第十二章胶体化学ppt课件

1、第十二章第十二章 胶体化学胶体化学 胶体系统的光学性质 胶体系统的动力性质 胶体系统的电学性质 憎液溶胶的胶团构造 憎液溶胶的稳定实际DLVO实际 憎液溶胶的聚沉 乳状液 一胶体分散系统及其根本性质一胶体分散系统及其根本性质分散系统：一种或几种物质分散在另一种物质之中；分散系统：一种或几种物质分散在另一种物质之中；分散相：被分散的物质；分散相：被分散的物质；分散介质：另一种延续分布的物质分散介质：另一种延续分布的物质胶体是一种分散系统胶体是一种分散系统分子分散系统分子分散系统胶体分散系统胶体分散系统粗分散系统粗分散系统 表12.0.1 分散系统的分类及特征 系系统统 分分散散相相粒粒子子 直直

2、径径d 系系统统相相态态 热热力力学学稳稳定定性性 实实例例 真溶液 d 1 nm 均相 稳定 各种分子、原子、离子溶液 如乙醇水溶液、 NaCl水溶液、空气等 胶体系统 1d 100 nm 多相 不稳定 乳状液、悬浮液、泡沫 如牛奶、豆浆、泥浆等 高度分散的多相性和热力学不稳定性是胶体系统的主要特点高度分散的多相性和热力学不稳定性是胶体系统的主要特点表 12. 0. 2 分散系统按聚集状态分类 分散介质 分散相 名称 实例 气 液 固 气溶胶云、雾、喷雾烟、粉尘 液 气 液 固 泡沫 乳状液溶胶或悬浮液肥皂泡沫牛奶、含水原油金溶胶、油墨、泥浆 固 气 液 固 固溶胶泡沫塑料珍珠、蛋白石有色玻

3、璃、某些合金憎液溶胶憎液溶胶亲液溶胶亲液溶胶 溶胶溶胶分散相与分散介质之间有相界面分散相与分散介质之间有相界面均相，无相界面均相，无相界面 高分子溶液高分子溶液1 1、TyndallTyndall丁达尔效应丁达尔效应18691869年年 Tyndall Tyndall发现胶体系统有光散射景象发现胶体系统有光散射景象丁达尔效应：在暗室里，将一束聚集的光投射到胶体系统上，在与丁达尔效应：在暗室里，将一束聚集的光投射到胶体系统上，在与 入射光垂直的方向上，可察看到一个发亮的光柱，其入射光垂直的方向上，可察看到一个发亮的光柱，其 中并有微粒中并有微粒闪烁。闪烁。12122 2 胶体系统的光学性质胶体系

4、统的光学性质0222022022422cos1229InnnnlCVI2. Rayleigh 2. Rayleigh 公式公式I I ：散射光强：散射光强 ； I0 : I0 : 入射光强；入射光强；V V ：一个粒子的体积；：一个粒子的体积； C C ：单位体积中的粒子数；：单位体积中的粒子数；n : n : 分散相的折射率；分散相的折射率； n0 n0：分散介质的折射率；：分散介质的折射率； ：散射角；：散射角； l : l : 观测间隔观测间隔对于非导电的、球形粒子的、稀溶胶系统：对于非导电的、球形粒子的、稀溶胶系统：单位体积溶胶的散射强度：单位体积溶胶的散射强度：1. Brown 1.

5、 Brown 运动运动胶体粒子在介质中作无规那么行走运动胶体粒子在介质中作无规那么行走运动Einstein-BrownEinstein-Brown平均位移公式：平均位移公式：2/13rLRTtx(1)x : t x : t 时间内粒子的平均位移时间内粒子的平均位移r : r : 粒子半径粒子半径：分散介质粘度：分散介质粘度L L：阿伏加德罗常数：阿伏加德罗常数12123 3 胶体系统的动力性质胶体系统的动力性质2. 2. 分散分散 在有浓度梯度存在时，物质粒子因热运动而发生宏观上的定向迁移。dxdcDAdtdnS Fick Fick 分散第一定律：分散第一定律： 单位时间经过某一截面的物质的量

6、dn/dt与该处的浓度梯度dc/dx及面积大小As成正比，其比例系数D 称为分散系数，负号是由于分散方向与浓梯方向相反D D 分散系数分散系数 单位浓梯下，单位时间经过单位单位浓梯下，单位时间经过单位 面积的物质的量。单位：面积的物质的量。单位：m2m2s-1s-1 D D 可用来衡量分散速率可用来衡量分散速率表 12.3.2 18 oC 时金溶胶的扩散系数粒子半径 r/nmD109/(m2s-1)10.213100.02131000.00213粒子越小，分散系数越大，分散才干越强粒子越小，分散系数越大，分散才干越强球形粒子，D 可由爱因斯坦斯托克斯方程计算：rLRTD623. 3. 沉降与沉

