物理化学天大五版课件12章.pdf

1 第十二章 胶体化学 胶体化学主要研究的是粒子的直径至少在某个方向胶体化学主要研究的是粒子的直径至少在某个方向 上在上在1 1 1000nm1000nm 之间的之间的分散系统分散系统 胶体化学是物理化学的一个重要分支 它所研究的领域 化学 物理学 材料科学 生物化学等诸学科的交叉与重叠 它已成为这些学科重要的理论基础 所谓所谓分散系统分散系统 是一种或几种物质分散在另一种物质中是一种或几种物质分散在另一种物质中 所构成的系统所构成的系统 如牛奶中奶油液滴分散在水中如牛奶中奶油液滴分散在水中 颜料分颜料分 散在有机液体中形成油漆等等散在有机液体中形成油漆等等 通常把被分散的物质称通常把被分散的物质称 为为分散相分散相 起分散作用的物质叫起分散作用的物质叫分散介质分散介质 均相分散系统均相分散系统是分散相以分子形式溶于介质中所形成是分散相以分子形式溶于介质中所形成 的分散系统的分散系统 非均相分散系统非均相分散系统是被分散的物质不溶于介质时所形成是被分散的物质不溶于介质时所形成 的分散系统的分散系统 分散系统可分为分散系统可分为均相分散系统均相分散系统和和非均相分散系统 多相系统 非均相分散系统 多相系统 一 分散系统一 分散系统 2 根据分散相粒子的大小 分散系统可分为 真溶液 d 1nm 胶体分散系统 1 d 1000nm 悬浮液 乳状液 泡沫 粉尘 溶胶 高分子溶液 缔合胶体 各类分散系统性质 实例见下表 4 类型类型 分散相粒子分散相粒子 直径直径 分散相分散相 性质性质 实例实例 真真 溶溶 液液 分子溶液分子溶液 离子溶液等离子溶液等 d 1nm 小分子小分子 离子离子 原子原子 均相 热力学稳定系统 均相 热力学稳定系统 扩散快 能透过半透膜 扩散快 能透过半透膜 形成真溶液形成真溶液 氯化钠或蔗糖氯化钠或蔗糖 的水溶液 混的水溶液 混 合气体等合气体等 胶胶 体体 分分 散散 系系 统统 溶胶溶胶 1 d 1000nm 胶体粒子胶体粒子 多相 热力学不稳定系多相 热力学不稳定系 统 扩散慢 不能透过统 扩散慢 不能透过 半透膜 成胶体半透膜 成胶体 金溶胶 氢氧金溶胶 氢氧 化铁溶胶化铁溶胶 高分子溶液高分子溶液 1 d 1000nm 高 大 高 大 分子分子 均相 热力学稳定系统 均相 热力学稳定系统 扩散慢 不能透过半透扩散慢 不能透过半透 膜 成真溶液膜 成真溶液 聚乙烯醇水溶聚乙烯醇水溶 液液 缔合胶体缔合胶体 1 d cmc 粗粗 分分 散散 乳状液乳状液 泡沫泡沫 悬浮液悬浮液 d 1000nm 粗颗粒粗颗粒 多相 热力学不稳定系多相 热力学不稳定系 统 扩散慢 不能透过统 扩散慢 不能透过 半透膜或滤纸 形成悬半透膜或滤纸 形成悬 浮液或乳状液浮液或乳状液 浑浊泥水 牛浑浊泥水 牛 奶 豆浆等奶 豆浆等 分散系统分类 按分散相粒子大小 3 二 胶体体系的分类二 胶体体系的分类 1 溶胶 溶胶 这是一类高度分散的多相系统 分散相 不能溶于分散介质中 有很大相界面 热力学不稳 定 2 高分子溶液 高分子溶液 高分子是以分子形式溶于介质中 分散相与分散介质之间没有相界面 热力学稳定 3 缔合胶体 缔合胶体 胶体电解质胶体电解质 分散相是由表面活性剂 缔合形成的胶束 热力学稳定 按分散相的组成特点来分 按分散相的组成特点来分 分散系统按聚集状态分类分散系统按聚集状态分类 分散介质分散介质 分散相分散相 名称名称 实例实例 气 液 固 气溶胶 雾 烟 尘 液 气 液 固 泡沫 乳状液 液溶胶 悬浮液 肥皂泡沫 牛奶 含水原油 泥浆 油墨 固 气 液 固 固溶胶 泡沫塑料 珍珠 黑磷 P Hg 合金 4 按分散相和分散介质之间的亲和力的大小划分 按分散相和分散介质之间的亲和力的大小划分 憎液溶胶憎液溶胶 普通胶体 溶胶中的分散相和分散介 质之间的亲和力较弱 分散相和分散介质之间有 相界面存在 为热力学不稳定系统 亲液溶胶亲液溶胶 高分子溶液 分散相以分子形式溶解 分散相和分散介质之间的亲和力较强 没有相界 面 是热力学稳定系统 