第十章-胶体分散体系

2020/5/27，物理化学核心课程电子教学计划，第10章胶体分散体系，教学目标，1。了解分散体系的分类和胶体的定义；2.了解溶胶的光学、动力学和电学性质；3.了解胶束的结构、胶体稳定性以及聚集和沉淀。2020/5/27，10.1胶体分散体系概述，10.2溶胶的动态和光学性质，10.3溶胶的电学性质，10.4溶胶的稳定性和聚集与沉淀，10.5大分子概述，10.6唐南平衡，10.7凝胶，10.8纳米技术和应用介绍，第10章胶体分散体系概述，2020/5/27，10.1胶体分散体系概述，1。分散系统的分类，2。疏水溶胶的制备。胶束的结构。溶胶的纯化，2020/5/27，胶体粒子的结构，分散相和分散介质。分散体系的分类(1)根据分散相颗粒的大小进行分类(2)根据分散相和介质的聚集状态进行分类(3)根据胶体溶液的稳定性、疏水溶胶的特性、胶体颗粒的形状、胶体分散体系和大分子溶液(如云、乳和珠)进行分类。将一种或多种物质分散在另一种物质中形成分散体系。其中分散的物质称为分散相，另一种物质称为分散介质。分散相和分散介质，分散体系的概念，均匀分散体系分散体通常称为溶质，分散介质通常称为溶剂，这样的分散体系也称为溶液，如小分子溶液、大分子溶液、电解质溶液等。不区分溶质和溶剂的均匀分散系统称为混合物。小分子溶液和电解质溶液的分散体和分散介质的粒径在0.1nm左右，是透明的，没有散射现象，溶质扩散速度快，热力学稳定的体系。然而，大分子溶液中分散粒子的线性尺寸在1nm1000nm之间，扩散缓慢，是一个热力学不稳定的体系。所谓宏观，是指研究对象的尺寸非常大，其下限是肉眼可见的最小物体(半径大于1微米)，而上限是无限的。所谓微，是指原子、分子的上限，而下限是没有下限的时空。在宏观世界和微观世界之间，有一个介观世界。涉及胶体和表面化学的超细粒子，粒径范围从1纳米到100纳米，基本上属于介观领域。分类系统通常有三种分类方法：分子分散系统，1。根据分散相颗粒的尺寸，2。根据分散介质的物理状态，液体溶胶，3。根据胶体分散体系、疏水溶胶、胶体分散体系、粗分散体系、固体溶胶、气溶胶、亲液溶胶、缔合溶胶的性质，根据分散相颗粒的大小，1。分子分散体系、分散相和分散介质以分子或离子的形式相互混溶，没有界面，为均匀的单相，分子半径尺寸小于10-9m。这个系统通常被称为真正的解决方案，如硫酸铜溶液。2。胶体分散系统，其中分散相颗粒的半径在1纳米1纳米 100纳米之间的系统。视觉检查是统一的，但它实际上是一个异构和不均衡的系统。有些人还将1纳米至1000纳米的颗粒归类为胶体。3。粗分散体系，当分散相颗粒大于1000纳米时，目测是浑浊不均匀的体系，放置后会沉淀或分层，如黄河水。(2)根据分散相和介质聚集状态分类，1。液体溶胶，以液体为分散介质形成的溶胶。当分散相处于不同状态时，形成不同的液溶胶：(1)液-固溶胶，如油漆和AgI溶胶；(2)液-液溶胶，如乳液，如牛奶和石油原油；(3)液体气溶胶，如泡沫；(2)根据分散相和介质的聚集状态进行分类；(2)固体溶胶，以固体为分散介质形成的溶胶。当分散相处于不同状态时，形成不同的固体溶胶：固体-固体溶胶如有色玻璃，不完全混溶的合金，固体-液体溶胶如气-固溶胶如烟雾、含尘空气、气-液溶胶如雾和云按照分散相和分散介质的聚集状态进行分类，如表中所示，和(1)疏水溶胶，系统具有大的相界面，高的表面吉布斯自由能，非常不稳定，并且容易被破坏和聚集。简称sol，是通过将不溶性物质分散在分散介质中而形成的。这些粒子都是由大量大小从1纳米到100纳米的分子组成的。(3)根据胶体溶液的稳定性分类，一旦介质蒸发，加入介质后不能形成溶胶。它是一种不可逆体系，如氢氧化铁溶胶、碘化银溶胶等。它在沉淀后往往不能恢复到原来的状态，因此在热力学上是一个不稳定和不可逆的系统。本章主要讨论亲液溶胶，(2)亲液溶胶，大分子化合物的溶液通常属于亲液溶胶。半径在胶体颗粒范围内的大分子溶解在合适的溶剂中。