胶体化学与表面化学1(共4个).pptx

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1、 胶体与界面化学() 化学工程专业 化学工艺专业 研究生教学 材料科学专业 目录 第一章 绪论 1.1 早期人们对胶体的认识 1.2 憎液溶胶的基本性质 1.3 溶胶的制备及净化 1.4 胶体化学与界面化学的联系 1.5 胶体与界面化学的应用 第二章 胶体分散体系的性质 2.1 动力性质 1、Brown 运动 2、扩散和渗透压 3、沉降和沉降平衡 2.2 胶体分散体系的光学性质 1、 Tyndall 效应和 Rayleigh 公式 2、乳光计原理 3、超显微镜的基本原理和粒子大小的测定 第一章 绪论 1.1 人们早期对胶体的认识 渗透实验与“胶体”名词的由来 （1861年英国科学家托马斯.格雷

2、汉姆的工作） 物质溶解在不同溶剂中所形成的溶液状态的研究 （如氯化钠溶于水中和溶于乙醇中） 胶体不是一种特殊的物质，而是物质以特定分散 度而存在的一种状态。 实验结果及推断 实验现象：扩散慢和不能透过半透膜。 推断：胶体是高度分散的体系，具有很大 的表面积；胶体溶液中的质点不是以小分子 而是以大粒子形式分散在介质中。 实验现象：胶体粒子在重力场重不沉降或 沉降速度极慢。 推断：分散质点不会太大，约1nm-1m。 国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC） 对分散体系的分类 分散体系是指一种或几种物质以一定的分散度分 散在另一种物质中形成的体系 以颗粒分散状态存在的不连续相称为分散 相；而连续相称为

3、分散介质 颗粒某一线度大于1000nm，粗分散体系 颗粒某一线度小于1nm，真溶液体系 颗粒某一线度为11000nm 胶体体系 1.2 憎液溶胶的基本性质 1、憎液溶胶的基本性质 （1）特有的分散程度 粒子的大小在10-910-7 m之间，因而扩散较慢，不能透过半透膜，渗透压 低但有较强的动力稳定性 和乳光现象。 （2）多相不均匀性 具有纳米级的粒子是由许多离子或分子聚结而成，结构复杂，有的保持了该 难溶盐的原有晶体结构，而且粒子大小不一，与介质之间有明显的相界面，比表 面很大。 （3）热力学不稳定性 因为粒子小，比表面大，表面自由能高，是热力学不稳定体系，有自发降低 表面自由能的趋势，即小粒

4、子会自动聚结成大粒子。 2. 胶粒的结构 胶粒的结构比较复杂，先有一定量的难溶物分子聚结形成 胶粒的中心，称为胶核； 然后胶核选择性的吸附稳定剂中的一种离子，形成紧密吸附 层；由于正、负电荷相吸，在紧密层外形成反号离子的包围圈 ，从而形成了带与紧密层相同电荷的胶粒；胶粒与扩散层中的 反号离子，形成一个电中性的胶团。 胶核吸附离子是有选择性的，首先吸附与胶核中相同的某 种离子，用同离子效应使胶核不易溶解。 若无相同离子，则首先吸附水化能力较弱的负离子，所以 自然界中的胶粒大多带负电，如泥浆水、豆浆等都是负溶胶。 例1：AgNO3 + KIKNO3 + AgI 过量的 KI 作稳定剂 胶团的结构表

5、达式 ： (AgI)m n I (n-x)K+x xK+ |_| |_| (AgI)m 胶核 K+ K+ K+ K+ 胶 团 I- I- I- I- I- I- I- I- I- I- I- I- K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ 胶 粒 胶 团 构 造 示 意 图 1.3 溶胶的制备与净化 制备溶胶必须使分散相粒子的大小落在胶体分 散系统的范围之内，并加入适当的稳定剂。制备方 法大致可分为两类： （1）分散法（大变小） 用机械、化学等方法使固体的粒子变小 （2）凝聚法（小变大） 使分子或离子聚结成胶粒 溶胶的制备 通常所制备的溶胶中粒子的大小不是均一的，是 一个多级分散系统。

