药学专科自考无机化学第.二章 胶体溶液和表面现象

1、第二章第二章 胶体溶液和表面现象胶体溶液和表面现象 内容提要内容提要 第一节第一节 溶胶溶胶 第二节第二节 高分子化合物溶液高分子化合物溶液 第三节第三节 凝胶凝胶 第四节第四节 物质的表面现象物质的表面现象 第二章第二章 胶体溶液和表面现象胶体溶液和表面现象 1.1.掌握溶胶和高分子化合物溶液的组成。掌握溶胶和高分子化合物溶液的组成。 2.2.熟悉溶胶的形成及胶粒带电的原因、溶胶的熟悉溶胶的形成及胶粒带电的原因、溶胶的 稳定性和聚沉、高分子化合物溶液和凝胶的基本稳定性和聚沉、高分子化合物溶液和凝胶的基本 性质。性质。 3.3.熟悉物质的表面张力、表面能、表面吸附及熟悉物质的表面张力、表面能、

2、表面吸附及 表面活性物质等概念。表面活性物质等概念。 第二章第二章 胶体溶液和表面现象胶体溶液和表面现象 胶体分散系在自然界中普遍存在，胶体分散系在自然界中普遍存在，如，如，河流入海口处河流入海口处 易形成三角洲；同一钢笔使用不同牌号的墨水会发生堵塞；易形成三角洲；同一钢笔使用不同牌号的墨水会发生堵塞； 在豆浆中加入盐卤可以做豆腐；明矾可以净水等等，胶体分在豆浆中加入盐卤可以做豆腐；明矾可以净水等等，胶体分 散系散系与人类的生活及环境密切相关，并且在医学上也有其重与人类的生活及环境密切相关，并且在医学上也有其重 要的意义。例如，构成机体组织的蛋白质、核酸、糖原等都要的意义。例如，构成机体组织的

3、蛋白质、核酸、糖原等都 是胶体物质；血液、细胞液、淋巴液等具有胶体的性质是胶体物质；血液、细胞液、淋巴液等具有胶体的性质。 许多不溶于水的药物要制成胶体溶液；药物的制备、使用、许多不溶于水的药物要制成胶体溶液；药物的制备、使用、 保管等要涉及到胶体的知识。保管等要涉及到胶体的知识。 胶体分散系胶体分散系（1-100nm)包括溶胶包括溶胶、高分子溶液高分子溶液和缔合胶和缔合胶 体三类体三类。 第第一一节节 溶胶溶胶 溶胶溶胶分散相粒子：分散相粒子：一定量原子、离子或分子组成的集合体一定量原子、离子或分子组成的集合体 特点：特点：多相系统，高度分散，热力学不稳定系统多相系统，高度分散，热力学不稳定

4、系统 根据根据分散介质分散介质分类：分类：液溶胶、气溶胶和固溶胶液溶胶、气溶胶和固溶胶 ( (一一) ) 胶粒对过滤器的通透性胶粒对过滤器的通透性 溶胶溶胶可以透过滤纸（可以透过滤纸（10005000nm10005000nm），）， 不能透过半透膜，利用半透膜，用超过滤法测定蛋不能透过半透膜，利用半透膜，用超过滤法测定蛋 白质和酶粒子的大小。白质和酶粒子的大小。 第第一一节节 溶胶溶胶 ( (二二) ) 溶胶光学性质溶胶光学性质丁达尔现象丁达尔现象（胶粒对光的散射作用）（胶粒对光的散射作用） 丁达尔现象的用途：丁达尔现象的用途： 区别溶胶、溶液、粗分散系区别溶胶、溶液、粗分散系 CuSOCuS

