第九章胶体分散系统2015.5

1、第九章第九章 胶体分散系统胶体分散系统Chaper9: Colloidal dispersion system 胶体科学是一门即古老又年轻的学科胶体科学是一门即古老又年轻的学科 -胶体的应用几乎和人类的文明一样悠久胶体的应用几乎和人类的文明一样悠久 v在有历史记载以前我们的祖先就会制造陶器；在有历史记载以前我们的祖先就会制造陶器；v在夏禹之时就会酿酒；在夏禹之时就会酿酒；v在周朝初期，人们就会用胶；在周朝初期，人们就会用胶；v在汉朝已出现用天然纤维造出来的纸；在汉朝已出现用天然纤维造出来的纸；v在后汉又发明了墨。在后汉又发明了墨。v在古埃及历史中有湿木裂石的记载；在古埃及历史中有湿木裂石的记载

2、；v中古炼丹家已制备金汁，这是悬于水中的微粒金。中古炼丹家已制备金汁，这是悬于水中的微粒金。胶体化学应用胶体化学应用 材料科学材料科学：纳米材料；纳米尺度上的工程学合：纳米材料；纳米尺度上的工程学合 金、陶瓷、水泥、涂料等方面应用广泛。金、陶瓷、水泥、涂料等方面应用广泛。医药医药：人造血浆，注射剂，示踪剂，口服剂：人造血浆，注射剂，示踪剂，口服剂环境科学环境科学：污水处理，烟雾，粉尘净化：污水处理，烟雾，粉尘净化日常用品日常用品：啤酒，饮料，化妆品，洗涤剂等：啤酒，饮料，化妆品，洗涤剂等电子科学电子科学：计算机芯片，：计算机芯片，TiOTiO2 2膜电池膜电池反应工程反应工程：在分子筛笼内和微

3、乳液珠内进行合：在分子筛笼内和微乳液珠内进行合成、反应。成、反应。石油科学石油科学：采油、输油、石油产品添加剂：采油、输油、石油产品添加剂内容概要内容概要把一种或几种物质分散在另一种物质中就构成把一种或几种物质分散在另一种物质中就构成分散体系分散体系。其中，被分散的物质称为。其中，被分散的物质称为分散相分散相，另一种物质称为另一种物质称为分散介质分散介质。胶体：胶体：是一种尺寸在是一种尺寸在1100nm的分散体。的分散体。u它既不是大块固体，又不是分子分散体系的液它既不是大块固体，又不是分子分散体系的液体，而是具有两相的微观不均匀的分散体系。体，而是具有两相的微观不均匀的分散体系。u是是聚集体

4、聚集体而不是物质的一种特殊类型。而不是物质的一种特殊类型。一、溶胶的分类一、溶胶的分类第一节第一节 溶胶的分类和基本特性溶胶的分类和基本特性例如：将例如：将Au金溶胶沉淀出来后，再将沉淀物悬浮金溶胶沉淀出来后，再将沉淀物悬浮于水中，不能再得到胶状金。于水中，不能再得到胶状金。u憎液溶胶是热力学不稳定体系和聚沉不可逆体憎液溶胶是热力学不稳定体系和聚沉不可逆体系。系。u胶粒与液体介质之间的亲合性弱，所以叫憎液胶粒与液体介质之间的亲合性弱，所以叫憎液溶胶。溶胶。以结构、稳定性分类以结构、稳定性分类（1）憎液溶胶（简称：溶胶）憎液溶胶（简称：溶胶） 胶粒由许多分子组成，体系的相界面大，界面能高，胶粒由

5、许多分子组成，体系的相界面大，界面能高， 所以极易被破坏而聚沉，并且不能恢复溶胶原态。所以极易被破坏而聚沉，并且不能恢复溶胶原态。第一节第一节 溶胶的分类和基本特性溶胶的分类和基本特性u具有胶体的一些特性，如扩散慢、不透过半透具有胶体的一些特性，如扩散慢、不透过半透膜以及膜以及Tyndall效应等。效应等。u亲液溶胶是以单个分子为分散相的真溶液，与亲液溶胶是以单个分子为分散相的真溶液，与介质无相界面（单相体系）。介质无相界面（单相体系）。u亲液溶胶具有热力学稳定性和聚沉可逆性。亲液溶胶具有热力学稳定性和聚沉可逆性。u分子分散相和液体介质间有很大的亲合能力，分子分散相和液体介质间有很大的亲合能力

