第十四章胶体分散系统和大分子溶液

1、17第十四章胶体分散系统和大分子溶液【复习题】【1】用AS2O3与略过量的H2S制成的硫化砷AS2S3溶胶，试写出其胶团的结构式。用FeCb在热水中水解来制备Fe(OH)3溶胶，试写出Fe(OH)3溶胶的胶团结构。【解析】H2S是弱酸，考虑它的一级电离，故其胶团结构式为：(As2S3)m_nHS-(n-x)H+x-：xHFe(OH)3溶胶的胶团结构式为Fe(OH)3mnFe(OH)2+(n-x)CI-x-xCl-。【2】在以KI和AgNO3为原料制备AgI溶胶时，或者使KI过量，或者使AgNO3过量，两种情况所制得的AgI溶胶的胶团结构有何不同？胶核吸附稳定离子时有何规律？【解析】(AgI)m

2、胶核在KI存在时吸附I-离子，当AgI过量时则吸附Ag+,胶核吸附离子的规律为，首先吸附使胶核不易溶解的离子及水化作用较弱的离子。【3】胶粒发生Brown运动的本质是什么？这对溶胶的稳定性有何影响？【解析】Brown运动的本质是质点的热运动，它使溶胶产生扩散、渗透压、沉降核沉降平衡。【4】Tyndall效应是由光的什么作用引起的？其强度与入射光波长有什么关系？粒子大小范围落在什么区间内可以观察到Tyndall效应？为什么危险信号要用红色灯显示？为什么早霞、晚霞的色彩？【解析】Tyndall效应是由光散射作用形成的。其强度与入射光强度的关系为:2224二AV4/22、2口一n222+2n?丿A为

3、入射光的振幅；入为入射光的波长；v为单位体积中的粒子数；V为单个粒子的体积，n1和n2为分散相的分散介质的折射率。可见，Tyndall效应的强度与入射光的波长的4次方成反比。在1100nm范围内可观察到Tyndall效应。危险信号要用红色灯显示的主要原因是红光的波长较长不易散射。当阳光穿过大气层时，波长较短的紫光散射衰减较多，透射后剩余”的日光中颜色偏于波长较长的红光，因此，我们在太阳高度角很低的日出、日落时，看到的太阳光盘是橙红色的，这种偏于红色的阳光再通过天空中散射粒子散射后仍然是波长较长的光居多，因此，霞光大多偏于红、橙、黄等特别鲜艳的色彩。【5】电泳和电渗有何异同点？流动电势和沉降电势

4、有何不同？这些现象有什么应用？【解析】在外电场力作用下，胶体粒子在分散介质中作定向移动称为电泳；在外场力作用下可观察到分散介质会通过多孔膜或极细的毛细管而移动，即固定相不动而液相移动称为电渗。在外场作用下，使液体在毛细管中流经的孔膜时，在膜的两边会产生电势差，成为流动电势，流动电势差使分散的粒子在分散介质中迅速沉降，则在液体表面层与底层之间产生电势差，称为沉降电势。这些现象都称为电动现象，这些现象在电镀、电泳涂漆、石油乳液油水分离以及不同条件下蛋白质的分离中都有广泛的应用。【6】在由等体积的0.08molm-3的KI和0.10mol-dm-3的AgNO3溶液配制的Agl溶胶中，分别加入浓度相同

5、的下述电解质溶液，请由大到小排出其聚沉能力的大小次序。(1) NaCI;(2)Na2SO4；(3)MgSO4；(4)K3Fe(CN)6【解析】其聚沉能力的大小次序为：(4)>(2)>(3)>(1)【7】在两个充有0.001moldm-3KCl溶液的容器之间放一个由AgCl晶体组成的多孔塞，其细孔道中也充满KCl溶液在多孔塞两侧放两个直流电源的电极。问通电时，溶液将向哪一方向移动？若该该用0.01moldm-3的KCl溶液,在相同的外加电场中，溶液流动的速度是变快还是变慢？若用AgNO3溶液代替原来用的KCl溶液,情形又将如何？【解析】当多孔塞中充满KCl溶液时，AgCl晶体吸

6、附Cl，介质带正电而向负极移动，KCl浓度增加，E电位下降，介质移动速度变慢。当改用AgNO3溶液时，移动方向相反，但增加AgNO3溶液也使运动速度变慢。【8】大分子溶液和(憎液)溶胶有哪些异同点？对外加电解质的敏感程度有何不同？【解析】高分子溶液和憎液都是由直径在1100nm的胶粒组成，都不能通过半透膜，但高分子溶液是单分子胶粒而后者是许多分子组成的胶粒，高分子溶液是热力学稳定体系，而后者粒度大，丁泽尔效应弱，对外加电解质不敏感等。【9】大分子化合物有哪几种常用的平均摩尔质量？这些量之间的大小关系如何？如何用渗透压法较准确的测定蛋白质(不在等电点)的平均摩尔质量？【解析】数均摩尔质量Mn，质

