第八章 胶体分散系统-final.ppt

第八章胶体分散系统 1 溶胶的分类和基本特性 2 溶胶的制备和净化 3 溶胶的动力学性质 4 溶胶的光学性质 5 溶胶的电学性质 6 溶胶的稳定性和聚沉作用 7 乳状液 泡沫和气溶胶 基本内容 A 1861年 ThomasGraham提出的胶体 前言 1 胶体化学发展简史 2 胶体化学所研究的对象 B 40年后 韦曼的发现 起因 糖 无机盐等能结晶 胶体类Al OH 3 明胶等不能结晶 A 基本特性 B 由基本特性所决定的光学 电学 动力学性质 C 基本特性产生的原因 影响因素 变化规律 C 药物的稳定性 除易引起变质的有害胶体 注意溶胶的相互凝结 3 胶体化学同医药学的关系 A 杀菌 如果用蛋白银溶胶作杀菌剂 不但有强烈的杀菌功效 还能避免对肌体的刺激作用 B 防腐 将硝酸汞 明胶和氯化钠的混合物制成胶态甘汞 就比甘汞粒粉具有较高的防腐作用 前言 分散系统的分类 分散系统 一种或几种物质分散在另一种物质中所形成的系统 分散相 非连续形式存在的被分散的物质 分类 分散介质 连续相形式存在的物质 第一节溶胶的分类和基本特征 内容 一 溶胶分类 二 溶胶的基本特性 一 溶胶分类 一 按分散介质的聚集状态分类 例如 云 牛奶 珍珠 一 溶胶分类 一 溶胶分类 二 按分散相与分散介质的亲合力分类 胶体分散系 憎液溶胶 多分子聚集体稳定体系 高分子溶液如 蛋白质 明胶 溶胶如金溶胶 硫化砷溶胶 亲液溶胶 缔合胶体 有相界面 s l两相 多相不稳定体系 无相界面单分子单相稳定体系 胶束溶液 二 溶胶的基本特性 溶胶是一定条件下形成的特殊状态 并非物质的本性 如 NaCl溶液 溶胶 这种特殊状态 有三个基本特征 1 特定分散度 2 多相性 s l两相 3 聚结不稳定性 1 100nm粒子小 A大 am大 G表面大 第二节溶胶的制备和净化 内容 一 溶胶的制备 二 溶胶净化 三 均匀分散胶体 四 纳米粒子和纳米技术 二种途径 一 溶胶的制备 溶胶的直径在1 100nm之间 1 分散法 2 凝聚法 一 溶胶的制备 研磨法 1 分散法 盘式胶体磨 用机械粉碎的方法将固体磨细 一 溶胶的制备 电弧法 先分散后凝聚 一 溶胶的制备 超声波分散法 只用来制备乳状液 一 溶胶的制备 胶溶法 加入盐使已沉淀的物质重新转化为溶胶 胶溶剂 稳定剂 如钠的苯溶胶制备 钠 点击此处演示 物理凝聚法 一 溶胶的制备 2 凝聚法 化学凝聚法 如 水解反应制备Fe OH 3溶胶FeCl3 3H2O Fe OH 3 3HCl 一 溶胶的制备 凡能有沉淀析出的化学反应都可能用来制备相应溶胶 使溶解度骤变 如 松香在乙醇中 溶 点击此处演示 水中 不溶 溶胶 改变溶剂法 二 溶胶净化 1 渗析法 普通渗析 电渗析 二 溶胶净化 2 超过滤法 减压过滤 加压过滤 小分子电解质滤去 再用介质重新分散 溶胶1 100nm 净化 制备 溶胶的制备和净化 三 均匀分散胶体 制备需满足的条件 1 暴发性成核 使速率r晶核形成 r晶体长大 2 同步长大 应用 1 验证基本理论 2 理想的标准材料 3 新材料 4 催化剂性能的改进 5 制造特种陶瓷 四 纳米粒子和纳米技术 纳米粒子 尺度为1 100nm之间的粒子 1 纳米粒子的结构和特性 1 小尺寸效应 2 表面效应 3 量子尺寸效应 4 宏观量子隧道效应2 纳米粒子的制备方法3 纳米技术在药学中的应用 第三节溶胶的动力性质 内容 一 Brown运动 二 扩散和渗透 三 重力沉降与沉降平衡 一 Brown运动 Brown运动 1 定性解释 布朗运动是由于介质分子 离子热运动撞击悬浮胶粒的结果 溶胶粒子在介质中无规则的运动 一 Brown运动 其关系 若在时间t内观察布朗运动位移 2 定量计算 r T 则Brown运动越明显 Einstein