6、，所以叫亲液溶胶。所以叫亲液溶胶。（2）亲液溶胶亲液溶胶亲液溶胶又称：大分子化合物溶液、分子溶胶。亲液溶胶又称：大分子化合物溶液、分子溶胶。第一节第一节 溶胶的分类和基本特性溶胶的分类和基本特性以分散相和分散介质的聚集状态分类以分散相和分散介质的聚集状态分类 分散介质分散介质 分散相分散相 体体 系系 实实 例例 气气 液液固固 气溶胶气溶胶 雾雾 烟、尘烟、尘 液液 气气 液液 固固液溶胶液溶胶 泡沫泡沫 乳状液（牛奶、石油）乳状液（牛奶、石油） 凝胶、悬浮体凝胶、悬浮体 固固 气气液液 固固 固溶胶固溶胶 浮石、泡沫塑料浮石、泡沫塑料 珍珠、某些宝石珍珠、某些宝石 合金、有色玻璃合金、有色

7、玻璃 第一节第一节 溶胶的分类和基本特性溶胶的分类和基本特性1. 特定分散度特定分散度1100 nm 2. 相不均匀性相不均匀性（多相性）（多相性） 3. 热力学不稳定性热力学不稳定性 u高分散度，巨大表面积和表面吉布斯能，有自高分散度，巨大表面积和表面吉布斯能，有自发聚集倾向，以降低表面吉布斯能发聚集倾向，以降低表面吉布斯能 二、溶胶的基本特性二、溶胶的基本特性第一节第一节 溶胶的分类和基本特性溶胶的分类和基本特性第二节第二节 溶胶的制备和净化溶胶的制备和净化一、溶胶的制备一、溶胶的制备电弧法电弧法超声分散法超声分散法研磨法研磨法更换溶剂法更换溶剂法化学反应法化学反应法物理凝聚法物理凝聚法

8、溶胶质点大小溶胶质点大小 1nm 1nm 100nm100nm粗分散系统粗分散系统大变小大变小分散法分散法小分子溶液小分子溶液小变大小变大凝聚法凝聚法分散法分散法即直接将大块物质粉碎为小颗粒，并使之分即直接将大块物质粉碎为小颗粒，并使之分散于介质中。散于介质中。凝聚法凝聚法即将分子或离子凝聚成胶体颗粒。即将分子或离子凝聚成胶体颗粒。二、溶胶的净化二、溶胶的净化1.渗析法渗析法 普通渗析普通渗析 电渗析电渗析 2.超滤法超滤法第二节第二节 溶胶的制备和净化溶胶的制备和净化 利用了胶体化学中的利用了胶体化学中的渗渗析和超过滤原理析和超过滤原理。因为血液是含。因为血液是含有多种蛋白质，离子和大量水的

9、有多种蛋白质，离子和大量水的胶体体系。肾脏的功能只是利用胶体体系。肾脏的功能只是利用它的渗透膜来除去血液中得有害它的渗透膜来除去血液中得有害物质和排泄水分。当病人得肾功物质和排泄水分。当病人得肾功能衰竭以后，医生要定期给病人能衰竭以后，医生要定期给病人进行进行血液透析血液透析，即将病人的血液，即将病人的血液进行体外循环，通过人工肾脏的进行体外循环，通过人工肾脏的渗透膜，将血液的有害物质除去。渗透膜，将血液的有害物质除去。另外利用渗透膜两边的压差，将另外利用渗透膜两边的压差，将多余得水分除去，起到超过滤的多余得水分除去，起到超过滤的作用。作用。第二节第二节 溶胶的制备和净化溶胶的制备和净化制备需

