蘇花衛(wèi)界面現(xiàn)象與膠體

第六單元一界面現(xiàn)象二擴散雙電層理論三膠體四膠體的性質(zhì)五溶液的穩(wěn)定與聚沉一界面現(xiàn)象（一）界面和表面surfaceandinterface

界面：兩相的接觸面。表面：固、液相與氣相的接觸面。

界面現(xiàn)象氣—液氣—固液—液固—液固—固表面現(xiàn)象（二）表面張力與表面自由能

體相內(nèi)部分子：所受四周鄰近相同分子的作用力是對稱的，各個方向的力彼此抵消（各向同性)；界面層的分子：一方面受到體相內(nèi)相同物質(zhì)分子的作用，另一方面受到性質(zhì)不同的另一相中物質(zhì)分子的作用，其作用力不能相互抵銷，因此，界面層分子由于其處在一不均勻?qū)ΨQ的力場會顯示出一些獨特的性質(zhì)。2表面自由能（表面吉布斯函數(shù)變）

表面層分子比體相內(nèi)部分子多具有的那部分能量。

表面自由能與表面張力的關(guān)系γ——表面張力表面張力與表面自由能會對液面產(chǎn)生什么影響？（三）表面現(xiàn)象

1彎曲液面的附加壓力

彎曲液面的內(nèi)外壓力差P=Pl-PgPl與Pg分別代表液體一側(cè)和氣體一側(cè)所承受的壓力.

（1）平面液體：表面張力的合力為零。

（2）凸面液體：表面張力的合力指向液體內(nèi)部。σ

l-gdAF=0σ

l-gσ

l-gσ

l-gdAΔp：緊壓力l

2潤濕

潤濕是指當液體接替固體時，原有的氣固表面或氣液表面自動地被液固表面所代替的現(xiàn)象。一部分被液固界面取代完全被液固界面取代液體自動鋪開成一層薄膜

3毛細現(xiàn)象

毛細管插入液體中，管內(nèi)外液面形成高度差的現(xiàn)象——毛細現(xiàn)象。當玻璃管插入汞中當玻璃管插入水中

毛細管現(xiàn)象的原因是由于有表面張力的存在。4固體表面的吸附

一種物質(zhì)自動附著在另一種物質(zhì)的表面上，從而導致在界面層中物質(zhì)的濃度或分壓與它在體相中不同濃度的現(xiàn)象稱為吸附。

被吸附的物質(zhì)稱為吸附質(zhì)，如甲烷、氯氣、氫氣等；具有吸附能力的固體物質(zhì)稱為吸附劑，如活性炭，分子篩，硅膠等。

二擴散雙電層理論二擴散雙電層理論

1879年，亥姆霍茲首先提出在固液兩相之間的界面上形成雙電層的概念：1正負電荷如平板電容器那樣分布；2兩層距離與離子半徑相當；3在外加電場下，帶電質(zhì)點與溶液中

反電離子分別向相反方向移動。(一)亥姆霍茲平板電容器模型

（Helmholtz）（一）概念三膠體Colloid把一種或幾種物質(zhì)分散在另一種物質(zhì)中就構(gòu)成分散體系。其中，被分散的物質(zhì)稱為分散相（dispersedphase），另一種物質(zhì)稱為分散介質(zhì)（dispersingmedium)。例如：云，牛奶，珍珠膠體是一種分散質(zhì)粒子直徑介于粗分散體系和溶液之間的一類分散體系，這是一種高度分散的多相不均勻體系。（二）分類1按分散相粒子的大小分類：

（1）分子分散體系：

分子分散體系膠體分散體系粗分散體系（3）粗分散體系：分散相粒子的半徑在1～100nm之間的體系。目測是均勻的，但實際是多相不均勻體系。也有的將1～1000nm之間的粒子歸入膠體范疇。（2）膠體分散體系：3按膠體溶液的穩(wěn)定性分類

（1）憎液溶膠：

半徑在1～100nm之間的難溶物固體粒子分散在液體介質(zhì)中，有很大的相界面，易聚沉，是熱力學上的不穩(wěn)定體系。一旦將介質(zhì)蒸發(fā)掉，再加入介質(zhì)就無法再形成溶膠，是一個不可逆體系，如氫氧化鐵溶膠、碘化銀溶膠等。這是膠體分散體系中主要研究的內(nèi)容。

半徑落在膠體粒子范圍內(nèi)的大分子,溶解在合適的溶劑中，一旦將溶劑蒸發(fā)，大分子化合物凝聚，再加入溶劑，又可形成溶膠，親液溶膠是熱力學上穩(wěn)定、可逆的體系。（2）親液溶膠：（三）制備

