高等物理化学(建工).ppt

Chap 10胶体化学 ColloidChemistry 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 2 第一节 引言 Introduction 一 分散系统和胶体Dispersedsystemandcolloid 二 胶体的基本特征Elementarycharacteristics 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 3 一 分散系统和胶体 分散系统 一种或数种物质分散在另一种物质中所形成的系统 分散介质 dispersedmedium 分散相 dispersedphase 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 4 均相 homogeneous 分散系统 物质彼此以分子形态分散或混合所形成的均相系统 多相 heterogeneous 分散系统 物质以微相形态分散在分散介质中所形成的多相系统 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 5 多相分散系统 1 按分散相粒子大小分类 d为粒子尺度 A 粗分散系统d 10 mB 悬浮体 乳状液d 0 1 10 mC 溶胶 sol d 1 100nm 2 按聚集状态分类 8大类 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 6 表8 1多相分散系统按聚集状态分类 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 7 缔合胶体 associated 由缔合的表面活性剂保护的微小液滴 分散于介质中形成微乳状液 表面活性剂缔合形成胶束 分散于介质中得到胶束 mucus 溶液 胶体系统 溶胶 高分子溶液 缔合胶体 d 1 100nm d 1 1000nm包括悬浮体 乳状液 emulsion 泡沫 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 8 二 胶体的基本特征 1 多相 multiphase 性在胶体系统中 分散相粒子由众多分子或离子组成 粒子内部与外部分散介质的许多物理和化学性质都不相同 所以性质是不均匀的 因而是多相系统 包围胶体粒子的界面是相界面 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 9 2 高分散 highdispersion 性与一般的多相系统不同 3 不稳定 instability 性具有很高的界面能 是热力学不稳定系统 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 10 第二节胶体系统的制备 比分子大得多 比通常的晶粒 粉末等小得多 一 分散法 二 凝聚法 三 胶体的净化 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 11 一 分散 dispersion 法 直接将大块物质粉碎为小颗粒 并使之分散于介质中 机械分散法 超声波 ultrasonic 分散法 图10 1 电分散法 胶溶法 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 12 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 13 二 凝聚 agglomeration 法 将分子或离子凝聚成胶体颗粒 化学凝聚法 物理凝聚法 溶剂置换法 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 14 三 胶体的净化 purification 净化的目的是将其中的多余电解质及杂质除掉 渗析 溶胶中的电解质与小分子杂质会透过半透膜进入水中 若不断更换膜外的水 经一定的时间 便可将溶胶净化 为加快渗析速度 可外加一电渗析 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 15 超过滤法 ultrafiltration 用孔径极小而孔数极多的膜片作滤膜 让介质连同其中的电解质或低分子杂质透过滤膜成为滤液 从而将胶粒与介质分开 达到净化的目的 如也增加一个电场 一则降低超过滤的压力 二则可更快地除去多余的电解质 电超滤法 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 16 胶体系统的破坏 一 胶体系统絮凝或聚结的因素 二 絮凝和聚结 三 胶体的相互聚沉 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 17 一 胶体系统絮凝或聚结的因素 电解质聚结值 coagulation 在一定条件下 使溶胶絮凝 flocculation 的电解质浓度 mmol dm 3 图10 2 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 18 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 19 起作用的主要是与胶粒带相反电荷的离子 称为反离子 反离子的价数越高其聚沉能力越大 聚结值越小 叔尔兹 哈迪 Schulze Hardy 经验规则 聚结值与离子电荷数的六次方成反比 对一 二 三价离子为 1 1 26 1 36 1 0 016 0 0014 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 20 3 同价反离子的聚结值相近 但依离子的大小不同其聚结能力略有差异 感胶离子序 Cs Rb K Na Li Cl Br NO3 I 絮凝 flocculation 剂 电解质 高分子电解质 表面活性剂温度 热运动加剧 粒子互碰频繁 使聚沉加剧 图10 3 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 21 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 22 二 絮凝和聚结 絮凝 胶体颗粒相互缔合形成较疏松的絮凝物 颗粒本身的结构未改变 图10 4 聚结 胶体相互结合形成大颗粒 图10 5 统称为聚沉 是胶体不稳定性的主要表现 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 23 Fig 10 4Flocculation 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 24 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 25 三 胶体的相互聚沉 若将二种电性相反的溶胶混合 则发生聚沉 称为相互聚沉 