胶体分散系统

155 第十章第十章 胶体分散系统胶体分散系统 一 一 基本要求基本要求 1 了解胶体分散系统的三个基本特性 2 了解憎液溶胶在动力性质 光学性质和电学性质等方面的特点以及如 何应用这些特点对它进行粒度 带电情况等方面进行研究 3 掌握憎液溶胶在稳定性方面的特点 会判断外加电解质对憎液溶胶稳 定性的影响和电解质聚沉能力的大小 4 了解大分子溶液与憎液溶胶系统的异同点 了解胶体分散系统平均摩尔 质量的测定方法 5 了解纳米技术的基本内容和广泛的应用前景 二 二 把握讲课要点的建议把握讲课要点的建议 胶体分散系统以其特有的分散程度 多相不均匀性和热力学不稳定性 使 得与一般的分子分散系统或粗分散系统在性质上有很大的不同 主要表现在 动力性质 光学性质和电学性质等方面 不要把憎液溶胶的三个特性与它在动 力 光学和电学方面的性质混为一谈 了解憎液溶胶的动力性质 光学性质和电学性质 目的是区别于分子分散 系统或粗分散系统 利用这些性质可以对胶粒的大小 形状和带电情况进行研 究 大分子溶液与憎液溶胶在组成上完全是两回事 仅仅是因为它们的大小相 仿 在粒度效应方面有一点共同之处 才放在一起研究 其实在光学性质 电 学性质和受外来电解质影响方面有很大的区别 大分子是由小分子聚合而成的 由于聚合的程度不同 因而分子的大小也不同 所以大分子物质的摩尔质量只 能是平均摩尔质量 而且 测定的方法不同 摩尔质量的值也不同 纳米技术目前是许多学科的研究热点 纳米材料的制备较多的是采用溶胶 156 凝胶法 学好胶体分散系统的性质 对纳米材料的研究有很大的帮助 三 思考题参考答案三 思考题参考答案 1 憎液溶胶有哪些特征 答 1 特有的分散程度 胶粒的大小一般在 1 100 nm 之间 所以有动力稳 定性强 散射作用明显 不能通过半透膜 渗透压低等特点 2 多相不均匀性 胶团结构复杂 是一个具有相界面的超微不均匀质点 3 热力学不稳定性 由于胶粒小 表面积大 表面能高 有自动聚结降低表 面能的趋势 所以要有稳定剂存在 由于带电的溶剂化层存在 可保护胶粒不 聚沉 2 有稳定剂存在时胶粒优先吸附哪种离子 答 稳定剂一般是略过量的某一反应物 胶核首先吸附与胶核中相同的那个离 子 例如 制备 AgI 溶胶时 若 KI 略过量 胶核优先吸附 I 离子 利用同 离子效应保护胶核不被溶解 若稳定剂是另外的电解质 胶核优先吸附的是使 自己不被溶解的离子 或转变成溶解度更小的沉淀的离子 一般优先吸附水化 作用较弱的阴离子 所以自然界的天然胶粒如泥沙 豆浆 橡胶等都带负电 3 当一束会聚光通过溶胶时 站在与入射光线垂直方向的同学 看到光柱的颜 色是淡蓝色 而站在入射光 180o方向的同学看到的是橙红色 这是为什么 答 站在与入射光线垂直方向 即侧面 的同学 看到的是胶粒的散射光 根 据瑞利公式 入射光波长越短 散射光越强 所以 蓝色 紫色光容易散射 散射光呈淡蓝色 而对着入射光看的同学 看到的是透射光 在白光中 波长 较短的蓝色 紫色光已被散射 剩下的透射光主要是波长较长的光 所以看到 的透射光是橙红色的 4 为什么有的烟囱冒出的是黑烟 有的却是青烟 答 有的烟灰粒子很大 属粗分散系统 主要发生光反射和吸收 所以看到的 是黑色 这种粒子很快会沉降 而有的灰粒极小 小于可见光波长 主要发生 157 光散射 而短波长的蓝光 紫光的散射光强 所以看到的是青烟 实际上 看 到的不是灰粒的本身 而是它的散射光 5 为什么晴天的天空呈蓝色 为什么日出 日落时云彩特别红 答 太阳光由七色光组成 空气中有灰层微粒和小水滴 当阳光照射地球时 波长较短的蓝光 紫光被微粒散射后的散射光较强 所以 看到的天空呈蓝色 实际上看到的是这种散射光 而在日出 日落时 太阳接近地平线 阳光要穿 过厚厚的大气层我们才能看到 阳光中短波长的青色 