08 第八章 胶体分散系统.pptx

第1页：第八章胶体分散系统封面

第八章胶体分散系统(Chapter 8 Colloid disperse system)。

第2页：分散系统

分散系统

一种或几种物质分散在另一种物质中形成的系统。

被分散的物质称为分散相,另一种以连续相形式存在的物质称为分散介质。

第3页：胶体的分类

胶体

分散相粒径在1 ~ 100 nm之间的分散系统。

亲液胶体(大分子溶液)

大分子物质(琼脂、明胶)溶解在水中成为均相系统。

憎液胶体(溶胶)

在水中不溶(Au、Fe(OH)3的微小粒子)的超微分散系统。

胶体化学

是研究胶体分散体系有关物理、化学现象的一门科学(血液、体液、细胞、软骨)。

第4页：溶胶的分类

一、溶胶的分类按分散介质的聚集状态:气溶胶,液溶胶,固溶胶。

第一节溶胶的分类和基本特性。

第5页：溶胶的基本特性

二、溶胶的基本特性1.特有的分散程度:胶体的许多性质都与此有关。

2.相不均匀性

胶体的分散相粒子与介质之间存在着明显的相界面。

3.聚结的不稳定性

胶体体系具有很大的总表面积和表面能,是热力学不稳定体系,分散相粒子有自动聚集趋势。

第6页：溶胶的制备

一、溶胶的制备1.分散法(dispersion method):将粗颗粒进一步分散。

研磨法、气流粉碎法、超声波分散法、胶溶法。

2.凝聚法(condensation method):将溶质分子凝聚。

物理凝聚法

蒸气凝聚法(制备气溶胶)、更换溶剂法、包膜法(制备脂质体(liposome))。

化学凝聚法

凡能生成难溶物的化学反应,控制适当条件,均可用来制备溶胶。

改变溶剂法

第二节溶胶的制备和净化。

第7页：渗析法与超过滤法

二、溶胶的净化1.渗析法(dialysis method)电渗析(electro dialysis):通过外加电场增大离子迁移速率而提高渗透速率的方法。

2.超过滤法(ultrafiltration method):用孔径细小的半透膜在加压或吸滤的情况下将胶粒与介质分开。

第8页：均分散胶体

• 均分散胶体粒子形状相同、尺寸相差不大的胶体。主要应用:
• 验证基本理论
• 理想的标准材料
• 新材料
• 催化性能的改进
• 制造特种陶瓷

第9页：纳米粒子和纳米技术

• 纳米粒子和纳米技术尺度为1 ~ 100 nm之间的粒子。1.纳米粒子的结构和特性:
• 小尺寸效应
• 表面效应
• 量子尺寸效应
• 宏观量子隧道效应。2.纳米粒子的制备方法:3.纳米技术在药学中的应用:

第10页：布朗运动

一、布朗运动用超显微镜观察溶胶,可以发现溶胶粒子在介质中不断地无规则的运动,这种运动称为溶胶粒子的布朗运动(Brownian motion)。

本质

液体分子热运动不均衡撞击悬浮粒子的结果。

布朗运动的速度取决于粒子的大小、温度及介质粘度等。

第三节溶胶的动力性质。

第11页：

第12页：扩散与斐克第一定律

二、扩散与渗透1.扩散(diffusion)溶胶粒子在介质中由高浓度区向低浓度区迁移的现象。

斐克第一定律:。

第13页：渗透与渗透压

2.渗透如果用半透膜将溶液与纯溶剂分开,溶剂分子会透过半透膜向溶液扩散,这种现象称为渗透(osmosis)。

渗透达平衡时两边液面间的静压差称为渗透压(osmoticpressure),用表示。

第14页：沉降和沉降平衡

三、沉降和沉降平衡分散系统中粒子在外力场作用下的定向移动称沉降sedimentation)。

当沉降力与扩散力相等时,粒子的分布达到平衡,形成一定的浓度梯度,这种状态称为沉降平衡(sedimentationequilibrium)。

1.重力沉降2.重力沉降平衡3.离心力场中的沉降和沉降平衡。

第15页：丁达尔现象

一、溶胶的光散射现象在暗室内用一束光线照射溶胶时,在侧面可以看到一个发亮的光柱,这就是丁达尔现象(TyndallPhenomena)。

丁达尔现象的实质是溶胶对光的散射作用。

分散相粒子直径>入射光波长,光在粒子表面反射,无丁达尔效应(悬浊液)。

分散相粒子直径<入射光波长,光在粒子表面发生散射(溶液、溶胶)。

第四节溶胶的光学性质。

第16页：瑞利散射公式

二、瑞利散射公式瑞利(Rayleighl)研究了光的散射作用,得到胶体体系散射光强度I的计算公式如下:真溶液中溶质粒子的体积小,另外溶质有较厚溶剂化层,使分散相和分散介质的折射率差别不大,散射光相当弱,很难观察到。

