物化第十二章习题.pdf

物理化学 第十二章 胶体化学 第 107 页 第十二章第十二章 胶体化学习题答案胶体化学习题答案 一一、知识要点知识要点 1、内容概要内容概要 2、基本要求基本要求 ?【熟练掌握熟练掌握】 （1）胶体系统的主要特征； （2）胶体的性质； （3）胶团结构的表示； （4）胶体的稳定性与聚沉 （5）双电层理论； （6）唐南平衡及计算 ?【正确理解正确理解】 （1）乳状液、悬浮液、气溶胶、泡沫的特点及性质； （2） 电势的意义及产生； （3）高分子化合物溶液的渗透压及粘度； ?【一般了解一般了解】 胶体的制备方法 3、主要公式主要公式 （1）瑞利公式 0 2 2 2 0 2 2 0 2 24 22 cos1 22 9 I nn nn l CV I 式中： I0及分别为入射光的强度和波长； V为每个分散相粒子的体积； C为数密度，即单位体积中的粒子数； n 及 n0分别为分散相及介质的折射率； 为散射角，即观察的方向与入射光方向间的夹角； 物理化学 第十二章 胶体化学 第 108 页 为观察者与散射中心的距离。 （2）爱因斯坦-布朗平均位移公式： 2/1 3 rL tTR x 式中，x为 t 时间间隔内粒子的平均位移，r 为粒子的半径，为分散介质的粘度，T 为热力学温度，R 为摩尔气体常数，L 为阿佛加德罗常数。 （3）胶体粒子的摩尔质量为 3 2 162 D RT L mLM （4）贝林高度分布的分布定律： 12 0 1 2 1lnhh RT M C C g （5）斯莫鲁科夫斯基公式来描述电泳速度和电势的关系： E u E 式中，为电泳速度，单位为 ms-1；E 为电场强度，单位为 Vm-1；u 为胶核的电迁 移率，单位为 m2V-1s-1，表示单位电场强度下的电泳速度；为介质的介电常数，单位为 Fm-1，=r0，r为相对介电常数，0为真空介电常数；为介质的粘度，单位为 Pas。 二二、习习 题题 p657659 12.1 如何定义胶体系统？胶体系统的主要特征是什么？ 答答：胶体系统是分散相粒子的大小在 1nm100nm 之间的分散系统，包括溶胶、高 分子溶液、缔合胶体。特征是特有的分散程度、不均匀（多相）性和聚结不稳定性等（高 度分散的多相性和热力学不稳定性） 。具体如扩散作用慢、不能透过半透膜、渗透压低， 动力学稳定性强，乳光亮度强等。 12.2 丁铎尔效应的实质及产生的条件是什么？ 答：丁铎尔效应的实质是溶胶对光的散射作用。产生的条件是胶体粒子的线度小于 入射光的波长。 12.3 简述斯特恩双电层模型的要点，指出热力学电势、斯特恩电势和电势的区 别。 答：斯特恩双电层模型的要点： （1）分散相粒子的表面带有相同符号的电荷； （2）反离子在静电力作用和热运动作用下，呈扩散状态分布在分散相粒子的周围； （3）分散相粒子的周围分为紧密层和扩散层； （4）紧密层和扩散层的分界面是被吸附的溶剂化反离子中心连线所形成的假想面，称为 斯特恩面； 物理化学 第十二章 胶体化学 第 109 页 （5）当固、液两相发生相对移动时，滑动面在斯特恩面以外。 固体表面，斯特恩面及滑动面与溶液本体之间的电势差分别称为热力学电势0、斯 特恩电势和电势。 12.4 溶胶为热力学非平衡系统， 但它在相当长的时间范围内可以稳定存在，其主 要原因是什么？ 答答：原因有三个 （1） 溶胶的动力学稳定性。 胶粒因布朗运动而克服重力的作用， 从而保持溶胶的稳定。 （2） 胶粒带电的稳定作用。静电斥力的存在使得胶粒难以互相靠近，增加了溶胶的稳 定性。 （3） 溶剂化的稳定作用。因分散相粒子周围离子的溶剂化而形成具有一定弹性的溶剂 化外壳，增加了胶粒互相靠近时的机械阻力，使溶胶难以聚沉。 12.5 破坏溶胶最有效的方法是什么？是什么原因。 答答：适量的电解质存在，对溶胶起到稳定的作用。当电解质加入过多，尤其是高价 反离子的加入，往往会使溶胶聚沉。原因是电解质的浓度增大时，会压缩扩散层，使扩 散层变薄，使反离子进入而减少荷电性，导致碰撞聚沉。所以加入过量电解质是破坏溶 胶最有效的方法。 