Brown运动公式 Brown运动平均位移的计算 该公式把粒子的位移与粒子的大小r T等联系起来 一 Brown运动 很容易在显微镜下观察 由此可求得溶胶粒子半径 与粒径r成反比 1 平均位移 粗粒 小到观测不到 粒子几乎静止不动 溶胶 真溶液 无法在显微镜下观察到其运动 2 可以从已知半径r的离子的平均位移 计算L r很大 说明 二 扩散和渗透 在有浓度梯度时 溶胶粒子因热运动而从高浓度向低浓度移动的现象 1 扩散 二 扩散和渗透 水平方向浓度梯度 则扩散速度 与浓度梯度和AB截面积A成正比 设通过AB面的扩散量为n 斐克第一定律 表示扩散发生在浓度降低的方向 用公式表示为 D的物理意义 单位浓度梯度 单位时间内通过单位截面积的粒子量 二 扩散和渗透 mol s 1 扩散系数 面积 浓度梯度 0 而 0 二 扩散和渗透 该式把扩散系数与粒子半径联系在一起 表明 r T D 粒子越容易扩散 Einstein Brown运动位移方程 应用 胶粒 扩散实验测定 D r M 设在t时间内粒子的扩散距离为 则根据斐克第一定律可导出 二 扩散和渗透 2 渗透 1 定义 溶剂 水 分子通过半透膜 由纯溶剂进入溶液 或由稀溶液进入浓溶液 的自发过程 二 扩散和渗透 2 渗透压力 渗透压 渗透压 p2 p1 将纯溶剂与溶液用半透膜隔开时 为维持渗透平衡而需要给溶液施加的额外压力 渗透压 渗透压 p 二 扩散和渗透 3 渗透压力与浓度 温度的关系 4 反渗透 非电解质稀溶液 cRT 范特荷甫公式 c很小 很小 溶胶 cRT 施加外压 使溶剂分子从溶液一侧透过半透膜进入纯溶剂 或稀溶液 一侧 5 溶胶的渗透压特征 一个溶胶粒子产生渗透压的作用只相当于一个普通分子 溶胶的渗透压至多只是原来溶液的几千分之一 溶胶的渗透压可随着其聚结的进行而逐渐减小 纯水向红萝卜内渗透 渗透原理被用来处理尿毒症 在人工肾里 病人的血液在玻璃软管 用作半透膜 循环 血液里的小分子废物向管外渗透 从而使血液得到净化 二 扩散和渗透 三 重力沉降与沉降平衡 悬浮在液态介质中的密度比介质大的粒子受重力作用下沉的现象 沉降 粒子浓集扩散 粒子分散 粒子小 力场小 扩散粒子大或力场大 沉降扩散 沉降相当 平衡 沉降 三 重力沉降与沉降平衡 1 重力沉降 平衡力 F沉 F阻 F沉 F重 F浮 V g V 0g F阻 6 r v 6 r v 沉降速度 沉降分析法 测v求粒径r 2 落球式粘度计 测r v求 重力沉降速度公式 粗分散体系的粒子 颗粒比较大 布朗运动很不明显 三 重力沉降与沉降平衡 2 沉降平衡 如果粒径不太大时 平衡力 F沉 F扩 平衡浓度 高度分布公式 三 重力沉降与沉降平衡 r 0 h2 h1 溶胶粒子在容器底部的浓度最大 随高度 浓度呈指数 则 c2 c1 即 c2 c1 1 三 重力沉降与沉降平衡 当c1 2c2时 h2 h1 1 2 粒子浓度降低一半时所需的高度 当r 0 此时 应用 可计算 或计算r r M h2 h1 1 2 第四节溶胶的光学性质 内容 一 溶胶的光散射现象 二 光散射定律 Reyleigh公式 三 溶胶的颜色 四 光学方法测定粒子大小 一 溶胶的光散射现象 光通过分散系统时基本现象 真溶液 粗分散 溶胶 透明 有色 补色 混浊 乳光 透射 吸收 反射 散射 吸收 取决于化学组成透射 粒径 波长散射 粒径 波长 一 溶胶的光散射现象 Tyndall效应 现象 暗室中光线通过溶胶时形成的 光柱 成因 二次光源 散射是溶胶特有的现象 电磁场作用 Fe OH 3溶胶 二 光散射定律 Reyleigh公式 2 I 3 I V 4 I与折光率差 n有关 1 浊度法测定溶胶的浓度 I1 I2 c1 c2 适用范围 r 1 20 从乳光强度分布确定粒度分布 尘粒测定仪 n I 当一束会聚光通过溶胶时 