胶体与界面化学

1、摘要：胶体与界面化学是研究胶体分散体系和界面现象的一门科 学。随着科学技术的迅速发展，它已经成为一门独立的学科。胶体与 界面化学与生产、生活实际有着紧密的联系，无论是在工业生产，还 是在日常生活的衣、食、住、行等各个方面，都会遇到与胶体化学有 关的的各种问题。关键词：胶体界面化学生活 应用引言：胶体与界面化学是研究胶体分散体系和界面现象的一门科 学。随着科学技术的迅速发展，它已经成为一门独立的学科，正是因 为胶体现象很复杂，且有它自己独特的的规律性；更重要的是它与生 产、生活实际有着紧密的联系，无论是在工业生产，还是在日常生活 的衣、食、住、行等各个方面，都会遇到与胶体化学有关的的各种问 题，

2、如土壤改良、功能与复合材料、三次采油、浆体的管道运输、人 造血浆、药物缓释与定向、摩擦与润滑和油漆涂料等，与国家安全、 能源开发、环境保护和人民生活等方面密切相关。胶体与界面化学是一门古老的科学。他的历史比较一致的看法是 从1861年开始的，创始人是英国科学家 Thomas Graham他系统研 究过许多物质的扩散速度，并首先提出晶体和胶体的概念，制定了许 多名词用来形容他所发现的事实，如溶胶、凝胶、胶溶、渗析、离浆。 尽管在这一时期积累了大量的经验和知识，但是胶体化学真正为人们 所重视并获得较大的发展是从1903年开始的，这时Zsigmondy （德） 发明了超显微镜，肯定了溶胶的一个根本问

3、题一一体系的多相性，从而明确了胶体化学是界面化学。胶体与表面化学是物理化学的一个重要组成部分，是一门应用性极强的学科，它所研究的领域涉及到化学、物理学、材料科学、环境 科学、生物化学等，是诸学科的交叉和重叠。因此，它的应用领域是 极其广泛的，近年Hiemenz就列举了涉及胶体和表面化学的实例：（1） 分析深化中的吸附指示剂、离子交换、沉淀物的可滤性、色谱等；（2） 物理化学中的成核作用，过饱和及液晶等；（3）生物化学和分子生物 学中的电泳、膜现象、蛋白质和核酸等；（4）化学制造中的催化剂、 洗涤剂、润滑剂、粘合剂等；（5）环境科学中的气溶胶、泡沫、污水 处理等；（6）材料科学中的陶瓷制品、水泥

4、、纤维、塑料等；（7）石 油科学中的油器回收、乳化等；（8）日用品中的牛奶、啤酒、雨衣等。 以上均是胶体与表面化学的基本理论在实际中的应用，我从中选取了几个实例，运用所学过的知识，从以下三方面进行了简单的分析。2、理论应用实际（1）胶体与表面化学在日常生活中的应用 1、眼镜防雾众所周知，当玻璃表面温度低于大气露点或对其呵气， 均会有小 水滴凝结在玻璃上，亦即所谓“起雾”，它防碍光线透过，显然若能 阻止水在表面上形成半球形水滴即可达到防雾目的。理论原理：增大铺展系数，使液体在固体表面上自动展开，形成 一层薄膜。从表面化学角度说，最基本的方法是提高玻璃表面的亲水性， 使其易为水所润湿，形成薄薄的水

5、层，这样便不产生光散射而变得透明，一种最简单的方法是在玻璃（包括透明塑料）表面涂上表面活性剂溶 液，由于表面活性剂能大大降低水的表面张力，故使水易于在玻璃表 面上铺展，涂表面活性剂的缺点是耐久性差，为提高活性剂对玻璃的 粘附性，可将其与含有亲水性的高分子物质（如聚丙烯酸）并用。2、雨衣防水理论原理：增大固液界面的接触角 0 ,使液滴呈球状不润湿固 体。以往的雨衣均为致密的棉织品，将其纤维表面加以防水处理（即 令其表面憎水化）使水/布之间的接触角8变大，如图所示，故水不 能自由通过而起防水作用，但空气可以透过，所谓水不能自由通过是 指在加压条件下可以透过纤维间隙，目前使用的耐洗性防水剂有毗咤 盐