12.6 K、Na 等碱金属的皂类作为乳化剂时，易于形成 O/W 型的乳状液；Zn、Mg 等高价金属的皂类作为乳化剂时，则有利于形成 W/O 型的乳状液。试说明原因。 答答：表面活性剂都含有亲水基团和憎水基团。当它吸附在乳状液的界面层时，常呈 现“大头”朝外，“小头”朝里的几何构形，如 K、Na 等碱金属的皂类作为乳化剂时，含金 属离子的一端是亲水的“大头”，所以形成 O/W 水包油型乳状液，而 Zn、Mg 等高价金属 的皂类作为乳化剂时，则有利于形成 W/O 型的乳状液。金属离子的极性基团是“小头”， 因此形成 W/O 油包水型的乳状液。 12.7 某溶胶中粒子平均直径为 4.210-9m，设 25时其黏度=1.010-3Pas。计算 （1）25时，胶粒因布朗运动在 1 秒钟内沿 x 轴的平均位移； （2）胶粒的扩散系数。 解： （1）利用爱因斯坦-布朗平均位移公式： 2/1 3 rL tTR x 1/2 5 2393 8.314298.15 1 1.442 10 3 6.022 103.1416 0.5 4.2 101.0 10 xmm （2） 2 5 2 1021 1.442 10 1.04 10 22 1 m x Dms ts 12.8 某金溶胶粒子半径为 30nm。25时，于重力场中达到平衡后，在高度相距 0.1mm 的某指定体积内粒子数分别为 277 个和 166 个，已知金与分散质的密度分别为 19.3103kgm-3和 1.00103kgm-3。试计算阿伏加德罗常数。 物理化学 第十二章 胶体化学 第 110 页 解解：沉降平衡公式： RT hh Mg c c p 120 1 2 1 ln 其中 LrM p 3 3 4 1 2 1 2 n n c c RT hh rLg n n p 12 0 3 1 2 3 4 ln 个）（ 23 4 338 1025. 6 15.298314. 8 101 1013 .1910381. 91416. 3 3 4 277 166 ln L 12.9 由电泳实验测定 BaSO4溶胶的电势。 实验中两极之间电势差为 150V， 距离 为 30cm，通电 30min 溶胶界面移动 25.5mm，求该溶胶的电势。已知分散介质的相对介 电常数r=81.1，粘度=1.0310-3Pas。相对介电常数r、介电常数及真空介电常数0间有 如下关系： r=/0 0=8.85410-12Fm-1 1F =1CV-1 解解：由 u=E/ 有 =u/E= u/r0E 其中 u=0.0255/3060=1.4166710-5ms-1 E=150/0.3=500Vm-1 =1.0310-3PaS 所以 =1.4166710-51.0310-3/(81.18.85410-12500)V=0.04067V=40.67mV 12.10 在 NaOH 溶液中用 HCHO 还原 HAuCl4可制得金溶胶： HAuCl4 + 5NaOH NaAuO2 + NaCl + 3H2O 2NaAuO2 + 3HCHO + NaOH 2Au（s）+ 3HCOONa + 2H2O （1） NaAuO2是上述方法制得金溶胶的稳定剂，试写出该金溶胶胶团结构的表示式。 (2) 已知该金溶胶中含有 Au（s）固体微粒的质量浓度(Au)=1.00kgm-3，金原子的半径 r1=1.4610-10m，纯金的密度 =19.3103kgm-3。假设每个金的微粒皆为球形，其半径 r2=1.0010-8m。试求： （a） 每立方厘米溶胶中有多少金胶粒？ （b） 每立方厘米溶胶中胶粒总表面积为多少？ （c） 每个胶粒含有多少金原子？ 