膠體和膠體的基本特性.ppt

1、第十四章 膠體分散系統(tǒng)和大分子溶液,例如：云，牛奶，珍珠,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(chēng)為分散相 (dispersed phase)，,另一種物質(zhì)稱(chēng)為分散介質(zhì) (dispersing medium)。,分散相和分散介質(zhì),什么是膠體分散系統(tǒng)?,按分散相粒子的大小，通常有三種分散系統(tǒng)。,1.分子分散系統(tǒng),分散相與分散介質(zhì)以分子或離子形式彼此混溶，沒(méi)有界面，是均勻的單相，分子半徑在1 nm 以下 。,2.膠體分散系統(tǒng),分散相粒子的半徑在1 100 nm之間，目測(cè)是均勻的，但實(shí)際是多相不均勻系統(tǒng)。也有的將 1nm 1000 nm之間的粒子歸入膠體范疇。,3.粗

2、分散系統(tǒng),當(dāng)分散相粒子大于1000 nm，目測(cè)是混濁不均勻系統(tǒng)，放置后會(huì)沉淀或分層。,膠體分散系統(tǒng)在生物界和非生物界都普遍存在，在實(shí)際生活和生產(chǎn)中也占有重要的地位。,所謂宏觀(guān)是指研究對(duì)象的尺寸很大，其下限是人的肉眼可以觀(guān)察到的最小物體（半徑大于1微米），而上限則是無(wú)限的。,所謂微觀(guān)是指上限為原子、分子，而下限則是一個(gè)無(wú)下限的時(shí)空。,在宏觀(guān)世界與微觀(guān)世界之間，有一個(gè)介觀(guān)世界，在膠體和表面化學(xué)中所涉及的超細(xì)微粒，其大小、尺寸在1100nm之間，基本上歸屬于介觀(guān)領(lǐng)域。,14.1 膠體和膠體的基本特性,分散系統(tǒng)的分類(lèi),根據(jù)膠體系統(tǒng)的性質(zhì)至少可分為兩大類(lèi)：,（1）憎液溶膠,系統(tǒng)具有很大的相界面，很高的表

3、面Gibbs自由能，很不穩(wěn)定，極易被破壞而聚沉。,簡(jiǎn)稱(chēng)溶膠，由難溶物分散在分散介質(zhì)中所形成，粒子都是由很大數(shù)目的分子構(gòu)成，大小不等。,聚沉之后往往不能恢復(fù)原態(tài)，因而是熱力學(xué)中的不穩(wěn)定和不可逆系統(tǒng)。,本章主要討論憎液溶膠。,14.1 膠體和膠體的基本特性,分散系統(tǒng)的分類(lèi),根據(jù)膠體系統(tǒng)的性質(zhì)至少可分為兩大類(lèi)：,（2）親液溶膠,大（高）分子化合物的溶液通常屬于親液溶膠。,它是分子溶液，但其分子的大小已經(jīng)到達(dá)膠體的范圍，因此具有膠體的一些特性（例如：擴(kuò)散慢，不透過(guò)半透膜，有Tyndall效應(yīng)等等）。,若設(shè)法去除大分子溶液的溶劑使它沉淀，重新再加入溶劑后大分子化合物又可以自動(dòng)再分散，因而它是熱力學(xué)中穩(wěn)定

4、、可逆的系統(tǒng)。,14.1 膠體和膠體的基本特性,分散系統(tǒng)的分類(lèi),若根據(jù)分散相和分散介質(zhì)的聚集狀態(tài)進(jìn)行分類(lèi)。,1. 液溶膠,將液體作為分散介質(zhì)所形成的溶膠。當(dāng)分散 相為不同狀態(tài)時(shí)，則形成不同的液溶膠：,. 液-固溶膠 如油漆，AgI溶膠,. 液-液溶膠 如牛奶，石油原油等乳狀液,. 液-氣溶膠 如泡沫,14.1 膠體和膠體的基本特性,分散系統(tǒng)的分類(lèi),若根據(jù)分散相和分散介質(zhì)的聚集狀態(tài)進(jìn)行分類(lèi)。,2. 固溶膠,將固體作為分散介質(zhì)所形成的溶膠。當(dāng)分散相為 不同狀態(tài)時(shí)，則形成不同的固溶膠：,. 固-固溶膠 如有色玻璃，不完全互溶的合金,. 固-液溶膠 如珍珠，某些寶石,. 固-氣溶膠 如泡沫塑料，沸石分

