1Introductiontocolloidandsurface学习课程

1、第1页/共59页第一页，编辑于星期四：二十三点 十七分。第2页/共59页第二页，编辑于星期四：二十三点 十七分。胶体与界面化学What is Colloid and Interface Science?Colloid and interface science deals with multi-phase systems in which one or more phases are dispersed in a continuous phase of different composition or state. Classical colloid science deals with di

2、spersions for which at least one dimension of a dispersed phase falls within about 1 and 1000 nm. In applied colloid science the upper size limit is commonly extended to at least 10,000 to 100,000 nm. Interface science deals with dispersions in which there is an extremely large interfacial area betw

3、een two of the phases. The dispersed phases may be particles, droplets, or bubbles.Some typical systems include: Aerosols of liquid droplets or solid particles Foams Emulsions Sols or suspensions Solid foams, emulsions or suspensions What distinguishes all colloidal dispersions is the extremely larg

4、e area of the interface between the two phases compared with the mass of the dispersed phase. It follows that any chemical and physical phenomena that depend on the existence of an interface become very prominent in colloidal dispersions. Interface science thus underlies colloid science.第3页/共59页第三页，

5、编辑于星期四：二十三点 十七分。界面化学界面化学研究液研究液/ /固、气固、气/ /液等的界面性质液等的界面性质及相互作用及相互作用 液体表面液体表面/ /界面性质界面性质（界面张力的变化及影响界面张力的变化及影响因素因素, ,颗粒大小与蒸气压、蒸发速度等的关系颗粒大小与蒸气压、蒸发速度等的关系） 固体界面性质固体界面性质（吸附、解吸、润湿等吸附、解吸、润湿等） 表面活性剂表面活性剂（分类、溶液性质、应用分类、溶液性质、应用）第4页/共59页第四页，编辑于星期四：二十三点 十七分。胶体化学胶体化学研究胶体粒子的性质、变化、相互研究胶体粒子的性质、变化、相互作用及胶体体系的制备、纯化等。作用及胶

6、体体系的制备、纯化等。 胶体的动力性质胶体的动力性质（布朗运动、沉降布朗运动、沉降） 胶体的光学性质胶体的光学性质（光散射、应用光散射、应用） 胶体的电学性质胶体的电学性质（双电层及其性质双电层及其性质） 胶体的稳定性胶体的稳定性（稳定性及影响因素稳定性及影响因素） 胶体的流变性胶体的流变性（流动性质及影响因素流动性质及影响因素） 乳状液与泡沫（乳状液与泡沫（制备、稳定性及影响因素制备、稳定性及影响因素）第5页/共59页第五页，编辑于星期四：二十三点 十七分。课程主要章节1胶体胶体 22表面热力学基础表面热力学基础 83吸附理论吸附理论44胶体的粒子性胶体的粒子性 45胶体的电化学性质胶体的电

7、化学性质 66乳状液、泡沫及其乳状液、泡沫及其应用应用 4第6页/共59页第六页，编辑于星期四：二十三点 十七分。第一章 胶体（Colloid)1、胶体的定义、分类2、多相分散体系的性质第7页/共59页第七页，编辑于星期四：二十三点 十七分。第8页/共59页第八页，编辑于星期四：二十三点 十七分。第9页/共59页第九页，编辑于星期四：二十三点 十七分。第10页/共59页第十页，编辑于星期四：二十三点 十七分。第11页/共59页第十一页，编辑于星期四：二十三点 十七分。第12页/共59页第十二页，编辑于星期四：二十三点 十七分。第13页/共59页第十三页，编辑于星期四：二十三点 十七分。第14页

8、/共59页第十四页，编辑于星期四：二十三点 十七分。第一节 胶体的定义、分类第15页/共59页第十五页，编辑于星期四：二十三点 十七分。常见的胶体体系雾牛奶灰尘石油化妆品药物第16页/共59页第十六页，编辑于星期四：二十三点 十七分。胶体概念的发展 1861年：Graham研究溶液中分子的扩散，以溶质能否通过羊皮纸，将溶质分为两类： 第一类：凝晶质（Crystalloid) 第二类：胶体（Colloid)认为：胶体是一类物质物质。第17页/共59页第十七页，编辑于星期四：二十三点 十七分。胶体概念的发展 1906年，俄国化学家Weiman发现：每 一种物质有不同的存在状态： NaCl/H2ON

9、aCl为Crystalloid NaCl/CH3CH2OH NaCl为Colloid 认为：胶体是物质存在的一种状态一种状态。第18页/共59页第十八页，编辑于星期四：二十三点 十七分。胶体概念的发展IUPACIUPAC对胶体的定义：对胶体的定义： Colloid is any materials that at least its one dimension within the range of 11000 nanometers.第19页/共59页第十九页，编辑于星期四：二十三点 十七分。Colloids and Interfaces with surfactants and polyme

10、rs-An introductionJim Goodwin Wiley 2003 Colloids are all about size. They consist of at least two phases and the dimension of the dispersed phase has traditionally been considered to be in the submicroscopic region but greater than the atomic size range. That is within the range 1nm to 1 m. The ter