蓝色 紫色光被大气层 中的微粒散射掉了 我们看到的是散射较弱的红色 橙色的透射光 所以特别 绚丽多彩 6 为什么危险信号灯用红色 为什么车辆在雾天行驶时雾灯规定用黄色 答 因为红色光波长很长 不容易散射 传得远 可以让人在很远时就能看到 危险信号 雾天 如果用白色雾灯 其中一部分短波长的光被雾滴散射 光线就会变 弱 而黄色光波长较长 不容易散射 所以雾天在高速公路上 必须把后雾灯 打开 黄色的雾灯很远就能看见 可以防止汽车追尾相撞 7 为什么在做旋光分析时 光源用的是钠光灯 答 因为在蔗糖水解时 主要测定其旋光度的变化 而不希望有散射因素干扰 钠光灯放出的是单一的 波长较长的黄色光 不容易发生散射 8 在一个 U 型管中间 放用 AgCl 晶体组成的多孔塞 管中放浓度为 0 001 mol dm 3的 KCl 溶液 多孔塞两边放接直流电源的电极 通电时溶液将向哪一 极方向移动 将 KCl 浓度增加 100 倍 溶液流动速度是变慢了还是变快了 答 因为 AgCl 晶体中 Ag 比 Cl 溶解度大 扩散快 AgCl 晶体又优先吸附 溶液中的 Cl 离子 使多孔塞带负电 介质带正电 所以 电渗时液体介质向 负极移动 KCl 浓度增加 电位下降 电渗速度变慢 当用 AgNO3代替 KCl AgCl 优先吸附 Ag 离子 介质带负电 电渗方向与刚才相反 158 9 为什么输油管和运送有机液体的管道要接地 答 在用泵输送石油或其它碳氢化合物时 由于压差迫使液体流动 在扩散层 和管道表面会产生电势差 这就是流动电势 流动电势太大会产生火花 引起 爆炸 为了防止事故发生 都将这种管道接地或加入有机电解质 以降低流动 电势 10 为什么明矾能将浑浊的水很快澄清 答 明矾是硫酸钾铝复盐 溶于水后产生 K Al3 等离子 另外 Al3 离子在水中发生水解 产生 Al OH 3 絮状胶体 混浊的水中有大量带负电的泥沙胶粒 受 Al3 离子作用很快凝聚 并与 Al OH 3 胶体发生相互作用而一起下沉 所以明矾能使混水迅速变清 但这种 含 Al3 离子的水不能多吃 11 用电解质把豆浆点成豆腐 有三种盐 NaCl MgCl2 CaSO4 2H2O 哪种聚 沉能力最强 答 点豆腐是将豆浆胶粒聚沉 变成凝胶 天然的豆浆胶粒带负电 电解质 中正离子起主要作用 显然 NaCl 聚沉能力最弱 Mg2 和 Ca2 离子聚沉能力 差不多 但由于 MgCl2中 Cl 是负一价的 所以相对而言聚沉能力最强的应该 是 MgCl2 但由于 MgCl2 加多了有苦味 所以目前较多用 CaSO4 2H2O 即生 石膏点豆腐 12 在能见度很小的雾天飞机急于起飞 地勤人员搬来一个很大的高音喇叭 喇叭一开 很长一段跑道上的雾就消失了 这是为什么 答 这叫高音消雾 声音是有能量的 喇叭的音波促使雾粒碰撞 使小水滴凝 结成大水滴而下降 部分更小的水滴获得能量后气化 所以在音波作用的较近 的范围内 雾会很快消失 由清华大学席葆树教授研制的大喇叭 输出功率为 20000 声瓦 喇叭长 5m 直 径 2 86 m 在雾天 这只喇叭朝飞机跑道上大吼一声 可以开出 500 m 到 1000 m 的清亮大道 159 13 江河入海处为什么会形成三角洲 答 由于水土流失 江水中常常夹带大量泥沙 到入海处河道变宽 流速变慢 泥沙沉积 另一原因是江水中的泥沙微粒是带负电的胶粒 碰到含有大量电解 质的海水就凝聚下沉 这样长时间的沉积就形成了三角洲 四 概念题参考答案四 概念题参考答案 1 在稀的砷酸溶液中 通入 H2S 以制备硫化砷溶胶 As2S3 该溶胶的稳定剂是 H2S 则其胶团结构式是 A As2S3 m nH n x HS x xHS B As2S3 m nHS n x H x xH C As2S3 m nH n x HS x xHS