6、(1) 研磨法 这种方法适用于脆而易碎的物质，对于柔 韧性的物质必须先硬化后再粉碎。例如，将废 轮胎粉碎，先用液氮处理，硬化后再研磨。 胶体磨的形式很多，其分散能力因构造和 转速的不同而不同。 1. 分散法 (2) 胶溶法 1. 分散法 胶溶法又称解胶法，仅仅是将新鲜的凝聚胶粒重 新分散在介质中形成溶胶，并加入适当的稳定剂。 这种稳定剂又称胶溶剂。根据胶核所能吸附的离 子而选用合适的电解质作胶溶剂。 这种方法一般用在化学凝聚法制溶胶时，为了将 多余的电解质离子去掉，先将胶粒过滤，洗涤，然后 尽快分散在含有胶溶剂的介质中，形成溶胶。 例如： 若沉淀放置时间较长，则沉淀老化就得不到溶胶 (3) 超

7、声波分散法 这种方法目前只用来制 备乳状液。 如图所示，将分散相和 分散介质两种不混溶的液体 放在样品管4中。样品管固 定在变压器油浴中。 在两个电极上通入高频电流，使电极中间的石 英片发生机械振荡，使管中的两个液相均匀地混合 成乳状液。 电弧法主要用于制备金、 银、铂等金属溶胶。制备过程 包括先分散后凝聚两个过程。 (4)电弧法 将金属做成两个电极浸在水 中，盛水的盘子放在冷浴中。在 水中加入少量NaOH 作为稳定剂 制备时在两电极上施加 100V 左右的直流电，调节 电极间的距离，使之发生电火花，这时表面金属蒸发， 是分散过程，接着金属蒸气立即被水冷却而凝聚为胶粒 2. 凝聚法 (1) 化

8、学凝聚法 通过各种化学反应使生成物呈过饱和状态，使 初生成的难溶物微粒结合成胶粒，在少量稳定剂存 在下形成溶胶，这种稳定剂一般是某一过量的反应 物。例如： A.复分解反应制硫化砷溶胶 B. 还原反应制金溶胶 C. 水解反应制氢氧化铁溶胶 D.氧化还原反应制备硫溶胶 胶粒表面吸附了过量的具有溶剂化层的反应 物离子，因而溶胶变得稳定。但是，若离子的浓 度太大，反而会引起胶粒的聚沉，必须除去。 将汞的蒸气通入冷水中就可以得到汞的水溶胶 （2）物理凝聚法 罗金斯基等人利用下列装置，制备碱金属的苯溶胶 先将体系抽真空，然 后适当加热管2(苯)和管4( 金属钠)，使钠和苯的蒸气 同时在管5 外壁凝聚。 除

9、去管5中的液氮，凝 聚在外壁的混合蒸气融化， 在管3中获得钠的苯溶胶。 蒸气骤冷法 （3）更换溶剂法 例1.松香易溶于乙醇而难溶于水，将松香的乙醇溶 液滴入水中可制备松香的水溶胶 。 例2.将硫的丙酮溶液滴入90左右的热水中，丙酮 蒸发后，可得硫的水溶胶。 利用物质在不同溶剂中溶解度的显著差别来制 备溶胶，而且两种溶剂要能完全互溶。 溶胶的净化 在制备溶胶的过程中，常生成一些多余的电解质 ，如制备 Fe(OH)3溶胶时生成的HCl。 少量电解质可以作为溶胶的稳定剂，但是过多的电 解质存在会使溶胶不稳定，容易聚沉，所以必须除去。 净化的方法主要有渗析法和超过滤法。 （1）渗析法 简单渗析 利用浓