它是一种分子溶液，但其分子的大小已达到胶体的范围，因此它具有胶体的一些特性(如缓慢扩散、不透过半透膜、廷德尔效应等)。)。(3)根据胶体溶液的稳定性分类，如果试图除去大分子溶液中的溶剂使其沉淀，再加入溶剂后，大分子化合物可以自动再分散，这在热力学上是一个稳定的可逆体系。疏水性溶胶的特点是，(1)独特的分散度，粒径在1 100纳米之间，所以扩散缓慢，不能通过半透膜，渗透压却有很强的动态稳定性和乳白色现象。(2)非均匀的纳米尺寸颗粒是由许多具有复杂结构的离子或分子聚结形成的。有些保留了不溶性盐的原始晶体结构，颗粒大小不一，有明显的中、大比表面积相界面。疏水溶胶特性，(3)容易聚结不稳定，因为粒子小，比表面大，表面自由能高，是一个热力学不稳定的系统，有自发降低表面自由能的趋势，即小粒子会自动聚结成大粒子。疏水溶胶的基本特性可以概括为：高分散性、多相性、热力学不稳定性、粗分散体系、粗分散体系包括乳液、泡沫、悬浮液和悬浮液等。它们在性质和研究方法上与胶体分散体系有许多相似之处，因此在同一章中讨论。胶体分散系统和粗分散系统在生物和非生物群落中都很常见。它在现实生活和生产中有着重要的应用，如在化工、石油、冶金、印染、涂料、塑料、纤维、橡胶、洗涤剂、化妆品、牙膏等生产部门，以及在医学、生物学、土壤学、气象学、地质学、水文学、环境科学等领域。(1)分散相的溶解度应小；(2)还必须有稳定剂，否则胶体颗粒容易结块和下沉。胶束结构，胶体粒子的结构更复杂，有一定量的不溶性分子聚结形成胶体粒子的中心，称为橡胶核；然后橡胶芯选择性地吸收稳定剂中的一种离子，形成致密的吸附层；由于正负电荷的吸引，在致密层外形成一个反离子环，从而形成与致密层带相同电荷的胶体粒子。扩散层中的胶体颗粒和反离子形成电中性胶束。胶体核对离子的吸附是选择性的。首先，它吸收与胶体核中相同种类的离子，通过相同的离子效应使胶体核不溶。如果没有相同的离子，水化能力弱的负离子会首先被吸附，所以自然界中的大多数胶体颗粒都带负电荷，如泥水和豆浆等。都是负面的。胶束结构，胶束结构，实施例1:硝酸银硝酸钾,(agi)mni (n-x)kxxk，胶束结构表达：过量的KI作为稳定剂，胶束结构，实施例2:硝酸银硝酸钾，(agi)mnag(n-x)NO3 x xno 3 ,胶束的图形表达：过量的硝酸银作为稳定剂，mic的结构表达颗粒呈球形，流动性好。如果是带状的，流动性差，易发生触变性。在溶胶中，胶体粒子是独立的运动单位。通常，溶胶带电指的是胶体粒子。胶束没有固定的直径和质量，相同溶胶的值也不是固定值。例如，(1)聚苯乙烯胶乳是球形颗粒，(2)V2O5溶胶是带状颗粒，(3)铁(羟基)3溶胶是丝状颗粒。对于溶胶的制备和纯化，分散相颗粒的尺寸必须在胶体分散体系的范围内，并且必须加入适当的稳定剂来制备溶胶。制备方法大致可分为两类：(1)分散法采用机械和化学方法还原固体颗粒，(2)凝聚法采用分子或离子凝聚成胶体颗粒，溶胶的制备，溶胶的制备方法，溶胶的制备方法包括：凝聚法(从小到大)-包括物理凝聚法、化学反应法和溶剂置换法从小分子溶液制备溶胶。例如，当将松香的乙醇溶液加入水中时，由于松香在水中的溶解度低，松香以溶胶颗粒的大小沉淀，形成松香的水溶胶(溶剂置换法)。另一个例子是三氯化铁(稀水溶液)3H2O铁(羟基)2(溶胶)+3HCl(化学反应法)，溶胶的纯化，以及在制备溶胶的过程中，一些多余的电解质在长城，如在制备铁(羟基)3溶胶时产生的HCl。少量的电解质可以用作溶胶的稳定剂，但是过多电解质的存在会使溶胶不稳定并且容易沉淀，因此必须将其除去。主要的纯化方法是透析和超滤。(1)透析，简单透析和溶胶纯化。通过使用浓度差因子，多余的电解质离子持续渗透到膜的外部，并频繁地更换溶剂，可以净化半透膜容器中的溶胶。如果装有溶胶的半透膜容器连续旋转，透析速度可以加快。将待纯化的溶胶置于由半透膜如羊皮纸或动物膀胱制成的容器中，纯溶剂置于膜外。(1)透析、电渗析和溶胶纯化。