D As2S3 m nHS n x H x xH 答 B 稳定剂 H2S 发生一级解离 胶核优先吸附 HS 使胶粒带负电 2 溶胶的动力性质是由于粒子的不规则运动而产生的 在下列各种现象中 不属于溶胶 动 力性质的是 A 渗透法 B 扩散 C 沉降平衡 D 电泳 答 D 电泳不属于溶胶的动力性质 属于溶胶的电学性质 3 Tyndall 现象是发生了光的什么的结果 A 散射 B 反射 C 折射 D 透射 答 A 由于胶粒半径远小于入射光的波长 发生光的散射现象 这就是 Tyndall 现象 是憎液溶胶的特有性质 4 日出和日落时 太阳呈鲜红色的原因是 A 蓝光波长短 透射作用显著 B 蓝光波长短 折射作用显著 C 红光波长长 透射作用显著 D 红光波长长 散射作用显著 答 C 太阳光透过厚厚的大气层时 散射作用显著的短波长光如蓝光 紫光等已被散 射 剩下透射作用显著的长波长光 如红光 黄光等 5 在电泳实验中 观察到分散相向阳极移动 表明 A 胶粒带正电 B 胶粒带负电 C 电动电位相对于溶液本体为正 D Stern 面处电位相对溶液本体为正 答 B 异电性相吸 160 6 胶体粒子的 Zeta 电势是指 A 固体表面处与本体溶液之间的电位降 B 紧密层 扩散层分界处与本体溶液之间的电位降 C 扩散层处与本体溶液之间的电位降 D 固液之间可以相对移动处与本体溶液之间的电位降 答 D Zeta 电势又称为动电电势 只有胶粒在移动时才能显示出来 是指固液之间可 滑移的界面与本体溶液之间的电位降 7 溶胶的电学性质由于胶粒表面带电而产生 下列不属于电学性质的是 A 布朗运动 B 电泳 C 电渗 D 沉降电势 答 A 布朗运动属于溶胶的动力性质 8 均匀的牛奶是乳浊液 从其中沉淀脂肪和蛋白质的方法是 A 加入一些酒精 B 将牛奶静置 C 过滤 D 加入酸 答 D 牛奶是乳脂分散在水中形成的乳浊液 加入酸这种强电解质会破坏乳浊液 使 脂肪与水分离 9 对于有过量的 KI 存在的 AgI 溶胶 下列电解质中聚沉能力最强者是 A NaCl B K3 Fe CN 6 C MgSO4 D FeCl3 答 D AgI 胶核优先吸附碘离子 使胶粒带负电 阳离子价数越高 聚沉能力越强 10 混合等体积的 0 08 mol dm 3 KI 和 0 1 mol dm 3 AgNO3溶液 得到一溶胶系统 分别加入 1 MgSO4 2 CaCl2 3 Na2SO4 则其聚沉能力大小是 A 1 2 3 B 2 1 3 C 3 1 2 D 3 2 1 答 C AgNO3溶液过量 AgI 胶核优先吸附银离子 使胶粒带正电 阴离子价数越高 聚沉能力越强 MgSO4中阳离子价数比 Na2SO4高 所以 MgSO4聚沉能力最强 11 用渗透压法测大分子化合物的摩尔质量 这样测得的摩尔质量属于 A 质均摩尔质量 B 数均摩尔质量 C 均摩尔质量 D 粘均摩尔质量 答 B 渗透压法利用的是稀溶液的依数性 所以测得的是数均摩尔质量 12 将大分子电解质 NaR 的水溶液用半透膜和水隔开 达到 Donnan 平衡时 膜外水 的 pH 值 A 大于 7 B 小于 7 C 等于 7 D 不能确定 答 A 大分子电解质中的 R 离子不能透过半透膜 而 Na 和 H 可以 为了维持溶液 161 的电中性 有 Na 出来 必有 H 进去 使膜外水的 pH 值升高 五 习题解析五 习题解析 1 对于 AgI 的水溶胶 当以 AgNO3为稳定剂时 如果 电势为 0 请写出等电态时的胶 团结构式 解 解 AgI m 为胶核 胶核优先吸附稳定剂中的 Ag 由于是在等电态时 NO 与 Ag 等 3 量 胶团呈电中性 胶团结构式示意图为 AgI m nAg n NO 3 2 把人工培育的珍珠长期收藏在干燥箱内 为什么会失去原有的光泽 能否再恢复 