胶体与界面化学：第1章 绪论

1、Colloid and Interface Chemistry 成功成功=目标目标+信心信心+方法方法+行动行动+恒心恒心引子引子u1805年，提出界面张力概念年，提出界面张力概念(托马斯托马斯杨杨 T.Young 英国医生、物理学家英国医生、物理学家 ) 导出导出: 气气液、固液、固液、固液、固气界面张力与接气界面张力与接 触角的关系触角的关系（杨氏方程）（杨氏方程）u1806年，导出了弯曲液面两边附加压力与界面年，导出了弯曲液面两边附加压力与界面张力和曲率半径的关系张力和曲率半径的关系（拉普拉斯（拉普拉斯P.S.Laplace法国数学家、天文学家法国数学家、天文学家 ） u1809年，发现

2、了土粒的电泳现象年，发现了土粒的电泳现象（俄国化学家（俄国化学家舍勒舍勒 Scheele）u1829年观察到花粉的布朗运动年观察到花粉的布朗运动（英国植物学家（英国植物学家Brown）u 1859年，导出蒸汽压随界面曲率的变化的方程年，导出蒸汽压随界面曲率的变化的方程即著名的开尔文方程即著名的开尔文方程（英国物理学家、数学家（英国物理学家、数学家开尔文开尔文Kelvin）u 1861年，胶体化学作为一门学科年，胶体化学作为一门学科（创始人是英（创始人是英国科学家格雷阿姆国科学家格雷阿姆Thomas Graham） 胶体（胶体（colloid）、溶胶（）、溶胶（sol）、凝胶（）、凝胶（gel）

3、、）、胶溶（胶溶（peptization）、渗析（）、渗析（dialysis）等都是）等都是Graham提出的提出的u1869年，研究了润湿和黏附年，研究了润湿和黏附 现象现象（普里（普里A.Dapre）u 1878年，导出了联系吸附量和界面张力随体相年，导出了联系吸附量和界面张力随体相浓度变化的普遍关系式即著名的吉布斯吸附等浓度变化的普遍关系式即著名的吉布斯吸附等温式温式（界面热力学的奠基人、美国物理学家吉（界面热力学的奠基人、美国物理学家吉布斯布斯Gibbs）u1903年，胶体化学获得较大的发展年，胶体化学获得较大的发展 Zsigmondy（席格蒙迪）席格蒙迪） （德，德，19251925

4、年诺贝年诺贝尔化学奖获得者尔化学奖获得者 ）发明了超显微镜，肯定了）发明了超显微镜，肯定了溶胶的一个根本问题溶胶的一个根本问题体系的多相性，从而体系的多相性，从而明确了胶体化学是界面化学。明确了胶体化学是界面化学。 1907年，德国化学家年，德国化学家奥斯特瓦尔德奥斯特瓦尔德 Ostwald（1909年诺贝尔奖获得者）创办了第一个胶体年诺贝尔奖获得者）创办了第一个胶体化学的专门刊物化学的专门刊物胶体化学和工业杂志胶体化学和工业杂志 Freundlich（弗里德里希）（弗里德里希）和和Zsigmondy先后先后出版了他们的名著出版了他们的名著毛细管化学毛细管化学（1909）和）和胶体化学胶体化学

5、（1902）u 近几十年来，胶体和界面化学获得巨大发展近几十年来，胶体和界面化学获得巨大发展 实验技术的不断发展（像超离心机、光散色、实验技术的不断发展（像超离心机、光散色、X射线、多种电子显微镜、红外线以及各种能射线、多种电子显微镜、红外线以及各种能谱等的应用）谱等的应用）胶体胶体: 分散相直径在分散相直径在1 1100nm100nm的分散体系的分散体系 一种高度分散的多相一种高度分散的多相微观微观不均匀体系不均匀体系分散相分散相分散介质分散介质分散程度分散程度比表面积比表面积触目惊心的河流和海洋污染。自人类诞生后，地球系统变成了人类社会系统。 人类发展的人类发展的“三个文明三个文明”时代与