10、差因素，多余的电解质离子不断向膜外渗 透，经常更换溶剂，就可以净化半透膜容器内的溶 胶。 如将装有溶胶的半透膜容器不断旋转，可以加快 渗析速度。 将需要净化的溶胶放 在羊皮纸或动物膀胱等半 透膜制成的容器内，膜外 放纯溶剂。 电渗析 为了加快渗析速 度，在装有溶胶的半 透膜两侧外加一个电 场，使多余的电解质 离子向相应的电极作 定向移动。 溶剂不断自动更换 ，可以提高净化速度 溶胶的形成条件和老化机理 溶胶形成的过程中要经历两个阶段，即：晶核的 形成和晶体的生长。 晶核形成过程的速率决定于形成和生长两个因 素。 （1）从溶液中析出固体的速率即晶核形成的速率 （2）晶体长大的速率 要得到分散度很

11、高的溶胶，则必需控制两者 的值，使 很小或接近于零。 即使是经过纯化后的胶粒也会随时间推移而慢 慢增大，最终导致沉淀，这一过程称之为溶胶的老 化，老化过程是自发过程。 当 的值很大时，有利于形成溶胶 当 的值很小时，也有利于形成溶胶 当 的值较小时，有利于生成大块沉淀 固体的溶解度与颗粒的大小有关，颗粒半径与 其相应的溶解度之间服从Kelvin公式： 若有大小不同的颗粒同时在一个溶胶中，较小 颗粒附近的饱和浓度大于较大颗粒的饱和浓度，结 果是小者愈小，大者愈大，直到小颗粒全部溶解为 止。 而大颗粒大到一定程度即发生沉淀，这就是产 生老化过程的原因。 均分散胶体的制备和应用 在严格控制的条件下，

12、有可能制备出形状相同、 尺寸相差不大的沉淀颗粒，组成均分散系统。颗粒的 尺寸在胶体颗粒范围之内的均分散系统则称为均分散 胶体系统。 制备均分散系统的方法有： 1.金属盐水溶液高温水解法； 2.金属络合物高温水解法； 3.微乳液法； 4.溶胶-凝胶转化法。 金属盐水溶液高温水解法 以制备Cr(OH)3单分散溶胶为例。 将浓度为0.84.010-4mol/L的KCr(SO4)2溶液 在26下恒温老化26h，若溶胶中存有 和 时，则可生成粒径为几百纳米的单分散球形Cr(OH)3 溶胶；若溶液中没有 和 ，就制不出单分散溶 胶，若 : 在1/32/3时，析出的是无定形胶粒 且粒径较粗。若溶液pH在91

13、0时，胶粒带负电荷； pH小于7时，胶粒带正电荷。 金属络合物高温水解法 以铑溶胶为例。 在1000mL回流装置中加入8.8mgRhCl3和150mg聚乙烯 醇（聚合度为500），续加25mL甲醇和25mL水，加热回流 14h，可得黑色铑溶胶： 此法重现性好，所得铑溶胶在空气中可稳定一年以上。干后 为黑色透明胶状物，加水可再成溶胶，性能不变。生成的球 形铑溶胶粒径（4nm)不受回流加热时间影响，关键是聚乙烯 醇与Rh3+形成了络合物。 用此法还可制得Pd、Pt、Ir及Os单分散溶胶。 微乳液法 以制备BaSO4纳米粒子为例 由水、油、表面活性剂和助表面活性剂形成的分散相液滴一般不 大于100n

14、m的透明或半透明的稳定胶体分散体系称为微乳液。微乳液 中的分散相液滴可以作为微反应器制备纳米粒子。 以Triton X-100为表面活性剂，正己醇为助表面活性剂，盐溶液 （或水）为分散的水相。将Triton X-100和正己醇按质量比4:1混合， 构成表面活性剂混合物。将此表面活性剂混合物以10%体积分数浓度 溶于环己烷中。室温下向其中加入不同量的水相溶液，形成W/O型乳 状液，加入的水相溶液的体积分数为1.6%2.8%。 以(NH4)2SO4或Ba(OAc)2的水溶液为水相溶液，盐的浓度为 0.1mol/L。将含有Ba2+的和含有同样浓度SO2-4的两W/O型乳状液快速 混合，可得BaSO4

