第二章 膠體溶液及表面現象

無機化學1第二章膠體溶液及表面現象

本章學習重點：概念的理解。

無機化學2主要內容第一節(jié)溶膠第二節(jié)高分子化合物溶液第三節(jié)凝膠第四節(jié)物質的表面現象無機化學3第一節(jié)溶膠

膠體分散系包括溶膠、高分子溶液和締合膠體三類。膠體的分散相的粒子的大小為1~100nm，可以是一些小分子、離子或原子的聚集體，也可以是單個的大分子。分散介質可以是液體、氣體，或是固體。無機化學4分散介質分散相名稱實例氣體液體氣溶膠霧氣體固體氣溶膠煙液體氣體泡沫膠生奶油液體液體乳狀液牛奶液體固體溶膠油漆，細胞液固體氣體泡沫浮石固體液體凝膠果凍固體固體固體溶膠紅寶石玻璃無機化學5一、溶膠的性質

（一）膠粒對過濾器的通透性濾紙孔徑1000-5000nm

瓷板孔徑100nm無機化學6Tyndall現象

令一束聚焦的光束通過溶膠，則從側面可以看到一個發(fā)光的圓錐體，這種現象稱為Tyndall效應(Tyndalleffect)，又稱乳光現象。（二）溶膠的光學性質---丁鐸爾現象

無機化學7無機化學8d

略小于λ或接近于λd>>λd<<λ

光波環(huán)繞膠粒向各個方向散射，成為散射光或稱乳光。

丁達爾現象的應用：區(qū)分真溶液、懸濁液和溶膠。真溶液，懸濁液均無明顯的丁達爾現象，故丁達爾現象是區(qū)分真溶液、懸濁液和溶膠的最簡便的方法。無機化學9

(三)溶膠的動力學性質

1.布朗運動與擴散

用超顯微鏡觀察溶膠時，可以觀察到膠體粒子在介質中作不規(guī)則運動，稱為Brown運動。無機化學10

原因：一是溶膠粒子受到分散介質分子不均勻的撞擊時，合力未完全抵消引起的；二是溶膠粒子自身的熱運動引起的。

特點：①粒子愈小，溫度愈高，布朗運動愈劇烈；且其運動的劇烈程度不隨時間而改變。②其它微粒也有類似現象。擴散：當溶膠中的膠粒存在濃度差時，膠粒將從濃度大的區(qū)域向濃度小的區(qū)域移動，稱為擴散(diffusion)。擴散現象是由膠粒的布朗運動引起的。無機化學112.沉降平衡沉降：分散相粒子在重力作用下漸漸向容器底部降落的現象稱為沉降(sedimentation)。沉降平衡：膠體分散系一方面粒子受到重力而下降，而另一方面由于布朗運動引起的擴散作用而向上，當沉降速度等于擴散速度時，溶膠體系就處于平衡狀態(tài)，這種平衡稱為沉降平衡。沉降平衡時，粒子的分布達到平衡，形成一定的濃度梯度(底部濃度最大，隨著高度的增加，粒子濃度逐漸降低)。無機化學12（四）溶膠的電學性質1.電泳和電滲向U形管中注入有色溶膠，在液面上加NaCl溶液，兩相之間有一清晰的界面。插入電極，通直流電后，可看到負極一端有色溶膠液面下降，而正極一端液面上升，表明溶膠向正極移動。這種在外電場作用下，膠粒在介質中定向移動的現象，稱為電泳。

無機化學13意義：電泳現象可以說明膠粒帶電荷，并且根據電泳方向可以確定膠粒帶何種電荷。大多金屬氫氧化物溶膠的膠粒帶正電—稱為正溶膠。大多數金屬硫化物溶膠、硅膠、金、硫等帶負電—稱為負溶膠。無機化學14電滲：在外電場的作用下，液體介質通過多孔隔膜向帶相反電荷的電極方向移動的現象稱為電滲。若膠粒帶正電荷，介質必然帶負電荷而向正極移動。意義：通過電滲管刻度支管中液面的升降，判斷液體介質的移動方向及介質所帶的電荷符號。無機化學152.膠粒帶電的原因（1）膠核界面的選擇性吸附：膠粒能從分散介質中選擇性的吸附一種離子，使其本身帶有電荷。膠核常選擇性的吸附組成與其相似的離子。例：制備Fe(OH)3溶膠，反應為：部分Fe(OH)3與HCl作用：

Fe(OH)3膠核就吸附與其組成相似的FeO+而帶正電荷。無機化學16（2）膠粒表面分子的解離例：硅膠的膠核由許多xSiO2·yH2O分子組成，表層分子與H2O作用生成硅酸：H2SiO3HSiO3

