胶体溶液 PPT课件.ppt

1、第五章 胶体 Colloid,2学时,宋慧主讲,掌握：分散系的概念及分类方法；溶胶的基本特征；胶粒带电原因、胶粒的双电层结构、溶胶的稳定因素、溶胶的聚沉和保护。 熟悉：溶胶的光学性质、动力学性质；溶胶的电学性质：电泳、电渗的概念； 了解：气溶胶的概念；高分子化合物结构特点及其溶液形成、性质；盐析；膜平衡的基本概念及在医学中意义。 自学：气溶胶；聚电解质溶液；高分子溶液稳定性的破坏；凝胶及其性质；表面活性剂的结构及其吸附作用；缔合胶体的概念及其作用；乳状液；胶体与医学。,51 胶体分散系,胶体是一种高度分散的系统,既具有溶液的一些性质，也具有表面吸附的一些性质，在医学领域有广泛的应用性。,分散系

2、（dispersed systme）定义,一种或一种以上的物质分散在另一种连续介质中所形成的体系称为分散系。 其中被分散的物质称为分散质或分散相（ dispersed phase ），把分散相分散的连续介质称为分散介质或分散剂（ dispersion medium ）。,根据分散相的大小将分散系分为三类根据分散系内部是否存在界面分为两类,胶体的组成,溶胶：胶粒(分子、离子、原子的聚集体) 例：氢氧化铁、硫化砷、碘化银及金、银、硫等单质溶胶 缔合胶体：胶束 例：超过一定浓度的十二烷基硫酸钠溶液 高分子溶液：高分子 例：蛋白质、核酸等水溶液，橡胶的苯溶液,一些胶体的例子,分散度分散相在分散介质中分

3、散的程度，分散度常用比表面来表示。 比表面 单位体积物质所具有的表面积 S0 = S/V 实例：当 r = 0.62cm的水滴分散成 r = 10-7cm 时，S0增加7个数量级，总面积自由能亦增加7个数量级。,表面能表层分子比内部分子多出一部分能量，称为表面能。,表面功E（表面能）,表面张力：表面层分子受到拉入液体内部合力（表面恒有一种抵抗扩张的力） 表面能：将液体分子从相内部移到相表面而克服相内部分子的拉力所作的功 E=s,表面能作用,液体有自动缩小表面积的趋势。小的液滴聚集变大，可以缩小表面积，降低表面能。表面积减小过程是自发过程 这个结论对固体物质同样适用。高度分散的溶胶比表面大，所以

4、表面能也大，它们有自动聚积成大颗粒而减少表面积的趋势，称为聚结不稳定性,52 溶胶,溶胶具有多相性，高分散性和热力学不稳定性。由这些基本特征引起的性质是： 光学性质 动力学性质 电学性质,光学性质丁达尔现象,丁达尔现象是溶胶区别于真溶液的一个重要特征。 胶粒的直径小于可见光的波长，当被强光照射时，便产生散射光，在光的垂直方向，可看到溶胶有一束光路。散射光的产生，是由于入射光迫使粒子中的电磁振动，使粒子成为第二次波源，向各个方向发射电磁波。,丁达尔现象,光路,丁达尔现象产生原因,散射光的产生，是由于入射光波长与溶胶的直径接近，入射光就环绕溶胶向各个方向散射。 (迫使粒子产生电磁振动，使粒子成为第

5、二次波源，向各个方向发射电磁波。),动力学性质,布朗运动(Brown movement) 溶胶中的粒子在介质中不停地作不规则运动，称为布朗运动。,布朗运动产生原因,它是由于每一瞬间胶粒受到来自各方介质的粒子的碰撞的合力未被完全抵消造成的。 胶粒越小，温度越高，溶胶的粘度越小，布朗运动越剧烈。,布朗运动示意图,扩散(diffusion),当溶液中的溶质，溶质将从浓度大的区域向浓度小的区域移动，这种现象称扩散。 溶胶中的胶粒存在浓度差时也会产生这种扩散现象。,扩散示意图,沉降(sedimentation),当然，溶胶中的胶粒亦受重力的作用而产生沉降，上述两种作用达到平衡时，叫沉降平衡(sedime

