物理化学第十章胶体化学.ppt

1,绪言:分散系的分类及胶体的基本特征 10.1 胶体的制备和净化 10.2 溶胶的动力性质 10.3 胶体的光学性质 10.4 胶体的电学性质 10.5 胶体的稳定及聚沉 10.6 悬浮液 10.7 乳状液 10.8 泡沫 10.9 气溶胶 10.10 高分子化合物溶液的渗透压与粘度,第十一章 胶体化学,2,第十章 胶体化学,绪 言,1. 胶体,胶体：粒子的线度在1-100nm(10-7-10-9m)之间的分散体系。,分散体系：将一种或几种物质分散在另一种物质中所构成的体系。,3,土壤的性质 化学工业 食品 建筑材料,4,分散体系,溶液(真溶液) (原子、分子或离子均匀分散在另一均相物质中所形成的体系)。,胶体体系(粒子的线度在1-100nm(10-7-10-9 m)之间的分散体系。如金溶胶、微乳液等。,粗分散体系(粒子的线度在大于100nm的分散体系)。如悬浮液，乳浊液、泡沫等。,2. 分散体系分类,5,分散体系按线度大小的分类,分子分散, 10-9 m,乙醇-水溶液，空气,胶体分散,10-7-10-9 m,AgI或Fe(OH)3水溶液,粗分散体系, 10-7 m,牛奶，豆浆,6,分散体系按聚集状态分类,泡沫 乳状液 液溶胶悬浮液,肥皂泡沫 含水原油 泥浆、油墨,固溶胶,浮石、泡沫玻璃 珍珠 某些合金、染色塑料,气溶胶,雾、油烟 粉尘、烟,液,气 液 固,固,气 液 固,液 固,气,7,因胶体体系中，粒子的线度大小在1-100nm(10-7-10-9 m)之间，所以胶体体系具有高度分散的多相的热力学不稳定体系。,3. 胶体分散体系的主要特点,胶体分散体系的这主要特点又是产生其它现象的依据。,胶体分散体系的主要特点：具有高度分散的多相的热力学不稳定体系。,8,4. 亲液溶胶与憎液溶 胶,(1) 亲液溶胶：被分散的物质与水或其它溶剂具有很强的亲全力的胶体分散体系。,如蛋白质水溶液、淀粉水溶液、聚乙二醇水溶液等一些高分子溶液。所以亲液溶胶常常又称为高分子溶液。,(2) 憎液溶胶：被分散的物质与水或其它溶剂具有的憎水特性的胶体分散体系。,如金溶胶、 AgI或Fe(OH)3溶胶等常见的胶体体系。,9,§ 10.1 胶体体系的制备,制备过程(思路)：,粗分散体系,胶体体系,分子分散体系,分散法,凝聚法,1. 分散法,(1) 胶体磨,(2) 气流粉碎机(喷射磨),(3) 电孤法,10,2. 凝聚法,(1) 物理凝聚法，如蒸气凝聚法、过饱和法等。,11,(2) 化学凝聚法,如Fe(OH)3胶体制备：,因通常情况下FeCl3过量，因而可形成带正电荷的胶体粒子。,如As2O3胶体制备：,因HS-为稳定剂(H2S过量)因此胶粒带负电。,12,3. 溶胶的净化,除去过多的电解质，使胶体稳定、不聚沉。但不能使电解质全部除去，否则胶体在没有带电情况下也会容易聚沉。,溶胶的净化的常用方法：渗析法。,渗析法：利用胶体粒子不能透过半透膜的特点，分离出溶胶中多余的电解质或其它杂质。,半透膜有：羊皮纸、动物的膀胱膜。实验室中常用火棉胶制作的半透膜。,13,§ 10.2 胶体体系的光学性质,1. 丁达尔效应,将一束光投射到胶体体系上，在与入射光垂直的方向上可观察到一个发光的光柱(光锥)，这种现象称为丁达尔效应。,光,透射光,散射光,14,丁达尔现象实质是光的散射。,丁达尔现象又称乳光现象。,15,2. 雷利公式,当入射光为非偏振光时，上式可近似为,从雷利公式可看出：,(1) 散射光强度与粒子体积的平方成正比。真溶液散射光强很小，粗分散体系的粒子尺寸远大于入射光波长因而散射光也很小。,16,这是胶体体系区别于其它体系一个显著特征。,(2) 散射光强度与入射光波长的4次方成反比，波长越短其散射光越强。,自然白光中，蓝、紫色光波长最短，散射光最强，红光散射最弱。因此会出现蓝蓝的天空、朝霞和晚霞等自然现象。,17,(3) 分散相与分散介质的折射指数相差越大，散射光越强。因憎溶胶的折射指数相差较大、而高分子真溶液折射指数相差较小，所以憎溶胶的丁达尔现象显著而高分子真溶液的丁达尔现象很弱。,(4) 散射光强度与粒子的浓度成正比。浊度计就是根据这一原理设计的。,乳光(浓溶胶的散射光)强度又称浊度。,18,3. 