《胶体的性质》PPT课件

第二章胶体的基本性质,2.1胶体的运动性质2.2胶体的光学性质2.3胶体的电学性质2.4胶体的流变性质2.5胶体的稳定性,胶体的基本性质,1.布朗运动(Brownianmotion,1826),Brown运动,第一节胶体的运动性质,1903年发明了超显微镜，为研究布朗运动提供了物质条件。,用超显微镜可以观察到溶胶粒子不断地作不规则“之”字形的运动，从而能够测出在一定时间内粒子的平均位移。,通过大量观察，得出结论：粒子越小，布朗运动越激烈。其运动激烈的程度不随时间而改变，但随温度的升高而增加。,Brown运动的本质,1905年和1906年爱因斯坦（Einstein)和斯莫鲁霍夫斯基（Smoluchowski)分别阐述了Brown运动的本质。,布朗运动是分子热运动的必然结果，是大粒子所具有的热运动。,真溶液与胶体溶液运动区别相同：两者运动的本质均是热运动；不同：真溶液是单个分子的热运动，而胶体溶液中的胶粒的热运动是多个分子热运动的冲击的结果。,Einstein-Brown位移方程,式中r为粒子半径，h为介质的粘度系数，T为温度，t为位移时间。,1905年爱因斯坦导出一粒子在时间t内沿着某一维(x)运动偏离其原来位置的平均位移的表示式为；,(Einstein-Brown位移方程),Einstein-Brown位移方程,布朗运动理论的依据：热运动的本质是分子的不规则运动，它使粒子从高浓度向低浓度区移动，而最终趋于均匀。,2.扩散(Diffusion)-Einstern公式的推导,即由于布朗运动的存在,当溶胶中的胶粒存在浓度梯度时,就会发生扩散.,当很小时，,Fick第一扩散定律,D:扩散系数(单位浓度梯度下在单位时间内通过单位面积截面的胶粒的质量)dc/dx:在x方向上的浓度梯度,(Einstein第二扩散公式),积分后得：,结合,得出,式中r为粒子半径，h为介质的粘度系数，T为温度，t为位移时间。,(Einstein-Brown位移方程),Einstein-Brown位移方程,(Einstein第一扩散公式),根据,得出,已知的NA、r、T和t等已知量求外，还提供了一种测定阿佛加德罗常数NA的方法,(Einstein第二扩散公式),(Einstein-Brown位移方程),(Einstein第一扩散公式),PerrinAvogadro常数的验证,J.Perrin(1962年诺贝尔奖金获得者),（1）PerrinAvogadro常数的验证,3.Einstein布朗运动公式的应用,布朗运动中位移与颗粒大小的关系（Svedberg),（2）证明了胶体的分子运动假设的真实性（Svedberg),总之：胶体的运动，具备分子运动的性质,不带电球粒在水中的扩散系数和布朗运动位移所需时间,（3）定量描述胶粒的扩散速度和布朗运动情况,4.渗透压与Donnan平衡,n:溶胶中所含胶粒的摩尔数。V:溶胶的体积,一般溶胶的渗透压,大分子溶液的渗透压,Virial方程,A2、A3virial系数。c：kg/m3,p/c对c作图，由截距可得分子量M（或数均分子量）,聚电解质的渗透压-Donnan平衡,天然的生物聚合体大多是聚电解质,PXzPz+zX-,内（膜）外,渗透平衡时,（1）由于存在不透过半透膜的大离子，平衡时膜的内外NaCl浓度不等，产生一附加渗透压，此即为Donnan效应。z越大，Donnan效应越显著；（2）c1c2时，NaCl几乎都在膜外边；（3）c1c2时，NaCl膜两边的分布是均匀的。,多相分散系统中的物质粒子，由于受自身的重力作用而下沉的过程，称之为沉降。分散相中的粒子，受两种作用的影响，一是重力场的作用，另一种则是布朗运动所产生的扩散作用，这是两个相反的作用。扩散与沉降综合作用的结果，形成了下部浓、上部稀的浓度梯度，若扩散速率等于沉降速率，则系统达到沉降平衡，这是一种动态平衡。此时，粒子可以上下移动，但粒子分布的浓度梯度仍然不变。,5.沉降与沉降平衡,胶体粒子在重力作用下的沉降必然导致浓度差的出现，而浓度梯度又使得粒子朝着沉降的反方向扩散。当沉降与扩散速率相等时，则体系达到沉降平衡。由波尔兹曼分布律可导出粒子浓度c随高度x的分布关系为,重力场下平衡,若胶粒为球状粒子，则,贝林(Perrin)公式,它表达了粒子分布与粒子半径以及高度的关系,高度分布定律,r：粒子半径，0：分别为粒子和介质的密度,粒子浓度随高度的变化,离心力场下扩散-沉降平衡，加速度为,其中偏微比容,第二节胶体的光学性质,1.Tyndall（1869年）效应与光散射,Tyndall效应实际上已成为判别溶胶与分子溶液的最简便的方法。