15、纳米粒子。 溶胶-凝胶转化法 以制备单分散球形Fe2O3为例。 胶体粒子相互连结而成的网状结构称为凝胶，网状结构 的空隙中填充的是分散介质（液体或气体）。 先将一定浓度的FeSO4和KOH混合，形成Fe(OH)2凝胶， 再加入KNO3溶液将Fe2+氧化，生成极小的Fe3O4粒子。由于 凝胶网状结构的隔离，使这些小粒子不能明显长大，也不 聚沉。随着连结成网状结构的Fe(OH)2中Fe2+氧化，部分结构 溶解，并使一级小粒子聚集成二级粒子，未溶解的网状结构 使二级粒子隔离，从而形成单分散Fe2O3粒子。 均分散胶体新材料的应用 （1）验证基本理论 （2）理想的标准材料 （3）新材料 （4）催化剂性

16、能的改进 （5）制造特种陶瓷 1.4 胶体化学与界面化学的关系 胶体的基本特性： 特有的分散程度、多相性、聚结不稳定性 研究物质的界面特性界面化学 表面张力、表面能、表面现象等 研究一群质点所构成的分散体系的性质 胶体化学 动力性质、电性质、光学性、流变性质、胶体的 聚结与稳定性等 联系桥梁：界面张力 1.5 胶体与界面化学应用举例 农业 生物学与医学 日用品生产 轻工业 环境科学 分析化学 材料 海洋科学 天文与气象学 油田开发 2 胶体分散体系的性质 主要讨论胶体的动力性质和光学性质。 2.1 动力性质 1827 年植物学家布朗（Brown)用显微镜观察到悬浮在液面上的花粉粉末不断 地作不

17、规则的运动。后来又发现许多其它物质如煤、 化石、金属等的粉末也都有 类似的现象。人们称微粒的这种运动为布朗运动。 布朗运动示意图 1、Brown运动 1903年发明了超显微镜，为研究布朗运动 提供了物质条件。 用超显微镜可以观察到溶胶粒子不断地作 不规则“之”字形的运动，从而能够测出在一定 时间内粒子的平均位移。 通过大量观察，得出结论：粒子越小，布 朗运动越激烈。其运动激烈的程度不随时间而 改变，但随温度的升高而增加。 1905年和1906年Einstein和Smoluchowski分别阐 述了Brown运动的本质。 认为Brown运动 是分散介质分子以 不同大小和方向的 力对胶体粒子不断

18、撞击而产生的。 当半径0.5 m，Brown运动消失。 由于受到的力不平衡，所以连续以不同方向、不 同速度作不规则运动。随着粒子增大，撞击的次数增 多，而作用力抵消的可能性亦大。 Einstein认为，溶胶粒子的Brown运动与分子运动类 似，平均动能为 。并假设粒子是球形的，运用分子运 动论的一些基本概念和公式，得到Brown运动的公式为: 式中 是在观察时间t内粒子沿x轴方向的平均位移； r为胶粒的半径; 为介质的粘度; NA为阿伏加德罗常数。 这个公式把粒子的位移与粒子的大小、介质粘度、温 度以及观察时间等联系起来，也称爱因斯坦公式。 无规则无规律 2、扩散和渗透压 胶粒也有热运动，因此

19、也具有扩散和渗透压。只 是溶胶的浓度较稀，这种现象很不显著。 如图所示，在CDFE 的桶内盛溶胶，在某一截 面AB的两侧溶胶的浓度不 同，c1c2 由于分子的热运动和胶粒的Brown运动，可以 观察到胶粒从c1区向c2区迁移的现象，这就是胶粒 的扩散作用。 设通过AB面的扩散质量为m，则扩散速度为 ，它与浓度梯度和AB截面积A成正比。 斐克第一定律（Ficks first law） 如图所示，设任一平行于AB面的截面上浓度是均 匀的，但水平方向自左至右浓度变稀，梯度为 。 这就是斐克第一定律。 式中负号表示扩散发生在浓度降低的方向， 0。 用公式表示为： 式中D为扩散系数，其物理意义为：单位浓

