胶体与界面化学.ppt

1、第一章是基本概念，第一节是胶体和表面，第一节是胶体和胶体分散体系。目前，粒度为10-610-9m的物质(无论其聚集状态是气态、液态还是固态)在科学上被称为胶体。胶体及其分散的介质构成一个分散系统，介质可以是气体、液体和固体，并且与胶体颗粒有一个相界面，因此它也是一个高度分散的多相分散系统。胶体分散体系通常是由两种以上组分组成的多组分体系，但也有极其罕见的单组分胶体分散体系。这种分散体系是一种液体，但由于分子热运动引起的波动现象，一些分子会在液体中聚集成较大的聚集体，这种体系称为等胶体分散体系。聚合物或高分子量物质，聚合物或高分子量物质过去被称为胶体分散体系。如蛋白质、纤维素和各种天然及合成聚合

2、物，其大小也在胶体范围内，并具有胶体的一些性质，如缓慢扩散、对半透膜的不渗透性、电泳行为等。因此，它们曾经是胶体和表面化学的教学内容。然而，由于它的迅速发展，它已经形成了一个庞大的大分子家族，成为一门独立的学科来研究，但它的一些理论和研究方法确实是胶体理论和研究方法。第二，表面和界面，表面：指凝聚相和真空、空气或其蒸气之间的界面：指凝聚相和其他相之间的界面。水的表面张力是水(与空气或蒸汽的界面)的表面张力，约为72.810-3N/m；水和苯的界面张力维为3510-3N/m；水和汞之间的界面张力维为37510-3 N/m。可以看出，界面张力值取决于相邻相的材料。相界上“表面”的含义，这里的“表面

3、”是指相界上的化学概念表面，而不是数学概念表面。数学表面只有一个面积，但没有厚度，而化学表面有一定的厚度，至少有几个分子大小(图1-1B)。如图11A所示，难以想象相的性质(例如密度和浓度)在表面上突然改变，但是可以理解相的性质逐渐改变。如图1-1B所示。然而，当描述它时，它的厚度与两相体的尺寸相比可以忽略不计，两相体的尺寸大约为零。(1)比表面能，随着物质分散程度的增加，其表面积和比表面积会增加。物质的细分过程需要外部功，并以表面能的形式储存在表面上，因此物质的表面分子比内部分子具有更高的能量，这种差异被称为表面过剩自由能或表面能。关于液体表面的过剩自由能，液体表层分子的受力情况与液体中分子

4、的受力情况不同，如图：图1-2表面分子和本体分子的受力情况示意图，表面分子的能量高于内部分子，这种差异就是表面(过剩自由能)。超额自由能或比表面积的比表面能，当表面积在恒温、恒压和恒定组成下可逆地增加时，表面功等于表面自由能增量：表面积增加越多，消耗的功越多，表面能增量越大，所以：写成等式：的物理意义，即在恒温、恒压和恒定组成下单位表面积每次增加所引起的表面能增量。单位是J/m2或n/m。它被称为比表面过剩自由能或比表面能。(2)表面张力，图13显示铁丝圆框内有一条松而密的连接线，上面沾有肥皂膜。当线中的薄膜被热铁丝刺破时，发现连接线中的闭合线立即收紧，变成一条环形线，好像有一个均匀的力围绕着

5、它。图14示出了用金属丝弯曲的矩形框架，其一侧是可滑动的，并且认为滑动时没有阻力。肥皂溶液被浸泡，形成一个前后表面的薄膜。图14和图13分析在此过程中，表面积增量为(2表示液膜有两个表面)。环境对系统所做的功等于表面能的增量：因此，比表面能有了表面张力的新定义，即垂直作用于单位边长并与液体表面相切的力，它试图使液体表面收缩。根据定义，它的单位是n/m。务必区分表面张力和界面张力。2.注意温度的影响。3.压力和系统运动等其他因素的影响。4.界面张力存在于任何界面和表面，包括固体表面和固液界面。因为固体中的分子间力比液体中的大得多，所以固体的界面张力也大得多。两个物理概念，即比表面能和表面张力，是

6、两个基本方面。前者从能量开始，后者从力开始，以便更方便地解释一些问题。例如，用力来解释液膜问题比较方便，而从能量的角度来解释液面收缩趋势比较方便，但这并不意味着前者不能用能量，后者不能用力来分析。第三，胶体和表面之间的桥梁，随着颗粒因分散而变小，表面积和表面能变得越来越大，所以表面功不可忽略。数据显示，例如，边长为1m的1m3水的表面积为6m2，表面能为6=0.437J，与系统中几种千千焦炭的能量相比，这是完全可以忽略的。如果将这吨水分散成边长为10-7m的小立方体，其总表面积将增加到6107m2，表面能将增加到4370kJ。显然，这个能量不能被忽略，因为它和系统的能量在同一个数量级。可以看出