粗分散系统粗分散系统一般包括悬浮液 乳状液 泡沫和粉一般包括悬浮液 乳状液 泡沫和粉 尘等 尘等 粗分散系统中分散相的粒子大于胶体粒子 也是粗分散系统中分散相的粒子大于胶体粒子 也是 高分散度的系统 有很大的相界面 很高的界面高分散度的系统 有很大的相界面 很高的界面 能 因此也是热力学不稳定的系统 能 因此也是热力学不稳定的系统 由于粗分散系统的很多性质与胶体系统类似 故由于粗分散系统的很多性质与胶体系统类似 故 也属于胶体化学的范畴 也属于胶体化学的范畴 5 胶体系统 1nm 1000nm 粗分散系统 大小 1000nm 大变小大变小 分散法分散法 分子分散系统 c3 c2 c1 溶胶粒子的溶胶粒子的 电势 可利用电泳速度数据通过如下计算获得电势 可利用电泳速度数据通过如下计算获得 E u 斯莫鲁科夫斯基公式 E 0 r 球形质点 球形质点 粒子半径较大 双电层厚度粒子半径较大 双电层厚度 1较小较小 即 即 r 1 当当球形粒子半径球形粒子半径 r 较小较小 双电层厚度双电层厚度 1较大 较大 即即 r 1时时 休克尔 公式 对于水溶液 一般很难满足休格尔公式的条件 只有在对于水溶液 一般很难满足休格尔公式的条件 只有在 非水溶液中 才能满足非水溶液中 才能满足 r r 1 15kT 一般胶体粒子的热运动无法克一般胶体粒子的热运动无法克 服 就不会发生聚沉 越过服 就不会发生聚沉 越过Emax后 势能曲线出现第一最小值 后 势能曲线出现第一最小值 落入此陷阱的粒子发生不可逆聚沉形成紧密而又稳定的聚沉物 落入此陷阱的粒子发生不可逆聚沉形成紧密而又稳定的聚沉物 在在 ab 之间 斥之间 斥 力起主导作用 力起主导作用 势能曲线上出现势能曲线上出现 极大值极大值 Emax 当 当 迎面相撞的一对迎面相撞的一对 胶体粒子所具有胶体粒子所具有 的平动能足以克的平动能足以克 服这一势垒时 服这一势垒时 它们就会进一步它们就会进一步 a x b Emax 第一最小值第一最小值 0 斥斥 力力 ER EA E 引引 力力 E 第二最小值第二最小值 形成疏松形成疏松 的聚沉物的聚沉物 形成结构紧形成结构紧 密而又稳定密而又稳定 的聚沉物的聚沉物 34 溶剂化作用溶剂化作用是使溶胶稳定的另一重要因素 是使溶胶稳定的另一重要因素 若分散介质是水 胶团双电层中的若分散介质是水 胶团双电层中的全部离子都是水化的全部离子都是水化的 在分散相粒在分散相粒 子周围形成一个有一定弹性的子周围形成一个有一定弹性的水化外壳水化外壳 当一对胶团因布朗运动而靠当一对胶团因布朗运动而靠 近时 水化外壳因受到挤压而变形 但每个胶团又都力图恢复其原状近时 水化外壳因受到挤压而变形 但每个胶团又都力图恢复其原状 而又被弹开 这样 水化外壳的存在 增加了溶胶聚合的而又被弹开 这样 水化外壳的存在 增加了溶胶聚合的机械阻力机械阻力 溶胶稳定的第三个重要因素是溶胶稳定的第三个重要因素是布朗运动布朗运动 当分散相粒子布朗运动足够强时 能克服重力场的影响而当分散相粒子布朗运动足够强时 能克服重力场的影响而 不下沉 溶胶的这种性质称为不下沉 溶胶的这种性质称为动力稳定动力稳定 分散相与分散介分散相与分散介 质质密度差愈小密度差愈小 分散介质分散介质粘度越大粘度越大 分散相分散相颗粒越小颗粒越小 布布 朗运动朗运动越激烈越激烈 溶胶的动力稳定就溶胶的动力稳定就越强 越强 所以 中和粒子电荷 所以 中和粒子电荷 降低溶剂化作用都可降低溶剂化作用都可使溶胶聚沉使溶胶聚沉 溶胶稳定的原因 溶胶稳定的原因 1 胶粒带电胶粒带电 增加胶粒间的排斥作用 增加胶粒间的排斥作用 2 溶剂化作用溶剂化作用 形成弹性水化外壳形成弹性水化外壳 增加溶胶聚合的增加溶胶聚合的 阻力 阻力 3 Brown运动运动 使胶粒受重力的影响而不下沉使胶粒受重力的影响而不下沉 35 2 2 溶胶的聚沉溶胶的聚沉 溶胶中的分散相微粒互相聚结 颗粒变大 进而发 生沉淀的现象 称为聚沉聚沉 1 电解质的聚沉作用 适量的电解质对溶胶起到稳定剂的作用 适量的电解质对溶胶起到稳定剂的作用 但过量的电解质 特别是含高价反离子的电解质 