解解： （1）Au（s）固体表面易于吸附 AuO2-离子，Na+为反离子，故胶团结构式为： 胶体粒子 Aum nAuO2-(n-x) Na+x- x Na+ 胶 核 胶 团 （2） （a）每个胶粒的质量 m=V =(4/3)r23 =(4/3)3.1416(1.0010-8)319.3103kg=8.08410-20 kg 则每 1cm-3溶胶中含胶粒个数为(Au)/m =10-3/8.08410-20=1.241016个 物理化学 第十二章 胶体化学 第 111 页 （b）每立方厘米溶胶中胶粒总表面积 A总=每个胶粒面积1cm-3溶胶胶粒个数 A总=4r221.241016=43.1416(1.0010-8)21.241016=15.582 m2 （c）若按质量计算，则每个胶粒中金原子个数为 m胶粒/m原子=8.08410-20/MAu10-3/L =8.08410-206.0221023/196.9710-3=2.47105个 若按体积计算，扣除原子间堆积空隙后（空隙率为 26%） ，每个胶粒中金原子个数 为 V胶粒74%/V原子=74%(4/3)r23/(4/3)r13=74%(r2/r1)3 =0.741.0010-8/1.4610-10=2.38105个 12.11 在 Ba(NO3)2溶液中滴加 Na2SO4溶液可制备 BaSO4溶胶。分别写出（1） Ba(NO3)2溶液过量， （2）Na2SO4溶液过量时的胶团结构表示式。 解：反应式 Ba(NO3)2 + Na2SO4BaSO4 + NaNO3 （1）当 Ba(NO3)2溶液过量时，BaSO4溶胶优先吸附 Ba2+，胶团结构表示式为 BaSO4m nBa2+2(n-x)NO3-2x+2xNO3- （2）当 Na2SO4溶液过量时，BaSO4溶胶优先吸附 SO42-，胶团结构表示式为 BaSO4m nSO42-2(n-x)Na+2x-2xNa+ 12.12 在 H3AsO3的稀溶液中通入 H2S 气体， 生成 As2S3溶胶。 已知 H2S 能电离成 H+和 HS-。试写出 As2S3胶团的结构,比较 AlCl3、MgSO4和 KCl 对该溶胶聚沉能力大小。 解解：稳定剂为 H2S，吸附 HS-。故胶团结构为： 胶体粒子 As2S3m nHS-(n-x)H+x- xH+ 胶 核 胶 团 胶粒带负电，正离子对其有聚沉作用，按 Schulze-Hardy 价数规则，正离子所带电荷 越多，聚沉能力越强。AlCl3、MgSO4和 KCl 对该溶胶聚沉能力大小顺序为 AlCl3MgSO4KCl。 12.13 以等体积的 0.08moldm-3AgNO3溶液和 0.1moldm-3KCl 溶液制备 AgCl 溶 胶。 （1）写出胶团结构式，指出在电场中胶体粒子的移动方向； （2）加入电解质 MgSO4，AlCl3和 Na3PO4使上述溶胶发生聚沉，则电解质聚沉能力 大小顺序是什么？ 解:（1）依题意，已知 KCl 溶液过量，故稳定剂为 KCl。胶团结构式 胶体粒子 AgClm nCl-(n-x)K+x- xK+ 因胶粒带负电荷，所以将向正极移动。 胶 核 胶 团 （2） 按 Schulze-Hardy 价数规则， 电解质聚沉能力大小顺序是 AlCl3MgSO4Na3PO4。 物理化学 第十二章 胶体化学 第 112 页 12.14 某带正电荷溶胶，KNO3作为沉淀剂时，聚沉值为 5010-3moldm-3，若用 K2SO4溶液作为沉淀剂，其聚沉值大约为多少？ 解：按 Schulze-Hardy 价数规则， 23666 :1 :2 :31:64:729MeMeMe 即聚沉能力为 2 34 :1:64c NOc SO ，其倒数聚沉值为 23333 43 /6450 10/ 640.78 10c SOc NOmol dmmol dm 12.15 在三个烧杯中分别盛有 0.020dm3的 Fe(OH)3溶胶， 分别加入 NaCl、 Na2SO4 及 Na3PO4溶液使溶胶发生聚沉，最少需要加入：1.00moldm-3的 NaCl0.021dm3； 510-3moldm-3的 Na2SO40.125dm3及 3.33310-3moldm-3的 Na3PO40.0074dm3。试计算各 电解质的聚沉值、聚沉能力之比，并指出胶体粒子的带电符号。 