7、，微小物质的表面具有很大的表面能，所以表面张力是它们之间的桥梁。胶体和表面化学、分析化学的应用：吸附指示剂、离子交换、浊度法、沉淀过滤性能、凝胶色谱法。物理化学：成核过程、过冷、过热、过饱和和其他亚稳态。生物化学和分子生物学：电泳、渗透和平衡、病毒、核酸、蛋白质和血液学。环境科学：气溶胶、烟雾、灰尘、泡沫、污水处理。材料科学：粉末冶金、合金、陶瓷、特种纤维和纳米材料，目前应用广泛，前景广阔。化学生产：催化剂、染料、颜料、洗涤剂、吸附剂和润滑剂。石油科学、地质学和土壤科学：石油工业中的三次采油、乳化、土壤水分保持和矿物浮选。日用消费品：牛奶、乳制品、豆浆、啤酒、日用化妆品、装饰用品。第二部分是分

8、散系统。一、分散体系的分类及其特性比较对于分散体系的一些例子，分散体系的分散程度的测量可以用分散相的大小来表示，也可以用分散程度来表示，另一种方法是用比表面积来表示。比表面积是每单位体积的表面积a:或(或每单位质量m)，其中它是物质的密度。立方体和球体的表达式最简单：或、立方体、球体、或，如果分散相的粒径或当量直径小于10-9m，则称之为低分子分散体系；如果大于10-6m，称为粗分散系统；那些分散相颗粒在10-610-9m之间的分散系统称为胶体分散系统。因为高分子量物质也在胶体分散相的尺寸范围内，所以聚合物也是胶体的。胶体分散体系的分类：(1)根据分散相和分散介质的状态；(2)根据分散相和分散

9、介质之间的相互作用。该分类仅适用于分散介质为液体(主要是水)的胶体分散体系，并根据分散相与介质之间的亲和力进行划分。还有一类物质，如日常生活中使用的肥皂和洗衣粉。这种物质的分子由两部分组成，一端是亲脂性烷基、苯基烷基等。而另一端是亲水基团，如羧基、磺酸基等。这种物质被称为两亲性物质而在0.2m显微镜下不可见的是超细颗粒，其中粒径为5200纳米(即0.2m)的称为微观颗粒，粒径小于5纳米的和在超显微镜下不可见的为亚微米颗粒。如果分散相颗粒的形状、大小、化学组成和晶体结构完全相同，则它是单分散体系或均匀分散体系，否则它是多分散体系。(4)根据分散相颗粒之间的相互作用，1 .自由分散系统在这种分散系

10、统中，分散相粒子的浓度很低，粒子之间的距离很大，而分散相粒子之间的作用力很小，因此它们相互独立，不形成结构，粒子可以独立运动，如布朗运动和重力沉降。2.内聚分散体系在这种分散相浓度较大的分散体系中，由于分散相颗粒间的作用力较大，形成三维网络结构，颗粒不能独立运动，只能在网络点(如格点)附近振动。大分子溶液、浓溶液和不规则形状颗粒(特别是针状和片状)的悬浮液都属于这类体系，它们通常具有固体的某些性质，如弹性。3.小颗粒表面的重要性。随着物质的细化，其表面积和比表面积迅速增加，表面能的增加使其比系统的能量更重要。第三部分是分散相颗粒的形态特征。首先，粒子形状和描述方法规则形状的粒子可以通过一些特定

11、的量来调节。例如，半径r为球形；椭球体的长轴a和短轴b；立方体的边长；杆的长度及其圆形截面的半径r。(a)单参数方法。也就是说，所有的粒子都被认为是球体，用等效球体的直径来描述。1.等面积直径法2。面积比较法、等面积直径法和(2)双参数法。用两个参数来描述更为合理，尤其是如下图所示的长椭圆双参数法。从左至右：球形、扁长椭球形、扁椭球形、杆状或针状及扁平圆盘形颗粒、扁椭球形、杆状及圆盘形颗粒，可用两个半径参数准确描述：球形、扁长椭球形(如足球)、扁椭球形(如铁饼)、杆状(如圆柱体)及扁平圆盘形(如食用饼)。双参数方法。从左到右：球形、长椭球形、扁椭球形、杆状或针状、扁圆盘形；(3)多参数方法，无