往往会使但过量的电解质 特别是含高价反离子的电解质 往往会使 溶胶聚沉 溶胶聚沉 其原因是 其原因是 1 因为电解质的浓度或价数 因为电解质的浓度或价数 增加时 会压缩扩散层 扩散层增加时 会压缩扩散层 扩散层 变薄 斥力势能降低 当电解质变薄 斥力势能降低 当电解质 浓度足够大时 即使溶胶聚沉 浓度足够大时 即使溶胶聚沉 距离距离 0 Stern面面 斯特恩层斯特恩层 扩散层扩散层 2 若加入的反离子发生特性吸 若加入的反离子发生特性吸 附时 斯特恩层内的反离子数增附时 斯特恩层内的反离子数增 加 使胶粒带电量降低 而导致加 使胶粒带电量降低 而导致 碰撞聚沉 碰撞聚沉 36 聚沉值 引起溶胶明显聚沉所需外加电解质的最小浓度 聚沉能力 聚沉能力 1 聚沉值 聚沉规则 i 反离子的价数起主要作用 价数 聚沉值 聚沉能力 聚沉值 1 Z 6 聚沉能力 Z 6 Schultz Hardy规则 ii 同价离子 有感胶离子序 正离子的聚沉能力 H Cs Rd NH4 K Na Li 负离子的聚沉能力 F Cl Br NO3 I OH 带有相同电荷的离子 按聚沉能力大小排列的顺序 称为感胶离子序 带有相同电荷的离子 按聚沉能力大小排列的顺序 称为感胶离子序 如 同价正离子 由于水化能力强 而且离子半径愈小 水化能力愈强 所以水化层愈厚 被吸附的能力愈小 使其进入斯特恩层的数量减少 而使聚沉能力减弱 如 同价负离子 由于水化能力很弱 所以负离子半径愈小 吸附能力愈强 聚沉能力愈强 37 2 高分子化合物的聚沉作用 搭桥效应 高聚物分子通过 搭桥 把胶粒拉扯在一起 引起聚沉 脱水效应 高聚物分子由于亲水 其水化作用较胶粒水 化作用强 从而高聚物的加入夺去胶粒的水化外壳的保护 作用 电中和效应 离子型高聚物的加入吸附在带电的胶粒上 而中和了胶粒的表面电荷 高分子的加入即可使溶胶聚沉 也可使其稳定 高分子的加入即可使溶胶聚沉 也可使其稳定 较多的高分子物质加入溶胶中 往往能提高溶胶对 电解质的稳定性 多个高分子化合物的一端吸附在 同一个分散相粒子的表面上 或是多个大分子环绕 在胶粒周围 形成水化外壳 将分散相粒子完全包 围起来起到保护作用 a 聚沉作用 b 保护作用 图12 5 4 高分子化合物对溶胶聚沉和保护作用示意图 38 12 6 乳状液乳状液 定义定义 由两种不互溶或部分互溶的液体所形成的 由两种不互溶或部分互溶的液体所形成的粗粗 分散系统分散系统 称为乳状液称为乳状液 1 乳状液的类型乳状液的类型 水包油型 O W 分散相为油 内相 不连续 分 散介质为水 外相 连续 如牛奶 油包水型W O 分散相为水 分散介质为油如含水 原油 O W 乳化剂 乳状液 乳化剂 表面活性剂 固体粉末 乳状液的乳状液的分散相分散相被称为被称为内相内相 分散介质分散介质被称为被称为外相外相 若某相若某相体积分数大于体积分数大于74 它只能是乳状液的它只能是乳状液的外相外相 要得到比较稳定的乳状液 必须加入要得到比较稳定的乳状液 必须加入乳化剂乳化剂 乳化剂能使乳状液比较稳定存在的作用乳化剂能使乳状液比较稳定存在的作用 乳化作用乳化作用 39 1 乳状液类型的鉴别乳状液类型的鉴别 1 染色法染色法 将将油溶性油溶性染料滴入乳状液染料滴入乳状液 振荡振荡 后在显微镜下观察后在显微镜下观察 鉴别乳状液是鉴别乳状液是O W型 还是型 还是W O型的方法主要有 型的方法主要有 若若内相被染色内相被染色 则为则为O W型型 若若外相染色外相染色 则为则为W O型型 也可用水溶性染料做试验也可用水溶性染料做试验 2 稀释法 将数滴乳状液滴入蒸馏水中 若在水中立即散开 则为O W型乳状液 否则为W O型乳状液 3 电导法 一般来说 水导电性强 油导电性差 因此O W 型乳状液的导电性能远好于W O型乳状液 故可区别两者 2 2 乳状液的稳定乳状液的稳定 添加少量的添加剂就能使乳状液比较稳定的存在 解添加少量的添加剂就能使乳状液比较稳定的存在 解 释这种现象的理论就是释这种现象的理论就是乳状液的稳定理论乳状液的稳定理论 它大致有以 