7、均分子量Mw,z均分子量Mz；一般大分子化合物的分子大小是均匀的，Mz-MwMn；若分子质量越不均，这三种平均值差别越大。兀RT兀RT对大分溶液，有一二一一Ac,则以一对c作图，外推到c=0处，得一一，从而cMncMn可求得数均分子量，即摩尔质量；当蛋白质不在等电电时，二2=(z+1)®RT【10】试解释：江河入海处，为什么常形成三角洲？加明矶为何能使浑浊的水澄清？使用不同型号的墨水，为什么有时使钢笔堵塞而写不出字来？重金属离子中毒的病人,什么喝了牛奶可使症状减轻？做豆腐时点浆”的原理是什么？哪些盐溶液可用来点浆”？常用的微球形硅胶做填充料的玻璃珠是如何制备的？用了胶体和表面化学中的

8、哪些原理？请尽可能多的列举出日常生活中的有关胶体的现象及其应用。【解析】这些现象都可以用胶体的聚沉来解释，影响溶胶稳定性的因素是多方面的，例如电解质的作用，胶体体系的相互作用，溶胶的浓度、温度等等。例如江河入海时，由于海是中含有NaCl、MgCl2等电解质，使泥沙溶胶聚沉下来形成三角洲。其他有关胶体的现象如丁泽尔现象、瑞利散射使天空呈蓝色等。【11】憎液溶胶是热力学上不稳定系统，但它能在相当长时间内稳定存在，试解释原因？【解析】溶胶能稳定存在的原因有三：溶胶粒子较小，有较强的布郎运动，能阻止其在重力作用下的沉降，即具有动力稳定性；胶粒表面具有双电层结构，当胶粒相互接近时，同性电荷的静电斥力及离

9、子氛的重叠区由于过剩离子产生的渗透压，阻碍胶粒的聚结，即具有聚结稳定性；由于带电离子都是溶剂化的，在胶粒表面形成一层溶剂化膜，有一定的弹性，其中的溶剂有较高的粘度，使之成为胶粒相互接近时的机械障碍。聚结稳定性是溶胶能稳定存在的重要因素。【12】试从胶体化学的观点解释，在进行重量分析时为了使沉淀完全，通常要加入相当数量的电解质（非反应物）或将溶液加热。【解析】在溶胶中加入电解质，只要浓度达到某一定数值，都会使溶胶聚沉。温度的增加也将会使溶胶粒子互碰更为频繁，因而降低其稳定性，所以在重量分析时为了使沉淀完全，通常要加入相当数量的电解质（非反应物）或将溶液加热。【13】何谓乳状液？有哪些类型？乳化剂

10、为何能使乳状液稳定？通常鉴别乳状液的类型有哪些方法？其根据是什么？何谓破乳？何谓破乳剂？有哪些常用的破乳方法？【解析】乳状液是由两种液所构成的分散系统，有水包油乳状液（0/W），油包水（W/0）;乳化剂作用在于使机械分散所得的液滴不相互聚结；鉴别乳状液的方法有稀释法，染色法和电导法；根据乳状液的内相（成形时彼此分散的相）和外相（作为分散介质的相）破乳，两种液体完全分离；常用的破乳的方法有加热破乳，高压电破乳和化学破乳等。【14】溶胶中分散相颗粒间相互联结形成骨架，按其作用力可以分为哪几种？各种稳定性如何？什么是触变现象？【解析】溶胶按照形成骨架的作用力可分为：弹性凝胶，钢性凝胶等。泥浆、油漆、

11、药膏、AI（OH）3V2O5及白土等凝胶，受到搅拌变为流体，停止搅拌后又逐渐恢复成凝胶，这种溶胶与凝胶相互转化的性质称为凝胶的触变性。【15】何谓纳米材料？纳米材料通常可分为哪些类型？目前有哪些常用的制备方法？纳米材料有何特性？有哪些应用前景？【解析】纳米材料是指显微结构中的物相具有纳米级尺寸的材料；可分为：纳米粒子；纳米固体；纳米组装系统；制备方法主要有：沉淀法，浸渍法，水热法，微波辐射法，超声波辐射合成法等；特性：小尺寸效应，表面效应，量子尺寸效应，宏观隧道效应等；在光学材料，催化材料，贮氢材料，磁性材料等领域有广泛的应用。【习题】【1】在碱性溶液中用HCIO还原HAuCJ,以制备金溶胶，

