第九章 膠體分散系統(tǒng)yf

第九章

膠體分散系統(tǒng)§1．溶膠的分類和基本特性

§2．溶膠的制備和凈化§3．溶膠的動力學(xué)性質(zhì)§4．溶膠的光學(xué)性質(zhì)§5．溶膠的電學(xué)性質(zhì)§6．溶膠的穩(wěn)定性和聚沉作用§7．乳狀液、泡沫和氣溶膠

基本內(nèi)容前言格雷厄姆：物質(zhì)擴散：易擴散難擴散（蔗糖、NaCl、MgSO4）（蛋白質(zhì)）分類：晶體膠狀物質(zhì)（膠體）膠體：是物質(zhì)的一類特殊的聚集形態(tài)前言分散系統(tǒng)：一種或多種物質(zhì)分散在另一種物質(zhì)中形成的系統(tǒng)。分散相：被分散的物質(zhì)（不連續(xù)）分散介質(zhì)：容納分散相的連續(xù)介質(zhì)分散系(＜1nm)分子離子分散系（真溶液）(1~100nm)膠體大分子溶液（親液膠體）溶膠（憎液膠體）(＞100nm)粗分散系第一節(jié)溶膠的分類和基本特征內(nèi)容一.溶膠分類二.溶膠的基本特性一.溶膠分類分散相分散介質(zhì)氣相液相固相氣溶膠霧煙、塵液溶膠泡沫牛奶油漆、泥漿固溶膠泡沫玻璃珍珠有色玻璃二.溶膠的基本特性溶膠的三大基本特性：1.多相性2.高分散性3.聚結(jié)不穩(wěn)定性（熱力學(xué)不穩(wěn)定性）（制備溶膠需加穩(wěn)定劑，如：電解質(zhì)）分散相（膠粒）分散介質(zhì)分類性質(zhì)分子、離子分散系＜1nm真溶液擴散快不沉降通過半透膜、濾紙均相膠體分散系1~100nm高分子溶液擴散慢不易沉降不通過半透膜、通過濾紙均相溶膠擴散慢不易沉降不通過半透膜、通過濾紙多相粗粒分散系＞100nm乳狀液懸濁液擴散極慢易沉降不通過半透膜、濾紙多相二.溶膠的基本特性第二節(jié)溶膠的制備和凈化內(nèi)容一.溶膠的制備二.溶膠凈化三.均勻分散膠體四.納米粒子和納米技術(shù)一.溶膠的制備1．分散法：將大顆粒進一步分散2．凝聚法：小分子溶質(zhì)凝聚膠體系統(tǒng)1~100nm分子分散系統(tǒng)

<1nm由小變大凝聚法由大變小分散法粗分散系統(tǒng)

>100nm超聲波法研磨法電弧法膠溶法物理凝聚法化學(xué)凝聚法改變?nèi)軇┓?/p>

制備：一.溶膠的制備①研磨法：1．分散法盤式膠體磨用機械粉碎的方法將固體磨細。

一.溶膠的制備②氣流粉碎法：高速氣流粉碎物料粉碎室擋板管收集管分離區(qū)物料+氣流噴嘴一.溶膠的制備③超聲波分散法（多用來制備乳狀液）一.溶膠的制備④膠溶法：加入穩(wěn)定劑使暫時聚集起來的分散相重新分散。如鈉的苯溶膠制備

接真空泵液態(tài)空氣鈉苯苯接受管點擊此處演示①

物理凝聚法一.溶膠的制備2．凝聚法②

化學(xué)凝聚法如：水解反應(yīng)制備Fe(OH)3溶膠

FeCl3+3H2O

Fe(OH)3

+3HCl一.溶膠的制備凡能有沉淀析出的化學(xué)反應(yīng)都可能用來制備相應(yīng)溶膠使溶解度驟變，如松香在乙醇中：溶水點擊此處演示水中：不溶溶膠③

改變?nèi)軇┓ǘ?溶膠凈化1．滲析法普通滲析電滲析水溶膠水+–半透膜水二.溶膠凈化2．超過濾法：使用半透膜在加壓的條件下將介質(zhì)和膠粒分開減壓過濾真空泵半透膜電超過率：在半透膜兩側(cè)安放電極，可以加速過濾三．均勻分散膠體應(yīng)用：