10、满足的条件：制备需满足的条件： (1) 暴发性成核，使速率暴发性成核，使速率r晶核形成晶核形成r晶体长大晶体长大 (2) 同步长大同步长大 应用：应用： (1) 验证基本理论验证基本理论 (2) 理想的标准材料理想的标准材料 (3) 新材料新材料 (4) 催化剂性能的改进催化剂性能的改进 (5) 制造特种陶瓷制造特种陶瓷 三、均分散胶体三、均分散胶体第二节第二节 溶胶的制备和净化溶胶的制备和净化1.纳米粒子的结构和特性纳米粒子的结构和特性（1）小尺寸效应）小尺寸效应（2）表面效应）表面效应（3）量子尺寸效应）量子尺寸效应（4）宏观量子隧道效应）宏观量子隧道效应2.纳米粒子的制备方法纳米粒子的制

11、备方法3.纳米技术在药学中的应用纳米技术在药学中的应用四、纳米粒子和纳米技术四、纳米粒子和纳米技术第二节第二节 溶胶的制备和净化溶胶的制备和净化量子点是在纳米量子点是在纳米尺度上的微小发尺度上的微小发光粒子。它是一光粒子。它是一种新的荧光探针，种新的荧光探针，可以用于生物分可以用于生物分子和细胞的成像子和细胞的成像 为为肿瘤定位和药肿瘤定位和药物传输提供新的物传输提供新的方向方向 第二节第二节 溶胶的制备和净化溶胶的制备和净化第三节第三节 溶胶的动力性质溶胶的动力性质一、布朗运动（一、布朗运动（Brown motion）二、扩散与渗透（二、扩散与渗透（diffusion and osmosis

12、）三、沉降和沉降平衡三、沉降和沉降平衡(sedimentation and sedimentation equilibrium)Brown运动：运动：溶胶粒子在介质中无规则的运动溶胶粒子在介质中无规则的运动 粒子越小，温度越高、介质粘度越小，布朗运动越激烈。粒子越小，温度越高、介质粘度越小，布朗运动越激烈。一、布朗运动（一、布朗运动（Brown motion）第三节第三节 溶胶的动力性质溶胶的动力性质第三节第三节 溶胶的动力性质溶胶的动力性质 rtLRTx3 u当粒子半径约大于当粒子半径约大于5 m，Brown运动消失。运动消失。二、扩散与渗透（二、扩散与渗透（diffusion and os

13、mosis）扩散：扩散：溶质从高浓度（溶质从高浓度（ 大）向低浓度（大）向低浓度（ 小）移动小）移动的现象。的现象。u结果结果Gibbs能能G ，熵，熵S ，是自发进行的过程，是自发进行的过程 。扩散速度与浓梯关系扩散速度与浓梯关系Fick第一定律第一定律 dndcDAdtdx mol s1 扩散系数扩散系数 面积面积 浓度梯度浓度梯度 扩散系数与扩散系数与Brown运动平均位移关系：运动平均位移关系：Dtx22 22ddddccDtx第三节第三节 溶胶的动力性质溶胶的动力性质渗透：渗透：溶剂溶剂通过半透膜（溶质不能透过）向溶质高浓通过半透膜（溶质不能透过）向溶质高浓度区移动的现象度区移动的现

14、象 （对溶剂而言，浓度从高（对溶剂而言，浓度从高低）低）cRT第三节第三节 溶胶的动力性质溶胶的动力性质平衡力：平衡力： F沉沉= F阻阻 F沉沉=F重重F浮浮=V gV 0g F沉沉 F阻阻 gr0334 F阻阻= 6 r v 6 r v gr0334 沉降速度沉降速度 沉降分析法，测沉降分析法，测v求粒径求粒径r (2) 落球式粘度计，测落球式粘度计，测v求求 应用：应用： grv0292 三、沉降和沉降平衡三、沉降和沉降平衡沉降：沉降：溶胶粒子在外力场作用下的定向移动。溶胶粒子在外力场作用下的定向移动。第三节第三节 溶胶的动力性质溶胶的动力性质沉降沉降粒子浓集粒子浓集 扩散扩散粒子分散粒