5、O4 4溶液溶液Fe(OH)Fe(OH)3 3胶体胶体 第第一一节节 溶胶溶胶 d d 104 v 天然：蛋白质、核酸、淀粉、天然：蛋白质、核酸、淀粉、 纤维素、糖原纤维素、糖原 v 合成：橡胶、塑料合成：橡胶、塑料 高分子化合物高分子化合物（高分子、高聚物或聚合物）的分子比低分子化（高分子、高聚物或聚合物）的分子比低分子化 合物的分子要大很多。通常低分子有机化合物的相对分子质量合物的分子要大很多。通常低分子有机化合物的相对分子质量 在在10001000以下，而高分子化合物的相对分子质量在以下，而高分子化合物的相对分子质量在1 1万以上，有万以上，有 的可达上千万。的可达上千万。 高分子化合物

6、的特征高分子化合物的特征 第第二二节节 高分子化合物溶液高分子化合物溶液 高分子化合物的高分子化合物的基本特征基本特征：相对分子质量大。：相对分子质量大。 （1）高分子化合物组成简单，相对分子质量大，。）高分子化合物组成简单，相对分子质量大，。 （2）高分子化合物可归纳为）高分子化合物可归纳为线型线型和和体型体型两种结构。线型结构中两种结构。线型结构中 包括线状结构和分枝状结构。包括线状结构和分枝状结构。 （3 3）高分子化合物由于其相对分子质量很大，其）高分子化合物由于其相对分子质量很大，其分子链很长分子链很长， 呈呈卷曲状卷曲状，有较好的，有较好的可塑性可塑性和和高弹性高弹性。 （4 4）

7、高分子化合物在常温常压下主要以固态或液态存在，几乎）高分子化合物在常温常压下主要以固态或液态存在，几乎 无挥发性，无挥发性，溶解性溶解性也很差，有时只发生也很差，有时只发生溶胀溶胀。 高分子化合物溶液是高分子化合物溶液是稳定的均相稳定的均相分散分散系统系统。其其分散相粒径在分散相粒径在 1 1100100nmnm的胶体分散系范围内，具有一些胶体分散系的性质。的胶体分散系范围内，具有一些胶体分散系的性质。 性质性质高分子化合物溶液高分子化合物溶液溶胶溶胶 分散相颗粒分散相颗粒 特征特征 粒径粒径1 1100100nmnm；粒径粒径1 1100100nmnm； 通透性通透性不能透过半透膜不能透过半

8、透膜不能透过半透膜不能透过半透膜 扩散速度扩散速度慢慢慢慢 分散相组成分散相组成单个水合分子均匀分散单个水合分子均匀分散 胶团由胶核与吸附层、扩胶团由胶核与吸附层、扩 散层组成散层组成 均一性均一性均相系统均相系统多相系统多相系统 稳定性稳定性稳定系统稳定系统不稳定系统不稳定系统 粘度粘度大大小小 外加电解质外加电解质 离子的影响离子的影响 不敏感，加入大量造成不敏感，加入大量造成 盐析盐析 敏感，加入少量引起聚沉敏感，加入少量引起聚沉 水化膜:主要依靠蛋白质中的亲水性基团如： COOH、OH、NH2等的溶剂化作用。 （一）稳定性大（一）稳定性大 分子具有许多亲水基团，分子具有许多亲水基团，粒

9、子外围形成水粒子外围形成水化化 膜，碰撞时不易结合成大分子而沉淀。膜，碰撞时不易结合成大分子而沉淀。 高分子化合物的稳定性带电高分子化合物的稳定性带电 Pr COOH NH2 Pr COO- NH3+ 碱性溶液中： 酸性溶液中： Pr COO- NH3+ Pr COO- NH2 OH- NH3+ Pr COO- Pr COOH NH3+ H+ 蛋白质的盐析蛋白质的盐析 盐析盐析: :因加入大量无机强电解质使蛋白质因加入大量无机强电解质使蛋白质 从从 溶液中聚沉析出的作用溶液中聚沉析出的作用 原理原理: : 争夺水化膜、中和电荷争夺水化膜、中和电荷 （二）黏度较大（二）黏度较大 高分子化合物的粘