-+H+

硅酸電離出的H+擴散到介質中去，

SiO32-則留在膠核表面，結果使膠粒帶負電荷。HSiO3

-SiO3

2-+H+無機化學17膠團結構示意圖3.膠團的結構---雙電層結構膠核吸附層擴散層膠粒膠團無機化學181.m個Fe(OH)3分子聚成的固體粒子---膠核。[Fe(OH)3]m2.膠核選擇性吸附：nFeO+離子，帶正電。

3.靜電作用，吸附少量Cl-,(n-x)Cl-吸附層：

nFeO+·(n-x)Cl-

膠核與吸附層組成膠粒。n﹥x，膠粒帶x正電荷。4.據呈電中性的要求，膠粒仍然要吸附Cl-，這部分Cl-借助于擴散作用分布于離膠核較遠處形成擴散層:

xCl-。與膠粒帶相反電荷的離子，稱反離子。無機化學19｛[Fe(OH)3]m·nFeO+·(n-x)Cl-

｝x+·xCl-膠核膠粒膠團（電中性）吸附層擴散層

由吸附層和擴散層構成的電性相反的兩層結構稱為膠團的雙電層結構。無機化學20練習：將10.0mL0.005mol·L-1AgNO3溶液和10.0mL0.002mol·L-1KBr溶液混合制備AgBr溶膠。寫出該溶膠的膠團結構。解：n(Ag+)=0.005mol·L-1×10.0mL=0.05mmoln(Br－)=0.002mol·L-1×10.0mL=0.02mmol

由于

n(Ag+)>n(Br－)，AgNO3溶液過量，膠核(AgBr)m優(yōu)先吸附Ag+形成帶正電荷的膠粒。膠團的結構為：

[(AgBr)m·nAg+·(n-x)NO3－]x+·xNO3-

無機化學21｛[AgBr]m·

nBr-·(n-x)K＋｝x－

·xK＋

膠核膠粒膠團吸附層擴散層同理，可以寫出AgBr溶膠的膠團結構式(KBr過量):無機化學22練習：1.在AgNO3溶液中加入過量的KI溶液，得到溶膠的膠團結構可表示為（）A.[(AgI)m·nI-·(n-x)K+]x-·xK+

B.[(AgI)m·nNO3-·(n-x)K+]x-·xK+

C.[(AgI)m·nAg+·(n-x)I-]x－·xK+D.[(AgI)m·nAg+?(n-x)NO3-]x+?xNO3-E.[(AgI)m·nAg+·(n-x)NO3-]x+·xI-2.混合AgNO3和KI溶液制備AgI負溶膠時，AgNO3和KI間的關系應是（）A.c(AgNO3)>c(KI)B.V(AgNO3)>V(KI)C.n(AgNO3)>n(KI)D.n(AgNO3)=n(KI)E.n(AgNO3)<n(KI)答案：A、E無機化學23二、溶膠的穩(wěn)定性和聚沉穩(wěn)定性---溶膠是熱力學上的不穩(wěn)定體系，其穩(wěn)定性因素主要是膠粒帶電和水化膜的存在。

膠粒都帶有相同符號的電荷，膠粒之間相互排斥，阻止兩膠粒合并變大；另外膠粒吸附層中的離子對水分子有吸引力，吸附的水分子在膠粒表面形成一層水化膜，阻止了膠粒之間的聚結。因此溶膠中的膠粒能相對穩(wěn)定地存在。聚沉---當膠粒的動能增大到能克服這種靜電斥力時，膠粒間就會相互碰撞合并，粒子增大到布朗運動克服不了重力作用時就出現聚沉。無機化學24促使溶膠聚沉的主要方法：（一）加入強電解質原理：一是加入的強電解質解離出的離子破壞了雙電層結構，膠粒失去了靜電保護作用；二是強電解質離子具有很強的溶劑化作用，破壞了膠粒表面的水化膜。注意：電解質對溶膠的聚沉作用取決于與膠粒帶有相反電荷的離子，即反離子。電解質對溶膠的聚沉作用與反離子所帶電荷的多少有關。無機化學（1）一般地，離子電荷越高，對溶膠的聚沉能力就越強。這個規(guī)律叫做哈迪-叔爾采規(guī)則。

一價、二價、三價反離子的臨界聚沉濃度之比：

(1/1)6:(1/2)6:(1/3)6=100:1.8:0.14（2）同價反離子的聚沉能力雖相差不大，其聚沉能力隨著離子水合半徑的減小而增加。如:一價正離子(對負溶膠)聚沉能力：