对透明液体,可借助有无明显的丁达尔现象来鉴别是否为溶胶。

第17页：溶胶颜色与粒子大小测定

• 溶胶的颜色取决于溶胶对光的吸收和散射两个因素
• 溶胶粒子大小的测定超显微镜:

第18页：电动现象

一、电动现象溶胶粒子因带电所表现出来的一些行为。

1.电泳(electrophoresis):在电场作用下,带电粒子作定向移动的现象。

第五节溶胶的电学性质+++++++++++++++++–。

第19页：电渗

2.电渗(electroosmosis):在电场作用下,液体介质作定向移动的现象。

+++++++++++++++–––––––––––––––+++++++++++++++–––––––––––––––+–。

第20页：流动电势

3.流动电势

对液体介质施加压力,迫使其流经毛细管或多孔塞时,在多孔塞两侧产生的电势差。

气体V压力毛细管。

第21页：沉降电势

4.沉降电势

带电粒子在沉降(如重力沉降)时,在沉降方向的两端产生的电势。

电泳、电渗、流动电势与沉降电势统称电动现象,它们都证明溶胶粒子是带电的。

++++++++++++++++V。

第22页：胶粒表面电荷的来源

二、溶胶粒子表面电荷的来源1.吸附:溶胶粒子通过吸附介质中的离子而带电。

法金斯(Fajans)规则

凡是与溶胶粒子中某一组成相同的离子则优先被吸附。

2.电离

当溶胶粒子本身带有可电离基团时,通过自身电离而带电。

3.同晶置换4.摩擦带电。

第23页：平板双电层模型

三、溶胶表面双电层理论1.平板双电层(Helmholtz模型)模型过于简单不能区别表面电势与电动电势。

第24页：扩散双电层与电动电势

反离子排布形成内多外少的扩散状分布(符合Boltzman分布)两者分界面称滑动面电动电势滑动面处电势静电吸力,向内集中热运动,向外扩散胶体粒子移动时近端反离子跟随移动远端反离子不跟随移动 0电位距离x 反离子定位离子滑动面滑动面2.扩散双电层(Gowy-Chanman模型)。

第25页：Stern双电层模型

距离x3.吸附扩散双电层(Stern模型)是前二种模型的结合定位离子 0 0 反离子定位离子滑动面扩散层 dStern面滑动面内离子 滑动面外离子 0stern层平板层反离子 d。

第26页：电解质对双电层影响

电解质对双电层影响

• 外加电解质,反离子进入stern层和扩散层结果: d , ,双电层厚度
• 过量反离子可使 d电势反转
• 同号大离子(如表面活性剂)吸附,可使 d> x过量反离子x吸附同号大离子Stern模型在数学定量处理上还有困难,一般仍用扩散双电层模型处理,只是用 d代替 0 0 d 0 d

第27页：练习题

课堂练习

• 当入射光的波长()分散粒子的尺寸时,可出现丁达尔效应。A、大于B、等于C、小于D、远小于
• 电泳现象表明()A、分散介质带电B、溶胶粒子带有大量的电荷C、溶胶粒子带正电荷D、胶体粒子处于等电状态
• 电渗现象表明()A、溶胶粒子是电中性的B、液体介质是电中性的C、液体介质也是带电的D、溶胶粒子是带电的
• 什么是胶体分散系统?溶胶的基本特性有哪些?
• 简述溶胶的电动现象?ABC

第28页：胶核、胶粒与胶团

四、胶团结构胶核(colloidal nucleus):由许多原子或分子聚集而成。

胶粒(colloidal particle):胶核+吸附层胶团(colloidal micell):胶核+吸附层+扩散层。

第29页：胶团结构式

胶团结构式

[(胶核)m n定位离子 (n-x)内反离子] x外反离子定位离子按Fajans规则确定定位离子Stern面滑动面胶核吸附层扩散层胶粒胶团。

第30页：KI过量时的胶团结构式

AgNO3+ KI = AgI + KNO3若KI过量,则优先吸附I ,反离子是K+[(AgI)m· nI · (n x)K+]x ·xK+胶核吸附层扩散层胶粒胶团。

第31页：AgNO3过量时的胶团结构式

若AgNO3过量,则优先吸附Ag+,反离子是NO3 [(AgI)m· nAg+· (n x)NO3 ]x+·x NO3 胶核吸附层扩散层胶粒胶团。

第32页：电泳速度与电动电势

五、电泳的测定溶胶电动电势的大小决定其在电场中运动速度,因而可通过测定电泳速度求得平衡力:F阻=F电F电=q E(电量 电场强度)F阻= 6 r vqE= 6 r vF电F阻球形带电体表面电势 与电量q关系: 0真空介电常数= 8.82 10–12C2 m–2 N–1 r相对介电常数(无单位),水 r=81rq1.电泳速度求算电动电势。