10、度受浓度、压力、温度、时间等因素的影响高分子化合物的粘度受浓度、压力、温度、时间等因素的影响 （一）稳定性大（一）稳定性大 高聚物分子链节可以自由地旋转，整个高聚物分子链节可以自由地旋转，整个 分子链也能自由移动，从而成为能流动分子链也能自由移动，从而成为能流动 的粘液，比液态低分子化合物的粘度要的粘液，比液态低分子化合物的粘度要 大得多。大得多。 浓度增高，黏度增大浓度增高，黏度增大 压力增高，黏度降低压力增高，黏度降低 温度增高，黏度下降温度增高，黏度下降 随时间延续，黏度增大随时间延续，黏度增大 在溶胶中加入足够量的高分子，能显著地提高溶胶的稳定在溶胶中加入足够量的高分子，能显著地提高溶

11、胶的稳定 性，这种现象称为性，这种现象称为高分子对溶胶的保护作用高分子对溶胶的保护作用。 产生保护作用的原因是高分子吸附在胶粒的表面上，包围产生保护作用的原因是高分子吸附在胶粒的表面上，包围 住胶粒，形成了一层住胶粒，形成了一层高分子保护膜高分子保护膜，阻止了胶粒之间及胶粒与，阻止了胶粒之间及胶粒与 电解质离子之间的直接接触，从而增加了溶胶的稳定性。电解质离子之间的直接接触，从而增加了溶胶的稳定性。 高分子溶液或溶胶在一定条件下，形成的具有一定形高分子溶液或溶胶在一定条件下，形成的具有一定形 态的半固体物质的过程称为态的半固体物质的过程称为胶凝胶凝，所形成的这种半固体物，所形成的这种半固体物

12、质称为质称为凝胶凝胶。 第三节第三节 胶体溶液胶体溶液 第第三三节节 凝胶凝胶 凝胶是在一定条件下，高分子溶液或溶胶的分散相粒子凝胶是在一定条件下，高分子溶液或溶胶的分散相粒子 在某些部位上在某些部位上互相联结互相联结，形成空间，形成空间网架结构网架结构，而分散介质充，而分散介质充 满网架结构的空隙，失去流动性，从而形成的满网架结构的空隙，失去流动性，从而形成的半固体半固体。 新制成的凝胶都含有大量的液体新制成的凝胶都含有大量的液体( (液体含量在液体含量在95%95%以上以上) )。 若液体是水，则该凝胶称为水凝胶。若液体是水，则该凝胶称为水凝胶。 具有线性结构的高分子溶液，普遍能形成凝胶。

13、具有线性结构的高分子溶液，普遍能形成凝胶。 浓度越大，温度越低，越容易形成凝胶。浓度越大，温度越低，越容易形成凝胶。 凝胶可分为弹性凝胶和脆性凝胶两类。 弹性凝胶：如明胶、琼脂、肉冻、肌肉、软骨等。这类凝胶 经干燥后体积明显变小，但若将干的凝胶再放到适当的溶剂 中还可以发生溶胀，即自动吸收溶剂而使体积胀大。 脆性凝胶：粒子间的交联强，网状骨架坚固，干燥后，失去 弹性，但其体积和外形几乎不变，易磨碎，如硅胶、氢氧化 铁等形成的无机凝胶就属于此类。 （一）弹性 膨润：膨润：干燥的弹性凝胶与溶剂接触，自动吸收溶剂，体积增大 是过程。 有限溶胀：有限溶胀：凝胶在液体中溶胀进行到一定程度即停止。 无限溶