(1)驗證基本理論

(2)理想的標(biāo)準(zhǔn)材料

(3)新材料

(4)催化劑性能的改進(5)制造特種陶瓷均分散膠體：控制條件制備粒子形狀相同、尺寸相差不大的膠體條件：（1）短時間內(nèi)形成大量晶核（2）確保晶核同時長大第三節(jié)溶膠的動力性質(zhì)內(nèi)容一.Brown運動二.擴散和滲透三.重力沉降與沉降平衡一.Brown運動Brown運動：1．定性解釋介質(zhì)分子、離子熱運動撞擊懸浮溶膠粒子的結(jié)果。

溶膠粒子在介質(zhì)中無規(guī)則的運動一.Brown運動x在時間t內(nèi)觀察粒子布朗運動平均位移：2．定量計算Einstein-Brown運動公式：影響布朗運動的因素：（1）溫度T（2）粒子半徑r（3）溶液的粘度η一.Brown運動與粒徑r成反比；

（1）平均位移很容易在顯微鏡下觀察，由此可求得溶膠粒子半徑②溶膠：③真溶液：

無法在顯微鏡下觀察到其運動（2）可以從已知半徑r的離子的平均位移計算L。①粗粒：小到觀測不到，粒子幾乎靜止不動。r很大，二.擴散和滲透1.擴散：溶膠粒子在介質(zhì)中從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)遷移的現(xiàn)象。原因：濃度差動力：布朗運動——斐克第一定律dn/dt:單位時間內(nèi)粒子的擴散量（mol/s,kg/s）dc/dx:單位距離上粒子濃度的增加量D的物理意義：單位濃度梯度、單位時間內(nèi)通過單位截面積的粒子量。二.擴散和滲透擴散速度擴散系數(shù)面積濃度梯度“-”：擴散的方向（dn/dt）和濃度梯度（dc/dx

）相反二.擴散和滲透擴散系數(shù)與擴散平均距離的關(guān)系：代入布朗運動位移公式：影響擴散的因素：T，r，η應(yīng)用：（1）計算膠粒r

（2）計算溶膠粒子的摩爾質(zhì)量三.重力沉降與沉降平衡1.重力沉降F沉

=F重

–F浮F沉

F阻F阻=6

r

v——托克斯定律

重力沉降速度：應(yīng)用：測v求粒徑r

選擇不同的分散介質(zhì)，控制沉降的速度測v求

，落球式粘度計粗分散體系的粒子：顆粒比較大，擴散可以忽略

當(dāng)粒子勻速沉降：F沉=F阻三.重力沉降與沉降平衡2.重力沉降平衡擴散沉降擴散作用和沉降作用相等時，達到沉降平衡，形成一定的濃度梯度。h1c1h2c2——重力場中高度分布公式討論：（1）濃度梯度的形成：溶膠粒子的濃度隨高度指數(shù)性下；（2）粒子質(zhì)量的影響：r愈大，ρ越大，溶膠粒子濃度隨高度下降越多；（3）測量濃度隨高度的變化，求得溶膠粒子的摩爾質(zhì)量(4/3πr3ρL)三.重力沉降與沉降平衡總結(jié)：粗分散系：沉降作用＞擴散作用動力學(xué)不穩(wěn)定；溶膠：沉降作用≈?jǐn)U散作用形成濃度平衡分布動力學(xué)穩(wěn)定。3.離心場中的沉降與沉降平衡應(yīng)用：測定膠團或大分子物質(zhì)的摩爾質(zhì)量第四節(jié)溶膠的光學(xué)性質(zhì)內(nèi)容一.溶膠的光散射現(xiàn)象二.光散射定律

瑞利公式三.溶膠的顏色四.光學(xué)方法測定粒子大小一．溶膠的光散射現(xiàn)象Tyndall效應(yīng)：一束光通過溶膠時，在側(cè)面可以觀察到一束光柱Tyndall效應(yīng)是溶膠特有的現(xiàn)象：光源光源Fe(OH)3溶膠一．溶膠的光散射現(xiàn)象光通過分散系統(tǒng)時基本現(xiàn)象：真溶液粗分散溶膠透明有色(補色)混濁乳光透射吸收反射散射吸收：取決于化學(xué)組成透射：粒徑<<波長反射：粒徑

>>

波長散射：粒徑≤波長 瑞利散射公式：

I：散射光強度（濁度）A：入射光的振幅λ：入射光的波長ν：單位體積內(nèi)粒子數(shù)