15、子分散 沉降与扩散沉降与扩散是两个相对抗的运动是两个相对抗的运动 粒子小，力场小粒子小，力场小扩散扩散 粒子大，力场大粒子大，力场大沉降沉降 扩散沉降相当扩散沉降相当平衡平衡 两者对抗有三种形态两者对抗有三种形态 第三节第三节 溶胶的动力性质溶胶的动力性质作用于粒子上的沉降力作用于粒子上的沉降力fw与扩散力与扩散力fd 相等时相等时,粒子的分布达到平衡，粒粒子的分布达到平衡，粒子的浓度随高度不同有一定的梯度，子的浓度随高度不同有一定的梯度，且这种浓度梯度不随时间而变。这且这种浓度梯度不随时间而变。这种平衡称为种平衡称为沉降平衡。沉降平衡。第三节第三节 溶胶的动力性质溶胶的动力性质 gr0334

16、 dhdccLRT 21210334hhccdhRTLgrcdc 平衡浓度：平衡浓度： 12031234hhRTLgrccln u沉降平衡不是热力学平衡态，是一种稳定态。沉降平衡不是热力学平衡态，是一种稳定态。u溶胶粒子沿容器高度分布不均，底部浓度最大。溶胶粒子沿容器高度分布不均，底部浓度最大。 u粒子质量越大，粒子质量越大，平衡平衡 12031234hhRTLgrccln 相同粒度相同粒度r，h ，c 相同高度相同高度h，r ，c 第三节第三节 溶胶的动力性质溶胶的动力性质Theodor Svedberg （瑞典）（瑞典）1926年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖 19241924年，研制出超速离

17、心机，用于蛋白质胶体研究年，研制出超速离心机，用于蛋白质胶体研究, ,第第一次测定了蛋白质的分子量。到一次测定了蛋白质的分子量。到19401940年年, , 超速离心机已超速离心机已可产生可产生3030万倍于万倍于g g的加速度的加速度, ,可直接测定从几万到几百万可直接测定从几万到几百万大小的分子量，并可测出分子量的分布。大小的分子量，并可测出分子量的分布。BACKMAN超速离心机超速离心机第三节第三节 溶胶的动力性质溶胶的动力性质第四节第四节 溶胶的光学性质溶胶的光学性质一、溶胶的光散射现象一、溶胶的光散射现象Tyndall phenomena：让一束光线通过胶体溶液，在让一束光线通过胶体

18、溶液，在入射光的测面可以看到一个光柱的现象。入射光的测面可以看到一个光柱的现象。uTyndall 现象现象是是判别溶胶与真溶液判别溶胶与真溶液的最简便方法。的最简便方法。 一般地，当光线射入分散体系时，有三种情况：一般地，当光线射入分散体系时，有三种情况： （1）分散相粒子）分散相粒子 入射光波长（入射光波长（r ） 主要发生光的反射或折射，体系呈现混浊主要发生光的反射或折射，体系呈现混浊 属于粗属于粗分散体系。分散体系。 （2）分散相粒子）分散相粒子 Cs Rb NH K Na Li：正离子正离子-32433-3F IO H PO BrO Cl ClO Br NO I CNS负：负：离子离子

19、第六节第六节 溶胶的稳定性与聚沉溶胶的稳定性与聚沉 与加入电解质情况不同的是，当两种溶胶的与加入电解质情况不同的是，当两种溶胶的用量恰能使其所带电荷的量相等时，才会完全用量恰能使其所带电荷的量相等时，才会完全聚沉，否则会不完全聚沉，甚至不聚沉。聚沉，否则会不完全聚沉，甚至不聚沉。第六节第六节 溶胶的稳定性与聚沉溶胶的稳定性与聚沉第六节第六节 溶胶的稳定性与聚沉溶胶的稳定性与聚沉第十章第十章 大分子溶液大分子溶液Chaper10: Macromolecule solution性质性质溶胶溶胶大分子溶液大分子溶液粒子大小粒子大小1 100nm1 100nm分散质存在形式分散质存在形式若干分子形成的