7、降平衡沉降与沉降平衡 多相分散系统中的粒子，因受重力作用而下沉的过程，称为沉降。 沉降与分散为一对矛盾的两个方面沉降沉降 分散分散 分散相分散相真溶液真溶液 均相均相粗分散系统粗分散系统 沉于底部沉于底部胶体系统胶体系统 平衡平衡 构成浓梯度构成浓梯度贝林贝林(Perrin)(Perrin)导出沉降平衡时粒子浓度随高度的分布：导出沉降平衡时粒子浓度随高度的分布：)(1ln1212hhRTMgcco1)1)该式只适用于粒子大小相等的体系，但外形不限；该式只适用于粒子大小相等的体系，但外形不限；2)2)粒子越重粒子越重M M大，随大，随h h添加，浓度降低越快。添加，浓度降低越快。上式可用于计算大

8、气压力上式可用于计算大气压力 p p 与高度与高度 h h 的关系：的关系：RThhMgpp/ )(ln1212溶胶外表电荷的来源：溶胶外表电荷的来源： a a溶胶粒子可选择性地吸附某种离子而溶胶粒子可选择性地吸附某种离子而带电带电; ; b b溶胶粒子外表上的某些分子、原子可发溶胶粒子外表上的某些分子、原子可发生电离。生电离。 例：例：1) AgI1) AgI溶胶：溶胶： 溶液中溶液中I I过量时，可吸附过量时，可吸附I I而而带负电，带负电， 溶液中溶液中Ag+Ag+过量时，可吸附过量时，可吸附Ag+Ag+而而带负电。带负电。 2) 2)蛋白质中的氨基酸分子蛋白质中的氨基酸分子: : 在在

9、pHpH低时氨基构成低时氨基构成NH3+NH3+而带正电而带正电； 在在pHpH高时羧基构成高时羧基构成COOCOO而带负而带负电。电。 12124 4 胶体系统的电学性质胶体系统的电学性质1.1.双电层实际双电层实际 0 x缺陷：缺陷： 1) 1)不能解释外表电势不能解释外表电势 o o 与与电势的区别；电势的区别； 2) 2)不能解释电解质对不能解释电解质对电势的影响电势的影响 1879年，亥姆霍兹首先提出在固液两相之间的界面上构成双电层的概念1)1)亥姆霍兹平板电容器模型亥姆霍兹平板电容器模型双电层：质点外表电荷与周围介质中的反离子构成的电层；双电层：质点外表电荷与周围介质中的反离子构成

10、的电层；外表电势外表电势0 0：带电质点外表与液体的电位差：带电质点外表与液体的电位差：电势：固、液两相发生相对运动的边境处与液体内部的电电势：固、液两相发生相对运动的边境处与液体内部的电位差位差 1910年，古依和查普曼提出了分散双电层实际2)2)古依查普曼分散双电层模型古依查普曼分散双电层模型 分散层分散层0电势电势间隔间隔 静电力 ：使反离子趋向外表 热分散力：使反离子趋于均匀分布 总结果：反离子平衡分布古依查普曼模型的缺陷：古依查普曼模型的缺陷： 1) 1) 没有给出没有给出电位的详细位置及意义电位的详细位置及意义 2) 2) 没有思索胶粒外表上的固定吸附层没有思索胶粒外表上的固定吸附

11、层 古依和查普曼给出距外表r处的电势与外表电势为0的关系： = oe-r式中 的倒数 -1 具有双电层厚度的意义 公式的几点假设：公式的几点假设： 1) 质点外表可看作无限大的平面；质点外表可看作无限大的平面； 2) 外表电荷分布均匀；外表电荷分布均匀； 3) 溶剂的介电常数四处一样。溶剂的介电常数四处一样。3)斯特恩斯特恩(Stern)双电层模型双电层模型 1924年，斯特恩提出分散双电层模型。他以为：1)离子有一定的大小；2)质点与外表除静电作用外， 还有范德华作用； 因此外表可构成一固定吸附层，此层称为Stern层。+ Stern面滑动面间隔间隔0Stern面 称为斯特恩电势称为斯特恩电

12、势 为滑动面与溶液本体之间的电位差为滑动面与溶液本体之间的电位差Stern模型：固定层分散层分散层可用古依查普曼的公式描画 只需将式中的o换成 当溶液中电解质浓度添加时，介质中反离子的浓度加大，将紧缩分散层使其变薄，把更多的反离子挤进滑动面以内，使 电势在数值上变小， 电势的大小，反映了胶粒带电的程度电势的大小，反映了胶粒带电的程度 电势电势 ，胶粒带电，胶粒带电 ， 滑动面与溶液本体之间的电势差滑动面与溶液本体之间的电势差 ， 分散层厚度分散层厚度 0滑动面c4 c3 c2 c1间隔反离子浓度 0 0时，为等电点，时，为等电点，u u0 0，溶胶极易聚沉，溶胶极易聚沉2.外加电解质对外加电解