解 解 珍珠是一种胶体分散系统 其分散相为液体水 分散介质为蛋白质固体 珍珠长期在干燥箱中存放 分散相水逐渐被干燥箱吸收 胶体分散系统被破坏 故失 去光泽 此变化是不可逆的 不能再恢复 3 用化学凝聚法制成 Fe OH 3胶体的反应如下 FeCl3 3H2O Fe OH 3 溶胶 3HCl 溶液中一部分 Fe OH 3有如下反应 Fe OH 3 HCl FeOCl 2H2O FeOCl FeO Cl 请写出 Fe OH 3溶胶的胶团结构式 解 解 Fe OH 3 m胶核优先吸附水解产物中的 FeO 另外 由于正负离子相互吸引的原因 使部分 C l 离子围绕在周围 胶粒带正电 整个胶团结构式为 Fe OH 3 m nFeO n x Cl x xCl 4 请讲述 1 在晴朗的白昼 天空呈蔚蓝色的原因 2 日出和日落时 太阳呈鲜红色的原因 162 解 解 太阳光由七色光组成 空气中有灰层微粒和小水滴 当阳光照射地球时 波长较短的蓝光 紫光被微粒散射后的散射光较强 所以 看到的天空呈蓝色 实际上看到的是这种散射光 而在日出 日落时 太阳接近地平线 阳光要穿 过厚厚的大气层我们才能看到 阳光中短波长的青色 蓝色 紫色光被大气层 中的微粒散射掉了 我们看到的是散射较弱的红色 橙色的透射光 所以特别 绚丽多彩 5 有人在不同 pH 的条件下 测定出牛的血清蛋白在水溶液中的电泳速度 结果如下 pH 4 20 4 56 5 20 5 65 6 30 7 00 泳速 m2 s V 0 50 0 18 0 25 0 65 0 90 1 25 根据此实验数据 确定该蛋白等电点的范围 解 解 该蛋白在 pH 4 56 与 5 20 之间 电泳的方向发生改变 说明经历了一个动电电位变 小 等于零并改变符号又继续增大的过程 所以该蛋白的等电点在 pH 等于 4 56 与 5 20 之间 6 在两个充满 0 001 mol dm 3 KCl 溶液的容器之间 是一个 AgCl 多孔塞 塞中细孔 充满溶液 在两个容器中插入电极通以直流电 试问溶液将向何方移动 当以 0 1 mol dm 3 KCl 来代替 加以相同的电压 溶液的流动是加快还是减慢 如果以 AgNO3来代替 KCl 则溶液又将如何流动 解 解 AgCl 多孔塞在 KCl 溶液中 一方面由于银离子扩散快 另一方面由于同离子效应 优先吸附氯离子 所以 AgCl 多孔塞带负电 则介质溶液带正电 在直流电电场中 溶液向 负极移动 当 KCl 溶液的浓度增加 使动电电位变小 溶液电渗的减慢 如以 AgNO3代替 KCl 由于同离子效应优先吸附银离子 所以 AgCl 多孔塞带正电 则溶液带负电 溶液电渗向正极移动 7 A 水解 FeCl3制取 Fe OH 3溶胶 为什么要渗析 B 加明矾为什么会使混浊的泥水澄清 解 解 A FeCl3水解后 制得的 Fe OH 3溶胶中含有大量 HCl 电解质的浓度大 会使 溶胶的双电层压缩 电位变小 使制得的 Fe OH 3溶胶不稳定 容易聚沉 所以用渗析 163 的方法除去过量的 HCl B 明矾是硫酸钾铝复盐 溶解后既有大量的钾离子和铝离子 铝离子水解得 Al OH 3溶胶 该溶胶带正电 而泥沙是一种带负电的悬浊液 在加入阳离子以后 使其 电位变小 并且这两种带相反电荷的系统混合 正 负电荷中和 故产生相互聚沉 使 混浊的泥水很快澄清 8 由 0 01 dm3 0 05 mol kg 1 的 KCl 和 0 1 dm3 0 002 mol kg 1 的 AgNO3溶液混合 生成 AgCl 溶胶 为使其聚沉 使用下列电解质 KCl AlCl3和 ZnSO4 请排出聚沉值由 小到大的顺序 解 解 这两种溶液混合 KCl 略过量 所以生成的 AgCl 胶核优先吸附氯离子 胶粒带负电 外加电解质中正离子电价越高 聚沉能力越强 