，它們也起斥力作用，從而阻止粒子間的聚結(jié)。2.1.4.1 溶膠的穩(wěn)定性 (1)熱力學(xué)穩(wěn)定性：表面能 (2)動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性 ：(3)聚集穩(wěn)定性：第二十二張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2.1.4.2 溶膠的聚沉 溶膠能穩(wěn)定存在的主要原因是帶有相同的電荷，膠粒間產(chǎn)生的排斥作用。一旦穩(wěn)定條件破壞，溶膠中粒子就合并、長(zhǎng)大，這一過(guò)程稱聚沉。溶膠聚沉方法加熱加電解質(zhì)溶膠相互聚沉第二十三張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1.電解質(zhì)的聚沉作用 C為常數(shù)， 介質(zhì)的介電常數(shù)， K為Boltzmann常數(shù)， T絕對(duì)溫度，A

14、為Van der waals引力常數(shù)， e為單位電荷， Z為反離子價(jià)數(shù)。一般規(guī)律： a.在溶膠中加入電解質(zhì)時(shí)，使電位降低，fo減小 b.電解質(zhì)濃度達(dá)到某一定數(shù)值，膠粒處于等電狀態(tài)，膠體的穩(wěn)定性最低。 c.電解質(zhì)過(guò)量，膠粒又帶電，但電性和原來(lái)的相反，稱為“再帶電“。 d.在相同濃度時(shí)離子價(jià)越高，聚沉能力越大，“聚沉值“ 越小.2.聚沉規(guī)律感膠離子序：負(fù)電性溶膠的聚沉能力為 ： H+Cs+Rb+NH4+K+Na+Li+ 具有相同陽(yáng)離子的各種陰離子，其對(duì)正電性溶膠的聚沉能力為 ： F-IO3-H2PO4-BrO3-Cl-ClO3-Br-I-CNS- 一定條件下，使溶膠全部聚沉所需電解質(zhì)的最低濃度稱為

15、聚沉值。第二十四張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3 溶膠的相互聚沉 1.DLVO理論 在一定條件下，膠體的穩(wěn)定性取決于膠粒間的相互吸引力和靜電斥力。第二十五張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月混合物/ml現(xiàn) 象混合后粒子的電荷Fe(OH)3As2O391無(wú)變化82長(zhǎng)時(shí)間后微混73立即聚沉55立即聚沉37完全聚沉不帶電28發(fā)生聚沉19發(fā)生聚沉0.29.8混濁但不聚沉表 溶膠的相互聚沉第二十六張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2. 空位穩(wěn)定理論 膠體粒子表面層內(nèi)高分子濃度低于液相中的濃度導(dǎo)致膠粒表面形成空位層。彈性斥力位能ERS = ERE + ERE + ER0 + ER

16、H 結(jié)構(gòu)熵斥力位能滲透斥力位能滲透熵斥力位能2.1.4.3 高分子穩(wěn)定膠體的穩(wěn)定作用向溶膠中加入高聚物，膠粒對(duì)聚合物分子可能產(chǎn)生負(fù)吸附，即膠粒表面層聚合物濃度低于溶液本體中的高聚物濃度，導(dǎo)致膠粒表面形成“空缺層”，在空缺層重疊時(shí)會(huì)發(fā)生排斥作用，使溶膠穩(wěn)定。1. 空間穩(wěn)定理論（1）帶電聚合物被吸附后增加了粒子之間的靜電排斥（ER） (2) 電中性高分子被吸附于膠體粒子表面減少了引力位能（EA） (3) 產(chǎn)生了新的斥力位能（ERS） 第二十七張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月靜止移動(dòng)x2.1.5流變性質(zhì)2.1.5.1 基本概念和術(shù)語(yǔ) (1)切變速度與切應(yīng)力切向流動(dòng)切變速度：dv/dx v和

17、x的單位分別為m/s和m，故v單位：s-1。切應(yīng)力: = F/A，單位為N/m2。粘度：剪切應(yīng)力與剪切速率的比值。即=/ 粘度的單位為Fm-2s，即Pas帕（斯卡）秒。第二十八張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月(2)牛頓公式 純液體和大多數(shù)低分子溶液在層流條件下的切應(yīng)力 與切變速度D成正比，有下式：式中：r與l分別為毛細(xì)管的半徑和長(zhǎng)度；v為在t秒內(nèi)液體所流過(guò)的毛細(xì)管體積；p為毛細(xì)管兩端的壓力差。b.轉(zhuǎn)筒式粘度計(jì) 同軸轉(zhuǎn)筒型粘度計(jì)主要研究非牛頓流體的流變性。此式即牛頓公式。為液體的粘度。(3)測(cè)定粘度的方法 a.毛細(xì)管粘度計(jì) 主要用于測(cè)定牛頓流體的粘度。毛細(xì)管粘度計(jì)的基本公式是 Pois

18、euille公式：第二十九張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月幾種基本流型塑性流體也叫Bingham體，其流變曲線不通過(guò)原點(diǎn)，即只有當(dāng)大于某一值(y)時(shí)，才開(kāi)始流動(dòng)， y稱為屈服值。y切應(yīng)力切變速度2.1.5.2 濃分散體系的流變性質(zhì) 牛頓體 塑性體 假塑體 脹流體 觸變流型第三十張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2.2 凝膠 2.2.1基本概念 在一定條件下，高分子溶質(zhì)或膠體粒子相互連接，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而溶劑小分子充滿在網(wǎng)架的空隙中，成為失去流動(dòng)性的半固體體系，稱為凝膠，這種凝膠化的過(guò)程稱為膠凝. 特點(diǎn)：在新形成的水凝膠中，不僅分散相(搭成網(wǎng)結(jié))是連續(xù)相，分散介質(zhì)(水)也是連續(xù)相。2.2.2 分類 彈性凝膠：凝膠過(guò)程完全是可逆的非彈性凝膠：溶膠凝膠的溶膠過(guò)程不可逆。第三十一張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2.3 凝膠的形成 2.3.1 凝膠形成的條件 (1)降低濃度，使被分散的物質(zhì)從溶液中以“膠體分散狀態(tài)”析出 (2)析出的質(zhì)點(diǎn)既不沉降，也不能自由行動(dòng)，而是構(gòu)成骨架，通過(guò)整個(gè)溶掖形成連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。2.3.2 凝膠形成的方法 (1)改變溫度 (2)加入非溶劑 (3)加入鹽類 (4)化學(xué)反應(yīng)第三十二張，PPT共三十七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2.3.3凝膠的結(jié)構(gòu)膠體粒子互聯(lián)結(jié)構(gòu)鏈狀大分子