1分散法：大粒子變?。?）研磨法（2）膠溶法（3）超聲波分散法（4）電弧法2凝聚法：分子或粒子聚合成膠粒

（1）化學凝聚法（2）物理凝聚法

1研磨法

用機械粉碎的方法將固體磨細。這種方法適用于脆而易碎的物質(zhì)，對于柔韌性的物質(zhì)必須先硬化后再粉碎。例如，將廢輪胎粉碎，先用液氮處理，硬化后再研磨。膠體磨的形式很多，其分散能力因構(gòu)造和轉(zhuǎn)速的不同而不同。

2膠溶法又稱解膠法加入膠溶劑（電解質(zhì)），使新產(chǎn)生的沉淀重新分散成膠體。

如：氫氧化鐵、氫氧化鋁由于制備時缺少穩(wěn)定劑，因此會產(chǎn)生沉淀，此時，加入一些膠溶劑（如鹽酸或氯化鐵）經(jīng)攪拌后，沉淀就會轉(zhuǎn)化為溶膠。Fe(OH)3（新鮮沉淀）Fe(OH)3

(溶膠）3超聲分散法

用大于16000Hz的超聲波將物料粉碎。這種方法目前只用來制備乳狀液。如圖所示，將分散相和分散介質(zhì)兩種不混溶的液體放在樣品管4中。樣品管固定在變壓器油浴中。氣流粉碎類

將壓縮空氣經(jīng)噴嘴以

超音速射入粉碎去

進行粉碎。

1化學凝聚法

通過各種化學反應(yīng)使生成物呈過飽和狀態(tài)，使初生成的難溶物微粒結(jié)合成膠粒，在少量穩(wěn)定劑存在下形成溶膠，這種穩(wěn)定劑一般是某一過量的反應(yīng)物。例如：A.復分解反應(yīng)制硫化砷溶膠2H3AsO3（?。?3H2S→As2S3（溶膠）+6H2OB.水解反應(yīng)制氫氧化鐵溶膠

FeCl3（?。?3H2O（熱）→Fe(OH)3（溶膠）+3HCl2.物理凝聚法(1)更換溶劑法

利用物質(zhì)在不同溶劑中溶解度的顯著差別來制備溶膠，而且兩種溶劑要能完全互溶。例1.松香易溶于乙醇而難溶于水，將松香的乙醇溶液滴入水中可制備松香的水溶膠。例2.將硫的丙酮溶液滴入90℃左右的熱水中，丙酮蒸發(fā)后，可得硫的水溶膠。

(2)蒸氣驟冷法將汞的蒸氣通入冷水中就可以得到汞的水溶膠。羅金斯基等人利用下列裝置，制備堿金屬的苯溶膠。

4—金屬鈉，2—苯,5—液氮。先將體系抽真空，然后適當加熱管2和管4，使鈉和苯的蒸氣同時在管5外壁凝聚。除去管5中的液氮，凝聚在外壁的混合蒸氣融化，在管3中獲得鈉的苯溶膠。3

電弧法電弧法主要用于制備金、銀、鉑等金屬溶膠制備過程包括先分散后凝聚兩個過程。將金屬做成兩個電極，浸在水中，盛水的盤子放在冷浴中。在水中加入少量NaOH作為穩(wěn)定劑。制備時在兩電極上施加100V左右的直流電，調(diào)節(jié)電極之間的距離，使之發(fā)生電火花，這時表面金屬蒸發(fā)，是分散過程，接著金屬蒸氣立即被水冷卻而凝聚為膠粒。4包膜法采用適當包膜材料，在一定條件下，將水溶性或脂溶性的物質(zhì)進行包裹，形成微囊，將其分離純化，再分散在液體介質(zhì)中。

（1）滲析法簡單滲析將需要凈化的溶膠放在羊皮紙或動物膀胱等半透膜制成的容器內(nèi)，膜外放純?nèi)軇?/p>

利用膠體質(zhì)點不能透過半透膜而離子或小分子能透過半透膜的性質(zhì)，將多余的電解質(zhì)或低分子雜質(zhì)從溶膠中除去。如將裝有溶膠的半透膜容器不斷旋轉(zhuǎn)，可以加快滲析速度。五、溶膠的凈化（純化）

（1）滲析法（2）超過濾法電滲析

為了加快滲析速度，在裝有溶膠的半透膜兩側(cè)外加一個電場，使多余的電解質(zhì)離子向相應(yīng)的電極作定向移動。溶劑水不斷自動更換，這樣可以提高凈化速度。這種方法稱為電滲析法。（3）超過濾法