它大致有以 下几个方面 下几个方面 40 1 1 降低界面张力降低界面张力 乳状液系统的相界面面积比构成它的纯液体要大得多乳状液系统的相界面面积比构成它的纯液体要大得多 是不稳定分散系统是不稳定分散系统 加入少量表面活性剂加入少量表面活性剂 表面活性剂表面活性剂 在两相界面产生正吸附在两相界面产生正吸附 明显降低界面张力明显降低界面张力 使表面吉布使表面吉布 斯函数降低斯函数降低 稳定性增加稳定性增加 HLB值 亲水基质量 亲水基质量 憎水基质量 100 5 表面活性剂的表面活性剂的HLB值可决定形成值可决定形成 乳状液的类型 乳状液的类型 HLB 2 6 形成形成W O型乳状液型乳状液 HLB 12 18 形成形成O W型乳状液型乳状液 2 形成定向楔的界面形成定向楔的界面 乳化剂分子的一端极性基团亲水乳化剂分子的一端极性基团亲水 一端非极性基团亲油一端非极性基团亲油 其两端的横截面常常大小不等其两端的横截面常常大小不等 当它吸附在乳状液的界面当它吸附在乳状液的界面 层时层时 大头大头 向外向外 小头小头 密集钉在分散相小液滴上密集钉在分散相小液滴上 使使 它表面积最小它表面积最小 界面吉布斯函数最低界面吉布斯函数最低 界面膜更牢固界面膜更牢固 一价碱金属皂类 作为乳化剂时 应形成O W 型乳状液 油油 水水 二价碱金属皂类 作为乳化剂时 形成W O型乳状液 油油 水水 41 3 形成扩散双电层 形成扩散双电层 离子型表面活性剂在水中电离 若正离子在水中的溶解度 大于负离子 则水带正电 油带负电 带电的一端指向水 正离子在在水中呈扩散状分布 形成扩散双电层 它有较大 的热力学电势及较厚的双电层 使乳状液处于较稳定的状态 4 4 界面膜的稳定作用 界面膜的稳定作用 乳化过程也是分散相液滴表面界面膜的成膜过程 界面乳化过程也是分散相液滴表面界面膜的成膜过程 界面 膜的强度 韧性和厚度 对乳状液的稳定性起重要作用 膜的强度 韧性和厚度 对乳状液的稳定性起重要作用 配制特定组成的乳化剂 以形成较牢固的界面膜 可增配制特定组成的乳化剂 以形成较牢固的界面膜 可增 加乳状液的稳定性 加乳状液的稳定性 42 5 5 固体粉末的稳定作用 固体粉末的稳定作用 分布在乳状液界面层的固体微粒分布在乳状液界面层的固体微粒 也能起到稳定剂的作也能起到稳定剂的作 用 光滑球形粒子 若不考虑重力 在油用 光滑球形粒子 若不考虑重力 在油 水界面上的分布水界面上的分布 情况 情况 油油 os ws ow cos 固固 so ow 水水 sw 为油水界面与水固界面的夹角为油水界面与水固界面的夹角 cos os ws ow 根据根据Young方程有 方程有 有如下三种情况 有如下三种情况 os ow ws 水水 油油 固固 b os 900 油能润湿固体 油能润湿固体 大部分固体粒子在油中 大部分固体粒子在油中 固固 so ow 水水 sw a os ws d 1 nm 真溶液真溶液 d 1000nm 按分散相的质点大小分类按分散相的质点大小分类 定义定义 不溶性固体粒子分散在液体中所形成的粗分不溶性固体粒子分散在液体中所形成的粗分 散系统称为散系统称为悬浮液悬浮液 2 悬浮液的光学性质与溶胶不同 其散射光的强度 十分微弱 1 分散相粒子的线度大于1000 nm 不存在布朗运 动 不可能产生扩散及渗透现象 而易于沉降析出 悬浮液的性质悬浮液的性质 3 具有很大的相界面 能选择性地吸附溶液中的 某些离子而带电 4 某些高分子化合物对悬浮液有保护作用 48 大多数悬浮液是由大小不等的粒子构成的多级分散系大多数悬浮液是由大小不等的粒子构成的多级分散系 统统 大小不等粒子在试样中的含量即为粒度分布大小不等粒子在试样中的含量即为粒度分布 测测 定粒度分布的常用方法是沉降分析定粒度分布的常用方法是沉降分析 设分散介质密度设分散介质密度 0 粘度粘度 分散相为球分散相为球 形形 半径半径 r 粒子无溶剂化现象粒子无溶剂化现象 其密度为其密度为 纯固体纯固体 因悬浮液的分散相粒子比胶体大因悬浮液的分散相粒子比胶体大 粒子布朗运动可忽略不计粒子布朗运动可忽略不计 