显微镜原理,19,光学显微镜,电子显微镜,20,§ 10.3 胶体体系的动力性质,1. 布朗运动,胶粒在其它质点的作用下作无规则运动布朗运动。,21,布朗运动的实质是分子热运动，是分子热运动的必然结果，是胶体粒子的热运动。,爱因斯坦-布朗运动平均位移：,22,2. 扩散,扩散在有浓度梯度存在时，物质粒子因热运动而发生宏观上的定向迁移的现象。,结合斯托克斯公式,得,23,3. 沉降与沉降平衡,沉降多相分散体系中的物质粒子，因受重力作用而下沉的过程。,24,因粒子受重力作用下沉时出现浓度差，必然导致反方向的扩散作用。当扩散速率等于沉降速率时，体系达到沉降平衡。,在达到沉降平衡时，可推导得(见南大物理化学教材),M为物质粒子的摩尔质量。,25,§ 12.0 胶体体系的电学性质,1. 电泳,电泳在外电场作用下，胶体粒子在分散介质中定向移动的现象。,26,2. 电渗,电渗-在外电场作用下，胶体粒子不动而分散介质作定向移动的现象。,比较： 电泳在外电场作用下，胶体粒子在分散介质中定向移动的现象。,27,3. 流动电势,流动电势在外力作用下，胶体粒子不动而分散介质作定向移动时而产生的电势差。,比较：电渗-在外电场作用下，胶体粒子不动而分散介质作定向移动的现象。,流动电势与电渗是一对相反的过程,28,4. 沉降电势,沉降电势胶体粒子在外力场(重力)作用下，在分散介质中定向移动而产生的电势差。,比较：电泳在外电场作用下，胶体粒子在分散介质中定向移动的现象。,沉降电势与电泳是一对相反的过程,29,5. 扩散双电层理论(简介),由于带电质点在某一固体表面存在静电作用和热运动而产生扩散双电层,30,图 12.4.3,31,32,6. 溶胶的胶团结构,根据扩散双电层理论，由于带电质点在某一固体表面存在静电作用和热运动而产生扩散双电层。,(1) 胶核与胶团,胶核由分子、原子或离子形成的固态微粒。,由于胶核带电、或胶核选择性的吸附溶液中的某种离子使胶核带电。,33,如AgNO3溶液,KI溶液中,AgI,Ag+吸附在AgI表面,AgIm nAg+,带电的胶核,带电的胶核与介质中反离子NO3-存在静电作用、范德华力及其它形式的吸引力，使过剩的反离子一部分分布在滑动面以内，由于热运动的影响，另一部分反离子则呈扩散状态分布于介质之中。,AgImnAg+(n-x) NO3-x+,xNO3-,34,AgImnAg+(n-x) NO3-x+,xNO3-,胶核,胶粒,胶团,可滑动面,35,AgImnI-(n-x) K+x-,xK+,如AgNO3溶液+KI溶液(过量) ，则胶团结构为,带电的胶核,36,胶核,胶粒,胶团,37,7. 优先吸附原则,(1) 与组成胶核具有相同性质的离子优先被吸附。,AgImnAg+(n-x) NO3-x+,xNO3-,如AgNO3溶液(过量)+KI溶液，则胶团结构为,AgImnI-(n-x) K+x-,xK+,如AgNO3溶液+KI溶液(过量) ，则胶团结构为,此时胶粒带正电荷。,此时胶粒带负电荷。,(2) 极化程度较大、易变形的离子优先被吸附。,38,§ 10.5 溶胶的稳定与聚沉,分散相粒子的带电、溶剂化作用及布朗运动是憎液溶胶三个重要的稳定原因。,1. 溶胶的经典稳定理论 DLVO理论,39,(1) 胶团间既存在斥力，也存在引力,(2) 溶胶的相对稳定性或聚沉取决于斥力势能和引力势能的相对大小。当斥力势能大于引力势能时，溶胶处于相对稳定状态；当斥力势能小于引力势能时，溶胶将发生聚沉。,40,(3) 斥力势能、引力势能和总势能都随着粒子间距的变化而变化。在总势能曲线上出现两个最小值。在第一最小值处，为不可逆聚沉或永久性聚沉；在第二最小值处，为不稳定聚沉，如外界条件稍有变动，沉积物可重新分离而成溶胶。,41,(4) 电解质对引力势能影响较小，但对斥力势能影响较大，所以电解质对体系的总势能影响较大；适当的电解质浓度，可得到相对稳定的溶胶。,42,2.溶胶聚沉,聚沉：憎液溶胶中的分散相微粒相互聚集、颗粒变大，进而发生沉淀的现象。,3. 电解质的聚沉作用,因胶粒带电，所以可用电解质中与胶粒电性相反的离子与胶粒作用，使胶粒电性下降，而发生聚沉。,使溶胶发生明显的聚沉所需电解质的最小浓度该电解质的聚沉值。,43,电解质的聚沉值。,聚沉值的倒数聚沉能力。,4. 