6、环境污染时代与环境污染人类社会系统人类社会系统地球系统地球系统古代文明古代文明 人类社会对自然环境是索取、消人类社会对自然环境是索取、消费、弃置，自然环境未被污染。费、弃置，自然环境未被污染。自然环境系统未被污染索取索取消费消费弃置弃置人类社会系统索取索取自然净化自然净化农业文明农业文明 人类社会增加了人类社会增加了“加工加工”这一环这一环节，自然环境被轻度污染。节，自然环境被轻度污染。自然环境系统被轻度污染索取索取消费消费弃置弃置人类社会系统加工加工 农业社会从生农业社会从生产、加工到消费产、加工到消费工业文明工业文明 人类社会又增加了一项人类社会又增加了一项“流流通通”，自然环境，自然环境

7、被严重污染被严重污染。自然环境系统被严重污染索取索取弃置弃置人类社会系统消费消费加工加工流通流通 江苏某化工园区的化工废料堆放长江堤上江苏某化工园区的化工废料堆放长江堤上 2009 2009年年5 5月月1515日日 安徽省某化工园区，污水每天从这里排放长江安徽省某化工园区，污水每天从这里排放长江20092009年年6 6月月1818日日 古代文明用了古代文明用了5050万年，农业文明用了万年，农业文明用了50005000年，而工业文明从年，而工业文明从17501750年算起，才年算起，才260260年。年。 古代文明古代文明是敬畏自然、崇尚体力、重视是敬畏自然、崇尚体力、重视群体，求取生存；

8、群体，求取生存； 农业文明农业文明是顺应自然、崇尚节俭、重视是顺应自然、崇尚节俭、重视社区、争取温饱；社区、争取温饱； 工业文明工业文明则成了征服自然、崇尚科学、则成了征服自然、崇尚科学、强调个性、追求财富的时代。强调个性、追求财富的时代。 地球系统亮起红灯地球系统亮起红灯 短短的二百多年的现代文明，人口成几何级数增长，污染被成千万倍地放大。人类的贪欲首次打破了世界系统与地球系统的平衡，在大气、水资源、土地、森林、能源这几个重要方面出现了严重的生态赤字： 人类对大自然的总体需求，在上个世纪八十年代第一次超过了地球的可再生能力。到21世纪初，我们对地球的索取超出了其再生能力的20。 目前，环境污

9、染目前，环境污染已从陆地蔓延到近海已从陆地蔓延到近海水域，从地表水延伸水域，从地表水延伸到地下水，从一般污到地下水，从一般污染物扩展到有毒有害染物扩展到有毒有害污染物，已形成点源污染物，已形成点源与面源污染共存、生与面源污染共存、生活污染和工业排放叠活污染和工业排放叠加、各种新旧污染与加、各种新旧污染与二次污染相互复合态二次污染相互复合态势，大气、水体、土势，大气、水体、土壤污染相互作用格局，壤污染相互作用格局，对生态系统、食品安对生态系统、食品安全、人体健康构成了全、人体健康构成了日 益 严 重 的 威 胁 。日 益 严 重 的 威 胁 。 人类所患疾病有四分之一与环境恶化直接相关。人类所患

10、疾病有四分之一与环境恶化直接相关。全球一半的河流水量大幅减少或被严重污染，世界上全球一半的河流水量大幅减少或被严重污染，世界上8080个国家、占全球个国家、占全球4040的人口严重缺水。的人口严重缺水。3030年内，全球年内，全球5555以上的人口将面临水荒。以上的人口将面临水荒。 “高耗低能”的增长方式导致生态环境的严重破坏，我国1/3的国土被酸雨侵蚀，七大江河水系中劣五类水质占41%，沿海赤潮的年发生次数比20年前增加了3倍，1/4人口饮用不合格的水，1/3的城市人口呼吸着严重污染的空气，城市垃圾无害化处理不足20%，工业危险废物处置率仅为32%，全球污染最严重的10个城市中，中国占5个。

11、 全球气候变化预测的极端情景全球气候变化预测的极端情景 一份美国五角大楼一份美国五角大楼“秘密报告秘密报告”： “ “今后今后2020年内，全球气候将发生突变，一场全球性灾年内，全球气候将发生突变，一场全球性灾难就摆在我们眼前，成千上万的人将在自然灾害中死难就摆在我们眼前，成千上万的人将在自然灾害中死亡。亡。” 自然可以被践踏，但不会被征服。自然可以被践踏，但不会被征服。 人来自自然，就必然有某种规律人来自自然，就必然有某种规律 约束着他。约束着他。人类只有与自然和谐共处，才能挽人类只有与自然和谐共处，才能挽救自己。救自己。 （1）分子分散体系）分子分散体系 分散相与分散介质以分子或离子形式彼