站在与光线垂直方向的同学看到的光柱的颜色是淡蓝色 而站在入射光180度方向的同学看到的是橙红色 这是为什么 问题 二 光散射定律 Reyleigh公式 三 溶胶的颜色 吸收 与观察方向无关散射 与观察方向有关 若吸收很弱 主要表现为散射 如AgCl BaSO4溶胶 乳光若吸收较强 主要表现为其补色 如Au溶胶 红 As2S3溶胶 黄 粒子大小可改变吸收 散射相对比如Au溶胶高度分散时 吸收为主 红放置后粒子增大 散射为主 兰 四 光学方法测定粒子大小 1 超显微镜法 普通显微镜 明视野 分辩率10 7m 无法计数 方法 计数 每mL中粒子数n 称重 每mL中粒子重量m 计算 m n V 由此式计算r 2 激光散射法3 电镜 暗视野 观察散射光 一个粒子一个光点 可计数 用血球计数器 超显微镜 第五节溶胶的电学性质 内容 一 电动现象 二 溶胶粒子带电的原因 三 溶胶表面双电层理论 四 电泳的测定 由于胶粒是带电的 会产生电动现象 一 电动现象 一 电动现象 1 电泳 在外电场的作用下 带电的分散相粒子在分散介质中作定向移动的现象 胶粒带负电 一 电动现象 分散介质带正电 2 电渗 在外电场的作用下 分散介质做定向移动的现象 一 电动现象 在外加压力下 迫使分散介质流经相对静止的固体表面而产生的电势 电渗的逆过程 3 流动电势 一 电动现象 分散相粒子在沉降时 在沉降方向的两端产生的电势 电泳的逆现象 4 沉降电势 一 电动现象 1 电泳 胶粒在电场中定向移动 2 电渗 分散介质在电场中定向移动 3 流动电势 外力使介质移动 产生电场 4 沉降电势 外力使胶粒移动 产生电场 电动现象说明 溶胶质点与介质分别带电 在电场中发生移动 或移动时产生电场 总结 问题 贮油罐中通常要加入少量有机电解质 否则有爆炸得危险 这是为什么 为什么输油管要接地 二 溶胶粒子带电的原因 1 吸附带电 非选择性吸附 选择性优先吸附 Fajans规则 难溶盐晶体的溶胶 优先吸附与其成分相同的离子 吸附介质中H OH 或其它 溶胶粒子通过吸附介质中的离子而带电 2 电离带电 硅酸溶胶H2SiO3 不同pH时 3 同晶置换 4 摩擦带电 粘土A13 或Si4 部分被Mg2 或Ca2 取代带负电 非水介质中无电离 质点与介质摩擦带电 碱性条件 酸性条件 三 溶胶表面双电层理论 1 平板双电层 Helmholtz模型 粒子表面与本体溶液之间的电位差 优点 理论上可解释电动现象 缺点 模型过于简单 表面电势 0 热力学电势 0是定值 与胶粒表面的吸附能力 溶胶种类有关 与介质中的电解质浓度无关 注意 三 溶胶表面双电层理论 反离子排布 符合Boltzman分布 吸附层和扩散层之间的分界面 电动电势 滑动面 2 扩散双电层 Gouy Chanman模型 0 吸附层 紧密层 扩散层 吸附层 扩散层 由滑动面至溶液本体间的电势差 根据波耳兹曼定律 x处的电势 其中 1具有双电层厚度的物理意义 三 溶胶表面双电层理论 x 0 三 溶胶表面双电层理论 电势体现了粒子的有效电荷 其大小是溶胶稳定性的主要因素 注意 0 扩散双电层模型的优点 提出了反离子的扩散状分布 区别了 0和 扩散双电层模型的缺点 未能给出 电势更为明确的物理意义 不能解释有些实验事实 三 溶胶表面双电层理论 3 吸附扩散双电层 Stern模型 定位离子 0 滑动面内离子 滑动面外离子 0 电势 三 溶胶表面双电层理论 胶团表面 胶核表面 Helmholtz层 吸附层 扩散层 胶团 胶团表面 电势 0 0 胶团结构 胶核 分散相物质大量分子 原子的聚集体胶粒 胶核 吸附层胶团 胶粒 扩散层 吸附层 胶核表面 粒子表面 Stern面 滑动面 胶团结构式 胶核 m n定位离子 n x 内反离子 x x外反离子 胶团结构 定位离子按Fajans规则确定 