沉降主要是重沉降主要是重 力的作用力的作用 g rF 0 3 3 4 重重 粒子受到粒子受到净重力净重力 当粒子速度当粒子速度 v 时时 受到受到阻力阻力 vr F6 阻阻 斯托克斯定律斯托克斯定律 随着粒子沉降速度加快随着粒子沉降速度加快 阻力增加阻力增加 在某一速度在某一速度 重重 力等于阻力 力等于阻力 vr g r 6 3 4 0 3 此时粒子作匀速运动此时粒子作匀速运动 沉降速度为 沉降速度为 12 6 2 9 2 0 2 g r v 粒子达到匀速沉降所需时间极短粒子达到匀速沉降所需时间极短 一般只需一般只需 10 6 10 3 s 49 由沉降速度公式 由沉降速度公式 1 沉降速度与粒子半径的平方成正比沉降速度与粒子半径的平方成正比 粒子半径减小一半粒子半径减小一半 沉降速度就成为原来的沉降速度就成为原来的 此即沉降分析的依据此即沉降分析的依据 2 用不同密度与粘度的介质用不同密度与粘度的介质 可以调节与控制沉降速度可以调节与控制沉降速度 12 6 2 9 2 0 2 g r v 3 若在时间若在时间 t 内内 粒子沉降高度为粒子沉降高度为 h 因为因为 v h t 代代 入上式入上式 得粒子半径 得粒子半径 所以对于不同半径的粒子下降同样高度所以对于不同半径的粒子下降同样高度 需用不同的时间需用不同的时间 1 2 0 2 9 tg h r h 沉降分析可使用左图所示沉降天平来进沉降分析可使用左图所示沉降天平来进 行行 通过悬挂在分散系统中的托盘及扭力天通过悬挂在分散系统中的托盘及扭力天 平平 可测出不同时间可测出不同时间 t 的沉降量的沉降量 P 以以 P 对对 t 作图作图 可得沉降曲线可得沉降曲线 沉降分析用于测定悬浮液的粒度分布沉降分析用于测定悬浮液的粒度分布 在土壤学在土壤学 硅硅 酸盐酸盐 染料等领域的科研与生产中染料等领域的科研与生产中 都有广泛的应用都有广泛的应用 50 12 9 气溶胶气溶胶 以固体或液体为分散相 气体为分散介质所形成的胶 体系统 称为气溶胶气溶胶 粗粗 分分 散散 系系 统统 100 nm 101 nm 102 nm 103 nm 104 nm 105 nm 106 nm 粉粉 尘尘 烟烟 和和 雾雾 胶胶 体体 系系 统统 泡泡 沫沫 悬 浮 液 粒 子 真溶液真溶液 在矿山开采在矿山开采 机械加工机械加工 金属冶炼等工艺过程中金属冶炼等工艺过程中 会产生大会产生大 量烟雾及粉尘量烟雾及粉尘 污染环境污染环境 危害健康危害健康 如何除尘如何除尘 是一个重是一个重 要的课题要的课题 另一方面另一方面 气溶胶在科学技术上的应用也十分广泛气溶胶在科学技术上的应用也十分广泛 例如 例如 气溶胶的实际应用 气溶胶的实际应用 将液体燃料喷成雾状 或将固体燃料以粉尘形式进行燃烧 将液体燃料喷成雾状 或将固体燃料以粉尘形式进行燃烧 都可以提高燃烧效率 减少污染 都可以提高燃烧效率 减少污染 将催化剂分散为颗粒状 悬浮于气流中的流态化技术 可将催化剂分散为颗粒状 悬浮于气流中的流态化技术 可 以加大气以加大气 固传质速率 提高催化效果 固传质速率 提高催化效果 51 1 1 粉尘的分类粉尘的分类 分类法分类法 按化学性质分按化学性质分 按有无毒性分按有无毒性分 按沉降性质分按沉降性质分 1 尘埃尘埃 直径直径 10 100 m 在静止空气中在静止空气中呈呈加速沉降加速沉降 2 尘雾尘雾 直径直径 0 25 10 m 在在 静止空气中呈等速沉降静止空气中呈等速沉降 3 尘云尘云 直径直径 10 m的尘粒的尘粒 103 nm 为粗分散系统为粗分散系统 已经为尘已经为尘 埃部分埃部分 在静止的空气中表现为加速沉降在静止的空气中表现为加速沉降 直径小于该值的直径小于该值的 在静止的空气中表现为等速沉降的尘粒在静止的空气中表现为等速沉降的尘粒 才可用斯托克斯方程计算其沉降速度 才可用斯托克斯方程计算其沉降速度 12 6 2 9 2 0 2 g r v 上式中上式中 0 为空气密度为空气密度 因为它远小于粉尘密度因为它远小于粉尘密度 所以可忽略不计所以可忽略不计 