12、此混溶，分散相与分散介质以分子或离子形式彼此混溶，没有界面，是热力学稳定均匀的单相，分子半没有界面，是热力学稳定均匀的单相，分子半径大小在径大小在10-9 m以下以下 。通常把这种体系称为真。通常把这种体系称为真溶液，如溶液，如CuSO4溶液，溶质粒子有固定大小及溶液，溶质粒子有固定大小及质量。质量。 （2） 胶体分散体系胶体分散体系 分散相粒子的半径在分散相粒子的半径在1nm-100 nm之间的体系。之间的体系。目测是均匀的，但实际是多相不均匀体系。也目测是均匀的，但实际是多相不均匀体系。也有的将有的将1nm-1000 nm之间的粒子归入胶体范畴。之间的粒子归入胶体范畴。 热力学不稳定性、多

13、相不均匀性、多分散性、热力学不稳定性、多相不均匀性、多分散性、结构和组成的不确定性。结构和组成的不确定性。 （3） 粗分散体系粗分散体系 当分散相粒子大于当分散相粒子大于1000 nm,目测是混浊不均匀目测是混浊不均匀体系，放置后会沉淀或分层，如黄河水、豆浆、体系，放置后会沉淀或分层，如黄河水、豆浆、烟、云等。烟、云等。 热力学和动力性都不稳定的多相体系。热力学和动力性都不稳定的多相体系。l体相性质与表面性质 一般宏观非孔性物体的比表面很小，其性质往往有其体相的状态所确定。随着比表面的剧增，处于表（界）面上的分子与体相内部分子有着明显的差别，表面性质就成为不可忽视的重要原因。l研究对象 胶体和

14、界面胶体分散体系的动力性质胶体分散体系的动力性质胶体分散体系的光学性质胶体分散体系的光学性质胶体分散体系的电学性质胶体分散体系的电学性质胶体分散体系的稳定性质胶体分散体系的稳定性质胶体分散体系的界面性质胶体分散体系的界面性质分散法分散法 粉碎：机械、电、超声波粉碎：机械、电、超声波 乳化或胶溶乳化或胶溶凝聚法凝聚法 物理凝聚：如溶剂置换物理凝聚：如溶剂置换 化学凝聚：如还原反应、水解反应、化学凝聚：如还原反应、水解反应、 置换反应置换反应 原理：造成过饱和状态原理：造成过饱和状态胶体磨胶体磨渗析法：渗析法： 除去小分子、离子等除去小分子、离子等超过滤法：分离胶粒与介质等超过滤法：分离胶粒与介质

15、等l胶体化学是一门应用极为广泛的边缘学胶体化学是一门应用极为广泛的边缘学科。科。l在不少工业领域中，胶体化学课题往往在不少工业领域中，胶体化学课题往往是技术难题中的关键。是技术难题中的关键。l在分析化学中有吸附指示剂、离子交换、浊度在分析化学中有吸附指示剂、离子交换、浊度测定法、沉淀的可滤性、色谱法与脱色作用等。测定法、沉淀的可滤性、色谱法与脱色作用等。l在物理化学中有成核作用、过热、过冷、过饱在物理化学中有成核作用、过热、过冷、过饱和、液晶态等现象。和、液晶态等现象。l在生物化学与分子生物学中有电泳、渗透与唐在生物化学与分子生物学中有电泳、渗透与唐南平衡及其它膜现象，还有病毒、核酸与蛋白南平衡及其它膜现象，还有病毒、核酸与蛋白质的研究。质的研究。l在化工生产中有催化、萃取、肥皂、去污剂、涂料，胶粘剂、墨水、纸张与纸面涂布、颜料、润滑剂等。l在环境科学中有气溶胶、尘、雾、泡沫、水的净化与废水处理、人工播云等。l在材料科学中有粉末冶金、合金、陶瓷、水泥、纤维与各种塑料。l在石油科学中有地质学、土壤学、石油 回收、乳化作用、土壤孔隙、浮