5、子篩,14.1 膠體和膠體的基本特性,分散系統(tǒng)的分類(lèi),若根據(jù)分散相和分散介質(zhì)的聚集狀態(tài)進(jìn)行分類(lèi)。,3. 氣溶膠,將氣體作為分散介質(zhì)所形成的溶膠。當(dāng)分散相為固體或液體時(shí)，形成氣-固或氣-液溶膠，但沒(méi)有 氣-氣溶膠，因?yàn)椴煌臍怏w混合后是單相均一系統(tǒng)，不屬于膠體范圍。,. 氣-固溶膠 如煙，含塵的空氣,. 氣-液溶膠 如霧，云,憎液溶膠的特性,（1）特有的分散程度,粒子的大小在1100 nm之間，因而擴(kuò)散較慢，不能透過(guò)半透膜，滲透壓低但有較強(qiáng)的動(dòng)力穩(wěn)定性 和乳光現(xiàn)象。,（2）多相不均勻性,具有納米級(jí)的粒子是由許多離子或分子聚結(jié)而成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有的保持了該難溶鹽的原有晶體結(jié)構(gòu)，而且粒子大小不一，與介

6、質(zhì)之間有明顯的相界面，比表面很大。,（3）易聚結(jié)不穩(wěn)定性,因?yàn)榱Ｗ有?，比表面大，表面自由能高，是熱力學(xué)不穩(wěn)定系統(tǒng)，有自發(fā)降低表面自由能的趨勢(shì)，即小粒子會(huì)自動(dòng)聚結(jié)成大粒子。,膠團(tuán)的結(jié)構(gòu),形成憎液溶膠的必要條件是：,（1）分散相的溶解度要小；,（2）還必須有穩(wěn)定劑存在，否則膠粒易聚結(jié)而 聚沉。,膠團(tuán)的結(jié)構(gòu),膠粒的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，先有一定量的難溶物分子聚結(jié)形成膠粒的中心，稱(chēng)為膠核。,然后膠核選擇性的吸附穩(wěn)定劑中的一種離子，形成緊密吸附層；由于正、負(fù)電荷相吸，在緊密層外形成反號(hào)離子的包圍圈，從而形成了帶與緊密層相同電荷的膠粒。,膠粒與擴(kuò)散層中的反號(hào)離子，形成一個(gè)電中性的膠團(tuán)。,膠核吸附離子是有選擇性的，

7、首先吸附與膠核中相同的某種離子，用同離子效應(yīng)使膠核不易溶解。,膠團(tuán)的結(jié)構(gòu),例1：AgNO3 + KIKNO3 + AgI,(AgI)m n I (n-x)K+x xK+,膠團(tuán)的圖示式：,膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)表達(dá)式 ：,過(guò)量的 KI 作穩(wěn)定劑,膠團(tuán)的結(jié)構(gòu),例2：AgNO3 + KI KNO3 + AgI,(AgI)m n Ag+ (n-x)NO3x+ x NO3,膠團(tuán)的圖示式：,過(guò)量的 AgNO3 作穩(wěn)定劑,膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)表達(dá)式：,膠粒的形狀,作為憎液溶膠基本質(zhì)點(diǎn)的膠粒并非都是球形，而膠粒的形狀對(duì)膠體性質(zhì)有重要影響。,質(zhì)點(diǎn)為球形的，流動(dòng)性較好；若為帶狀的，則流動(dòng)性較差，易產(chǎn)生觸變現(xiàn)象。,在溶膠中膠粒是獨(dú)立運(yùn)動(dòng)

8、單位，通常所說(shuō)溶膠帶電系指膠粒而言。,膠團(tuán)沒(méi)有固定的直徑和質(zhì)量，同一種溶膠的值也不是一個(gè)固定的數(shù)值。,膠團(tuán)的形狀,例如：（1）聚苯乙烯膠乳是球形質(zhì)點(diǎn),（2） V2O5 溶膠是帶狀的質(zhì)點(diǎn),（3） Fe(OH)3 溶膠是絲狀的質(zhì)點(diǎn),14.2 溶膠的制備與凈化,制備溶膠必須使分散相粒子的大小落在膠體分散系統(tǒng)的范圍之內(nèi)，并加入適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定劑。制備方法大致可分為兩類(lèi)：,（1）分散法 用機(jī)械、化學(xué)等方法使固體的粒子變小。,（2）凝聚法 使分子或離子聚結(jié)成膠粒。,溶膠的制備,用這兩種方法直接制出的粒子稱(chēng)為原級(jí)粒子。,溶膠的制備,視具體制備條件不同，這些粒子又可以聚集成較大的次級(jí)粒子。,通常所制備的溶膠中粒子的