为静止空气的粘度为静止空气的粘度 g 为重力加速度为重力加速度 r 为球形粒子半径为球形粒子半径 不同大小球形石英粒子在常温下的静止空气中的沉降速度不同大小球形石英粒子在常温下的静止空气中的沉降速度 尘粒的直径尘粒的直径 d m 沉降速度沉降速度 v m h 1 1 0 284 10 28 4 50 710 5 7 10 直径小于直径小于 1 m 的尘粒将长期飘浮于空气中的尘粒将长期飘浮于空气中 难于沉降难于沉降到地面到地面 而而直径在直径在10 m 以上以上的粒子的粒子 可见尘粒可见尘粒 尘埃尘埃 在静止空气在静止空气 中中很快地沉降很快地沉降下来下来 实际上实际上 由于自然界大气的流动由于自然界大气的流动 工厂厂房内及矿井内机械工厂厂房内及矿井内机械 设备运转及人的运动造成的空气流动设备运转及人的运动造成的空气流动 加上粉尘形状的不规则加上粉尘形状的不规则 所有这一切因素所有这一切因素都会使粉尘的沉降速度变得更慢都会使粉尘的沉降速度变得更慢 53 3 粉尘的荷电性 粉尘的荷电性 在粉尘产生的过程中在粉尘产生的过程中 由于物料间激烈地摩擦与撞击由于物料间激烈地摩擦与撞击 由于受由于受 到放射性射线的照射到放射性射线的照射 以及高压电场的作用以及高压电场的作用 可使粉尘带电可使粉尘带电 当粉尘带当粉尘带异性电荷异性电荷时时 粒子间的吸引力加大粒子间的吸引力加大 所以容易聚结成所以容易聚结成 较大颗粒而较大颗粒而沉降沉降 反之反之 若粉尘带有若粉尘带有同种电荷同种电荷 则粒子间存在静电斥力则粒子间存在静电斥力 不利于不利于 沉降沉降 而带电的粉尘更容易粘附在人的支气管与肺泡上而带电的粉尘更容易粘附在人的支气管与肺泡上 所以对人的所以对人的 危害更大危害更大 4 粉尘的爆炸性 粉尘的爆炸性 粉尘是高度分散的多相系统粉尘是高度分散的多相系统 可燃性粉尘在空气中可燃性粉尘在空气中 在在 适当条件下就会发生爆炸适当条件下就会发生爆炸 粉尘在空气中的爆炸粉尘在空气中的爆炸 是激烈的化学反应是激烈的化学反应 只只 有在有在一定浓度范围一定浓度范围内内 才可能发生爆炸才可能发生爆炸 发生爆炸的粉尘最低浓度发生爆炸的粉尘最低浓度 称为称为 发生爆炸的粉尘最高浓度发生爆炸的粉尘最高浓度 称为称为 粉尘在空气中的浓度大于等于爆炸下限时粉尘在空气中的浓度大于等于爆炸下限时 若若 遇明火遇明火 即会引起爆炸即会引起爆炸 下限越低下限越低 可以发生爆炸的温度越低可以发生爆炸的温度越低 发生爆发生爆 炸的危险性就越大炸的危险性就越大 爆炸下限爆炸下限 爆炸上限爆炸上限 54 5 气溶胶的光学性质气溶胶的光学性质 气溶胶的乳光效应基本上也服从瑞利公式 气溶胶的乳光效应基本上也服从瑞利公式 0 2 2 2 0 2 2 0 2 24 22 cos1 22 9 I nn nn l CV I 散射光的强度与入射光波长的散射光的强度与入射光波长的4次方成反比次方成反比 通过气溶胶的透射通过气溶胶的透射 光为橙红色光为橙红色 侧面散射光为淡侧面散射光为淡蓝蓝色色 例如例如 缕缕上升的炊烟呈淡蓝色缕缕上升的炊烟呈淡蓝色 就是太阳光被烟尘散射的结就是太阳光被烟尘散射的结 果果 6 粉尘的凝聚性 粉尘的凝聚性 干燥粉尘的表面经常带有电荷干燥粉尘的表面经常带有电荷 由于空气流动由于空气流动 声波的振动声波的振动 及电磁力的作用及电磁力的作用 尘粒处于杂乱无章的运动状态尘粒处于杂乱无章的运动状态 微小的尘粒可经过相互碰撞聚结成较大的粒子微小的尘粒可经过相互碰撞聚结成较大的粒子 当其质量足够当其质量足够 大时大时 能克服空气的流动而自动沉降能克服空气的流动而自动沉降 新型的除尘设备厂都设法利用这一特点新型的除尘设备厂都设法利用这一特点 55 3 气体除尘气体除尘 在化工在化工 燃料燃料 冶金等生产中冶金等生产中 常常产生大量有毒的粉尘常常产生大量有毒的粉尘 它们不但污染环境它们不但污染环境 危害人类健康危害人类健康 而且可能妨碍生产而且可能妨碍生产 例如例如 在接触法生产硫酸的过程中在接触法生产硫酸的过程中 原料气中悬浮着含砷及原料气中悬浮着含砷及 