而聚沉值越小 所以聚沉值由小到大的顺 序为 AlCl3 ZnSO4 KCl 9 在 H3AsO3的稀溶液中 通入过量的 H2S 气体 生成 As2S3溶胶 用下列物质聚沉 Al NO3 3 MgSO4和 K3Fe CN 6 请排出聚沉值由大到小的顺序 解 解 用过量的 H2S 气体作为稳定剂 H2S 发生一级解离 生成 HS 离子 生成的 As2S3 胶核优先吸附 HS 离子 胶粒带负电 外加电解质中正离子电价越低 聚沉能力越弱 聚 沉值越大 所以聚沉值由大到小的顺序为 K3Fe CN 6 MgSO4 Al NO3 3 10 墨汁是一种胶体分散系统 在制作时 往往要加入一定量的阿拉伯胶 一种大分子物 质 作稳定剂 主要原因是什么 解 解 加适量的大分子化合物 大分子吸附在小的碳颗粒周围 使碳颗粒不易凝聚 对溶胶 起保护作用 11 混合等体积的 0 08 mol dm 3 KI 和 0 1 mol dm 3 AgNO3溶液所得的溶胶 1 试写出胶团结构式 2 指明电泳方向 3 比较 MgSO4 Na2SO4 CaCl2电解质对溶胶聚沉能力的大小 解 解 1 由于 AgNO3 的浓度大于 KI 的浓度 所以等体积混合时 AgNO3过量 生成的 AgI 胶核优先吸附 Ag 使胶粒带正电 则胶团的结构式为 164 AgI m nAg n x NO x x NO 3 3 2 因为胶粒带正电 电泳方向是往负极移动 3 聚沉胶粒带正电的溶胶 外加电解质中负离子价数 绝对值 越大 聚沉能力 也越强 所以聚沉能力大小的次序为 Na2SO4 MgSO4 CaCl2 虽然前两种电解质中负 离子相同 但由于 Na2SO4中正离子是一价的 聚沉能力要比正离子是二价的稍大一些 12 在 25 下 一半透膜内 有 0 1dm3的很稀盐酸水溶液 其中溶有 1 3 10 3 kg 的一 元大分子酸 假设它完全解离 膜外是 0 1 dm3的纯水 达到渗透平衡时 膜外 pH 3 26 膜电势为 34 9 mV 假设溶液为理想溶液 试计算 A 膜内的 pH 值 B 该大分子物质的摩尔质量 解 解 A 根据膜电势的计算公式 达膜平衡时 其膜电位为 ln H RT E FH 内 膜 外 或 E 膜 0 0592 pH外 pH内 0 0349 V 0 0592 3 26 pH内 得 pH内 2 67 B 设大分子酸和盐酸在膜内的起始浓度分别为 c1和 c2 达平衡后 盐酸在膜外的 浓度为 x 根据膜平衡条件 有 H 内 Cl 内 H 外 Cl 外 即 1 2 122 ccx cxx 因为 3 lg3 26 1 mol dm x 43 5 495 10 mol dmx 已知 12 3 lg2 67 1 mol dm ccx 33 12 2 14 10 mol dmccx 将这两个值代入 1 式 可求得 43 2 6 91 10 mol dmc 33 1 2 00 10 mol dmc 因为 3 33 1 1 33 11 1 3 10 kg 2 00 10 mol dm 0 1 dm0 1 dm m c MM 3 1 1 333 1 3 10 kg 6 50 kg mol 2 00 10 mol dm0 1 dm M 165 膜内大分子酸的摩尔质量为 6 50 kg mol 1 13 半透膜两边离子的起始浓度 单位为 mol dm 3 如下 膜两侧溶液体积相等 Na P K Cl 0 01 0 01 0 1 0 1 其中 P 是不能透过膜的大离子 试求 1 膜平衡条件 2 膜平衡时各小离子在膜两边的浓度 解 解 1 膜平衡条件为膜两边离子的化学势相等 即活度积相等 在假设活度因子为 1 时 膜两边离子的浓度积相等 即 Na 内 Cl 内 Na 外 Cl 外 K 内 Cl 内 K 外 Cl 外 2 膜平衡时离子在膜两