13、质对 电势的的影响电势的的影响3.3.溶胶的动电景象溶胶的动电景象1 1电泳电泳 在外电场的作用下，胶体粒子在在外电场的作用下，胶体粒子在分散介质中定分散介质中定 向挪动的景象，称为向挪动的景象，称为电泳。电泳。Fe(OH)3溶胶NaCl溶液界面法测电泳安装表示图界面法测电泳安装表示图 实验测出在一定时间内界面挪动的间隔，可求得粒子的电泳速度，由电泳速度可求出胶体粒子的 电势对于球形质点：当粒子半径大，双电层厚对于球形质点：当粒子半径大，双电层厚度薄时度薄时EvuEvv v 电泳速度，单位为电泳速度，单位为m s-1m s-1； E E 电场强度或称电位梯度，单位为电场强度或称电位梯度，单位为

14、Vm-1Vm-1； u u 胶核的电迁移率，单位为胶核的电迁移率，单位为m2 V-1 s-1m2 V-1 s-1， 表示单位场强下的电泳速度；表示单位场强下的电泳速度； 介质的介电常数，单位介质的介电常数，单位F m-1F m-1， = = r r 0 0 r r 相对介电常数，相对介电常数， 0 0 真空介电常数；真空介电常数； 介质的粘度，单位为介质的粘度，单位为Pa sPa s。或或2 2电渗电渗 在外电场作用下，分散介质经过多孔固体在外电场作用下，分散介质经过多孔固体膜而定向挪动的景象，称为电渗。膜而定向挪动的景象，称为电渗。电渗表示图电渗表示图3 3流动电势流动电势 在外力作用下，迫

15、使液体经过多孔隔在外力作用下，迫使液体经过多孔隔膜或毛细管定向流动，在多孔隔膜两端膜或毛细管定向流动，在多孔隔膜两端所产生的电势差，称为电渗。所产生的电势差，称为电渗。 可视为电渗的逆过程可视为电渗的逆过程4 4沉降电势沉降电势 分散相粒子在重力场或离心力场的作用分散相粒子在重力场或离心力场的作用下迅速挪动时，在挪动方向的两端所产生的下迅速挪动时，在挪动方向的两端所产生的电势差，称为沉降电势。电势差，称为沉降电势。 可视为电泳的逆过程可视为电泳的逆过程四种电景象的相互关系：四种电景象的相互关系： 电泳 电渗流动电势流动电势沉降电位沉降电位液体静止，固体粒子运动固相不动，液体挪动外加电场引外加电

16、场引起相对运动起相对运动相对运动产相对运动产生电位差生电位差胶团构造表示：胶团构造表示： 例：例：I过量，生成带负电的胶粒，过量，生成带负电的胶粒，K为反离为反离子子 胶团胶团 AgIm nI(n-x)K+x- xK+ 胶核胶核 胶粒胶粒例： AgNO3 + KI AgI + KNO3KI KI 过量过量 ：AgIAgI溶胶吸附溶胶吸附I I带负电，带负电，K K为反离子；为反离子；AgNO3AgNO3过量：过量：AgIAgI溶胶吸附溶胶吸附AgAg带正电，带正电，NO3NO3为反离子为反离子3. 3. 憎液溶胶的胶团构造憎液溶胶的胶团构造 胶团剖面图：胶团剖面图：(AgI)mIIIIIIII

17、IIIIIIIIIIIIIIIIKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK特点：特点：1) 1) 胶核：首先吸附过量的胶核：首先吸附过量的 成核离子，然后吸附反成核离子，然后吸附反 离子；离子；2) 2) 胶团整体为电中性胶团整体为电中性1 1 憎液溶胶的经典稳定实际憎液溶胶的经典稳定实际DLVODLVO实际实际溶胶粒子间的作用力：溶胶粒子间的作用力：van der Waals 吸引力：吸引力：EA -1/x2双电层引起的静电斥力：双电层引起的静电斥力：ER ae-x总作用势能：总作用势能：E = ER + E = ER + EAEAEmaxEREAE势能x第一最小值第二最小值第一最小值

