胶体与表面化学第二章ppt课件

24 04 2020 1 第一节胶体的制备和净化 PreparationandPurification 第二节溶胶的运动性质 KineticProperties 第三节溶胶 电性质和胶团结构 第四节胶体的稳定性 第五节胶体的外貌 24 04 2020 2 第一节胶体的制备和净化 1 胶体的制备条件 1 分散相在介质中溶解度极小 2 加稳定剂 Stableagent 例 TiO2 油料 油漆 金属皂类 24 04 2020 3 2 凝聚法 Aggregation 用化学或物理方法使分子或离子凝集成胶体粒子的方法叫凝聚法 24 04 2020 4 A 还原法 单宁 Tannins 葡萄酒中所含有的二种酚化合物 B 氧化法C 复分解法 2 化学凝聚法 24 04 2020 5 注 C 过饱和浓度 S 溶解度 D 溶质分子的扩散系数 24 04 2020 6 注 当V1 V2时 粒子分散度较大 形成溶胶 当V2 V1时 粒子长大并产生沉淀 24 04 2020 7 4 溶胶的净化 采用 渗析 dialysis 和 电渗析 electrodialysis 24 04 2020 8 5 单分散溶胶 monodispersedsol 是指人们可以制取指定的胶粒尺寸 形状和组成皆相同的溶胶 1 半透膜 2 搅拌器 3 溶胶 4 铂电极 5 进水管 6 出水管 24 04 2020 9 注 单分散溶胶制备方式 24 04 2020 10 2 金属络合物高温水解法 注 Fe Co Ni与Cu的单分散溶胶 不用甲醇还原 24 04 2020 11 3 微乳液法 Micro emulsionmethod 制单分散溶胶 sol 24 04 2020 12 4 溶胶 凝胶转变法 Sol gel FeSO4 KOH溶液混合得到Fe OH 2凝胶 然后加入KNO3溶液 Fe2 温和氧化剂 可以得到非常小的Fe3O4粒子 另外 r Al2O3的制备 24 04 2020 13 人们把肉眼看的见的物质体系叫宏观体系 macro scopicsystem 将原子与分子甚至更小的体系叫做微观体系 micro scopicsystem 将宏观与微观之间的体系叫介观体系 meso scopicsystem 6 超细颗粒 Ultra fines 1 100nm 24 04 2020 14 1 超细颗粒的特性 La2NiO4 24 04 2020 15 b 容易形成团聚体 通常有机化改性降低表面能 c 熔点低 比如 块状金 Au 熔点为1063oC 若粒径为2 5nm 熔点为300oC左右 d 磁性强 e 光吸收强 几乎为黑色 f 热导性能好 超细粒子在低温和超低温下几乎没有热阻 24 04 2020 16 2 超细粒子的应用例如 化学工业 催化剂 电子工业 磁记录材料 传感器 医药和机械工业 3 超细材料的制备 a 化学气相沉积 CVD ChemicalVaporizationDeposition 24 04 2020 17 b 共沉淀法 Co precipitation 24 04 2020 18 c 溶胶 凝胶的转变方法 Sol gel 24 04 2020 19 d 溶剂蒸发法喷雾干燥法 喷雾热分解法 冷冻干燥法 24 04 2020 20 第二节溶胶的运动性质 24 04 2020 21 单位时间通过某一截面的物质的量 dm dt 与该处的浓度梯度 dc dx 及面积 As 成正比 其比例系数D称为扩散系数 负号是因为扩散方向与浓梯方向相反 胶体系统的扩散与溶液中溶质扩散一样 可用Fick扩散第一定律来描述 24 04 2020 22 24 04 2020 23 对于球形粒子 D可由爱因斯坦 斯托克斯方程计算 可见 粒子越小 扩散系数越大 扩散能力越强 胶体粒子扩散速率要比真溶液小几百倍 注 扩散系数D与质点在介质中运动时阻力系数f frictionalcoefficient 成反比 24 04 2020 24 二 布朗运动 Brownmotion 1827年 植物学家布朗 Brown 在显微镜下 看到悬浮在水中的花粉粒子处于不停息的无规则运动状态 24 04 2020 25 布朗运动是分子热运动的必然结果 以后发现 线度小于4000nm的粒子 在分散介质中都有这种运动 胶体尺度1 1000nm 这种现象产生的原因是 