14、胀：无限溶胀：溶胀作用一直进行下去，直至凝胶的网状骨架完全 消失，最后完全分散而成为溶液的溶胀。 （二）膨润（溶胀）（二）膨润（溶胀） “湿木裂石湿木裂石” 有机体越年轻，膨润能力越强。 离浆是溶胀的逆过程，可认为是凝胶内结构形成后链 段间的相互作用继续进行的结果。这些链段彼此结合或 相互靠近，使得网架变得更紧，而把网眼中的液体排挤 出来。 凝胶在放置过程中，一部分液体可以自动地分离出来， 使凝胶本身体积缩小，这种现象称为离浆或脱水收缩。 表面：表面：物质与空气或本身的蒸气接触的面物质与空气或本身的蒸气接触的面称表面称表面。 界面：界面：物体的表面与另一相物体的表面与另一相接触面称为界面。接触

15、面称为界面。 表面现象：表面现象：凡是相界面上所发生的一切物理化学凡是相界面上所发生的一切物理化学 现象，统称为表面现象或界面现象。现象，统称为表面现象或界面现象。 溶胶是一种高度分散的多相体系，具有很大的溶胶是一种高度分散的多相体系，具有很大的 界面，其界面性质非常重要。界面，其界面性质非常重要。 第四节第四节 物质的表面现象物质的表面现象 第四节第四节 物质的表面现象物质的表面现象 Nm-1 液体 蒸气 F0 f=0 E A 表面能 表面张力 表面积 只要有界面存在，就一定有表面能存在 表面张力表面张力与物质本性有关；与物质本性有关； 表面张力表面张力与相邻另一相性质有关；与相邻另一相性质

16、有关； 表面张力核心：表面分子受力不均匀核心：表面分子受力不均匀 温度升高，表面张力减小，分子间的吸引力减小。 表面张力表面张力与温度有关与温度有关。 19821982年年1010月月1818日，法，摩泽尔河畔的梅斯新港，日，法，摩泽尔河畔的梅斯新港，7 7座粮仓，座粮仓，4 4 座发生爆炸，内装面粉。座发生爆炸，内装面粉。 19871987年年3 3月月1515日，我国，哈尔滨轧麻厂，发生厂房爆炸，原日，我国，哈尔滨轧麻厂，发生厂房爆炸，原 因：粉尘超标。因：粉尘超标。 对一定量的物质来说，分散程度越高，其表面积就越大， 只有高分散度的体系，表面现象才能达到可以觉察的程度。 例：大水滴分散成

17、微小水滴例：大水滴分散成微小水滴 分成分成1021个个 半径半径1cm 半径半径1nm 总表面积总表面积1.2610-3m21.26104m2 比表面积比表面积310-1m2kg-13106m2kg-1 1g 1g水滴分散水滴分散成成半半径径1nm1nm的小水滴，总面积为原来的的小水滴，总面积为原来的625625万倍万倍 ，增加的能量可将这，增加的能量可将这1g1g水的温度升高水的温度升高5050。 胶体是一种高度分散的多相体系，具有很大的比表面，表面胶体是一种高度分散的多相体系，具有很大的比表面，表面 能很大。能量越高，体系越不稳定，胶体是热力学的不稳定体系。能很大。能量越高，体系越不稳定，

18、胶体是热力学的不稳定体系。 一定温度和压力下，多相系统一定温度和压力下，多相系统表面张力越大表面张力越大，表面能越表面能越 大，大，系统越不稳定。系统越不稳定。 一个系统总有自发降低表面能，趋于稳定的趋势，降低系一个系统总有自发降低表面能，趋于稳定的趋势，降低系 统表面能的途径有哪些呢？统表面能的途径有哪些呢？ 物质的分散度越大，物质的分散度越大，表面积越大表面积越大，表面能越大，表面能越大，系统越系统越 不稳定不稳定。 通常用比表面来表示物质分散的程度，比表面是单位通常用比表面来表示物质分散的程度，比表面是单位 体积的物质具有的总表面积体积的物质具有的总表面积。 E A 2.2.自发吸附自发