第33页：动电位计算式

球形带电体表面电势 与电量q关系:动电位计算式: 受粒子大小和形状的影响球形较大,或平板形,或棒形作校正v:电泳速度(m/s)E:电场强度(V/m)。

第34页：电泳的实验方法

2.电泳实验方法界面移动电泳

观测溶胶界面在电场中的移动显微电泳:显微镜下直接对粒子的运动进行测定+–dPt电极溶胶辅助液。

第35页：溶胶的稳定性

一、溶胶的稳定性1.动力稳定性:溶胶由于布朗运动,不因重力作用下沉的性质。

分散度越高,分散介质粘度越大,分散相与分散介质密度差越小,其动力稳定性越好。

2.胶粒带电的稳定作用

胶粒周围有反离子的扩散层,当胶粒运动靠近到一定程度时,扩散层相互重叠,产生静电斥力,胶粒会分开,保持了溶胶的稳定。

第六节溶胶的稳定性和聚沉作用。

第36页：溶剂化的稳定作用

3.溶剂化的稳定作用胶团中的离子都是溶剂化的(若溶剂为水,则称为水化),结果在胶粒周围形成水化层。

当胶粒相互靠近时,水化层被挤压变形,而水化层具有弹性,造成胶粒接近时的机械阻力,从而防止了溶胶聚沉。

第37页：溶胶的聚沉

• 溶胶的聚沉聚沉(coagulation):溶胶分散度降低,分散相颗粒变大,最后从介质中沉淀析出的现象
• 电解质对溶胶稳定性的影响聚沉值(coagulation value):使一定量溶胶在一定时间内完全聚沉所需电解质的最低浓度(mol · m-3)。聚沉能力是聚沉值的倒数

第38页：舒尔茨—哈代规则

舒尔茨—哈代规则

使溶胶聚沉的离子主要是与胶粒带相反电荷的离子(反离子),反离子的价数越高,其聚沉值越小,聚沉能力越大。

第39页：不同电解质的聚沉值

不同电解质对溶胶的聚沉值(mol · m 3)Al2O3(正溶胶)AgI(负溶胶)As2S2(负溶胶)43.5NaCl165LiNO358LiCl46KCl140NaNO351NaCl60K(NO3)136KNO349.5KCl0.30KSO42.40Ca(NO3)20.65CaCl20.63K2Cr2O72.60Mg(NO3)20.72MgCl20.69K2C2O42.43Pb(NO3)20.81MgSO40.08K3[Fe(CN)6]0.067Al(NO3)30.093AlCl30.069La(NO3)30.096(½) Al2(SO4)30.069Ce(NO3)30.095Al(NO3)3。

第40页：溶胶的相互聚沉

2.溶胶的相互聚沉当两种电性相反的溶胶混合,其中一种溶胶的总电荷恰与另一种溶胶的总电荷量相等时,能发生完全聚沉,否则只能发生部分聚沉或不能聚沉。

第41页：大分子化合物的保护作用

3.大分子化合物的作用(1)保护作用:当溶胶中加入足量大分子溶液后,大分子吸附在胶粒表面上,提高了胶粒对分散介质的亲和力,增加了溶胶的稳定性。

第42页：大分子化合物的絮凝作用

(2)大分子化合物的絮凝(flocculation)作用:当加入的大分子物质的量不足时,溶胶的胶粒吸附在大分子上,大分子起了一个桥梁作用,把胶粒联系在一起,使之更容易聚沉。

第43页：DLVO理论的基本要点

• 溶胶稳定的DLVO理论
• Van der Walls引力(远程力)
• 静电斥力(近程力)两者总结果,形成能垒,是溶胶的稳定点H势能VVb1.胶粒之间的作用力和势能曲线

第44页：DLVO理论对稳定性的解释

• 溶胶稳定性原因:需克服势垒
• 表面电势对稳定性影响2.DLVO理论对溶胶稳定性的解释势垒Vb:15~20 kJ mol 1增加表面电势,斥力势能 ,势垒高度 ,有利于稳定
• 电解质对稳定性影响过量电解质压缩双电层, 值 ,斥力势能 ,不利于稳定
• 反离子价数对稳定性影响总势能V=0时电解质的浓度c与其价数z的关系:热运动:常温下,3.7kJ mol 1H势能VVb

第45页：练习题

• 下列各因素中,对溶胶稳定性的影响最显著的是()A、溶胶的浓度B、温度C、非电解质的加入D、电解质的加入
• 在AgNO3溶液中加入稍过量KI溶液,得到溶胶的胶团结构可表示为()A、[(AgI)m·nI-·(n-x)K+]x-·xK+B、[(AgI)m·nNO3-·(n-x)K+]x-·xK+C、[(AgI)m·nAg+·(n-x)I-]x-·xK+D、[(AgI)m·nAg+·(n-x)NO3-]x+·xNO3-
• 在电泳实验中,观察到胶粒向阳极移动,表明()A、胶粒带正电荷B、胶团的扩散层带负电荷C、胶团的扩散层带正电荷D、胶团带带负电荷AC课堂练习D

第46页：第八章重点内容

第八章重点内容

• 溶胶的概念及其基本特性
• 溶胶的动力性质(布朗运动)、光学性质(丁达尔现象)、电学性质(电动现象)的解释
• 胶团的结构、溶胶的稳定性与聚沉