18、0粒子的平动能粒子的平动能(3/2) RT(3/2) RT Emax Emax Emax时，溶胶不稳时，溶胶不稳定定12.512.5憎液溶胶的稳定与聚沉憎液溶胶的稳定与聚沉EAEA曲线的外形由粒子本性决议，不受电解质影响；曲线的外形由粒子本性决议，不受电解质影响；ERER曲线的外形、位置剧烈地受电解质浓度的影响。曲线的外形、位置剧烈地受电解质浓度的影响。EREAEc1c2c3势 能0电解质浓度：电解质浓度： c3 c2 c1 c3 c2 c1电解质浓度电解质浓度，ERER，E E，溶胶稳定性溶胶稳定性电解质浓度对胶体粒子势能的影响：电解质浓度对胶体粒子势能的影响：溶胶稳定的缘由：溶胶稳定的缘由

19、： 1) 1) 胶粒带电胶粒带电 添加胶粒间的排斥作用；添加胶粒间的排斥作用； 2) 2) 溶剂化作用溶剂化作用 构成弹性水化外壳，添加溶胶构成弹性水化外壳，添加溶胶聚合的阻力；聚合的阻力； 3) Brown 3) Brown运动运动 使胶粒受重力的影响而不下沉。使胶粒受重力的影响而不下沉。2. 憎液溶胶的聚沉 溶胶粒子合并、长大，进而发生沉淀的景象，称为聚沉。 (1) (1) 电解质的聚沉作用电解质的聚沉作用聚沉值聚沉值使溶胶发生明显的聚沉所需电解质的最小浓度使溶胶发生明显的聚沉所需电解质的最小浓度聚沉才干聚沉才干聚沉值的倒数聚沉值的倒数 电解质对溶胶的聚沉规律：电解质对溶胶的聚沉规律： (

20、i)(i)反离子的价数起主要作用反离子的价数起主要作用 价数价数，聚沉值，聚沉值，聚沉才干，聚沉才干 聚沉值聚沉值1/Z 61/Z 6，聚沉才干，聚沉才干Z 6Z 6 Schultz-Hardy Schultz-Hardy规那么规那么(ii) 同价离子，有感胶离子序 正离子的聚沉才干：H+ Cs+ Rd+ NH4+ K+ Na+ Li+负离子的聚沉才干 ：FClBrNO3IOH(2) (2) 高分子化合物的聚沉作用高分子化合物的聚沉作用 搭桥效应搭桥效应 一个大分子经过吸附，把许多胶粒结合一个大分子经过吸附，把许多胶粒结合起来，变成较大的聚集体而聚沉；起来，变成较大的聚集体而聚沉； 脱水效应脱

21、水效应 高分子对水的亲合力强，由于它的存在高分子对水的亲合力强，由于它的存在，使胶粒，使胶粒 脱水，失去水化外壳而聚沉；脱水，失去水化外壳而聚沉；电中和效应电中和效应 离子型的高分子，吸附到带电胶粒上离子型的高分子，吸附到带电胶粒上，中和了粒子外表电荷，使粒子间斥力降低，进而聚沉，中和了粒子外表电荷，使粒子间斥力降低，进而聚沉。 由两种不互溶或部分互溶的液体所构成的粗分散系统，称为乳状液。类型类型水包油，水包油，O/W，油分散在水中，油分散在水中油包水，油包水，W/O，水分散在油中，水分散在油中OW乳化剂乳化剂 乳状液乳状液12.7 乳状液乳状液1 1乳状液类型的鉴别乳状液类型的鉴别(1)染色

22、法：将油水溶性染料滴入乳状液，在显染色法：将油水溶性染料滴入乳状液，在显微镜下微镜下 察看，染色的一相为油水相。察看，染色的一相为油水相。(2)稀释法：将乳状液滴入水中或油中，假设乳状液稀释法：将乳状液滴入水中或油中，假设乳状液在水中能稀在水中能稀 释，即为释，即为O/W型；在油中能稀释，即型；在油中能稀释，即为为W/O型。型。(3)导电法：导电法：O/W型乳状液的导电性能远好于型乳状液的导电性能远好于W/O型型乳状液，乳状液， 经过测电导可区别两者。经过测电导可区别两者。2.2.乳状液的稳定乳状液的稳定(1)(1)降低界面张力降低界面张力 (a) (a) 参与外表活性剂，参与外表活性剂， ，G G表表，稳定性，稳定性 (b) (b) 外表活性剂的外表活性剂的HLBHLB值可决议构成乳值可决议构成乳状液的类型：状液的类型： HLB 3 HLB 36: 6: 构成构成W/OW/O型乳状液；型乳状液； HLB 12 HLB 1218:18:构成构成O/WO/W型乳状液。型乳状液。2构成定向楔的界面 一价碱金属皂类， ， 构成O/W型乳状液：油油水 二价碱金属皂类， ，构成W/O型乳状液：油油水 大头朝外，小头向内，外表活性剂可严密陈列，构成厚壁，使乳状液稳定。3 3构成分散双电层构成分散双电层