9、大小不是均一的，是一個(gè)多級(jí)分散系統(tǒng)。,(1) 研磨法,這種方法適用于脆而易碎的物質(zhì)，對(duì)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。,1. 分散法,轉(zhuǎn)速約10 00020 000 r/min,A為空心轉(zhuǎn)軸，與C盤(pán)相連，向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，B盤(pán)向另一方向旋轉(zhuǎn)。,分散相、分散介質(zhì)和穩(wěn)定劑從空心軸A處加入，從C盤(pán)與B盤(pán)的狹縫中飛出，用兩盤(pán)之間的應(yīng)切力將固體粉碎，可得1000 nm左右的粒子。,(2) 膠溶法,1. 分散法,膠溶法又稱(chēng)解膠法，僅僅是將新鮮的凝聚膠粒重新分散在介質(zhì)中形成溶膠，并加入適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定劑。,這種

10、穩(wěn)定劑又稱(chēng)膠溶劑。根據(jù)膠核所能吸附的離子而選用合適的電解質(zhì)作膠溶劑。,這種方法一般用在化學(xué)凝聚法制溶膠時(shí)，為了將多余的電解質(zhì)離子去掉，先將膠粒過(guò)濾，洗滌，然后盡快分散在含有膠溶劑的介質(zhì)中，形成溶膠。,例如：,若沉淀放置時(shí)間較長(zhǎng)，則沉淀老化就得不到溶膠。,(3) 超聲波分散法,1. 分散法,這種方法目前只用來(lái)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。,在兩個(gè)電極上通入高頻電流，使電極中間的石英片發(fā)生機(jī)械振蕩，使管中的兩個(gè)液相均勻地混合成乳狀液。,電弧法主要用于制備金、銀、鉑等金屬溶膠。制備過(guò)程包括先分散后凝聚兩個(gè)過(guò)程。,(4)電弧法,將金

11、屬做成兩個(gè)電極浸在水中，盛水的盤(pán)子放在冷浴中。在水中加入少量NaOH 作為穩(wěn)定劑。,制備時(shí)在兩電極上施加 100V 左右的直流電，調(diào)節(jié)電極間的距離，使之發(fā)生電火花，這時(shí)表面金屬蒸發(fā)，是分散過(guò)程，接著金屬蒸氣立即被水冷卻而凝聚為膠粒。,在惰性氣氛中，用電加熱、高頻感應(yīng)、電子束或激光等熱源，將要制備成納米級(jí)粒子的材料氣化。,(5)氣相沉積法,處于氣態(tài)的分子或原子，按照一定規(guī)律共聚或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成納米級(jí)粒子，再將它用穩(wěn)定劑保護(hù)。,2. 凝聚法,(1) 化學(xué)凝聚法,通過(guò)各種化學(xué)反應(yīng)使生成物呈過(guò)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(guò)量的反應(yīng)物。例

12、如：,A.復(fù)分解反應(yīng)制硫化砷溶膠,B. 還原反應(yīng)制金溶膠,2. 凝聚法,(1) 化學(xué)凝聚法,C. 水解反應(yīng)制氫氧化鐵溶膠,D.氧化還原反應(yīng)制備硫溶膠,膠粒表面吸附了過(guò)量的具有溶劑化層的反應(yīng)物離子，因而溶膠變得穩(wěn)定。但是，若離子的濃度太大，反而會(huì)引起膠粒的聚沉，必須除去。,將汞的蒸氣通入冷水中就可以得到汞的水溶膠,（2）物理凝聚法,羅金斯基等人利用下列裝置，制備堿金屬的苯溶膠。,先將體系抽真空，然后適當(dāng)加熱管2(苯)和管4(金屬鈉)，使鈉和苯的蒸氣同時(shí)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。,蒸氣驟冷法,（3）更換溶劑法,例1.松香易溶于乙醇而難溶

13、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。,利用物質(zhì)在不同溶劑中溶解度的顯著差別來(lái)制備溶膠，而且兩種溶劑要能完全互溶。,溶膠的凈化,在制備溶膠的過(guò)程中，常生成一些多余的電解質(zhì)，如制備 Fe(OH)3溶膠時(shí)生成的HCl。,少量電解質(zhì)可以作為溶膠的穩(wěn)定劑，但是過(guò)多的電解質(zhì)存在會(huì)使溶膠不穩(wěn)定，容易聚沉，所以必須除去。,凈化的方法主要有滲析法和超過(guò)濾法。,（1）滲析法,簡(jiǎn)單滲析,溶膠的凈化,利用濃差因素，多余的電解質(zhì)離子不斷向膜外滲透，經(jīng)常更換溶劑，就可以?xún)艋胪改と萜鲀?nèi)的溶膠。,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。,將需要凈化的溶膠放在羊皮紙或動(dòng)物膀胱等半透膜制成的容器內(nèi)，膜外放純?nèi)軇?（1）滲析法,電滲析,溶膠的凈化,為了加快滲析速