分散介质分子处于不断的热运动中 从四面八方不断的撞击分散相粒子 对于大小在胶体尺度下的分散介质粒子 粒子受到撞击次数较小 从各个方向受到的撞击力不能完全互相抵消 在某一时刻 粒子从某一方向得到的冲量即可发生位移 此即布朗运动 24 04 2020 26 x t时间间隔内粒子的平均位移r 粒子半径T 热力学温度 分散介质粘度NA 阿伏加德罗常数 1905年 Einstein Brown曾研究过布朗运动 提出了粒子的平均位移与粒子半径 介质粘度 温度和时间之间的关系式 24 04 2020 27 即从左到右通过AB单位面积上净质点数量 C2 24 04 2020 28 若很小 所以 如C1 C2 24 04 2020 29 将扩散系数代入 4 得 Einstein Brown平均位移公式 24 04 2020 30 将上式平方可得 由测量一定时间间隔t内的粒子平均位移 可求出D 24 04 2020 31 由球形粒子扩散系数公式改写 由D 可求出一个球形胶体粒子的质量 24 04 2020 32 注意 1 当胶体粒子为多级分散时 求得的为粒子平均半径 2 若粒子非球形 则算得半径为表观半径 3 若粒子有溶剂化 算出半径为溶剂化粒子半径 而1mol胶体粒子的摩尔质量为 24 04 2020 33 三 沉降与沉降平衡 Sedimentationequilibrium 多相分散系统中的粒子 因受重力作用而下沉的过程 称为沉降 沉降与布朗运动所产生的扩散为一对矛盾的两个方面 或 大气压随高度的分布 Po 地面的大气压 m 大气的平均分子量 24 04 2020 34 因胶体的粒子分布跟大气压分布相似 压力比P P0即为不同高度处的胶粒的浓度比C2 C1 24 04 2020 35 故 胶粒的浓度随高度的变化关系 注 粒子的半径越大 浓度随高度的变化越明显 式中 o 介质的密度 胶粒的密度 24 04 2020 36 一 在重力作用下的沉降1 沉降速度 V 与胶粒的大小有关 在重力作用下 介质中粒子所受的总重力为 下面介绍不同外力作用下的沉降情况 式中 o 介质的密度 胶粒的密度 24 04 2020 37 按stokes定律 粒子沉降所受的阻力 当F1 F2时 24 04 2020 38 所以 24 04 2020 39 注 对多级分散体系 颗粒大小不同 虽然无法测出单个粒子的沉降速度 但可以求出一定大小粒子所占的质量分数 截距所对应的值为半径大于此r的粒子全部沉淀时量 2 沉降分析 称重法 24 04 2020 40 24 04 2020 41 由所以 3 欲求粒子大小分布曲线 必须求 以作图就是粒子分布曲线 可由下式变换 2 3 24 04 2020 42 3 式对t微分 所以 代入 得 24 04 2020 43 将和代入 2 式得 4 这就是粒子分布基本公式 实验中 随时记录小盘中的重量m 将m t作图 如果在不同时间t 得不同得m1 24 04 2020 44 将代入 1 式 求 再将代入 4 式得 同时以不同时间的t代入 3 式 可算出相应的r 24 04 2020 45 不同半径范围内的粒子占全部粒子的质量分数 24 04 2020 46 在离心场中 沉降公式仍可应用 只要用离心加速度 2x 代替重力加速度g即可 二 在离心场中的沉降 24 04 2020 47 将上式定积分 24 04 2020 48 上式中x1和x2分别为离心时间t1和t2时界面与旋转轴之间的距离 例 24 04 2020 49 第三节溶胶的电性质和胶团结构 一 电动现象及其应用1 基本概念 1 电动现象 在外电场下 固 液两相可发生相对运动 电泳 电渗 反之 在外力作用下迫使固 液两相作相对运动时 又产生电势差 如沉降电势 重力 Sedimentationpotential 流动电势 加压 streamingpotential 溶胶的这种与电势差有关的相对运动称为电动现象 24 04 2020 50 2 电泳 electrophoresis 在外电场的作用下 胶体粒子在分散的介质中定向移动的现象称为电泳 移动方向和胶粒的带电性有关 例 AgI溶胶 溶液中I 过量时 可吸附I 而带负电 溶液中Ag 过量时 可吸附Ag 而带正电 24 04 2020 51 电泳的应用 a 分离氨基酸和蛋白质 b 医学 肝硬变 检查 凝胶电泳 