V：單個粒子的體積

n1，n2：分散相和分散介質(zhì)的體系（適用：粒子半徑＜1/20λ

）二．光散射定律

Reyleigh公式二．光散射定律

Reyleigh公式（4） I

測量散射光強計算溶膠的濃度。（3）I

V2（r），區(qū)分溶膠、粗分散系、真溶液；測量散射光強，計算粒子的半徑；（2）I與折射率（n1，n2）有關(guān)，（n12-n22）越大，散射越明顯，區(qū)分溶膠和大分子溶液；（1） I

λ-4，波長越短越容易發(fā)生散射；

三.溶膠的顏色光的吸收光的散射若吸收很弱，主要表現(xiàn)為散射：如AgCl，BaSO4溶膠有方向性若吸收較強，主要表現(xiàn)為其補色：如Au溶膠（紅），As2S3溶膠（黃）無方向性粒子大小可改變吸收~散射相對比如Au溶膠 高度分散時，吸收為主：紅 放置后粒子增大，散射為主：蘭溶膠顯色二個原因第五節(jié)溶膠的電學(xué)性質(zhì)內(nèi)容一.電動現(xiàn)象二.溶膠粒子表面電荷的來源三.雙電層理論四.膠團結(jié)構(gòu)五.電泳的測定一．電動現(xiàn)象1.電泳：在外電場的作用下，帶電的粒子在分散介質(zhì)中作定向移動的現(xiàn)象。Fe(OH)3溶膠NaCl溶液+-+-電泳現(xiàn)象：溶膠中分散相粒子帶電一．電動現(xiàn)象2.電滲：在外電場的作用下，分散介質(zhì)做定向移動的現(xiàn)象。

-+多孔塞電滲現(xiàn)象：間接證實溶膠帶電一．電動現(xiàn)象3.流動電勢：在外加壓力下，迫使分散介質(zhì)流經(jīng)毛細管或多孔塞，在多孔塞的兩端產(chǎn)生的電勢差。

——電滲的逆過程流動電勢：間接證實溶膠帶電應(yīng)用：生產(chǎn)安全p------+++一．電動現(xiàn)象4.沉降電勢：帶電的分散相粒子在沉降時,在沉降方向的兩端產(chǎn)生的電勢。

——電泳的逆現(xiàn)象++++++++++++++++++++++沉降電勢：溶膠中分散相粒子帶電一．電動現(xiàn)象1.電泳：溶膠粒子在電場中定向移動2.電滲：分散介質(zhì)在電場中定向移動3.流動電勢：外力使介質(zhì)移動，產(chǎn)生電場4.沉降電勢：外力使溶膠子粒移動，產(chǎn)生電場電動現(xiàn)象說明：溶膠粒子與介質(zhì)分別帶電，在電場中發(fā)生移動，或移動時產(chǎn)生電場?？偨Y(jié)：二.溶膠粒子帶電的原因1.吸附帶電：溶膠粒子通過吸附介質(zhì)中的離子而帶電②非選擇性吸附：易吸附水化能力弱的離子①選擇性吸附：優(yōu)先吸附與其組成相同的離子——

法金斯規(guī)則例如：制備氫氧化鐵溶膠：

FeCl3+3H2O(沸)→Fe(OH)3+3HCl溶液中部分Fe(OH)3與HCl作用：

Fe(OH)3+HCl→FeOCl+2H2O

FeOCl→FeO++Cl-二.溶膠粒子帶電的原因2.電離帶電：溶膠粒子本身含有可電離的基團，通過自身電離帶電。硅膠H2SiO3

HSiO3–+H+

HSiO2++OH–3.同晶置換：4.摩擦帶電：非水介質(zhì)中，溶膠粒子與介質(zhì)摩擦帶電粘土A13+或Si4+部分被Mg2+或Ca2+取代帶負電堿性條件

酸性條件

A13+Mg2+三.溶膠表面雙電層理論1.亥姆霍茲平板雙電層模型++++++++----------

（1）溶膠粒子表面帶有的電荷，與介質(zhì)中的反離子，通過靜電引力，分別平行而整齊的排列在相界面上，形成雙電層結(jié)構(gòu)。（2）雙電層的厚度為一個離子大小溶膠粒子表面和溶液本體之間的電勢差為