硒等物质的微粒硒等物质的微粒 若不除去若不除去 会使催化剂中毒会使催化剂中毒 可见可见 气体除尘不但可以防止污染大气气体除尘不但可以防止污染大气 回收有用物质回收有用物质 也是许多生产的工艺条件所要求的也是许多生产的工艺条件所要求的 国际上普遍采用的国际上普遍采用的静电除尘器静电除尘器 即科特雷即科特雷 尔尔 Cottrell 除尘器除尘器 其除尘效率可达到其除尘效率可达到 99 它的原理是 它的原理是 当含微尘的气体通过高压静电场时当含微尘的气体通过高压静电场时 在由在由 阴极发出的高能电子束作用下阴极发出的高能电子束作用下 气体电离气体电离 使粉尘带负电荷使粉尘带负电荷 所以粉尘由库仑力的作用所以粉尘由库仑力的作用 被吸到阳极表面而放电被吸到阳极表面而放电 发生沉积发生沉积 再通过再通过 机械振动或刮板的刮动机械振动或刮板的刮动 可将沉积物卸下可将沉积物卸下 高压电高压电 这种装置应用于化工这种装置应用于化工 冶金等工业以净化烟尘冶金等工业以净化烟尘 搜集锡搜集锡 铅铅 锌等的金属氧化物锌等的金属氧化物 捕集焦油捕集焦油 净化高炉煤气等净化高炉煤气等 56 12 10 高分子化合物溶液的渗透压和粘度高分子化合物溶液的渗透压和粘度 高分子化合物是指其摩尔质量高分子化合物是指其摩尔质量 M 1 104 kg mol 的大分子化的大分子化 合物合物 在适当的溶剂中在适当的溶剂中 它们可自动分散为高分子它们可自动分散为高分子 或大分或大分 子子 溶液溶液 在这种溶液中在这种溶液中 高分子化合物高分子化合物以分子或离子状态均匀分布以分子或离子状态均匀分布在在 溶液中溶液中 分散质与分散介质之间并分散质与分散介质之间并无相界面无相界面存在存在 所以高分所以高分 子溶液是均匀分布的真溶液子溶液是均匀分布的真溶液 是是热力学平衡系统热力学平衡系统 与溶胶有与溶胶有 本质的不同本质的不同 由 于高分 子化合 物分 子的大 小由 于高分 子化合 物分 子的大 小 恰 好在 胶体范 围内恰 好在 胶体范 围内 1nm 103nm 而且它具有某些胶体的特性而且它具有某些胶体的特性 所以又称高分所以又称高分 子溶液为亲液溶胶子溶液为亲液溶胶 分散相粒子尺寸分散相粒子尺寸 1 103 nm 扩散慢扩散慢 不能通过半透膜不能通过半透膜 相相 同同 之之 处处 高分子溶液高分子溶液 溶溶 胶胶 不不 同同 之之 处处 具有具有可逆性 可逆性 蒸发除去溶剂蒸发除去溶剂 可得干燥的高分子化合物可得干燥的高分子化合物 再加入溶剂 再加入溶剂 又可自动溶又可自动溶 解成溶液解成溶液 具有具有不可逆性不可逆性 蒸发除去溶剂蒸发除去溶剂 可得干燥的沉淀物 若再加可得干燥的沉淀物 若再加 入溶剂入溶剂 不能复原成溶胶不能复原成溶胶 热力学热力学稳定系统稳定系统 热力学热力学不稳定系统不稳定系统 稳定原因主要稳定原因主要是溶剂化是溶剂化 稳定原因主要是稳定原因主要是分散相粒子带电分散相粒子带电 均均相系统相系统 丁铎尔效应微弱丁铎尔效应微弱 多多相系统相系统 丁铎尔效应强丁铎尔效应强 对电解质对电解质稳定性大稳定性大 加入少量电解质就会聚沉加入少量电解质就会聚沉 粘度粘度大大 粘度粘度小小 与纯溶剂粘度相似与纯溶剂粘度相似 rL RT D 6 高分子溶液与溶胶性质比较高分子溶液与溶胶性质比较 57 1 高分子溶液的渗透压高分子溶液的渗透压 在第四章讨论稀溶液的依数性时在第四章讨论稀溶液的依数性时 曾曾 推导出理想稀溶液的渗透压推导出理想稀溶液的渗透压 与溶与溶 质浓度质浓度 cB 的关系式 的关系式 4 7 9b BRT c 它对高分子溶液也适用它对高分子溶液也适用 在高分子溶液中在高分子溶液中 分散质与分散介质之间存在较强的亲分散质与分散介质之间存在较强的亲 和力和力 所以有明显的溶剂化效应所以有明显的溶剂化效应 这样就影响渗透压这样就影响渗透压 对以对以 上公式产生偏差上公式产生偏差 12 10 1 B M RT 若若 B 为溶质的质量浓度 为溶质的质量浓度 M 为溶质的摩尔质量 上式成为 为溶质的摩尔质量 上式成为 h 溶剂溶剂 溶液溶液 