,当一束光透过溶胶时，在与光束侧面（即与光束垂直的方向）可以看到溶胶中有明亮的光线轨迹，这种现象称为Tyndall效应或Tyndall现象。其他分散体系也会产生一点散射光，但远不如溶胶显著。,2.光散射的本质,光是一种电磁波，照射溶胶时，分子中的电子分布发生位移而产生偶极子，这种偶极子像小天线一样向各个方向发射与入射光频率相同的光，这就是散射光。,分子溶液十分均匀，这种散射光因相互干涉而完全抵消，看不到散射光。,溶胶是多相不均匀体系，在胶粒和介质分子上产生的散射光不能完全抵消，因而能观察到散射现象。,当光束通过分散体系时，一部分自由地通过，一部分被吸收、反射或散射。可见光的波长约在400700nm之间。,（1）当光束通过粗分散体系，由于粒子大于入射光的波长，主要发生反射，使体系呈现混浊。,（2）当光束通过胶体溶液，由于胶粒直径小于可见光波长，主要发生散射，可以看见乳白色的光柱。,（3）当光束通过分子溶液，由于溶液十分均匀，散射光因相互干涉而完全抵消，看不见散射光。,3.经典光散射理论（静态光散射）,1871年，Rayleigh研究了大量的光散射现象，导出了散射光总能量的计算公式，称为Rayleigh公式：前提条件：介质中的粒子：(1)球形；(2)非导体；(3)比入射光波长要小，D/l1/20(4)粒子间无相互作用,当散射光与入射光的频率相同时，光散射为弹性光散射。静态光射研究体系的平衡性质。,（1）Rayleigh公式,散射光的角分布（对小粒子体系）,Rayleigh公式,Rayleigh公式：,式中：I散射光强度I0入射光强度c单位体积中粒子数v每个粒子的体积l入射光波长，n1与n2分别为分散介质和分散相的折射率,从Rayleigh公式可得出如下结论：,1.入射光波长愈短，散射愈强。蓝(400600nm)比红光(600700nm)易散射。,2.,3.，质点愈多，散射光愈强。,4.n1与n2差别愈大，散射光愈强。,Rayleigh公式,3.经典光散射理论（静态光散射）,粒径：1/20Rb+NH4+K+Na+Li+,对一价阴离子：F-Cl-Br-NO3-I-,(c)与胶粒电性相同的离子，一般说来，价数越高，水合半径越小（盐析作用），聚沉能力越弱,(2)溶胶的相互聚沉作用当两种带相反电荷的溶胶所带电量相等时，相互混合也会发生聚沉。,(3)高分子化合物的作用,在溶胶中加入少量高分子化合物可使溶胶聚沉，称为敏化作用(絮凝作用)。,在溶胶中加入足够多的高分子化合物，则会阻止溶胶的聚沉，称为空间保护作用。,胶体与界面化学,第五节胶体的流变性质,流变学来源于希腊，由Bingham和Crawford为了表示液体的流动和固体的变形现象而提出来的概念。流变学则是研究物质的变形和流动的一门科学。,一.流变性质的基本概念与规律,1.切应变、切应力和切变速度,切应力：单位面积受到的切力称为切应力（t）,变形：对某一物体外加压力，其内部的各部分的形状和体积发生的变化。主要与固体的性质相关。,由外部应力而产生的固体的变形，如除去其应力，则固体恢复原状，这种性质称为弹性。,对于固体：,把这种可逆性变形称为弹性变形，而非可逆性变形称为塑性变形。,在弹性极限内，切应力t与切应变q成正比，即,流动主要表示液体和气体的性质。流动的难易与物质本身具有的性质有关，把这种现象称为粘性（Viscosity）。流动也视为一种非可逆性变形过程。,对于纯液体：,在流速不太快时，可将流动着的液体视为互相平行移动的液层叫层流（如下图），由于各层的速度不同，便形成速度梯度du/dy，这是流动的基本特征。,u,y,剪切应力与剪切速率,表征体系流变性质的两个基本参数：1.剪切应力，简称剪切力，单位为N/m2，以t表示。2.剪切速度，单位为s-1，以D表示。,切应力t完全用于克服液体的内摩擦，则切应力与切变速率D成正比，即,牛顿定律,实际上，某一种物质对外力表现为弹性和粘性双重特性（粘弹性）。这种性质称为流变学性质，对这种现象进行定量解析的学问称为流变学。,二、浓分散几种典型的流型,1.非时间依赖性流型,非时间依赖性流体流变曲线,1牛顿流体牛顿粘度定律：纯液体和多数低分子溶液在层流条件下的剪切应力（S）与剪切速度（D）成正比。遵循该法则的液体为牛顿流体。,式中，h粘度或粘度系数，是表示流体粘性的物理常数。单位为泊，1P=0.1Nsm-2，SI单位中粘度用Pas或Kg/(ms)表示。,塑性流体流变性质的两个基本参数：1.tc，屈服值；2.h*，塑性粘度,2.塑性流体,如：油漆、泥浆等,塑性流体流变性质的特征参数：1.tc，屈服值；2.h*，塑性粘度特点：切稀。,流变曲线特点：通过原点凸向切应力轴的曲线。例如：羧甲基纤维素等大分子化合物溶液、淀粉水悬浮体等,3.假塑性流体,流变曲线特点：通