0，在雙電層內(nèi)部直線下降為零（3）在電場作用下，雙電層斷裂，分別發(fā)生定向移動缺點：模型過于簡單，不符合實際三.溶膠表面雙電層理論a.反離子(符合Boltzman分布)吸附層和擴散層之間的分界面。電場作用下，吸附層和擴散層斷裂溶膠粒子和吸附層向一極運動，擴散層向另一極運動。靜電吸引擴散作用b.滑動面2.擴散雙電層模型反離子定位離子滑動面

吸附層（緊密層）擴散層吸附層擴散層靜電吸引擴散作用三.溶膠表面雙電層理論c.電動電勢

：表面電勢

0體現(xiàn)了溶膠粒子的有效電荷，影響溶膠穩(wěn)定性的重要因素缺點：（1）沒用提出電動電勢的含義；（2）電動電勢受電解質(zhì)濃度影響三.溶膠表面雙電層理論3.Stern吸附擴散雙電層模型粒子的表面---------------+-+-+-+吸附層擴散層Stern面滑動面Stern層三.溶膠表面雙電層理論粒子表面Stern層滑動面溶液本體

0

0

＞

＞

直線下降（類似平板雙電層）指數(shù)性下降（符合Boltzmann分布）離子的溶劑化作用---------------+-+-+-+

0

0

擴散層吸附層---------------+-+-+-+---------------+

0

0

0

擴散層吸附層擴散層吸附層吸附層

0

=

-----------

0

=

02+-------2-2-2-2-2-2-2+2+2+

0

=

----------2+2+2+-2+-----三.溶膠表面雙電層理論總結(jié)：（1）提出了

電勢的含義：滑動面到溶液本體的電勢差（稀溶液中

≈

；

濃溶液

＞

）（2）電解質(zhì)對雙電層電勢的影響a）電解質(zhì)加入，

，

下降，b）反號大離子，

，

與

0

反號c）同號大離子，

，

＞

0

膠團結(jié)構(gòu)式：[(膠核)m

n定位離子

（n–x）內(nèi)反離子]x+

x外反離子四、膠團結(jié)構(gòu)定位離子Stern面滑動面膠核吸附層擴散層膠粒膠團膠團表面例1Fe(OH)3溶膠

結(jié)構(gòu)式：例2AgI

溶膠制備1：AgNO3+KI(過量)

AgI+KNO3

結(jié)構(gòu)式：[(AgI)m

制備2：AgNO3(過量)+KI

AgI+KNO3

結(jié)構(gòu)式：[(AgI)m

制備：FeCl3+H2O

Fe(OH)3+H++Cl–Fe(OH)3(部分)+H+

FeO++H2O[(Fe(OH)3)m

nFeO+

(n-x)Cl–]x+

xCl–K++I–

nI–

(n-x)K+]x-

xK+（負溶膠）Ag++NO3–

nAg+

(n-x)NO3–]x+

xNO3–

（正溶膠)四、膠團結(jié)構(gòu)五.電泳的測定2.電泳實驗方法界面移動電泳：觀測溶膠界面在電場中的移動顯微電泳：顯微鏡下直接對粒子的運動進行測定

+–dPt電極溶膠輔助液1.電泳速度求算電動電勢K6(球形粒子)4(棒形粒子)第六節(jié)溶膠的穩(wěn)定性和聚沉作用內(nèi)容一、膠體穩(wěn)定性二、溶膠的聚沉一、膠體穩(wěn)定性穩(wěn)定溶膠的因素：動力穩(wěn)定性膠粒半徑（r）小，擴散能力強2.膠粒帶電三大基本特性：高分散性，多相性，聚集不穩(wěn)定性++++++-+++--------------++++++-+++--------------一、膠體穩(wěn)定性++++++-+++--------------一、膠體穩(wěn)定性3.溶劑化的穩(wěn)定作用水化膜斥力H2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2O聚沉：通過改變條件，破壞溶膠的穩(wěn)定性，使膠粒間相互聚集，最后沉淀下來。三種溶膠聚沉.(左)Al(OH)3;(中)Fe(OH)3;(右)Cu(OH)2二、溶膠的聚沉二、溶膠的聚沉電解質(zhì)的影響

0

---------------+a.膠粒帶電量（

）下降b.水化膜厚度減小聚沉值：是一定量的溶膠在一定時間內(nèi)發(fā)生聚沉所需要的電解質(zhì)的最低濃度（臨界聚沉濃度）二、溶膠的聚沉經(jīng)驗規(guī)則：(1)聚沉能力主要決定于反離子的價數(shù)(2)價數(shù)相同的反離子聚沉能力也有所不同①對于負溶膠，一價正電