12、反应可表示为：HAuCI45NaOH>NaAuO24NaCI3H2O2NaAuO23HCHONaOH>2Au3HCOONa2出0此处NaAuO2是稳定剂，试写出胶团的结构式，并标出胶核、胶粒和胶团。【解析】胶核(Au)m优先吸附与其具有共同组成的AuO2,故胶团的结构为：(Au)m-nAuO2In_x)NaxNa胶核胶粒k胶团【2】某溶胶中粒子的平均直径4.2nm，设其黏度和纯水相同，=0.001PaS。试计算:(1) 298K时，胶体的扩散系数D；(2) 在2s的时间里，由于Brown运动，粒子沿x轴方向的平均位移x。【解析】(1)由爱因斯坦方程，得=1.041040m2-s8.

13、314298、123°_3Q6.02102363.141.0102.1010x2(2)由爱因斯坦-布朗方程，得，D=2tx22Dt21.0410-101=1.4410m【3】已知某溶胶中的黏度=0.001PaS,其粒子的密度近似为=1mgm-3,在1s时间内粒子沿x轴的平均位移x=1.4X0-5m。试计算:(1)298K时，胶体的阔酸系数D;(2)胶粒的平均直径d;(3)胶团的摩尔质量M。【解析】(1)由爱因斯坦-布朗方程，得,2D=2t1.410占2=9.810J1m2-1(2)RT1L6.：订RT1L&：D8.3142981V23116.021063.149.8100.0

14、01=2.22910mqd=2r=4.4610m=4.46nmM=4grr3PL汉3.14"2.229。0j汉1.000汉6.02汉1023(3)3351=2.7910g-mol【4】设某溶胶中胶粒的大小是均一的球形粒子，已知在298K时胶体的扩散系数D=1.04>10-4m2S-1，其黏度=0.001PaS。试计算:(1)粒的半径r;(2) 由于Brown运动，粒子沿x轴方向的平均位移x=1.44X0'5m时所需的时间；(3) 318K时胶体的扩散系数D/,假定该胶粒的黏度不受温度的影响。【解析】由爱因斯坦方程，得d=RTLRT18.3142981x6.0210“63

15、.140.0011.0410°=2.110m(2)由爱因斯坦-布朗方程，得,2t52x2(1.44勺0)，则t10=0.997s>1s2D2汇1.04況10(3)由爱因斯坦方程，得D/RT/18.314318、123岸_96.02102363.140.0012.1010102=1.1110m$【5】在298K时，某粒子半径r=30nm的金溶胶，在地心力场中达到沉降平衡后，在高度相距1.0>10-4m的某指定区间内两边粒子数分别为277和166。已知金的密度为?Au=1.93氷0kgm,分散介质水的密度为r介=1.0>03kgm-3。试计算Avogadro常数L的值。

16、【解析】由公式RTInN43-齐（粒子-介质）g（5,可得，RTInN43一3二r(粒子-s质)g(n2-nJ38.314298In116217483434-3.14(3.00108)3(1.98104-1.00103)9.81.0103=6.261023moL【6】某金溶胶在298K时达到沉降平衡，在某一高度时粒子的密度为8.99>08m-3,再上升0.001m粒子的密度为1.08>08m-3。设粒子为球形，已知金的密度为au=1.93104kgm-3,分散介质水的密度为介=1.0X03kgm-3。试求:（1）胶粒的平均半径r及平均摩尔质量M;（2）使粒子的密度下降一半，需上升的

17、高度。【解析】N2：'2由公式RTInN2N1-二r3（粒子-'介质）gL（X2-X1）,可得,RTIn143"子"介质）曲X2-X1）P2RTlnf4-3（'粒子-'介质）gL（X2-xJ8.314298ln1.0810888.9910843.14(1.93104-1.0103)9.86.0210230.0013233=1.162>0-m-8r=2.2610m4348373231Mr：?L3.142.2610m1.9310gm6.0210mol3 381=5.65210g-mol（2）使离子的密度下降一半时,N211 43所以RTIn

18、r:-粒子-介质）gLh2 3RTIn1-3-：r3（喀子-:7介质）gL8.314298In12：x3.14汉（2.26x10jx（1.93x104-1.0x103）9.8<6.02<1023=3.2710°mx1=5.5cm处的浓度为C1【7】298K时，血红脘的超离心沉降实验中，离转轴距离x,=0.65cm处的浓度为C2,且5/c2=9.40,转速为«=120r'1°s已知血红脘的密度为（血红脘=1.335>103kgm-3，分散介质的密度为介=0.9982>103kgm-3。试计算血红脘的平均摩尔质量M。【解析】28.314