6、型和羟甲基酰胺型等。常用的塑料雨衣为聚氯乙烯等薄膜制品，具监界表面张力为 39mN/m而水的表面张为72mN/m左右，故聚氯乙烯本身具有憎水性， 不被水润湿。3、洗涤剂的去污作用洗涤剂的去污作用是一个很复杂的过程， 它与渗透、乳化、分散、 增溶以及起泡等各种因素有关，不同的污垢，要求不同的洗涤剂。理论原理：表面活性物质的分子能定向地排列于任意两相之间的 界面层中产生正吸附，使界面的不饱和力场得到某种程度的补偿， 从 而降低界面张力，使系统的表面吉布斯函数降低，稳定性增加。表明由于水的界面张力大，而且润湿性差，只靠水是不能去污说明加入洗涤剂后洗涤剂分子以亲油基向固体表面或污垢的方 式吸附，结果在

7、机械力作用下污垢开始从固体表面脱落洗涤剂分子在 干净固体表面和污垢粒子表面上形成吸附层或增溶，使污垢脱离固体 表面而悬浮在水相中很容易被水冲走。一种好的洗涤剂应能吸附在固（如织物）-水界面和污垢-水界面 上，表面活性剂一般都能吸附在水-气界面上使表面张力降低，有利 于形成泡沫，但这并不表示它必然是一种好的洗涤剂， 根据起泡的多 少来判断洗涤剂的好坏实际上是人们的一种误解。例如：非离子型表面活性剂一般有很好的洗涤效果， 但并不是好的起泡剂，表面活性剂 产生泡沫的多少不是唯一判断洗涤剂好坏的指标， 在工业上或用洗衣 机洗涤时人们都喜欢用低泡洗涤剂。单独使用洗涤剂中的有效成分（如 C2- C4烷基苯

8、磺酸钠）其去 污效果并不显著，只有添加某些助剂后，才能进一步提高去污力，例 如：Na2CO3三聚磷酸钠、羟甲基纤维素或甲基纤维素等，称为污垢 悬浮剂，对洗下的污垢起到分散作用，其中三聚磷酸钠等是最好的和 应用最广的助剂，它与水中 Ca2拜口 Mg2玻成不被织物吸附的可溶性 螯合物，有助于避免形成浮渣和防止污垢再沉积。4、纸上电泳生物化学中常用电泳来分离各种氨基酸和蛋白质等， 医学上利用 血清的“纸上电泳”可以协助诊断患者是否有肝硬变。理论原理：在外电场的作用下，不同的胶体粒子在分散介质中以不同的电泳速度定向移动。将血清样品点在湿的滤纸条上通电后，血清中荷负电的清蛋白以 及、B、丫三种球蛋白，由

9、于其分子量和电荷密度不同，向正极的 电泳速度不同，故可将它们彼此分离，再经显色处理，便可获得电泳 图谱。结果分析：纸上电泳是用惰性的滤纸作胶体泳动时的支持体，试验时，不仅样品用量少（微量），而且可避免电泳时扩散和对流的 干扰，因此特别适用于混合物的分离和组分含量的测定。（2）实用技术中的胶体与表面化学1、浮选分离技术的剖析浮选分离是建立在待分离颗粒对气泡选择性固着的基础上， 它是 利用高度分散的微小气泡作为载体去粘附待分离的颗粒，使其密度小 于水而上浮到水面实现固液或液液分离的过程。气浮法处理含油污的废水气浮法处理废水过程包括气泡产生，气泡与颗粒（固体或液滴） 附着以及上浮分离等连续步骤，实现

10、气浮法分离必要条件有两个：第 一，必须向水中提供足够数量的微细气泡，气泡理想尺寸为1530第二，必须使目的物呈悬浮状态或具有疏水性质，从而附着于 气泡上浮升。理论原理：微气泡在液体中高度分散，拥有巨大的比表面积，是 一个热力学不稳定系统，因此要吸附液体中的颗粒（固体或液滴）到 表面，以减小表面分子受力不对称的程度， 降低表面张力及表面吉布 斯函数，在恒温恒压下，这是个自发过程。气泡的产生水中通入空气或减压释放水中溶解的空气， 都会产生气泡，所形 成的气泡的大小和强度取决于释放空气时的各种条件和水的表面张 力大小，未溶解的空气在水中受到水分子引力作用而在两相界面处产 生表面张力，这种表面张力力图