胶团结构 例1Fe OH 3溶胶 结构式 例2AgI溶胶 制备1 AgNO3 KI 过量 AgI KNO3 结构式 AgI m 制备2 AgNO3 过量 KI AgI KNO3 结构式 AgI m 制备 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 nI n x K x xK 负溶胶 nAg n x NO3 x xNO3 正溶胶 三 溶胶表面双电层理论 Stern模型特点 1 赋予了 电势明确的物理意义 电势与电解质浓度有关c x 净余电荷 扩散层越厚 电势只是 电势的一部分a 稀溶液 电势近似等于 电势b 浓溶液 电势与 电势差别明显 三 溶胶表面双电层理论 2 解释了电解质对双电层电势的影响 外加电解质 反离子进入stern层结果 中和x 扩散层变薄 当 0胶粒不带电 等电状态不泳动 此时电泳 电渗速度为零 溶胶很容易聚沉 三 溶胶表面双电层理论 3 说明了高价反离子或同号大离子对双电层的影响 高价或大的反离子牢牢吸在胶核表面使 下降甚至改变符号 同号大离子 Vanderwaals力 0 热力学电势 由固体表面至溶液本体间的电势差 是定值 与胶粒表面的吸附能力 溶胶种类有关 与介质中的电解质浓度无关 斯特恩电势 由Stern面至溶液本体间的电势差 电动电势 由滑动面至溶液本体间的电势差 与电解质浓度有关 随电解质浓度增加而减小 电解质浓度越大 扩散层越薄 电势越小 小结 四 电泳的测定 2 电泳实验方法 界面移动电泳 观测溶胶界面在电场中的移动 显微电泳 显微镜下直接对粒子的运动进行测定 1 电泳速度求算电动电势 第六节溶胶的稳定性和聚沉作用 内容 一 胶体稳定性 二 溶胶的聚沉 一 胶体稳定性 稳定溶胶的因素 动力稳定性 Brown运动 扩散力作用粒径r 介质粘度 T 溶胶越稳定2 胶粒带电的稳定作用x 扩散层越厚 扩散层的静电排斥力 溶胶稳定性 3 溶剂化的稳定作用水化膜斥力水化膜厚度 1 10nm 扩散双电层厚度 热力学不稳定 高分散度 比表面能大 有自发聚集倾向 聚沉 憎液溶胶中分散相微粒互相凝结 颗粒变大 进而发生沉淀的现象 加热 辐射或加入电解质等皆可导致溶胶的聚沉 三种溶胶聚沉 左 Al OH 3 中 Fe OH 3 右 Cu OH 2 二 溶胶的聚沉 二 溶胶的聚沉 电解质影响溶胶电性 溶胶对其十分敏感 适量电解质是溶胶稳定必要条件 适量定位离子使溶胶荷电而稳定 制备时不可净化过度 过多电解质使溶胶发生聚沉 聚沉原因 反离子使x 压缩扩散层 使双电层变薄 水化膜弹性变弱 因而稳定性变差 当 0时胶粒呈电中性 最不稳定 1 电解质对溶胶稳定性的影响 聚沉值 M 使一定量溶胶在一定时间内完全聚沉所需电解质的最低浓度 以mol m 3表示 M 聚沉能力 二 溶胶的聚沉 经验规则 1 聚沉能力主要决定于反离子的价数 原因 反离子水化半径 越易靠近质点 聚沉能力 2 价数相同的反离子聚沉能力也有所不同 对于负溶胶 一价正电反离子的聚沉能力 H Cs Rb NH4 K Na Li 对于正溶胶 一价负电反离子的聚沉能力 F IO3 H2PO4 BrO3 Cl ClO3 Br I CNS 舒尔茨 哈迪规则 感胶离子序 二 溶胶的聚沉 4 有机化合物的离子 通常有强吸附能力 有很强的聚沉能力 5 不规则聚沉 在逐渐增加电解质浓度的过程中 溶胶发生聚沉 分散 再聚沉的现象 溶胶对高价反离子强烈吸附的结果 3 同号离子的稳定作用价数越高 r 稳定作用越强 同号离子进入吸附层 使 溶胶稳定 等体积的0 08mol LNaBr溶液和0 1mol L的AgNO3溶液混合制AgBr溶胶 分别加入相同浓度的下述电解质溶液 其聚沉能力的大小次序如何 1 KCl 2 Na2SO4 3 MgSO4 4 Na3PO4 思考 解 4 2