19、298In9.4_0.9882勺01.333O03丿222-4"20）咒（6.525.52F10=64.5kg_mol'【8】在内径为0.02m的管中盛油，使直径为d=1.588mm的钢球从其中落下，下降0.15m需时16.7s。已知油和钢球的密度分别为油=960kgm-3t球=7650kgm-3。试计算在实验温度下油的黏度。【解析】钢球在油中达到平衡时，沉降力与粒滞阻力相等，则4二r3（:粒子-'介质）g=6二r史3dtfurTp粒子-P介质)g所以二乜一dx6二r_-一dt4423(7.9410)2(7.65一0.96)1039.83-1.02Kg_m-1-J16

20、.7【9】试计算293K时，在地心力场中使粒子半径分别为门=10艸；2=100nm:3=1.5nmP介=1000kgm-3,金的=0.001PaSo的金溶胶粒子下降0.01m,分别所需的时间已知分散介质水的密度为密度为Au=1.93104kgm-3，溶液的黏度近似等于水的黏度，为【解析】粒子在重力场中达到沉降平衡时，沉降力与粒滞阻力相等，则433行(：粒子八7介质)g=6二r史£r仝dt.：t61.0010"110,4 (1.93104-1.00103)9.83r=1.010"m时t二2.51s4r=100nm时t=2.5710s8r=1.5nm时，t=1.121

21、0s由以上试验结果可知，胶粒(10mr10m)在重力场中沉降速度极慢，所以重力场中，沉降平衡只适用于粗分散体系中粒子得实验测定。【10】密度为P粒=2.152>103kgm-3的球形CaCI?(s)粒子，在密度为P介=1.595>103kgm-3、黏度为口=9.75>0-4Pas的CCI4(I)中沉降，在100s内下降了0.0498m，计算此球形CaCI?(s)粒子的半径。【解析】dx/dtI粒子介质g粒子9.7510，0.049810022.152103-1.5951039.8=210冷【11】把每1.0m3中含1.5kgFe(OH)3的溶胶先稀释10000倍，再放在超显微

22、镜下观察，在直径和深度各为0.04mm的视野中得粒子的数目平均为4.1个。设粒子为球形，其密度为球=5.2>3kgm3kgm3,试求粒子的直径。懈析】=黑几6黑6-CVN:/1/34141.5105.02104.13.1425.2103=8.77410*m【12】在实验室中，用相同的方法制得两份浓度不同的溶胶，测得两份溶胶的散射光强度之比为1/2=10。已知第一份溶胶的浓度C1=0.10moldm-3,设入射光的频率和强度等实验条件都相同，试求第二份溶胶的浓度C2。【解析】根据11=°,=0.1/10=0.01mol£m止12C2/匕丿【13】在水中，当所用的电场强度

23、为E=100V-m-1时，直径为d=1.0m的石英粒子的运动速度为u=30卩m-s。试计算在石英-水界面上E电势的数值。设溶液的捻度=0.001PaS,介电常数&=8.89x1cv-1m-1。I解析】根据公式严6二u；E63.14OfOWs3.010讣于“636V8.8910CVm100Vm【14】已知水与玻璃界面的E电势为-0.050V,试计算在298K时，当在直径为1.0mm,、长1m的毛细管两端加40V电压时，介质水通过该毛细管的电渗速度。设水的黏度为=0.001PaS,介电常数&=8.89x1CV-1m-1。【解析】电渗，电泳都是固-液相相对运动得速度，其计算公式相同。

24、；E4:'*0.058.89104043.140.001=1.41510“m£【15】在三个烧瓶中同样盛0.02dm3的Fe(OH03溶胶，分别加入NaCl、Na2SO4和Na3PO4溶液使其聚沉，实验测得至少需加电解质的数量分别为：浓度为1.0moldm-3的NaCl溶液0.012dm3;浓度为0.005moldm-3的Na2SO40.125dm3;浓度为0.0033moldm-3的Na3PO4溶液0.0074dm3。试计算各电解质的聚沉值和它们聚沉值之比，并判断胶粒所带的电荷。【解析】聚沉值得定义：使一定得溶胶在一定时间内完全聚沉所需电解质得最小浓度：CNaCl二0.52