11、m colloid was coined for glue-like materials which appeared to consist of only one phase when viewed under the microscopes of the day. Of course, now we are able to see much smaller particles with the advance of microscopy. However, the size range is still taken to be the same although 10 mm would b

12、e a more appropriate upper limit as the unique behaviour of colloidal particles can still be observed with particle dimensions greater than 1m.第20页/共59页第二十页，编辑于星期四：二十三点 十七分。What are Colloids ? definition : a colloidal system is (in general) a two-phasesystem, in which one phase b (the dispersed phas

13、e) isdispersed into the second phase a (the continuous phase) :d is typically in the range 10 nm to 10 mm = 10-8 to 10-5 m第21页/共59页第二十一页，编辑于星期四：二十三点 十七分。第22页/共59页第二十二页，编辑于星期四：二十三点 十七分。胶体定义的理解：1、胶体是任何一种物质，只要其至少一维直径在11000nm就行。2、胶体研究的粒子大小为11000nm，说明胶体的比表面积是非常大的。3、胶体往往不单独存在，它总是一种物质以一定的颗粒分散于另一种介质中。因而是多相分

14、散体系。第23页/共59页第二十三页，编辑于星期四：二十三点 十七分。胶体体系的分类具有明显界面的胶体体系分散相分散相分散介质分散介质 体系名称体系名称实实 例例液液气气气溶胶气溶胶雾雾固固气气气溶胶气溶胶烟、尘烟、尘气气液液泡沫泡沫泡沫泡沫液液液液乳状液乳状液牛奶牛奶固固液液悬浮液悬浮液油漆油漆气气固固固体泡沫固体泡沫浮石浮石液液固固珍珠珍珠固固固固 合金合金第24页/共59页第二十四页，编辑于星期四：二十三点 十七分。胶体体系的分类以下是无明显界面的胶体体系：水溶性高分子蛋白质分子有序体（分子簇）第25页/共59页第二十五页，编辑于星期四：二十三点 十七分。胶体体系的分类 按照颗粒大小来分

15、类分子分散体分子分散体胶体胶体粗分散体系粗分散体系粒径粒径0.11nm11000nm1000nm滤纸滤纸穿透穿透穿透穿透不穿透不穿透羊皮纸羊皮纸穿透穿透不穿透不穿透不穿透不穿透扩散扩散快快有一定扩散有一定扩散不扩散不扩散观察观察直接看不见直接看不见电镜可观察电镜可观察肉眼可见肉眼可见第26页/共59页第二十六页，编辑于星期四：二十三点 十七分。胶体体系的性质：聚结不稳定性多相不均匀性组成不稳定性多相分散性第27页/共59页第二十七页，编辑于星期四：二十三点 十七分。第二节 多相分散体系的性质第28页/共59页第二十八页，编辑于星期四：二十三点 十七分。2.1 胶体体系的特点胶体体系的特点1、粒

16、度小、分散度高、比表面积大 比表面积是单位体积（重量）物质的表面积，通常用S0来表示：S0 =S/V或S0=S/W 分散度也叫分散程度，是总面积与边长之比。比表面积越大，分散度越高。第29页/共59页第二十九页，编辑于星期四：二十三点 十七分。立方体边长立方体边长（cm）分割后的个数分割后的个数总面积总面积（cm2）分散度分散度（cm-1）11166110-11036 1016 101110-21066 1026 102110-31096 1036 103110-410126 1046 104110-510156 1056 105110-610186 1066 1061nm10216 107（

17、600m2）6 107比表面积、分散度的关系第30页/共59页第三十页，编辑于星期四：二十三点 十七分。 超细粉末的原子数与表面上原子数的比例超细粉末的原子数与表面上原子数的比例粒径粒径/nm原子数原子数表面上原子数表面上原子数/总原子数总原子数202.5 10510103 1042054 103402258013099第31页/共59页第三十一页，编辑于星期四：二十三点 十七分。 巨大的比表面积使体系中处在表面的分子或原子所占比例加大，因而使胶体体系具有很强的吸附能力。材料性质发生大的变化：如熔点、电学性质、力学性质等。第32页/共59页第三十二页，编辑于星期四：二十三点 十七分。以熔点变化

18、为例：纳米材料的烧结温度材料材料粒径粒径/nm烧结温度烧结温度/Cu50200（1083）Fe50250（1536）Ag2070（960）Ni20200（1453）第33页/共59页第三十三页，编辑于星期四：二十三点 十七分。2.2 特殊的运动性质特殊的运动性质胶体与分散体系的运动性质比较 小分子小分子 胶体胶体 粗分散体系粗分散体系运动性质运动性质热运动、传递运动热运动、传递运动随温度升高加剧，随温度升高加剧，同时导致扩散同时导致扩散存在与小分子类似存在与小分子类似的性质，但程度较的性质，但程度较弱弱热运动性质弱，热运动性质弱，扩散、传递性质扩散、传递性质也弱也弱重力场中重力场中重力影响小，