11、缩小相界面面积而产生表面张力，这一薄层水分子构成了气泡的膜。由于表面张力的存在使气泡膜内外的压力不同，而产生了压力差sP,称为附加压力，IM据拉普拉斯方程 2sP （为表面张力， 为 气泡的曲率半径）可知：a.气泡半径越小，泡内所受附加压力越大， 空气分子对气泡膜的碰撞也越剧烈，因此，要获得稳定的微细气泡， 就要有足够牢度的气泡膜，水中存在高分子长链物质，有助于增强气 泡膜的牢度；b.在附加压力sP不变的情况下，如能降低表面张力， 则气泡半径r可进一步缩小，由于气泡小，浮速小，对水体的搅动也 小，因此不会撞碎絮粒，气泡越小，同体积的空气形成的气泡数也越 多，因此气泡与絮粒碰撞粘附的机会也越多，

12、投加表面活性剂，可以 降低水的表面张力，从而进一步缩小气泡尺寸；c.如果水中增加了溶 解性无机盐，则会使表面张力提高，结果相同半径的气泡因附加压力 增大而使气泡容易破裂或并大。水中气泡粉碎得越细（意味着外加功越小）。它们的比表面积也 就越大，具有的自由界面能也就越多，越显出热力学的不稳定性。因此，它们具有吸附水中物质，特别是吸附性能强或憎水性好的物质，而降低其表面能的趋势 气泡与水中杂质絮粒的粘附 a,气泡与憎水性颗粒杂质的粘 附 由于微细气泡具有更多的自由界面能，而且可能带有憎水性能。 因此，它力求吸附憎水性好的物质而降低其界面能。由于憎水性颗粒 杂质对水分子的引力小于水分子自身的引力，所以

13、当其趋近微气泡 时，表面的水分子不断地被拉走，直至与微气泡粘附为止。此时，它 们的总比界面能减小了，减小的能量即转化为挤开气泡外膜（流动层） 所作的功。当气泡与颗粒杂质粘附后，相互作用的各比界面张力必须 平衡，由此可得颗粒杂质表面的憎水性越强，碰撞时，就越有可能粘 附于气泡上，同时也越有可能在它的表面形成自水中析出的气泡。b.气泡与絮粒的碰撞粘附作用气泡和絮粒的粘附主要由以下三种因素综合作用的结果、气泡与絮粒的碰撞粘附作用由于絮粒和微气泡都带有一定的憎水性能， 它们的比表面又都很 大，并且都有过剩的自由界面能。因此，它们都有相互吸附而降低各 自表面能的倾向，在一定的水力条件下，具有足够动能的微

14、气泡和絮 粒相互撞击时，彼此挤开对方结合力较弱的外层水膜而靠近， 当排列 有序的气泡内层水膜碰到絮粒的剩余憎水基团 （包括活性较大的脱稳 胶粒）时，相互通过分子间的范德华力而粘附，由于絮粒柔软而易变 形，而微气泡膜又有一定的弹性。因此，二者之间的碰撞是软碰撞， 碰撞后，絮粒与气泡实现总粘附，粘附总越多，粘附得越多粘附得越 牢。为此，絮粒的尺寸不能太小，剩余憎水基团不能太少，否则在上絮粒浮过程中，气泡容易与絮粒脱离，从而影响气浮净水的效果。的网捕包卷和架桥作用动能较大的微气泡撞进大絮粒网络结构的凹梢中， 被游动的絮粒 所包卷。两絮粒互撞结大时，将游离在中间的自由气泡网捕进去。已粘附着气泡的絮粒之

15、间互撞时通过絮粒、气泡或者两者的吸附 架桥而结大成为夹泡性带气絮粒。表面活性剂参与作用水中存在表面活性剂时，往往会影响絮粒的憎水性能以及微气泡 的大小数量和牢度，当表面活性剂的剂量适中时，絮粒的附加憎水基 团增加，憎水性能得以加强，从而能提高气泡的粘附牢度及其数量， 使原先粘附不牢的带气絮粒因粘附性能的改善而得以去除，并因此而提高了气浮净水的效果，但如果表面活性剂的剂量过量时，则其所起 的作用恰恰相反。因为过量的表面活性剂会在水中形成大量的胶囊， 这些胶囊是亲水性胶团它能稳定地存在水中， 这些胶囊如果粘附在絮 粒的亲水基团上，将使絮粒的亲水性能增强。同时，大量游离的表面 活性剂粘附到絮粒的憎水