19、吸附周围介质中能周围介质中能降低其表面张力降低其表面张力的其它物质粒子填入的其它物质粒子填入 表面层，使表层粒子的浓度大于液体内部粒子的浓度，以降低表面层，使表层粒子的浓度大于液体内部粒子的浓度，以降低 表面张力。表面张力。 通常自发降低表面能有两条途径： 1.1.液滴液滴形成球状或分散的微小液滴聚集在一起自发形成球状或分散的微小液滴聚集在一起自发降低表面积降低表面积； 吸附：物质在相界面相界面上的浓度自动发生变化浓度自动发生变化的过程。 （一）固体表面的吸附 固体表面积无法自动变小，常常吸附其他物质以降低 表面能。 吸附可发生在任何两相的界面上 固体表面的吸附按作用力的性质可以分为固体表面的

20、吸附按作用力的性质可以分为物理吸附物理吸附与与化学化学 吸附吸附两类。两类。 吸附剂吸附剂：能吸附它物的物质，比表面大、吸附能力强的多 孔性物质，常用的吸附剂有硅胶、分子筛、活性炭等。 吸附质吸附质：被吸附的物质 高温高温低温低温温度温度 较慢较慢较快，与温度无关较快，与温度无关吸附速度吸附速度 有有无无选择性选择性 反应热，较高反应热，较高较小，相当于相变热较小，相当于相变热吸附热吸附热 化学键力化学键力范德华力，较弱范德华力，较弱吸附力吸附力 化学吸附化学吸附物理吸附物理吸附 不易解吸不易解吸 易解吸易解吸 吸附稳定性吸附稳定性 物理吸附和化学吸附的主要特征比较物理吸附和化学吸附的主要特征

21、比较 用用AgNOAgNO3 3和和KIKI制备制备AgI AgI 溶胶，溶胶， AgNOAgNO3 3过量过量时，时，AgIAgI胶团结构示胶团结构示 意图及胶团结构的简式：意图及胶团结构的简式： (AgI)m nAg+ (n-x)NO3-x+ xNO3- (AgI)m Ag+ Ag+ Ag+ Ag+ Ag+ Ag+ Ag+ Ag+ Ag+ Ag+ NO3- NO3- NO3- NO3- NO3- NO3- NO3- NO3- NO3- NO3- NO3- NO3- （二）胶粒的形成与吸附 用用AgNOAgNO3 3和和KIKI制备制备AgIAgI 溶溶 胶，胶，KIKI过量过量时，时，Ag

22、IAgI胶团结构胶团结构 示意图及胶团结构的简式：示意图及胶团结构的简式： (AgI)m nI- (n-x)K+x- xK+ 溶胶粒子的选择性吸附属于化学吸附。溶胶粒子的选择性吸附属于化学吸附。 （二）胶粒的形成与吸附 （三）液体表面吸附 液体表面会因为溶质的加入而产生吸附，液体的表面张 力因此发生相应的变化。 即相对于溶液体相：即相对于溶液体相： 溶质溶质在表面富集在表面富集 表面正吸附；表面正吸附； 溶剂 溶剂在表面富集在表面富集 表面负吸附。表面负吸附。 若加入的溶质能降低表面张力，则溶质力图浓集在表面若加入的溶质能降低表面张力，则溶质力图浓集在表面 层上，以更多地降低体系表面自由能层上

23、，以更多地降低体系表面自由能 ；当溶质使表面张力升；当溶质使表面张力升 高时，则它在表面层中的浓度比在内部的浓度来得低，则溶高时，则它在表面层中的浓度比在内部的浓度来得低，则溶 剂在溶液表面富集，以部分抵消体系表面自由能增加剂在溶液表面富集，以部分抵消体系表面自由能增加 。 正吸附正吸附：能降低表面：能降低表面 张力的物质，张力的物质， 表面吸附的溶质浓表面吸附的溶质浓 度度大于大于溶液内部的溶质溶液内部的溶质 浓度浓度 负吸附负吸附：增大表面张：增大表面张 力的物质，力的物质， 表面吸附的溶质浓表面吸附的溶质浓 度度小于小于溶液内部的溶质溶液内部的溶质 浓度浓度 表面吸附使溶质在表面层中 的