H+﹥Cs+﹥Rb+﹥NH4+﹥K+﹥Na+﹥Li+

一價負離子(對正溶膠)聚沉能力：

F-﹥Cl-﹥Br-﹥I-﹥OH-無機化學26（二）加入帶相反電荷的溶膠帶相反電荷的溶膠有相互聚沉能力。例如，用明礬凈水。（三）加熱加熱增加了膠粒的運動速度和碰撞機會，同時降低了它對離子的吸附作用，從而降低了膠粒所帶電荷的電量和水化程度，使溶膠在碰撞中聚沉。例如：As2S3溶膠加熱至沸，析出淡黃色As2S3沉淀。無機化學271.下列四種電解質對某種AgCl溶膠的臨界聚沉濃度（mmol·L-1）分別是：NaNO3(300)，Na2SO4（295），MgCl2(25)，AlCl3(0.5)，則該種AgCl溶膠的類型和膠粒所帶電荷的電性分別是（）A.正溶膠、正電性B.正溶膠、負電性C.中性溶膠、電中性D.負溶膠、正電性E.負溶膠、負電性答案：E無機化學282.溶膠具有相對穩(wěn)定性的原因是（）A.布朗運動B.帶有相同電荷的膠粒間的靜電斥力C.膠粒表面水合膜的保護作用D.A、B和C3.現有甲、乙、丙、丁和Fe(OH)3五種溶膠，把甲與丙、乙與丁、丙與丁、丙與Fe(OH)3溶膠兩兩混合，均發(fā)生聚沉現象，那末，膠粒帶負電荷的溶膠是（）A.甲和乙B.乙和丙C.甲和丁D.甲和丙E.乙和丁答案：D、B無機化學294.某溶膠在電泳時膠粒向陽極移動，將該溶膠分別加入到①蔗糖溶液②氯化鈉溶液③硅酸溶膠④氫氧化鐵溶膠中，不發(fā)生聚沉的是（）A.①和②B.②和③C.①和③D.①和④E.③和④答案：C5.膠體的本質特征是

A.Tyndall現象B.膠粒帶電

C.膠粒直徑為1～100nmD.布朗運動答案：C無機化學30第二節(jié)高分子化合物

高分子化合物的相對分子質量很大，通常為104～106。它的許多性質都與相對分子質量大有關?？煞譃樘烊桓叻肿?蛋白質、核酸、淀粉、糖元、纖維素)和合成高分子(塑料、橡膠等)。高分子化合物能自動分散到合適的分散介質中形成均勻的溶液，為均相系統，在熱力學上是穩(wěn)定的---與真溶液相似。粒子直徑大小與溶膠相似---擴散速率慢，不能透過半透膜。無機化學31一、高分子化合物的概念高分子化合物概念：單個分子相對分子量在一萬以上的大分子。蛋白質、核酸、糖原、存在體液中重要物質；人體肌肉、組織；又如天然橡膠等據來源可分為天然的和合成的無機化學32表2-1高分子溶液與溶膠性質的比較

高分子溶液溶膠

膠粒是單個的高分子化合物分散相與分散介質親和力強均相分散系統，Tyndall現象不明顯穩(wěn)定系統，加入少量電解質無影響，加大量電解質凝聚粘度和滲透壓較大膠粒由許多分子聚集而成分散相與分散介質親和力小非均相分散系統，Tyndall現象明顯不穩(wěn)定系統，加入少量電解質后即可產生聚沉粘度和滲透壓較小二、高分子化合物溶液的形成和特征無機化學33在溶膠中加入一定量的高分子，能顯著提高溶膠的穩(wěn)定性，這種現象稱為高分子對溶膠的保護作用。原因是：高分子物質吸附在溶膠粒子表面，包圍住膠粒，形成一層高分子保護膜，使其對介質的親和力加強，阻止了膠粒之間的直接接觸，從而增強了溶膠的穩(wěn)定性。但有時，加入少量的高分子溶液，不但起不到保護作用，反而降低了溶膠的穩(wěn)定性，甚至發(fā)生聚沉，這種現象稱作敏化作用。

原因是：濃度低時，無法將膠體顆粒表面完全覆蓋，一個高分子長鏈可同時吸附多個膠粒，把膠粒聚集起來產生沉淀。三、高分子溶液對溶膠的保護作用和敏化作用無機化學34高分子物質對溶膠保護作用（a）和敏化作用（b）示意圖無機化學35第三節(jié)凝膠高分子溶液粘度變大，失去流動性，形成有網狀結構的半固態(tài)物質，稱為凝膠（gel）。剛性凝膠：粒子間交聯強，網狀骨架堅固，若將其干燥，網孔中的液體可被驅出，凝膠的體積和外形無明顯變化。彈性凝膠：由柔性高分子化合物形成，干燥后，體積明顯縮小，有彈性，再放到合適的液體中，它又會溶脹變大，甚至完全溶解。無機化學36第四節(jié)物質的表面現象兩相接觸的分界面稱為界面。若其中一相為氣相，則稱為表面。一切界面上發(fā)生的現象，統稱為表面現象。無機化學37氣相

液體內部及表層分子受力情況示意圖液相無機化學38一、表面張力和表面能表面張力：指向液體內部的引力把液體分子從其表面拉到內部，即表面的一種抵抗擴張的力。用σ表示，單位N/m。表面能：把分子從內部移往界面必須克服吸引力而消耗一定量的功，這個功稱為表面能。無機化學39