c 显微电泳器 可在显微镜下直接观察粒子的电泳速度 3 电渗 electro osmosis 在固体与液体接触时 固液两相界面上就会带有相反符号的电荷 并行成双电层 在外电场的作用下 异电离子及其溶剂化层向某电极移动 从而使该极区水面上升 24 04 2020 52 如果多孔膜吸附阴离子 则介质带正电 通电时向阴极移动 反之 多孔膜吸附阳离子 带负电的介质向阳极移动 电渗示意图 24 04 2020 53 5 流动电势 streamingpotential 若用压力将液体挤过毛细管网 粉末压成多孔塞 则在毛细管或多孔塞两端产生的电势差 4 沉降电势 sedimentationpotential 在外力作用下 分散相离子在分散介质中迅速沉降 则在沉降管的两端产生电势差 24 04 2020 54 二 质点表面电荷的来源 1 电离 例如 蛋白质 24 04 2020 55 3 晶格取代例 粘土中Al3 被Mg2 或Ca2 取代 使粘土晶格带负电 2 离子吸附某些物质 如石墨 油珠在水中不解离例 AgBr易吸附Ag Br 不易吸附k NO3 24 04 2020 56 4 非水介质中质点荷电的原因两种不同的物质接触 介电常数大的带正电 24 04 2020 57 KI过量注 粘土胶粒表面 晶格取代 Mg2 取代M3 24 04 2020 58 四 双电层结构模型与电动电势 1 亥姆霍兹平板电容器模型 Helmholts 24 04 2020 59 缺点 1 不能解释带电质点表面电势 0与 电势的区别 2 不能解释电解质对 电势的影响 3 与带电质点一起运动的水化层的厚度大于平板双电层的厚度 离子半径大小 而滑动面的 仍不为零 24 04 2020 60 2 扩散双电层理论 Gouy Chapman b 离固体表面越远 反离子浓度越稀 形成一个反离子的扩散层 24 04 2020 61 24 04 2020 62 注 1 在电泳时 固 液之间发生相对移动的 滑动面 应在双电层内距表面 处 该处的电势与溶液内部的电势之差为 电势 因为 电势只在粒子和介质作反向运动时才显示出来 所以也称电动电势 2 带电质点表面与液体内部的总电势差称为质点的表面电势 o 也叫热力学电势 o 古依 查普曼模型的缺点 1 没有反映出胶粒表面固定吸附层的存在 2 不能解释 电势变号和高于表面电势的情况 24 04 2020 63 3 斯特恩 Stern 双电层模型 24 04 2020 64 24 04 2020 65 24 04 2020 66 2 由于特性吸附了大量高价反离子 从而使stern层的电势反号 这时与胶粒所带的电荷符号相反 若能克服静电斥力而吸附了大量的同号离子 则可能使stern层的电势高于表面电势 o 注 1 当溶液足够稀时 浓度大时 24 04 2020 67 4 双电层祥细模型 24 04 2020 68 一 由电泳速度数据计算 电势 设胶粒带电荷q 在电场场强为E的电场中 作用在粒子上静电力 f qE对于球型粒子 r 泳动速度为v 则摩擦阻力 六 电势的计算 24 04 2020 69 按静电学定律 所以 当粒子恒速泳动时 所以 改写 淌度 棒型胶粒 注 P75例题 双电层间液体的介电常数 24 04 2020 70 二 由电渗速度计算 电势 式中 v是流动线速度 电场强度 注 24 04 2020 71 第四节胶体的稳定性 一 溶胶的稳定性因素 1 胶粒带电 增加胶粒间的排斥作用 2 溶剂化作用 形成弹性的水化外壳 增加溶胶聚合的阻力 3 Brown运动 使胶粒受重力的影响而不下沉 24 04 2020 72 二 溶胶的经典稳定性理论 DLVO理论 1941年 Derjaguin Landan Verwey Overbeek 1 胶粒之间既存在斥力势能 也存在引力势能 其来源可从其结构得到解释 胶粒间的相互排斥 Hamaker常数 两球表面间的距离 20 30nm 24 04 2020 73 胶粒之间的位能曲线 靠拢发生聚沉 若Emax 15kJ 一般胶体粒子的热运动无法克服 就不会发生聚沉 越过Emax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 在ab之间 斥力起主导作用 势能曲线上出现极大值Emax 当迎面相撞的一对胶体粒子所具有的平动能足以