6、ntation equilibrium)，此时溶液中胶粒的浓度形成一定的梯度，愈接近容器的底部，胶粒的浓度越大。,沉降平衡示意图,沉降平衡示意图,从沉降平衡示意图我们知道，分散相粒子越小，沉降越困难，分散相粒子越大，沉降越容易。 在制备沉淀时，应当使沉淀粒子越大越好； 要选择空气质量好些的环境，向高处去； 医学上分离某些蛋白质，常常用超速离心机。,电学性质,电泳(electrophorese) 在电场作用下，胶体颗粒在液相中按一定方向移动，这种现象称电泳。,电泳产生的原因：胶体颗粒带电 利用电泳可以分离提纯溶胶。,电泳示意图,+,正溶胶,在电场中向负极方向运动的胶粒，其本身带正电。 大多数金属

7、氢氧化物溶胶带正电。,负溶胶,在电场中向正极方向运动的胶粒，其本身带负电。 大多数金属硫化物、硅酸、金、银等溶胶带负电。,电渗(electroosmosis),由于胶粒带电，介质必然与胶粒带相反电荷。所以在不能透过胶粒的多孔性物质两侧接上直流电源时，仅可观察到溶剂介质的定向移动，这种现象称为电渗。 利用电渗可以纯化溶胶。,胶体粒子带电原因,胶体粒子表面选择性吸附与其组成相类似的离子，与介质中的反离子形成双电层结构。 胶粒表面分子本身的离解，使胶粒固相表面带电，与介质中的反离子形成双电层结构。 因此，胶体粒子带电原因与胶体粒子的结构直接有关。,胶粒的结构,胶核,吸附层,胶粒,扩散层,胶团,n,n

8、,胶粒的双电层结构 胶团结构：例如，氢氧化铁溶胶 Fe(OH)3mnFeO+(n-x)Cl-x+xCl- 胶核 吸附层 扩散层 胶粒 胶团,吸附层,胶核,扩散层,胶粒,胶团,Fe(OH)3mnFeO+(n-x)Cl-x+xCl-,胶粒的双电层结构 胶核表面因荷电而结合水，吸附的反离子也水合，给胶粒覆盖了一层水合膜 胶粒运动时水合膜层以及膜层内的反离子一起运动。这部分水合膜层称为吸附层；其余反离子呈扩散状态分布在吸附层周围，形成与吸附层荷电性质相反的扩散层。 这种由吸附层和扩散层构成的电性相反的两层结构称为扩散双电层。,溶胶的稳定因素 胶粒带电 两个带电胶粒间存在静电排斥力，阻止胶粒接近，合并变

9、大。但是，加热溶胶，胶粒的动能增大到能克服静电斥力时就会聚沉。 胶粒表面的水合膜犹如一层弹性膜，阻碍胶粒相互碰撞合并变大。水合膜层愈厚，胶粒愈稳定。 布朗运动也是溶胶稳定因素之一。,例题1,在AgNO3溶液中滴加NaCl（少量），写出AgCl胶团的结构。,例题2,在NaCl溶液中滴加 AgNO3 （少量），写出AgCl胶团的结构。,AgClm.nCl-.（n-x）Na+ x-.xNa+,4.溶胶的聚沉,原理: 破坏胶粒的双电层结构 破坏胶粒的水化膜层 方法： 加热 加入与胶粒带相反电荷的胶粒 加入一定量的电解质。而且与胶粒电性相反的离子的价态愈高，聚沉能力愈强 加入有机溶剂，特别是表面活性剂