12、疑，参数越多，粒子形状的描述越准确。但是从实验和数学处理的角度来分析越来越困难。当描述团簇粒子的形状和大小时，那些长链大分子具有很强的柔性，在剧烈的热碰撞下不能伸展，形成一个随机的线圈。有两种数学模型可以用线簇的半径来描述大分子的延伸程度。一种是将线簇的一端放在坐标原点，另一端放在体积元素中(如下图一)；另一种线圈的一端在原点，另一端在体积元素中(如下图B所示)。这种“任意缠绕”受限于溶剂化和不含体积的存在，如下图所示。第二，多分散性，如果分散相颗粒在化学组成、晶体结构、形状和尺寸上完全一致，则它是单分散体系，否则它是多分散体系。应用统计平均法。每个颗粒当量直径的数学平均公式为：例如，如果这4

13、00个颗粒的直径范围为01.2米，它们可以分为12个等级，每个等级的等级差为0.1米。等级标准数据是该分数中颗粒尺寸的中间值。绘制粒度分布曲线，所谓分布曲线是dini或difi图。如果将这些粒子分成少量阶段，例如本例中只有12个阶段，将会得到如下图A所示的矩形图。将每个矩形的中点，即水平标记连接成一条线，称为分布曲线。(一)(二)粒度分布曲线，所谓肩值是指是第一部分中的颗粒直径。由于ni是粒子总数(固定值)，第I个分数中的粒子数占粒子总数的分数如下：因此，上述公式也可以写成：求标准差的正确方法，平方根值在数学上有一个比较简单的近似公式：平均直径和直径偏差后，粒子直径可以表示为：表面平均直径，体

14、积平均直径，(2 1。数均分子量公式是根据分子量大小的第I级分中的颗粒数，Mi是第I级分中颗粒的标准分子量，fi是第I级分中颗粒数占颗粒总数的分数。2.重均分子量在式中，ni是第I级分中的颗粒数，Mi是第I级分中颗粒的标准分子量，而Wi是第I级分中颗粒的总重量。实践和理论都可以证明，可见比率和1之间的差异越大，系统就越不均衡。不同的实验方法可以得到不同的值。用光散射实验数据计算，用渗透压法计算。3。z平均分子量通过沉降平衡法获得。判断体系的多分散性有三种方法：(1)制作粒度分布曲线，根据曲线的肩值进行判断(肩值越小，越均匀)；(2)寻找，根据大小来判断(大体一致)；(3)用不同的实验方法求和，

15、找出这个值与1的差值(比值越接近1，越均匀)。第四节胶体分散体系的一般制备方法和纯化.分散方法(一)机械分散1球磨机：2胶体磨：3气流磨：(二)电弧法(三)超声波法：胶体磨示意图，电弧法制备胶体示意图，二。凝聚法，(1)物理凝聚法：蒸汽态或溶解态1蒸汽凝聚法首先加热并蒸发苯，苯是分散相物质和分散介质物质。汽化的混合蒸汽在含有液态空气的管的外壁上液化和固化。形成分散在固体苯中的胶体大小的钠的固体溶胶。2溶液过饱和法使用冷却方法或改变溶剂的组成，使接近饱和的溶液过饱和，或降低溶质的溶解度，使其凝结成溶胶。图112通过蒸汽冷凝法在苯中制备钠分散体系，(2)化学冷凝法，1。在一般沉淀反应中，将两种能够

16、产生沉淀物质的溶液，如稀溶液，混合并搅拌以产生沉淀，根据一种反应组分的适当过量，沉淀变成稳定剂，从而制备具有不同稳定电荷的溶胶。配合物在高温下分解，铁、钴和镍等离子体与EDTA和TEA形成配合物，在室温下稳定，但在高温(250)和强碱条件下，配合物会分解并逐渐取代原来的配体。如果溶液中有氧化剂(如H2O2或溶解的O2)或还原剂(如N2H4或NaBH4)，就会形成不同氧化态的金属氧化物或金属单质。这些分散相的尺寸在3。加热强制水解。例如，三氯化铁酸性低浓度水溶液在100加热水解，根据三氯化铁的浓度、溶液的酸碱度和所加酸的种类，可以生成棒状、球形、椭球形和立方形的三氧化二铁均质胶体颗粒。右图为氯化铁酸性溶液加热水解制得的球形Fe2O3。椭球形-fe2o 3；立方体Fe2O3和棒状氧化铁的电子显微照片；3.溶胶的纯化；(1)离心清洗。通过机械冲击或机械搅拌和超声波使颗粒充分分散并与纯介质混合。这个过程是离子和分子被粒子吸附的解吸过程。然后，在离心场的作用下，分散相颗粒沉积在离心管的底部，而含有各种杂质离子和分子的分散介质位于离心管的上部，上清液被丢弃。这个过程可以重复几次，以达到清洁效果。(2)用于透析和电渗析的半渗透膜可以防止胶体颗粒和大分子物质，示意图(a