20、度梯 度、单位时间内通过单位截面积的质量。 在ABFE体积内粒子净增速率为(1)-(2)， 离开EF面的扩散量为： 设进入AB面的扩散量为： 斐克第二定律（Ficks second law） 斐克第二定律适用于浓度梯度变化的情况 单体积内粒子浓度随时间的变化率为 若考虑到扩散系数受浓度的影响，则 这就是斐克第二定律。 这个斐克第二定律的表示式是扩散的普遍公式。 Einstein-Brown位移方程 找出距AB面 处的两根虚 线，其浓度恰好为 和 。 在t 时间内，从两个方向通过AB面的粒子数分别 为 和 ，因 ，则自左向右通过AB面 的净粒子数为： 如图，设截面为单位面积 为时间t 内在水平方

21、向的平 均位移。截面间的距离均为 设 很小，浓度梯度： 这就是Einstein-Brown 位移方程。从Brown运动实 验测出 ，就可求出扩散系数 D。 则扩散通过AB面的净粒子数 与浓度梯度和扩散时间t 成正比， 得到 ： 将Brown运动公式代入 从上式可求粒子半径 r 已知 r 和粒子密度 ， 可以计算粒子的摩尔质量。 溶胶的渗透压 由于胶粒不能透过半透膜，而介质分子或外加 的电解质离子可以透过半透膜，所以有从化学势高 的一方向化学势低的一方自发渗透的趋势。 溶胶的渗透压可以借用稀溶液渗透压公式计算： 由于憎液溶胶不稳定，浓度不能太大，所以测出 的渗透压及其它依数性质都很小。 但是亲液

22、溶胶或胶体的电解质溶液，可以配制高 浓度溶液，用渗透压法可以求它们的摩尔质量。 3、沉降和沉降平衡 溶胶是高度分散系统，胶 粒一方面受到重力吸引而下降 ，另一方面由于Brown运动促使 浓度趋于均一。 当这两种效应相反的力相 等时，粒子的分布达到平衡， 粒子的浓度随高度不同有一定 的梯度，如图所示。 这种平衡称为沉降平衡。 达沉降平衡时，粒子随高度分布的 情况与气体类似，可用高度分布定律 高度分布定律 如图所示，设容器截面积为A， 粒子为球型，半径为 r，粒子与介质 的密度分别为 和 ，在 x1和x2 处单位体积的粒子数分别N1，N2， 为渗透压，g为重力加速度。 在高度为dx的这层 溶胶中，

23、使N个粒子下 降的重力为： 该层中粒子所受的扩散力为 ，负号表示 扩散力与重力相反。 ，则 达到沉降平衡时，这两种力相等，得 这就是高度分布公式。粒子质量愈大，其平衡 浓度随高度的降低亦愈大。 积分得 或 以恒定速度沉降时 通过沉降速度的测定，可以求得粒子的大小 沉降时粒子所受的阻力为 为阻力因子 对于球形粒子且粒子浓度很低时 （Stokes公式） 沉降时粒子所受的净作用力 沉降时粒子所受的阻力 积分得 对于超离心力场，当沉降达平衡时，扩散力 与超离心力相等，只是方向相反 因为 用来测蛋白质 的摩尔质量 1、光散射现象 当光束通过分散体系时，一部分自由地通过， 一部分被吸收、反射或散射。可见光

24、的波长约在 400700 nm之间。 （1）当光束通过粗分散体系，由于粒子大于入射 光的波长，主要发生反射，使体系呈现混浊。 （2）当光束通过胶体溶液，由于胶粒直径小于可见 光波长，主要发生散射，可以看见乳白色的光柱。 （3）当光束通过分子溶液，由于溶液十分均匀，散 射光因相互干涉而完全抵消，看不见散射光。 2.2 胶体分散体系的光学性质 Tyndall效应 Tyndall效应实际上已成为判别溶胶与分子溶液 的最简便的方法。可用来观察溶胶粒子的运动以及 测定大小和形状。 1869年Tyndall发现，若令一束会聚光通过溶胶 ，从侧面（即与光束垂直的方向）可以看到一个发 光的圆锥体，这就是Tyn