解解：各电解质的聚沉值为： NaCl： 1.000.021/0.020+0.021=51210-3moldm-3 Na2SO4： 510-30.125/0.020+0.125=4.1310-3moldm-3 Na3PO4： 3.33310-30.0074/0.020+0.0074=0.9010-3moldm-3 三种电解质的聚沉能力之比为 NaCl Na2SO4 Na3PO4 =512-1 4.13-1 0.90-1= 1 119 569 胶体粒子的带正电。 12.16 直径为 1m 的石英微尘，从高度为 1.7m 处降落到地面需要多少时间？已 知石英的密度为 2.63103kgm-3。=1.8210-5PaS 解解：由斯托克斯方程 g r v 0 2 9 2 ，在忽略0（空气密度）时 262 151 5 22 (0.5 10 ) 9.81 26307.8755 10 99 1.82 10 r gsm s 时间 t=h/=1.7/7.875510-5s=21585.796s=5.996h6h 12.17 如图所示（a） ，在 27时，膜内某高分子溶液的浓度为 0.1moldm-3，膜外 NaCl 浓度为 0.5moldm-3，R+代表不能透过膜的高分子正离子，试求平衡后溶液的渗透压 为多少？ 左 半透膜 右 左 半透膜 右 R+ 0.1 Cl- 0.1 Na+ 0.5 Cl- 0.5 R+ 0.1 Na+ x Cl- 0.1+x Na+ 0.5-x Cl- 0.5-x （a）开始时 （b）平衡时 解解：设平衡后左侧Na+=x moldm-3，则平 物理化学 第十二章 胶体化学 第 113 页 衡后两侧各离子浓度如图（b）所示。达到 唐南平衡时： Na+左Cl-左=Na+右Cl-右 x(0.1+x)=(0.5-x)2 R+ 0.1 Na+ 0.2273 Cl- 0.3273 Na+ 0.2727 Cl- 0.2727 解此方程 ： （C）平衡时 x=0.2273 moldm-3 具体数据如图（C）所示。 膜两侧浓度差：c=R+Na+左+Cl-左-Na+右-Cl-右 =0.1+0.2273+0.3273-0.2727-0.2727moldm-3=0.109 moldm-3=109 molm-3 渗透压=cRT=1098.314300.15Pa =2.72003105Pa=272 kPa 12.18 实验测得聚苯乙烯-苯溶液的比粘度sp/B与溶质的质量浓度B的关系有如 下数据： B（gdm-3） 0.780 1.12 1.50 2.00 sp/B（10-3g-1dm3） 2.65 2.74 2.82 2.96 且已知经验方程式=KMr中的常数项 K=1.0310-7g-1dm3，=0.74，试计算聚苯乙烯的 相对分子量为若干？ 解：用sp/B对B作图，可得一条直线，见右图所示。 量出该直线在纵轴上的截距为： =2.45（kg-1m3） 代入公式 =KMr K=1.0310-7g-1dm3 K=1.0310-4kg-1m3， Mr=/K=2.45/1.0310-4 =23789.4 Mr=23789.41/=23789.41/0.74 =8.2105 题 12.18 图示 同步训练 一、填空题 1、氢氧化铁溶胶 色，胶粒直径的大小在 m之间。由于氢氧化铁 溶胶胶粒带 电荷，所以通过直流电时，在 附近颜色逐渐变深。 2、 将某血浆置于直流电场中， 调整 pH 值， 该血浆当 pH4.72 时移向正极； 当 pH4.68 时移向负极，其等电点范围是 。 3、在微乳状液中，常常加入一定浓度中等链长的醇，此类物质称 ，其作用 为 。 4、向溶胶中加 可溶性高分子，可使溶胶聚沉，其聚沉作用主要是 效 应。当高分子浓度 时，溶胶的聚结稳定性可显著提高，其聚结稳定作用主要 物理化学 第十二章 胶体化学 第 114 页 是 。 5、根据 DLVO 理论，溶胶的聚结稳定性取决于胶粒之间促使其 的吸引能和 阻碍其聚结的 能的相对大小。 二、选择题 1、溶胶的基本特征之一是（ ） 。 A.热力学上和动力学上皆属不稳定系统 B.热力学上为不稳定系统，动力学上为稳定系统 C.热力学上为稳定系统，动力学上为不稳定系统