19、在离重力影响小，在离心场中特别是角速心场中特别是角速度大时不可忽略度大时不可忽略重力场中有一定影重力场中有一定影响，不可忽略响，不可忽略影响较大影响较大电磁场中电磁场中电磁波可穿过粒子电磁波可穿过粒子发生光散射现象发生光散射现象发生光反射发生光反射速度场中速度场中呈现牛顿流体性质呈现牛顿流体性质具有特殊流变性具有特殊流变性按经典运动力学按经典运动力学方式处理方式处理第34页/共59页第三十四页，编辑于星期四：二十三点 十七分。2.3 特殊的稳定性特殊的稳定性 外力胶体分散粗分散状态 化学剂 第35页/共59页第三十五页，编辑于星期四：二十三点 十七分。第36页/共59页第三十六页，编辑于星期四

20、：二十三点 十七分。第37页/共59页第三十七页，编辑于星期四：二十三点 十七分。2.4 胶体科学的研究内容胶体科学的研究内容研究内容研究内容体系体系理论理论分散体系分散体系分散体系的形成与稳定分散体系的形成与稳定光学性质光学性质流变性流变性纳米材料纳米材料溶胶、粗分散体溶胶、粗分散体系系智能流体、电磁智能流体、电磁流变体流变体纳米颗粒有序性纳米颗粒有序性溶胶理论、成核溶胶理论、成核理论、理论、DLVO理理论、胶束理论、论、胶束理论、光散射理论、颗光散射理论、颗粒相互作用里力粒相互作用里力理论理论界面现象界面现象润湿、吸附润湿、吸附界面电现象界面电现象界面层结构界面层结构气气/液、气液、气/固

21、界面；固界面；液液/液、液固界面液、液固界面吸附理论、双电吸附理论、双电层理论、界面化层理论、界面化学反应、界面分学反应、界面分子定向子定向有序组合有序组合体体溶液中的分子组合体；溶液中的分子组合体；生物膜；生物膜；组合体的物理化学反应组合体的物理化学反应胶束、微乳液、胶束、微乳液、胶囊、胶囊、BLM膜、膜、LB膜、液晶、分膜、液晶、分型体等型体等分子间作用力分子间作用力冶晶理论、分型冶晶理论、分型理论、胶团催化、理论、胶团催化、定向合成定向合成第38页/共59页第三十八页，编辑于星期四：二十三点 十七分。三、胶体科学的发展第39页/共59页第三十九页，编辑于星期四：二十三点 十七分。 祖先制

22、造陶器、汉朝利用纤维造纸、后汉发明墨水、豆腐制作等等 古埃及利用木材浸水膨胀来破裂山岩 1777年瑞典化学家做木炭吸附气体的实验 1809年俄国化学家发现土粒的电泳现象 1829年英国植物学家BROWN观察花粉的布朗运动第40页/共59页第四十页，编辑于星期四：二十三点 十七分。1861年胶体化学作为一门学科，创始人英国科学家Thomas Graham1907年 第一本胶体化学专门刊物胶体化学和工业杂志创刊；（胶体化学真正作为一门独立学科）国内目前尚无一本正式出版的胶体与界面化学杂志第41页/共59页第四十一页，编辑于星期四：二十三点 十七分。中国胶体与界面化学的发展 1954年 傅鹰院士（北

23、京大学） 中国胶体化学的奠基人之一 1955年 戴安邦院士（南京大学） 中国有了第一批胶体化学毕业生 20世纪90年代以前，只有北京大学、南京大学、山东大学、华东师范大学有胶体一界面化学的研究机构 1983年在北京大学召开全国第一届胶体与界面化学会议，2002年在山东大学召开第九届全国会议。第42页/共59页第四十二页，编辑于星期四：二十三点 十七分。四、胶体科学的应用第43页/共59页第四十三页，编辑于星期四：二十三点 十七分。钻井泥浆压裂液、胶束酸调剖、堵水破乳、清防蜡、降凝剂污水处理三次采油（特别是表面活性剂驱）第44页/共59页第四十四页，编辑于星期四：二十三点 十七分。钻井泥浆 钻井泥浆的功能与组成：冲洗井底；携带岩屑；平衡地层压力；冷却与润滑钻头；稳定井壁；悬浮钻屑；获取地层信息；功率传递。 钻井泥浆的性质：密度；酸碱度；滤失性；失水和造壁性 ；流变性；固相含量控制；抑制性等。第45页/共59页第四十五页，编辑于星期四：二十三点 十七分。表面活性剂驱油机理 复合表面活性剂体系是由几种具有两亲性结构的分子组成，这种结构的分子能够吸附在油/水界面上，降低油水的界面张力，降低多孔介质中流体流动的毛细管指数、提高流体流动性质，达到提高采收率的目的。第46页/共59页第四十六页，编辑于星期四：二十三点 十七分。驱油机理降低油水界面张力机