10、辐射,电解质作用加电解质，迫使反离子更多进入吸附层，扩散层变薄，稳定性下降。,Cl-离子围绕Fe(OH)3胶粒,PO43-离子围绕Fe(OH)3胶粒,临界聚沉浓度：一定量溶胶在一定时间内发生聚沉所需电解质的最小浓度 负离子聚沉正溶胶；正离子聚沉负溶胶 反离子电荷大，聚沉能力强； 同价离子聚沉能力接近，但 正离子：H+Cs+Rb+NH4+K+Na+Li+ 负离子： F- Cl-Br-I- CNS- 一些有机物离子具有非常强的聚沉能力,Shulze-Hardy规则 电解质对溶胶的聚沉作用，有如下规律 反离子的价数愈高，聚沉能力愈强； 一价、二价、三价反离子的临界聚沉浓度之比近似为 (1/1)6:(

11、1/2)6:(1/3)6=100:1.8:0.14 即临界聚沉浓度与离子价数的六次方成反比,不同电解质对几种溶胶的临界聚沉浓度/mmolL-1,例题4,电泳时，硫化砷胶粒移向正极，要使一定量的硫化砷溶胶聚沉，下列盐中需用的物质的量最小的是（ ） A、NaCl B、CaCl2 C、AlCl3 D、MgSO4 E、Na3PO4,C,溶胶相互聚沉胶粒电性相反的两种溶胶适量混合，电性中和，发生聚沉。 高分子化合物对溶胶的保护作用(a)和敏化作用(b),胶粒,气溶胶,由极小的固体或液体粒子悬浮在气体介质中所形成的分散系统称为气溶胶(aerosol)。 例如烟、粉尘是固体粒子分散在空气中的气溶胶，雾是细小

12、水滴分散在空气中的气溶胶。 各种气溶胶的分散相粒子直径有一定的大小范围。 其中烟、雾的分散度较高(粒子直径0.011nm)，粉尘的分散度(粒子直径11000nm )比烟和雾低，相对说来后者稳定性要差些。,预防医学中很重视气溶胶问题。 在工农业生产中形成的粉尘，会长期飘浮在大气中，污染环境，危害人的身体健康。 粉尘的动力学性质和电学性质与溶胶胶粒的性质类似。粉尘被机体吸入的机会以及其在大气中的稳定程度，与分散相粒子的大小及荷电状况有直接关系。 粉尘分散度愈大，稳定程度就愈高，被机体吸入的机会也愈多。,飘浮在大气中的尘粒，90%以上是荷电的，更增大了尘粒在空气中的稳定性。 一般认为，带电尘粒易被机

13、体滞留，直径小于50nm的尘粒会进入肺泡。 长期吸入生产性粉尘而引起的心肺组织纤维化为主的全身性疾病称尘肺，如一种结晶形二氧化硅粉尘可引起矽肺，是尘肺中病情发展最快，危害最为严重的一种，常造成严重的后果。,53 高分子溶液,也叫大分子化合物溶液，由于其分散相粒子的相对分子量：M10000，直径：1nm100nm。 在其所形成的溶液中，溶质是以分子的形式分散的，和溶剂之间没有相界面存在，属于真溶液，为均相的动力学稳定体系。,低分子溶液的形成过程,低分子溶液的形成过程 低分子物质 溶剂 溶解 形成溶液,高分子溶液的形成过程,高分子溶液的形成过程： 高分子化合物 溶剂 有限溶胀无限溶胀溶解 形成高分

14、子溶液,聚电解质溶液,蛋白质、多肽等高分子化合物在水溶液通常以离子的形式存在，因此也常常称为聚电解质溶液，也属于高分子溶液。但由于带电，常常可以利用不同的蛋白质、多肽的不同等电点，用电泳的方法进行分离、提纯、鉴定。,高分子溶液与溶胶性质比较,高分子溶液的渗透压,将一定浓度的高分子溶液与溶剂用半透膜隔开，如同低分子溶液一样，可产生渗透现象。通常线型高分子溶液的渗透压数值并不符合Vant Hoff公式，浓度改变时渗透压的增加比浓度的增加要大得多。,产生这种现象的一个原因是呈卷曲状的高分子长链的空隙间包含和束缚着大量溶剂，随着浓度增大，单位体积内溶剂的有效分子数明显减小。另外，由于高分子的柔性，一个

