胶体的电学性质.ppt

1、胶体的电学性质,实验发现：胶体粒子在电场中会发生 定向移动; 胶粒在运动（沉降）过程 会产生沉降电势。,以上现象说明，胶粒是带电的。,胶粒带电现象,证明胶体粒子带电的有：电泳、电渗、流动电势和沉降电势等电动现象。 电动现象的实质是由于双电层结构的存在，其紧密层和扩散层中各具有相反的剩余电荷，在外电场或外加压力下，它们发生相对运动。,胶体是热力学不稳定系统，其所以能长期存在的重要因素就是胶体粒子本身带电的结果。,其规则是：离子晶体表面从溶液中优先吸附能与它晶格上离子生成难溶或电离度很小化合物的离子。 例： AgI溶胶： AgNO3 + KI AgI + KNO3 若 AgNO3过量，则AgI胶粒

2、吸附Ag 而带正电； 若 KI过量，则AgI胶粒吸附I 而带负电。,在固体表面的带电离子称为定位离子 固体表面上产生定位离子的原因如下：,a）固体的溶胶粒子，可从溶液中选择性地吸附 某种离子而带电。,胶粒带电的原因,溶液中带电溶胶粒子表面，必然要吸引相反电荷离子，使它们围绕在溶胶粒子周围，这样就在固-液两相间形成了双电层。,。 例：蛋白质中的氨基酸分子: 在pH低时氨基形成NH3+而带正电； 在pH高时羧基形成COO而带负电。,b）溶胶粒子表面上的某些分子、 原子可发生电离,c）同晶置换（晶格取代）,粘土矿物中如高岭土，主要由铝氧四面体和硅氧四面体组成，粘土中Al3+或Si4+的晶格点往往被一

3、部分低价的Mg2+和Ca2+所取代，而这些正离子在水中因水化离开表面，于是粘土颗粒带负电。,d） 离子型固体电解质形成溶胶时，由于正、负离子溶解量不同，使胶粒带电。,如制备AgI溶胶时，由于Ag+活动能力较强，结合力小于I-，所以比I-容易脱离晶格而进入溶液，使胶粒带负电。,溶胶的电动现象,由于胶粒带电，而溶胶是电中性的，则介质带与胶粒相反的电荷。,在外电场作用下，胶粒和介质分别向带相反电荷的电极移动，就产生了电泳和电渗的电动现象，这是因电而动。,胶粒在重力场作用下发生沉降，而产生沉降电势；,带电的介质发生流动，则产生流动电势。这是因动而产生电。,以上四种现象都称为电动现象。,1、电泳 在外电

4、场的作用下，胶体粒子在分散介质 中定向移动的现象，称为电泳。,界面移动电泳装置,实验测出在一定时间内界面移动的距离，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。,溶胶的电动现象,电势梯度越大，粒子带电愈多，粒子的体积越小，则电泳速度越大；介质的粘度越大，电泳速度则越小。,此外：溶胶中外加电解质的改变，会改变电泳速度，甚至改变胶粒的电泳方向。,影响电泳的因素有：带电粒子的大小、形状；粒子表面电荷的数目；介质中电解质的种类、离子强度，pH值和粘度；电泳的温度和外加电压等。,区带电泳实验简便、易行，样品用量少，分离效率高，是分析和分离蛋白质的基本方法。,常用的区带电泳有：纸上电泳，圆盘电

5、泳和板上电泳等。,将惰性的固体或凝胶作为支持物，两端接正、负电极，在其上面进行电泳，从而将电泳速度不同的各组成分离。, 区带电泳,电泳实验,a.纸上电泳,用滤纸作为支持物的电泳称为纸上电泳。,先将一厚滤纸条在一定pH的缓冲溶液中浸泡，取出后两端夹上电极，在滤纸中央滴少量待测溶液，电泳速度不同的各组分即以不同速度沿纸条运动。,经一段时间后，在纸条上形成距起点不同距离的区带，区带数等于样品中的组分数。将纸条干燥并加热，将蛋白质各组分固定在纸条上，再用适当方法进行分析。,b.凝胶电泳,用淀粉凝胶、琼胶或聚丙烯酰胺等凝胶作为载体，则称为凝胶电泳。,将凝胶装在玻管中，电泳后各组分在管中形成圆盘状，称为圆

6、盘电泳；,凝胶电泳的分辨率极高。例如，纸上电泳只能将血清分成五个组分，而用聚丙烯酰胺凝胶作的圆盘电泳可将血清分成25个组分。,如果将凝胶铺在玻板上进行的电泳称为平板电泳。,C.板上电泳, 界面移动电泳,如图，首先关闭活塞，在漏斗中装上待测溶胶，U型活塞上部加入一定量密度小于胶体的、不同颜色的电解质。,实验开始时，慢慢打开U形 管底部两边活塞，使溶胶,进入U形管，同时保持不同颜色的界面清晰，当液面浸没左、右两电极时即关上，并把活塞上面多余的溶胶吸走，同时使两臂液面等高。,小心打开U形管活塞，接通电源，观察液面的变化。,若是无色溶胶，必须用紫外吸收等光学方法读出液面的变化。,另外要选择合适的介质，