25、1moldm'1.0mol-dm0.021dm30.0200.021dm3CNa2Sq5.010Jmol.dm-0.125dm30.0200.125dm3=4.3110"mol-dCNa3PO43.3310Jmol.dmJ7.410dm30.0207.410Jdm3=8.9910*molxlm；111所以，聚沉能力之比为：NaCI:Na2SO4:Na3PO4:-:-1:119:575CNaCICNa2SO4CNa3PO4可见对溶胶聚沉起作用的主要是阴离子，所以该胶粒带正电荷。【16】已知在二氧化硅溶胶的形成过程中，存在下列反应：SiQH2O>H2SiO3>SiO2

26、H（1）试写出胶团的结构式，并注明胶核、胶粒和胶团；（2）指明二氧化硅胶团电泳的方向；（3）当溶胶中分别加入NaCl、MgCl2、K3PO4时，哪种物质的聚沉值最小？【解析】（1）2亠x-SiO2mnSiO3"(2n-x)HxH胶核L.j胶粒$胶团（2）由于胶核代负电，所以电泳的方向是向正极移动。（3）NaCl与MgCl2相比，Na+的聚沉值大于Mg+;NaCl与K3PO4相比，K+的聚沉值大于Na+;所以聚沉值最小的是MgCl2。【17】设有一聚合物样品，其中摩尔质量为10.0kgmol-1的分子有10mol,摩尔质量为100kgmol-1的分子有5mol，试分别计算各种平均摩尔质

27、量Mn、Mm和Mz的值（设a=0.6）。【解析】10105100105二40kgmol'-ZNiMi210灯02+5灯002Mw=、NiMi'、NiMi3d2=98.2kgmol、NiM2i600_1=85kg_mol-MzMv徑NiMLNiMi?1/2=80kgmol【18】把1.0g的聚苯乙烯（已知Mn=200kgmol-1）溶在0.1dm3的苯中，试计算所成溶液在293K时的渗透压。【解析】该溶液得物质的量浓度为：【解析】c=-110%厶二0.05mol-dmV200kg汕ol0.1dm渗透压为：二二CRT=0.058.314293T21.8Pa【19】已知某蛋白质的数均

28、摩尔质量为Mn=40kgmol1，试分别求在298K时，含量为0.01kgdm-3的蛋白质水溶液的冰点降低、蒸汽压降低和渗透压的值。已知在298K时：水的蒸汽压Ps=3.168Kpa,凝固点降低常数Kf=1.86Kkgmol-1,水的密度（近似等于溶液的密度3-3匕。=1.0X0kgm-)【解析】4-1=2.510mol-kg0.01kg1m1'3Z340kg-mol1dm1.0kg-dm则：Tfrkfm=1.86Kmo|4kg2.510molkg'=4.6510，K根据溶液依数性公式，沖二pAxB有，x=*0.01/403=4.54510止PA0.01/40+0.99148+

29、10p二pAx=3167.7Pa4.54510“=0.0144Pa渗透压为：二二cRT=0.018.314298=619.4Pa40【20】假定聚丁二烯分子为线型，其横截面积为0.2nm2,摩尔质量为Mn=100kgmol-1,密度为：、=920kgm-3。在聚合物分子充分伸展时，试计算聚丁二烯分子的平均长度。M100_7【解析】20239.0210mcAL眇20"0汉6.0"0汉920【21】在293K时，有某聚合物溶解在CCI（I）中，得聚合物不同浓度c时的渗透压以CCI4C/(gdm3)2.04.06.08.0h/cm0.401.001.802.80(I)液柱上升的咼

30、度表示数据如下表:已知293K时,溶液的密度为r=1594kgm-3，试计算聚合物的数均摩尔质量nO【解析】-cRTMnA2c又蔥mp，以对c作图，由图得截距cRT=23.05.Mn=1.06"0kg卯olJyr故Mn314289=106kgmol23.0【22】在298K时，测得某溶液在不同浓度时的相对黏度如下:3C/g(dm-)0.1520.2710.541nr1.2261.4251.983求此聚合物得特性粘度I1。n【解析】对大分子溶液，比浓粘度和相对粘度r与浓度得关系为:csplnrlnn分别以和丄丄对c作图，可得到两条直线，外推至c>0处，可得直线得截距和斜率,cc再对所得数据进行线性拟合，得特性粘度办=0.136dm3幻'。【23】在298K时，具有不同相对分子质量Mr的同一聚合物，溶解在相同有机溶剂中所得的特性黏度如下表所示:Mr43.4X046.1X041.3M0/(dm3g-1)1.021.601.983求系统的a和K值。【解析】由丨，两边取对数Ini1=Ink+：InMr对以上数据进行现线性拟合，得直线截距为Ink，斜率为:,得芒=4.50k=4.50104dm3g-1【24】在