25、dall效应。其他分散体系 也会产生一点散射光，但远不如溶胶显著。 Tyndall效应 光源光源 Fe(OH)3溶胶 光散射的产生 光是一种电磁波，其振动频率高达1015Hz，就光散射而言，主要是电 场起作用。当入射光的电场接触到溶液中得到胶粒时，会使组成微粒的 分子转化为偶极子，由于光波电场是振动的，而使偶极子振动并向各个 方向辐射出与入射光振动频率相同的诱导波，这就是散射光。 如果粒子足够小（d），可以把不具有光程差、不会相互发生干涉 的分子的散射光加和起来，也就是说把这个小粒子作为一个点散射源处理。 相反，如果粒子尽管小于入射光波长，但是粒子大到其上各部位所产生的散 射光波有足够的光程差

26、而发生相互干涉时，则其散射光强度因此而降低，这 种干涉即为内干涉。 如果不但粒子比较大，而且分散体系中分散相粒子的数量浓度也很大 ，即粒子间距离足够小，则各个粒子间的散射光也会互相发生干涉而减弱 ，这就是外干涉。 2、Rayleigh公式 Rayleigh研究了大量的光散射现象，对于粒子半径在47 nm以下的溶胶，作了 两个假定（1）组成粒子的分子间的光散射不发生内干涉，故粒子的光散射等于组 成其所有分子光散射的总和；（2）组成溶胶的各个分散相粒子间也不存在外干涉 ，故溶胶的光散射等于分散相诸粒子光散射的加和。 据此可导出Rayleigh公式： 式中：r 观察者距样品的距离， 单位体积中粒子数

27、 入射光波长， 每个粒子的体积 分散相折射率， 分散介质的折射率 观察方向与入射光方向间的夹角 从Rayleigh公式可得出如下结论： 1. 散射光总能量与入射光波长的四次方成反比。入 射光波长愈短，散射愈显著。所以可见光中，蓝、 紫色光散射作用强。 2.分散相与分散介质的折射率相差愈显著，则散射作 用亦愈显著。 3.散射光强度与单位体积中的粒子数成正比。 3、乳光计原理 当分散相和分散介质等条件都相同时，Rayleigh 公式可改写成： 当入射光波长不变， 若有两个浓度相同的溶胶 设粒子为球形，代入上式可得： 若胶体粒子大小相同，而浓度不同 如果已知一种溶液的散射光强度和粒子半径(或 浓度)

28、，测定未知溶液的散射光强度，就可以知道其 粒径(或浓度)，这就是乳光计。 乳光计的原理与比色计相似，所不同者在于乳 光计中光源是从侧面照射溶胶，因此观察到的是散 射光的强度。 浊度（turbidity ） 浊度的物理意义： 浊度计的用处： 当光源、波长、粒子大小相同时，溶胶的浓度 不同，其透射光的强度亦不同，由浊度计算浓度。 浊度的定义为： 透射光强度 入射光强度 样品池长度 浊度 当 4、超显微镜的基本原理和粒子大小的测定 普通显微镜分辨率不高，只能分辨出半径在 200 nm以上的粒子，所以看不到胶体粒子。 超显微镜分辨率高，可以研究半径为5150 nm 的粒子。 超显微镜观察的不是胶粒本身，而是观察胶粒发 出的散射光。是用普通显微镜来观察Tyndall效应。 超显微镜是目前研究憎液溶胶非常有用的手段之一 从超显微镜可以获得哪些有用信息？ （1） 可以测定球状胶粒的平均半径。 （2） 间接推测胶粒的形状和不对称性。例如，球状 粒子不闪光，不对称的粒子在向光面变化时有 闪光现象。 （3） 判断粒子分散均匀的程度。粒子大小不同，散 射光的强度也不同。 （4） 观察胶粒的Brown运动 、电泳、沉降和凝聚等 现象。