15、高分子可以在空间形成不同的结构域(即相当较小分子的结构单位)，这些结构域具有相对独立性，这可能使得一个高分子产生相当与多个较小分子的渗透效应。,因此高分子溶液在低浓度范围内不是理想溶液，常通过测定溶液的渗透压，用外推法计算出高分子化合物的相对分子质量。所得到的分子质量通常是平均分子质量。 在生物体内，由蛋白质等高分子化合物引起的胶体渗透压，对维持血容量和血管内外水、电解质的相对平衡起着重要作用。,膜平衡,生物细胞的细胞膜是一种半透膜，膜的内外两边存在着许多的高分子电解质(NaP)及电解质,其中P不能透过半透膜，Na及其他电解质能透过半透膜，但由于要保持溶液的电中性，在膜的内外两边达到平衡时，电

16、解质离子在膜的内外两边的浓度分布将不均匀，这种由于高分子电解质的存在，引起电解质离子在膜的内外两边的浓度分布不均匀的现象称为膜平衡。,例如：当细胞处于体液中，由于细胞膜是半透膜，细胞内的高分子电解质不能透过细胞膜，因此，只有体液中的电解质可以进入细胞内，外两边达到平衡时，同时细胞内的离子的浓度上升，电解质外流速度增加，当达到平衡时，在膜的内外两边的浓度分布不均匀。 此时细胞内的离子的浓度将高于细胞外的离子的浓度。,膜平衡示意图,细胞膜内外两边达到平衡时： XC22/(C12C2),若C1 C2， XC22/(C12C2) 0 表明细胞膜外的离子几乎不能进入细胞内； 若C1 C2， XC22/(

17、C12C2) C2/3 表明细胞膜外的离子有1/3进入细胞内； 若C2 C1 ， XC22/(C12C2) C2/2 表明细胞膜外的离子有1/2进入细胞内；,膜平衡是生理上常见的一种现象。例如细胞膜相当于半透膜，细胞内的蛋白质和膜外体液中的电解质离子就建立了膜平衡。细胞膜对离子的透过性并不完全决定于膜孔的大小，膜内蛋白质的浓度对膜外离子的透入及膜两侧电解质离子的分布有一定的影响。当然细胞膜不是一般的半透膜，它有复杂的结构和功能，对细胞内外电解质离子分布有重要作用，所以影响细胞内外电解质离子分布的因素是多方面的，膜平衡仅是其中的原因之一。,凝胶,一些高分子溶液的分散粒子在某一方位可以与另一些分散

18、粒子结合，从而在整个体系内形成的较稳定的具有网状结构，溶剂充满网隙形成具有弹性的半固态物质，此时溶液的粘度增大，最后失去流动性，这种半固态物质叫凝胶。其过程称为胶凝。,凝胶分类,根据结合力性质不同分为弹性凝胶和刚性凝胶,弹性凝胶,由柔性高分子化合物形成的凝胶组成。主要是靠范德华力结合起来的，失去溶剂后体积会显著减小。 例如：明胶,刚性凝胶,由刚性的凝胶粒子交联组成。这种凝胶主要是靠化学键结合起来形成网状骨架结构，通常比较稳定，失去溶剂后体积和外形无明显变化。 例如：硅胶,凝胶性质,溶胀(有限溶胀和无限溶胀) 结合水 离浆(脱液收缩),溶胀,高分子化合物置于合适的溶剂中时，会自动吸收溶剂分子，从