7、使电泳过程中保持液面清晰。,根据通电时间和液面升高或下降的刻度计算电泳速度。,实验测出在一定时间内界面移动的距离,对于球形质点，粒子半径r较大时，可求得胶粒的电泳速度v,进而求得电迁移率u,上式中 为介质的介电常数（ ），,为介质的粘度，,为胶粒的Zata电位，又叫动电位。,2 、电渗,电渗现象,在外加电场作用下，带电的介质通过多孔膜或半径为110 nm的毛细管作定向移动，这种现象称为电渗。,外加电解质对电渗速度影响显著，随着电解质浓度的增加，电渗速度降低，甚至会改变电渗的方向。,电渗方法有许多实际应用，如溶胶净化、海水淡化、泥炭和染料的干燥等。,图中，3为多孔膜，可以用滤纸、玻 璃或棉花等构

8、成；,也可以用氧化铝、碳酸钡、AgI等物质构成。,如果多孔膜吸附阴离子，则介质带正电， 通电时向阴极移动；,在U型管1,2中盛电解质溶液，将电极5,6接通直流电 后，可从有刻度的毛细管 4中，准确地读出液面的变化。,3、流动电势,在重力场的作用下，带电的分散相粒子，在分散介质中迅速沉降时，使底层与表面层的粒子浓度悬殊，从而产生电势差，这就是沉降电势。,贮油罐中的油内常会有水滴，水滴的沉降会形成很高的电势差，有时会引发事故。,通常在油中加入有机电解质，增加介质电导，降低沉降电势。,4、沉降电势,四种电现象的相互关系：,电泳,电渗,流动电势,沉降电位,（液体静止，固体粒子运动）也为互逆过程,（固相

9、不动，液体移动）也为互逆过程,扩散双电层理论,对于双电层的具体结构，一百多年来不同学者提出了不同的看法。,最早于1879年Helmholz提出平板型模型；,1910年Gouy和1913年Chapman修正了平板型模型，提出了扩散双电层模型； 后来Stern又提出了Stern模型。,1879年，亥姆霍兹首先提出在固液两相之间的界面上形成类似于平行板电容器那样的双电层：正负离子整齐地排列于界面层的两侧。,1 . 亥姆赫兹（Helmholtz）模型（平板电容器理论）,外加电场下:带电质点和溶 液中的反离子分别向相反电 极移动，产生电动现象。,虽有不足，但对早期电动现象的研究起了一定的作用。,亥姆霍兹

10、双电层理论的不足： 1)不能解释表面电势 0 与 电势的区别： 表面电势0：带电质点表面与液体的电势差 电势： 固液两相发生相对运动的边界 处与液体内部的电势差 2)不能解释电解质对 电势的影响,实验表明： 与带电质点一起运动的水化层的厚度远较平板双电层的厚度大，这样滑动面的电势就应为0，质点不发生电动现象,与实际情况矛盾,2. 古依查普曼（GouyChapman）模型,Gouy和Chapman认为，由于正、负离子静电吸引和热运动两种效应的结果，,溶液中的反离子只有一部分紧密地排在固体表面附近,相距约一、二个离子厚度称为紧密层，如图AB以左；,另一部分离子按一定的浓度 梯度扩散到本体溶液中，称

11、为扩散层，AB以右。,双电层由紧密层和扩散层构成。移动的切动面为AB面。,缺点： 1)把离子视为点电荷，没有考虑离子的溶剂化； 2)没有考虑胶粒表面上的固定吸附层。,古依查普曼模型正确反映了反离子在扩散层中分布的情况及相应电势的变化，这些观点在今天看来仍是正确的。,扩散双电层理论成功之处:,因此未能反映出在质点表面上固定层（即不流动层）的存在。,1924年，斯特恩提出扩散双电层模型。他认为： 1)离子有一定的大小； 2)质点与表面除静电作用外，还有范德华作用；因此表面可形成一固定吸附层,或称为Stern层(包括一些溶剂分子); 其余反离子一部分在 Stern面，一部分扩散分布溶液中,构成扩散部

12、分。,3. 斯特恩(Stern)双电层模型,+,+,+,+,+,+,+,固 体 表 面,斯特恩扩散双电层理论,-,-,-,-,-,+,+,-,-,-,-,-,-,-,-,-,+,+,+,+,斯特恩面：反离子中心连线,滑移面：包围反离子的面,溶液本体,斯特恩层（紧密层）,扩散层,电势离子,反离子,+,由于离子的溶剂化作用，胶粒在移动时，紧密层会结合一定数量的溶剂分子一起移动，所以滑移的切动面由比Stern层略右的曲线表示。,从固体表面到Stern平面，电位从0直线下降为 。,位置,电势,：滑移面与溶液本体电 势差，电动电势。 只有发生固-液相对移动时才会出现 电势。,0,滑动面,c1,c2,c3

13、,c4,电势大小由电解质的浓度决定。当电解质浓度增加时，介质中反粒子的浓度加大，将压缩扩散层使其变薄，把更多的反离子挤进滑动面以内，使电势在数值上变小。,当电解质浓度足够大时，0，该状态称为等电态，此时胶体粒子不带电。,扩散层,电势的大小反映了胶粒带电的程度。 电势越高，表明胶粒带电越多，其滑动面与溶液本体间的电势差越大，扩散层也越厚。,电动现象消失,是介质的介电常数,F(法拉)/m C2/(N.m)=F,是介质的粘度,Pa/s,分别是真空的介电常数,介质相对真空的介电常数,E是电势梯度,V/m,v是电泳速率,m/s,的单位是 V,电动电势可由电泳测定：, 只取决于被吸附的离子和溶胶中的反号 离子的活度,而电势的值还与溶胶中外加 电解质有关。,胶粒表面热力