20、胶粒若干分子形成的胶粒单个分子单个分子能否透过半透膜能否透过半透膜不能不能不能不能扩散速度扩散速度慢慢慢慢系统性质系统性质多相、热力学多相、热力学不稳定系统不稳定系统均相、热力学均相、热力学稳定系统稳定系统丁铎尔效应丁铎尔效应强强微弱微弱粘度大小粘度大小小小(与纯溶剂粘度相似与纯溶剂粘度相似)大大对电解质的对电解质的敏感性敏感性敏感敏感(加入少量电解质就会加入少量电解质就会聚沉）聚沉）不敏感不敏感(加入大量电解质会加入大量电解质会发生盐析）发生盐析）干燥或聚沉后干燥或聚沉后能否复原能否复原不能不能能能从结构上主要分从结构上主要分线型、支链型、体型线型、支链型、体型三种类型。三种类型。线型结构：

21、线型结构：天然橡胶和纤维素，天然橡胶和纤维素，形成大分子溶液形成大分子溶液的主要是线型大分子的主要是线型大分子。 支链型结构：支链型结构：支链淀粉大分子和糖原大分子；支链淀粉大分子和糖原大分子；体型结构：体型结构：球状卵白分子和长棒状的肌朊分子。球状卵白分子和长棒状的肌朊分子。链段和链节链段和链节： 链节链节：聚合物中每一单元为：聚合物中每一单元为。.链段链段：独立运动的小单元，链段是由一定数量：独立运动的小单元，链段是由一定数量相互影响的链节所组成的活动单元。相互影响的链节所组成的活动单元。柔顺性柔顺性(flexibility):大分子链能以不同程度卷曲的特性。大分子链能以不同程度卷曲的特性

22、。C1C2C3C4C5大分子碳链上各个碳原子的内旋转溶解两个过程溶解两个过程溶胀溶胀（溶剂分子渗入到高聚物内（溶剂分子渗入到高聚物内部使高聚物体积膨胀）部使高聚物体积膨胀）溶解溶解溶解度溶解度: M大，溶解度小；大，溶解度小；M小，溶解度大小，溶解度大对于交联高聚物：交联度大，溶胀度小；交联度小，对于交联高聚物：交联度大，溶胀度小；交联度小，溶胀度大溶胀度大 溶解与聚集态有关溶解与聚集态有关 非晶态较易溶解，晶态难溶解非晶态较易溶解，晶态难溶解溶胀又分为溶胀又分为两种两种： 无限溶胀：无限溶胀：线型聚合物溶于良溶剂中，能无限制吸收线型聚合物溶于良溶剂中，能无限制吸收溶剂，直到溶解成均相溶液为止

23、。所以溶解也可看成是溶剂，直到溶解成均相溶液为止。所以溶解也可看成是聚合物无限溶胀的结果。聚合物无限溶胀的结果。有限溶胀：有限溶胀：对于交联聚合物以及在不良溶剂中的线性对于交联聚合物以及在不良溶剂中的线性聚合物来讲，溶胀只能进行到一定程度为止，以后无论聚合物来讲，溶胀只能进行到一定程度为止，以后无论与溶剂接触多久，吸入溶剂的量不再增加，而达到平衡，与溶剂接触多久，吸入溶剂的量不再增加，而达到平衡，体系始终保持两相状态。交联度越大，溶胀度欲小。体系始终保持两相状态。交联度越大，溶胀度欲小。极性相近原则极性相近原则 溶度参数溶度参数近似原则近似原则溶剂化原则溶剂化原则 0 互溶形成理想溶液互溶形成

24、理想溶液 1.5 溶解过程方能进行溶解过程方能进行 1.5 难溶或不能溶解难溶或不能溶解 匹配（亲电、亲核；强度）匹配（亲电、亲核；强度）考虑使用目的考虑使用目的1. 基于传输性质的方法基于传输性质的方法（扩散、粘度、沉降等）（扩散、粘度、沉降等）2. 光散射法光散射法3. 凝胶色谱法凝胶色谱法1. 相对黏度相对黏度(relative viscosity)2. 增比黏度增比黏度(specific viscosity)3. 比浓黏度比浓黏度(reduced viscosity)4. 特性黏度特性黏度(intrinsic viscosity)0 0r r=0 0s sp pr r0 0- -= - -1 1s