用半透膜作過濾膜，利用吸濾或加壓的方法使膠粒與含有雜質(zhì)的介質(zhì)在壓差作用下迅速分離。將半透膜上的膠粒迅速用含有穩(wěn)定劑的介質(zhì)再次分散。

(4)電超過濾

有時為了加快過濾速度，在半透膜兩邊安放電極，施以一定電壓，使電滲析和超過濾合并使用，這樣可以降低超過濾壓力。根據(jù)膠粒的雙電層結(jié)構(gòu)模型，膠體粒子的中心稱為膠核，由許多原子或分子聚集而成。在膠核周圍是由吸附在膠核表面上的離子（稱為定位離子）和部分反離子以及溶劑分子組成的緊密層。膠核和緊密層稱為膠粒；緊密層以外是擴散層，包括膠核、緊密層和擴散層，總稱為膠團。（六）膠體結(jié)構(gòu)AgNO3(稀aq)

+KI(稀aq)AgI+KNO3KI為少量：AgI溶膠吸附Ag＋帶正電，NO3－為反離子，AgNO3為穩(wěn)定劑。膠團結(jié)構(gòu)表示：

例：I－少量，生成帶正電的膠粒，NO3－為反離子膠粒{[AgI]mnAg+(n-x)NO3-}x+

x

NO3-

膠核

膠團可滑動面（六）膠體結(jié)構(gòu)（一）溶膠的動力性質(zhì)

1Brown運動(Brownianmotion)

1827年植物學家布朗（Brown)用顯微鏡觀察到懸浮在液面上的花粉粉末不斷地作不規(guī)則的運動。后來又發(fā)現(xiàn)許多其它物質(zhì)如煤、化石、金屬等的粉末也都有類似的現(xiàn)象。人們稱微粒的這種運動為布朗運動。七膠體的性質(zhì)2膠粒的擴散微粒的熱運動（布朗運動）在有濃度差時發(fā)生的物質(zhì)遷移現(xiàn)象，是個自發(fā)過程。如圖所示，在CDFE的桶內(nèi)盛溶膠，在某一截面AB的兩側(cè)溶膠的濃度不同，C1>C2。

由于分子的熱運動和膠粒的布朗運動，可以觀察到膠粒從C1區(qū)向C2區(qū)遷移的現(xiàn)象，這就是膠粒的擴散作用。3沉降平衡（sedimentationequilibrium）

溶膠是高度分散體系，膠粒一方面受到重力吸引而下降，另一方面由于布朗運動促使?jié)舛融呌诰?。當這兩種效應(yīng)相反的力相等時，粒子的分布達到平衡，粒子的濃度隨高度不同有一定的梯度，如圖所示。這種平衡稱為沉降平衡。（二）溶膠的光學性質(zhì)1光散射現(xiàn)象當光束通過分散體系時，一部分自由地通過，一部分被吸收、反射或散射?？梢姽獾牟ㄩL約在400～700nm之間。

（1）當光束通過粗分散體系，由于粒子大于入射光的波長，主要發(fā)生反射，使體系呈現(xiàn)混濁。

（2）當光束通過膠體溶液，由于膠粒直徑小于可見光波長，主要發(fā)生散射，可以看見乳白色的光柱。

（3）當光束通過分子溶液，由于溶液十分均勻，散射光因相互干涉而完全抵消，看不見散射光。

光散射的本質(zhì)

光是一種電磁波，照射溶膠時，分子中的電子分布發(fā)生位移而產(chǎn)生偶極子，這種偶極子像小天線一樣向各個方向發(fā)射與入射光頻率相同的光，這就是散射光。分子溶液十分均勻，這種散射光因相互干涉而完全抵消，看不到散射光。

溶膠是多相不均勻體系，在膠粒和介質(zhì)分子上產(chǎn)生的散射光不能完全抵消，因而能觀察到散射現(xiàn)象。3Rayleigh散射公式

1871年，Rayleigh研究了大量的光散射現(xiàn)象，對于粒子半徑在47nm以下的溶膠，導出了散射光總能量的計算公式，稱為Rayleigh公式：式中：A入射光振幅；v單位體積中粒子數(shù)；λ入射光波長；V每個粒子的體積；n1分散相折射率；n2分散介質(zhì)的折射率。（三）溶膠的電學性質(zhì)膠粒帶電的本質(zhì)（1）膠粒在形成過程中，膠核優(yōu)先吸附某種離子，使膠粒帶電。eg:在AgI溶膠的制備過程中，如果AgNO3過量，則膠核優(yōu)先吸附Ag+離子，使膠粒帶正電；如果KI過量，則優(yōu)先吸附I-離子，膠粒帶負電。（2）離子型固體電解質(zhì)形成溶膠時，由于正、負離子溶解量不同，使膠