第九章 胶体分散系统,研究对象：高度分散的多相系统。,分散系统：一种或几种物质被分散到另一种物质中所形成的系统,分散相（disperse phase）：以非连续形式存在的被分散的物质。分散介质(disperse medium)：以连续相形式存在的物质。,分散系统的分类,胶体（colloid）：分散相粒径在1100 nm之间的分散系统。,大分子溶液：亲液胶体（均相热力学稳定系统）（第十章）超微分散系统：憎液胶体（溶胶）（多相热力学不稳定系统）,（1）亲液胶体,大（高）分子化合物的溶液通常属于亲液胶体,它是分子溶液，但其分子的大小已经到达胶体的范围，因此具有胶体的一些特性（例如：扩散慢，不透过半透膜，有Tyndall效应等等）,若设法去除大分子溶液的溶剂使它沉淀，重新再加入溶剂后大分子化合物又可以自动再分散，因而它是热力学中稳定、可逆的系统。,分散系统的分类,分散系统的分类,（2）憎液胶体,系统具有很大的相界面，很高的表面Gibbs自由能，很不稳定，极易被破坏而聚沉,简称溶胶，由难溶物分散在分散介质中所形成，粒子都是由很大数目的分子构成，大小不等,聚沉之后往往不能恢复原态，因而是热力学中的不稳定和不可逆系统。,本章主要讨论憎液胶体,所谓宏观是指研究对象的尺寸很大，其下限是人的肉眼可以观察到的最小物体（半径大于1微米），而上限则是无限的。,所谓微观是指上限为原子、分子，而下限则是一个无下限的时空。,在宏观世界与微观世界之间，有一个介观世界，在胶体和表面化学中所涉及的超细微粒，其大小、尺寸在1nm-100nm之间，基本上归属于介观领域。,分散系统的分类,第一节 溶胶的分类和基本特征,一. 溶胶分类二. 溶胶的基本特性,一. 溶胶分类,按分散相与分散介质聚集状态分类（列举）,分散相的粒径100 nm时，属粗分散系统 本章主要讨论的是液溶胶，特别是液液溶胶和液固溶胶。,介质：,雾,烟,泡沫,牛奶,油漆,沸石,珍珠,有色玻璃,二. 基本特性,溶胶是一定条件下形成的特殊状态，并非物质的本性，如,胶体,溶胶,这种特殊状态，有三个基本特征,1. 特定分散度（高分散性）1100 nm,2. 相不均匀性（多相性）,3. 热力学不稳定性 （聚结不稳定性）,高分散度，巨大表面积和表面能，有自发聚集倾向，以降低表面能,第二节 溶胶的制备和净化,一. 溶胶的制备二. 溶胶的净化三. 均分散胶体四. 纳米粒子和纳米技术,二种途径：,溶胶1100 nm,小分子真溶液 100 nm,一. 溶胶的制备,注意：（1）分散介质的选择：选择难溶解的液体。（2）须加入稳定剂（适量电解质）。,（1）研磨法（胶体磨）：机械粉碎法，适用于脆性物质的粉碎，对于柔韧性的物质须先进行硬化再进行研磨。（2）气流粉碎法（气流粉碎机）：粉碎程度可达1m以下。（3）超声波分散法（4）胶溶法 （解胶法）：将暂时聚集起来的分散相重新分散在介质中形成溶胶，并加入适当的稳定剂。,一. 溶胶的制备,（一）分散法制备溶胶,基本属于物理法，是用适当的手段将大块物质或粗分散的物质在有稳定剂存在的情况下分散成溶胶。,（二）凝聚法制备溶胶,（1） 物理凝聚法,如钠的苯溶胶制备,钠,点击此处演示,一. 溶胶的制备,利用适当的物理过程将小分子凝聚为胶体分散系统的一种方法。如利用蒸气骤冷使某些物质凝聚成胶体粒子。,蒸气凝聚的仪器示意图,一. 溶胶的制备,（2） 化学凝聚法,凡能有沉淀析出的化学反应都可能用来制备相应溶胶,（3）改变溶剂法,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。,（3）改变溶剂法,使溶质的溶解度骤变，从溶液中分离出来凝聚成溶胶。如,松香在乙醇中：溶,点击此处演示,水中：不溶,溶胶,一. 溶胶的制备,二. 溶胶的净化,化学法制备的溶胶，往往含有过多的电解质 一定量电解质是溶胶稳定的必要条件 过量电解质使溶胶不稳定,1 渗析法（dialysis）,普通渗析,电渗析 (electro dialysis),三. 溶胶净化,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。小分子电解质滤去，再用介质重新分散 。注意：得到的胶粒应立即分散到新的介质中，以防结块。,减压过滤,加压过滤,三均匀分散胶体（monodispersed colloid）,均匀分散胶体是粒子形状相同，尺寸基本一致的胶体，有广泛的应用,制备需满足的条件： (1) 暴发性成核，使速率r晶核形成r晶体长大 (2) 同步长大,应用： (1) 验证基本理论 (2) 理想的标准材料 (3) 新材料 (4) 催化剂性能的改进 (5) 制造特种陶瓷,四. 纳米粒子和纳米技术,纳米粒子：尺度为1100 nm之间的粒子，处于原子簇和宏观物体之间，属于介观系统。,1. 纳米粒子的结构和特性(1) 小尺寸效应 (2) 表面效应 (3) 量子尺寸效应 (4) 宏观量子隧道效应2纳米粒子的制备方法基本方法与制备憎液溶胶雷同,四. 纳米粒子和纳米技术,2纳米粒子的制备方法纳米组装材料的制备技术 (1)自组织技术: 借助分子间的弱作用力和协同作用，自动地将分子组装成特定结构。 (2)模板合成法：首先制备一个纳米尺度的笼子，使反应在“纳米笼”中进行，笼作为模板，决定产物的大小和形状。3纳米技术在药学中的应用,难溶性药物的纳米口服、注射制剂：吸收显著提高；纳米缓控释给药系统：载药量高、作用时间长；载药纳米粒：靶向定位给药，减少不良反应。,第三节 溶胶的动力性质,热运动扩散，布朗运动,重力场重力降沉和平衡,离心力场离心降沉和平衡,电学性质,光学性质,动力性质,溶胶性质,第三节 溶胶的动力性质,一. Brown运动与Einstein方程二. 扩散和渗透三. 重力沉降与沉降平衡,一. Browm运动与Einstein方程,Browm运动：溶胶粒子在介质中无规则的运动,原因：粒子受各个方向介质分子的撞击撞击的动量不能完全抵消而移动 分子热运动的宏观表现。,Einstein公式：Brown运动平均位移的计算,其关系：,若在时间 t 内观察布朗运动位移 ，,很容易在超显微镜下观察，由此可求得溶胶粒子半径,二. 扩散和渗透,扩散：溶质从高浓度（大）向低浓度（小）移动的现象。 结果Gibbs能G，熵S，是自发进行的过程 。,扩散速度与浓梯关系Fick第一定律,mols1,扩散系数,面积,浓度梯度,1扩散,扩散系数与Brown运动平均位移关系：,Einstein-Brown运动位移方程,Einstein扩散系数方程,渗透压：半透膜两侧的压差 =p2p1平衡时两侧化学势相等可导出稀溶液的 = cRT( c: mol/m3 ),二. 扩散和渗透,2渗透（osmosis） 渗透：溶剂通过半透膜（对溶质不通透）向溶质高浓度区移动的现象 （对溶剂而言，浓度从高低）,渗透压,渗透压 = p2 p1,反渗透：施加外压，使溶剂分子从溶液一侧透过半透膜进入纯溶剂一侧,Vant Hoff公式,二. 扩散和渗透,例 金溶胶浓度为2 gdm3,介质粘度为0.00l Pas。已知胶粒半径为1.3 nm，金的密度为19.3103 kgm3。计算金溶胶在25C时(1) 扩散系数,(2) 布朗运动移动0.5 mm的时间,(3) 渗透压。,解 (1) 扩散系数,(2),二. 扩散和渗透,例 金溶胶浓度为2 gdm3,介质粘度为0.00l Pas。已知胶粒半径为1.3 nm，金的密度为19.3103 kgm3。计算金溶胶在25C时(1) 扩散系数,(2) 布朗运动移动0.5 mm的时间,(3) 渗透压。,解 (1),(2),(3) 将浓度2 gdm3转换为体积摩尔浓度，,molm-3,=cRT=0.018708.314298.16=46.34 Pa,三. 重力沉降与沉降平衡,溶胶粒子在外力场作用下的定向移动称沉降（sedimentation）,沉降粒子浓集 扩散粒子分散,粒子小，力场弱扩散 粒子大或力场强沉降 扩散沉降相当平衡,三. 重力沉降与沉降平衡,1. 重力沉降,重力场：不强的力场，粗分散系可有明显沉降,平衡力：,F沉 = F阻,F沉 = F重 F浮= Vg V0g,F阻= 6rv（球形沉降粒子）,6rv,沉降速度,沉降分析法，测v求粒径r (2) 落球式粘度计，测v求,（ 107m r 波长散射：粒径 波长小分子粒径太小，散射光不明显,一溶胶的光散射现象,电磁场作用,一溶胶的光散射现象,Tyndall效应,现象：暗室中光线通过溶胶时形成的“光柱”,成因：,二次光源,散射是溶胶特有的现象,用Tyndall效应可鉴别小分子溶液、大分子溶液和溶胶。,二. Reyleigh散射公式,I 散射光强度A 入射光振幅 波长, 粒子浓度(粒子数/体积) V 单个粒子体积n1，n2 粒子，介质折光率,Rayleigh公式适用于不导电、不吸收光的非金属球形粒子溶胶。,1871年，Rayleigh研究了大量的光散射现象，对于粒子半径在47nm以下的溶胶，导出了散射光强度的计算公式，称为Rayleigh公式：,二. Reyleigh散射公式,可见光 400 700 nm （兰 红）,从侧面看溶胶，呈兰色（散射）,(2) I ，粒子浓度越大，散射光越强 浊度法测定溶胶的浓度,(3) I V2，粒子体积越大，散射光越强,(4) I 与折光率差 n 有关，n 越大，散射光越强 因此散射光是由于光学不均匀性引起的大分子溶液单相，n小，I 就小,波长越短，散射光越强,(1) ，,三. 溶胶的颜色,吸收，与观察方向无关 散射，与观察方向有关,若吸收较强，主要表现为其补色，如Au 溶胶（红），As2S3 溶胶（黄）若吸收很弱，主要表现为散射，如AgCl，BaSO4溶胶乳光粒子大小可改变吸收 散射相对比 如Au溶胶高度分散时，吸收为主：红放置后粒子增大，散射为主：兰,二个因素,四. 溶胶粒径的测定,普通显微镜：明视野，分辩率107m，无法计数,超显微镜：是强光源照射，在与入射光垂直的方向上及黑暗视野的条件下观察。这样可以看到一个个闪闪发亮、不断移动的光点。,一般显微镜是在入射光的反方向上观察，散射角= 180o (观察方向与入射光方向之间的夹角)，这时的散射光受到透射光强烈的干扰，故不能看到胶体粒子的存在。,超显微镜分辨率高，可以研究半径为5150 nm的粒子。但是，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。是目前研究憎液胶体非常有用的手段之一。,