16、基团上，亦使絮粒的附加亲水性大为增加。 另一方面，由于气泡周围粘附了大量的表面活性剂而使气泡变为亲水 性，在它的周围还有可能被表面活性剂所形成的胶囊所包围，由于胶囊是非常稳定的体系。因此，它们相互之间不能粘附。这样气泡就无 法将絮粒粘附上浮，而只能径直带着表面活性剂上浮， 致使气浮净水 的效果降低。上述气泡与杂质絮粒以及表面活性剂参与的三种粘附作用，在大 多数情况下往往会同时存在，但由于原水的水质多变，净水的要求各 异，因此在气浮净水过程中哪个因素所起的作用最大要视具体情况而 定。矿物的浮选理论原理：常见的矿物表面为高能表面，矿物浮选的本质是使高 能表面选择性疏水，即高能表面向低能表面转化。方

17、法：先将矿石粉碎成尺寸在0.1mm以下的颗粒，加入足量的水、 适量的浮选剂及少量的起泡剂，再强烈鼓入空气，即形成大量气泡， 这时憎水性强的有用矿物附着在气泡上并随之上浮至液面，而被水润湿的长石、石英等废石则沉于水底。加入浮选剂的目的是为了增加矿 物的憎水性，一般当水对矿物的接触再在5070以上时即能达到浮选的效果，浮选后提高了矿物的品位，而利于冶炼。塑料浮选药剂理论原理：常见的塑料表面为低能表面，塑料浮选的本质是使低 能表面选择性润湿，即低能表面向高能表面转化。分析：塑料浮选和矿物浮选，从表面能的观点看，存在着显著区 别。但无论是低能表面选择性润湿还是高能表面选择性疏水，都可以通过表面活性剂的

18、吸附来完成，所以常见的塑料浮选润湿剂与矿物浮 选捕收剂均为表面活性剂。但由表面能高低所决定的矿物疏水机理与 塑料润湿机理则存在差别。有关塑料浮选的润湿机理，主要存在由范德华色散力及氢键作用而导致的选择性物理吸附，由疏水相互作用和静电作用导致的物理吸附以及主要以电解作用为基础的物理吸附三种观点目前，用于塑料浮选的药剂，主要是木质素磺酸盐、单宁酸、明胶、百雀树皮汁、司 盘、褐煤蜡、月桂醇、增塑剂 DIDP、聚糖、水玻璃、醋酸纤维素等。3）胶体与表面化学与前沿科学纳米技术纳米技术是20世纪80年代末90年代初发展起来的前沿性交叉 性的新兴学科，从化学或物理学角度看，纳米级的微粒性能由于其表 面原子或

19、分子所占比例超乎寻常大而变得不同寻常， 研究其特殊的光 学、电学、催化性质以及特别的量子效应已受到重视。关键词：比表面积，表面活性，表面能，扩散理论原理：纳米级的微粒具有高比表面积和高活性等特性。高比表面导电材料新的海水淡化技术一一FTC技术比现在流行的反向渗透技术节 能，而FTC技术的好坏取决于纳米材料，纳米碳管可制成比表面极高 的导电电极，使电阻损失减小，从而使吸附Na+、Cl-带电离子的能力增大。在催化方面的应用纳米微粒由于尺寸小表面所占的体积分数大， 表面的键态和电子 态均与颗粒内部不同，表面原子配位不全等导致表面活性增加， 具备 了作催化剂的基本条件，最近关于纳米微粒表面形态的研究指出，随着粒径减小，表面光滑程度变差，形成了凹凸不平的原子台阶，这就 增加了化学反应的接触面，利用纳米微粒的高比表面积和高活性这些特性，可以显著提高催化效率。例如：美国和日本将光催化半导体纳 米粒子 le.g : Fe2O3 TiO2、CdS ZnS PbS PbSe ZnFeO4等）材 料制成空心球、浮在含有有机物的废水表面上或石油泄漏所污染的海 水表面上，利用阳光进行有机物或石油的降解，在汽车挡风玻璃和后视镜表面涂覆一层纳米TiO2薄膜，可以起到防污和防雾作用。3、结语正如引言中所提到的那样，胶体与表面化学所研究的对象是极广 泛的。在我们的