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 26 胶体系统的动力性质 胶体粒子具有特定的大小 介于真溶液和粗分散系统之间 从而热运动和沉降运动兼而有之 一 热运动 二 沉降平衡 三 沉降速率 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 27 一 热运动 图10 6 胶体粒子的热运动 在微观上表现为Brown运动 在宏观上表现为扩散 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 28 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 29 二 沉降 sedimentation 平衡 图10 7 当溶胶中颗粒的密度大于介质时 颗粒在重力场作用下有向下沉降的趋势 沉降的结果使底部粒子浓度大于上部 即造成上下的浓差 而粒子的扩散将促使浓度趋于均一 当沉降与扩散达平衡时 称为沉降平衡 此时 颗粒浓度自下而上降低 有一个分布 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 30 Fig 10 7Determinationofconcentrationgradsassedimentationequilibrium 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 31 浓度或颗粒的数密度C随高度的分布为 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 32 三 沉降速率 图10 8 对于颗粒较大的胶体系统 当偏离沉降平衡较大时 可测定出颗粒的沉降速率 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 33 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 34 1 沉降速度对颗粒大小有明显的依赖关系 以此可测定颗粒的粒度分布 2 可通过调节密度差或介质黏度 人为地控制沉降速度 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 35 第五节胶体系统的动电性质 ZetapropertiesofColloidSystem 胶体粒子间的静电排斥力减少相互碰撞的频率 使聚结的机会大大降低 从而增加了相对的稳定性 一 胶体粒子带电特征 二 动电势 zetapotential 三 电泳 electrophoresis 四 电渗 electroosmosis 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 36 一 胶体粒子带电特征 以水为分散介质的溶胶为例 其原因有二个 1 吸附 adsorption 巨大的比表面 正溶胶 负溶胶 一般悬浮于水中的胶体粒子易吸附负离子 Fajans规则 能与晶体的组成离子形成不溶物的离子将优先被吸附 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 37 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 38 2 电离 ionization 胶体粒子表面的分子与水接触会发生电离 其中一种离子进入介质中 而使胶体粒子带电 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 39 胶体粒子 即胶粒 并非单指固体颗粒 它由三部分组成 溶胶中独立运动的单位 胶核 表面吸附离子 紧密层 胶团 胶粒与其外部的扩散层组成 动电势 滑移面与分散介质体相间的电势差 用表示 又称电势 二 动电势 图10 10 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 40 Fig 10 10 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 41 电势是胶体系统的一种特性 具有以下几方面的意义 1 电势的大小是胶粒带电程度的标志 2 电势的符号标志胶粒的带电性质 即电荷的正负 3 电势的值还可反应扩散层的厚度 电势增大 扩散层变厚 图10 11 10 12 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 42 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 43 三 电泳 electrophoresis 带电胶体颗粒在电场作用下的定向运动 胶粒运动的速度为 q颗粒电量 E电场强度 r颗粒半径 介质黏度 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 44 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 45 四 电渗 electroosmosis 图10 14 10 15 分散介质在电场作用下的定向运动 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 46 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 47 流动电势 若在多孔物质如素烧陶瓷 高分子膜的两边施以压差 使液体强制通过 则在两边产生电势差 称为流动电势 为电渗的逆过程 沉降电势 带电粒子在介质中沉降时 上下将产生电势差 称为沉降电势 为电泳的逆过程 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 48 第二节胶体系统的光学性质 OpticsPropertiesofColloidSystem 由于胶体粒子具有特定的大小 决定了它对可见光的强烈散射作用 一 丁达尔 Tyndall 效应 二 瑞利 Rayleigh 散射 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 49 一 丁达尔 Tyndall 效应 图10 16 如果有一束可见光通过胶体溶液 在与光束前进方向垂直的侧向观察 可以看到溶胶中显示出一个混浊发亮的光柱 这种乳光现象称为丁达尔效应 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 50 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 51 二 瑞利 Rayleigh 散射 scattering 丁达尔效应的原因是由于胶体粒子对光的散射而引起的 瑞利提出散射光强度I R 随散射角 和距离R的关系 2020 3 25 Chap 10ColloidChemistry 52 式中 I0入射光强度 为波长 和 分别是颗粒的数密度和单个