24、浓度与内部的浓度不同。 表面活性物质：能显著降低水的表面张力的物质，又叫表 面活性剂。 非表面活性物质：使水的表面张力升高或略微降低的物质。 表面吸附使溶质在表面层中的浓 度与内部的浓度不同。 亲水基有：亲水基有：COOHCOOH，OHOH，NHNH2 2 SHSH、SOSO3H H 憎水基有：憎水基有：C-HC-H链，链，C Cn nH H2n+1 2n+1等直链或带侧链的有机烃基 表面活性剂具有双亲性（一极亲水，一极亲油（气）表面活性剂具有双亲性（一极亲水，一极亲油（气） I. I. 其其都比水小都比水小很多，溶于水后能使水的很多，溶于水后能使水的大大降低；大大降低； II. II. 具有

25、具有不对称结构不对称结构-均为两极分子均为两极分子RXRX：由疏水性或亲脂：由疏水性或亲脂 性的非极性基性的非极性基R R和亲水的极性基和亲水的极性基X X所组成。所组成。 III. III. 表面活性剂分子要在水气或水油（不溶于水的液体）界面表面活性剂分子要在水气或水油（不溶于水的液体）界面 上形成上形成“定向排列定向排列”； 肥皂是最常见的表面活性物质，它是硬脂酸的钠盐。肥皂是最常见的表面活性物质，它是硬脂酸的钠盐。 C C17 17H H3535- -COONaCOONa。 亲油基亲油基 亲水基亲水基 亲水基团亲水基团 -COO-COO （羧基）：具有进入水中的趋势；（羧基）：具有进入水

26、中的趋势； 憎水基团憎水基团 -C-C8 8H H17 17 ：具有离开水而移向表面的趋势； ：具有离开水而移向表面的趋势； 致使溶液表面非极性成份增加，表面张力下降。致使溶液表面非极性成份增加，表面张力下降。 IV. IV. 存在存在临界胶束浓度临界胶束浓度CMCCMC； 表面活性剂能在水中溶解，其浓度大过某一数值（表面活性剂能在水中溶解，其浓度大过某一数值（CMCCMC）时）时 ，能在水中形成很大的缔合胶体，能在水中形成很大的缔合胶体-胶束胶束。这一形成胶束的最低。这一形成胶束的最低 浓度称为浓度称为“临界胶束浓度临界胶束浓度”。超过此浓度后。超过此浓度后 不再下降。不再下降。 表面活性剂

27、在水溶液中表面活性剂在水溶液中达到达到CMCCMC，有胶束生成，有胶束生成后，一些水后，一些水 不溶性或者微溶性物质在不溶性或者微溶性物质在胶束溶液中胶束溶液中的溶解量大大增加，形成的溶解量大大增加，形成 透明的胶体溶液，这种现象称为表面活性剂的透明的胶体溶液，这种现象称为表面活性剂的增溶作用增溶作用。 非极性有机物如苯在水中溶解度很小，加入油酸钠等表面非极性有机物如苯在水中溶解度很小，加入油酸钠等表面 活性剂后，苯在水中的溶解度大大增加，这称为增溶作用。活性剂后，苯在水中的溶解度大大增加，这称为增溶作用。 增溶作用与普通的溶解增溶作用与普通的溶解概念是不同的，增溶的苯不是均概念是不同的，增溶的苯不是均 匀分散在水中，而是分散在油酸根分子形成的胶束中。溶解匀分散在水中，而是分散在油酸根分子形成的胶束中。溶解 作用会使溶剂的依数性出现很大变化，增溶作用对依数性影作用会使溶剂的依数性出现很大变化，增溶