舒尔采-哈迪规则,(1) 聚沉能力与反离子价数的六次方成正比。离子价数越高，其聚沉能力越大, 聚沉值越小。,(2) 感胶离子序。对带有相同电荷的离子，其聚沉能力大小为：,44,§ 10.6 悬 浮 液,1. 悬浮液,将不溶性固体粒子分散在液体中所形成的粗分散系统称悬浮液或悬浮体。,2. 悬浮液性质,(1) 分散相线度大于1000nm。,(2) 布朗运动、扩散及渗透现象很不明显。,45,(3) 光学性质与溶胶不同，其散射光的强度很微弱。,(4) 粒子易于沉降析出。,(5) 在适当的条件下，悬浮液能暂时相对稳定存在，粒子不沉降析出。系统中粒子呈一定的粒度分布。,假设粒径为r的粒子作匀速沉降时，粒子沉降速率可推导得(P321322)：,46,如果粒子在时间t内沉降的高度为h，则粒径r为：,从上式可以看出：不同粒径的粒子，沉降同样高度所需的时间不同。对于多级分散体系，采用这种沉降分析法，求得体系中粒子的粒度分布。,47,§ 10.7 乳 状 液,由两种不互溶或部分互溶的液体所形成的粗分散体系称为乳状液。,如牛奶，含水石油，乳化农药等。,使乳状液破坏的过程称为破乳或去乳化作用。,48,O/W (水包油型),W/O (油包水型),在适当的乳化剂条件下，可形成O/W (水包油型)或W/O (油包水型)乳状液。,49,O/W型乳状液,W/O型乳状液,水层,滑动面,栅栏层,界面层,扩散双电层,亲水基,反离子,疏水基,50,§ 10.8 泡 沫,表面活性剂的起泡作用,泡沫浮选,51,§ 10.9 气 溶 胶,1. 气溶胶,固体或液体分散在气体中所形成的胶体体系称为气溶胶。,如烟、雾、空气中的粉尘等。,52,2. 粉尘分类,(1) 尘埃：粒子直径10100m，颗粒较大，在静止的空气中呈加速沉降的尘粒,(2) 尘雾：粒子直径0.2510m，在静止的空气中呈等速沉降的尘粒,(3) 尘云：粒子直径0.1m以下，颗粒很小，在静止的空气中不能下沉，而是处于无规则布朗运动状态的浮尘。,53,3. 粉尘性质,(1) 润湿性。新粉尘具有很强的吸附能力。,(2) 粉尘沉降速度,对于等速沉降的尘粒，其沉降速度为：,(3) 粉尘的荷电性,(4) 粉尘的爆炸性,(5) 粉尘的凝聚性,(6) 气溶胶的光学性质,4. 气体除尘,54,§ 10.10 高分子化合物溶液 的渗透压与粘度,1. 高分子溶液与溶胶的比较,高分子化合物是指其摩尔质量M 1104 kgmol-1的大分子化合物。,55,线度为10-910-7m,线度为10-910-7m,扩散慢,扩散慢,不能通过半透膜,不能通过半透膜,真溶液，热力学稳定体系,热力学不稳定体系,稳定原因是溶剂化,稳定原因是粒子带电,均相体系，丁达尔效应弱,多相体系，丁达尔效应强,对电解质稳定性大,少量电解质能使粒子聚沉,粘度大,粘度小(近纯溶剂),溶液具有可逆性,溶胶具有不可逆性,56,2. 高分子溶液的渗透压,根据稀溶液的依数性中有关渗透压关系：, = cBRT,在高分子溶液中，存在较强的亲和力，有明显的溶剂化效应，对上式进行修正得：, /B = RT(1/M + A2 B ),A2第二维里系数，其值反映作用力程度,57,M+ X-,Pz- zM+,在平衡时:,3. 唐南平衡,58,M+ X-,Pz- zM+,在平衡时:,假设溶液平均活度为1，则：,59,Na+ Cl-,Pz- zNa+,在平衡时,假设溶液平均活度为1，则：,如：,c1,c2,又因为两边溶液电中性，则有,60,可推导得：,(1) 无盐存在时, mM = 0，,(2) 当盐浓度很大时, mM mp，,分析：,渗透压增加z倍。,渗透压不变化。,(3) 如盐浓度适中，其渗透压在上述两者之间。,61,4. 高分子溶液的粘度,高分子溶液粘度较大，根据牛顿粘性流动定律，,-流体粘度, -剪切应力, d/dx速度梯度,62,相对粘度： / 0,增比粘度： sp = ( - 0) / 0,比浓粘度： sp / B = ( - 0) / (0 B),特性粘度： = lim (sp / B), = KM,和K为体系的特征参数，它们的大小取决于溶质与溶剂的性质。 值与高分子在溶液中的形态有关。这是用粘度法测定高分子分子量的一种方法。一些高分子溶液的和K值列于P336表12.10.2,cB0,