半透膜半透膜 12 10 1 B M RT 在恒温下在恒温下 B 应当是常数应当是常数 但是实验表明但是实验表明 在恒温下在恒温下 B 随随 B 变化而变化变化而变化 所以可用维里所以可用维里 virial 方程来表示方程来表示 与与 B 的关系的关系 12 10 2 1 2 B3B2B A A M RT 式中的式中的A2 A3 均为常数均为常数 称为称为维里系数维里系数 若质量浓度若质量浓度 B 很小很小 可以忽略高次项可以忽略高次项 上式成为 上式成为 12 10 3 1 B2 B A M RT 58 12 10 3 1 B2 B A M RT 由由 可见可见 在恒温下 若以在恒温下 若以 B 对对 B 作图 作图 渗透压法测定高分子渗透压法测定高分子摩尔质量摩尔质量 M 的范围是 的范围是 10 103 kg mol 摩尔质量太小时摩尔质量太小时 高分子化合物容易通过半透膜 高分子化合物容易通过半透膜 摩尔质量摩尔质量 M太大时太大时 渗透压很小 测量误差大渗透压很小 测量误差大 对于能电离的高分子稀溶液 对于能电离的高分子稀溶液 12 10 3 并不适用 并不适用 应得一直线 由直线的斜率可得应得一直线 由直线的斜率可得A2 由直线的截距可得高分子化合物的 由直线的截距可得高分子化合物的 摩尔质量摩尔质量 M 若相邻的两平行层的面积为若相邻的两平行层的面积为 As 在上图中垂直于纸面在上图中垂直于纸面 层间距离为层间距离为 dx 两层的流速差为两层的流速差为 dv 两层间的速度梯度两层间的速度梯度 称为切变速率称为切变速率 xd dv 设有液体在左图的管子中流设有液体在左图的管子中流 动动 靠近底部管壁上的一层靠近底部管壁上的一层 液体液体 是吸附在管壁上是吸附在管壁上不流不流 动的动的 相邻的各平行层的流相邻的各平行层的流 速依次加大速依次加大 管中心的流管中心的流 dx 速为最大值速为最大值 这样的流型称为这样的流型称为牛顿型牛顿型 As F 内摩擦力内摩擦力 3 高分子溶液的粘度高分子溶液的粘度 59 dx As F 内摩擦力内摩擦力 x A F d d s v 在稳态流动时在稳态流动时 推动液体流动的外力推动液体流动的外力 F 等于液体流动时所产等于液体流动时所产 生的内摩擦力生的内摩擦力 所以有 所以有 其中其中 为摩擦系数为摩擦系数 即即动力动力 粘度粘度 简称粘度简称粘度 单位是单位是 PaPa s s x A F d d s v 液体中的剪切应力液体中的剪切应力 这两种定义即为这两种定义即为牛顿粘性流动定律牛顿粘性流动定律 对于牛顿型液体对于牛顿型液体 在在 一定温度下一定温度下 为常数为常数 与与 无关无关 xd dv 粘度是高分子溶液的一个重要特征粘度是高分子溶液的一个重要特征 在高分子溶液的研究在高分子溶液的研究 中中 有几种粘度的术语有几种粘度的术语 若以若以 0 代表溶剂的粘度代表溶剂的粘度 代表溶代表溶 液的粘度液的粘度 B 代表溶液中高分子的质量浓度代表溶液中高分子的质量浓度 则几则几种粘度的种粘度的 定义是 定义是 相对粘度相对粘度 0 r 为为溶液的粘度对纯溶剂粘度的比例溶液的粘度对纯溶剂粘度的比例 量量 纲是一纲是一 增比粘度增比粘度 1 r 0 0 sp 为为溶液的粘度比纯溶剂的粘溶液的粘度比纯溶剂的粘 度增加的分数度增加的分数 量纲是一量纲是一 比浓粘度比浓粘度 B r B 0 0 B sp 1 粘度粘度 它的数值仍随质量浓度的增加而上升它的数值仍随质量浓度的增加而上升 单位为单位为m m3 3 kgkg 3 3 表示单位质量浓度的增比表示单位质量浓度的增比 60 特性粘度 特性粘度 B sp 0B lim 为为比浓粘度在质量浓度趋比浓粘度在质量浓度趋 于于0时的极限时的极限 其单位是其单位是 m3 kg 3 B sln p B 可以看出可以看出 当高分子溶液浓度增加时当高分子溶液浓度增加时 其粘度随之急剧上其粘度随之急剧上 升升 此外此外 高分子溶液的粘度还与溶质分子大小高分子溶液的粘度还与溶质分子大小 形状及形状及 溶剂化程度等因素有关溶剂化