19、而使高分子化合物的舒展开来，体积变大的过程。,有限溶胀,溶胀过程进行到一定程度就停止的溶胀。 例如：橡胶被汽油泡胀。,无限溶胀,溶胀过程一直进行，最终形成高分子溶液。 例如：明胶的溶解,结合水,凝胶吸收水分后，与凝胶结合相当牢固的那部分水称为结合水。 如：干明胶中的结合水。,离浆(脱液收缩),将弹性凝胶放置一段时间后，一部分液体会自动从凝胶中分离出来，凝胶的体积也逐渐缩小，这种现象叫离浆。 如：血液的凝固,54 表面活性剂和乳状液,任何液体表面的分子都会受到液体内部分子的拉力，由于表面分子受到被拉入液体的作用力。这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势。这种力称为表面张力。,表面张力的作用,是液

20、体聚结为球状液滴的动力。,溶液表面张力变化的规律,溶液表面会吸附溶质，使液体表面张力发生变化。水表面张力随不同溶质加入所发生变化的规律大致有三种情况： （1）溶质增加，表面张力升高； （2）溶质增加，表面张力下降； （3）溶质增加，表面张力开始时急剧下降，随后基本保持不变；,溶质增加，表面张力升高,NaCl、NH4Cl、Na2SO4、KNO3等无机盐以及蔗糖、甘露醇等多羟基有机物,溶质增加，表面张力下降,醇、醛、羧酸、酯等绝大多数有机物,溶质增加，表面张力开始时急剧下降，随后基本保持不变,肥皂及各种合成洗涤剂(含8个碳原子以上的直链有机酸的金属盐、硫酸盐或苯磺酸盐),表面活性剂,能显著降低水的

21、表面张力的物质称为表面活性物质(surface active substance)或表面活性剂(surfactant, surface active agent)。 如（2）、（3）的物质就可使水的表面张力降低。,非表面活性物质,那些使水的表面张力升高或略微降低的物质称非表面活性物质。 如（1）的物质。,溶液的表面张力和浓度之间的关系图,（1）,负吸附作用,对于第一类型，体相内溶质的浓度大于表面相，称为负吸附作用 C内部 C表面,正吸附作用,对于第二、第三类型。表面相溶质浓度大于体相内部，发生正吸附作用 C表面 C内部,表面活性剂结构,表面活性剂分子中一般都含有两类基团。一类是疏水性(hydr

22、ophobic)或亲脂性(lipophilic)非极性基团，它们是一些直链的或带有侧链的有机烃基。另一类为亲水性(hydrophilic)极性基团，如OH、COOH、NH2、SH及SO2OH等。具有性质相反的两亲性基团是表面活性剂在化学结构上共同的特征。,表面活性剂结构图,表面活性剂结构图,表面活性剂在水中情况图示,浓度小浓度大,胶束,缔合胶体,若于纯水中加入极少量表面活性剂，它被吸附在水相表面定向排列形成薄膜。可是当进入水中的表面活性剂达到一定量时，在分子表面膜形成的同时，表面活性剂也逐渐聚集起来，互相把疏水基靠在一起，形成亲水基朝向水而疏水基在内的直径在胶体分散相粒子大小范围的缔合体，这种

23、缔合体称为胶束(micelle)。由于胶束的形成减小了疏水基与水的接触面积，从而使系统稳定。由胶束形成的溶液称为缔合胶体。缔合胶体是热力学稳定系统。,表面活性剂可使不溶于水的动植物油脂或其它有机物裹在其中形成胶束，这种作用称为增溶。肥皂或合成洗涤剂用于洗涤服装上的油渍就是利用其增溶作用。,胶束的形成,表面活性剂是两亲分子。溶解在水中达一定浓度时，其非极性部分会自相结合，形成聚集体，使憎水基向里、亲水基向外，这种多分子聚集体称为胶束(micelle) 。随着亲水基不同和浓度不同，形成的胶束可呈现棒状、层状或球状等多种形状。,胶束的结构1,胶束的结构2,胶束的结构3,胶束的结构4,临界胶束浓度,临界胶束浓度(critical micelle concentration)，简称CMC。 表面活性剂在水中随着浓度增大，表面上聚集的活性剂分子形成定向排列的紧密单分子层，