为了加速透析，向填充有溶胶的半透膜的两侧施加电场，以使多余的电解质离子定向移动到相应的电极。连续自动溶剂置换可以提高净化速度。半透膜作为过滤膜，在压差的作用下，通过抽滤或加压，将含有杂质的胶体颗粒和介质快速分离。(2)超滤，溶胶的纯化，胶体颗粒在含有稳定剂的介质的半透膜上的快速再分散。为了加快过滤速度，有时在半透膜的两侧放置电极，并施加一定的电压以结合电渗析和超滤，从而降低超滤压力。均匀分散胶体的制备和应用，均匀分散胶体新材料的应用，(1)基础理论的验证，(2)理想标准材料，(3)新材料，(4)催化剂性能的改进，(5)特殊陶瓷的制造，10.2溶胶的动态和光学性质，1 .动态性质，2 .光学性质，布朗运动)，1827植物学家布朗观察到悬浮在液体表面上的花粉用显微镜连续地作不规则运动。后来，人们发现许多其他物质如煤、化石、金属和其他粉末也有类似的现象。人们称这种粒子运动为布朗运动。即溶胶中粒子的不规则运动。然而，这一现象的性质长期以来一直没有得到澄清。1903年超微显微镜的发明为布朗运动的研究提供了物质条件。超微显微镜可以连续观察不规则锯齿形运动的溶胶颗粒，从而可以测量颗粒在一定时间内的平均位移。根据大量的观察，得出的结论是粒子越小，布朗运动越强烈。它的运动强度不随时间变化，而是随着温度的升高而增加。爱因斯坦和斯莫鲁奇斯基分别在1905年和1906年阐述了布朗运动的本质。人们认为布朗运动是由分散介质的持续冲击引起的布朗运动概述：布朗运动中粒子的不规则运动。原因是：布朗运动是介质分子固有热运动的表现也就是介质分子对胶体粒子不断冲击的结果。虽然布朗运动是复杂和不规则的，爱因斯坦根据分子运动理论给出了在一定时间内胶体粒子的平均位移。r-是粒子半径-是介质的粘度、扩散和渗透压，而胶体粒子也因热运动而有扩散。当溶胶中存在胶体颗粒的浓度梯度时，就会发生扩散。只有溶胶的浓度相对较低，这并不重要。如图所示，胶体填充在CDFE的桶中，并且胶体的浓度在某一区段AB的两侧是不同的。c1c2，由于分子的热运动和胶体粒子的布朗运动，可以观察到胶体粒子从c1区迁移到c2区的现象，这是胶体粒子的扩散效应。溶胶的渗透压，因为胶体颗粒不能通过半透膜，而介质分子或添加的电解质离子可以通过半透膜，所以有从高化学势向低化学势自发渗透的趋势。溶胶的渗透压可以用稀溶液的渗透压公式来计算：因为疏水溶胶不稳定，其浓度不能太高，所以测得的渗透压和其他数值性质都很小。然而，亲液溶胶或胶体的电解质溶液可制成高浓度溶液，其摩尔质量可通过渗透压法测定。沉淀和沉淀平衡。溶胶是一种高度分散的体系。一方面，胶体粒子被重力和水滴吸引。另一方面，布朗运动使浓度趋于均匀。当两种效应的相反力相等时，粒子的分布达到平衡，如图所示。当溶胶中颗粒的密度大于分散介质的密度时，在重力的作用下会发生沉降，从而产生自下而上的浓度梯度。当施加到颗粒上的重力fw等于扩散力fd时，溶胶的浓度梯度将不再随时间变化，并且该系统被认为已经达到沉降平衡。Fw、fd、溶胶的光学性质、廷德尔效应和瑞利公式、超微结构的基本原理和粒径的测定、光学性质是溶胶不均匀性和高分散性的反映。廷德尔效应和瑞利公式，廷德尔效应已经成为区分溶胶和分子溶液的最简单方法。廷德尔在1869年发现，如果一束聚光穿过溶胶，可以从侧面看到光锥，这就是廷德尔效应。其他色散系统也会产生少量散射光，但远不如sol显著。廷德尔效应的另一个特征是在不同方向观察到的光束具有不同的颜色。廷德尔效应铁(羟基)3解决了当光束通过色散系统时光散射现象，部分自由通过，部分被吸收、反射或散射。可见光的波长约为400 700纳米。(1)当光束通过粗色散系统时，由于粒子大于入射光的波长，主要发生反射，使系统混浊。(2)当光束通过胶体溶液时，由于胶体粒子的直径小于可见光的波长，所以主要是散射的，可以看到乳白色的光束。(3)当光束通过分子溶液时，由于溶液非常均匀，散射光由于相互干涉而完全抵消，散射光看不见。光散射的本质是光是电磁波。当溶胶被照射时，分子中的电子分布发生移动，产生偶极子，该偶极子在所