第十章 胶体化学,基本要求: 1、理解分散系统的分类及胶体的定义。 2、理解溶胶的光学性质、动力学性质、电学性质 3、理解双电层结构的斯特恩模型， 4、理解溶胶的稳定和破坏的原因。 5、了解乳状液的类型与稳定性。,重点： 1.分散系统的分类及胶体的定义 2.胶体系统的光学性质与动力性质 3.溶胶系统的电学性质,101 、分散系统的概念 1、分散系统：一种或几种物质分散在另一种物质中所构成的系统。通常把被分散的物质称为分散相，起到分散作用的物质叫分散介质。分两大系统：均相分散系统分散相及分散介质之间无相界面存在，是热力学稳定的系统。非均相分散系统物质以微相形态分散在分散介质中所形成的多相系统。,按分散质（分散相）及分散介质的聚集态分类,2、分散系的分类,按分散质的质点大小分类,类 型 粒子的大小 实 例,小分子或小离子分散系统 10-9m 空气、乙醇的水溶液 胶体分散系统 10-910-6m Al(OH)3水溶胶 粗分散系统 10-6m 泥浆,3、 胶体分散系统分散相的粒子只要它们至少有一维空间的尺寸, 10-910-6m范围。胶体分散系统包括：（1）溶胶溶胶也叫憎液溶胶：难溶物分散在分散介质中，相的界面明显。粒子能通过滤纸，但不能透过半透膜，扩散速度慢，在普通显微镜下看不见。其主要基本特征是：高度分散的、多相的、热力学不稳定系统。（2）高分子溶液大分子物质分散于分散介质之中（也叫亲液溶胶）。无明显界面。其主要特征是；高度分散的、均相的、热力学稳定系统。,（3）缔合胶体通常由结构中含有非极性的碳氢化合物部分和较小的极性基 团的电解质分子缔合成的粒子（表面活性剂）称为胶束，分散于另一相中形成的系统。粒子与分散介质之间存在相的界面， 特征：高度分散的，多相的，热力学较稳定系统的系统。三种胶体分散系统的共同特性: 透明(或不透明)；可发生光散射；胶粒扩散速度慢；不能透过半透膜；有较高的渗透压。3、粗分散系统粗分散系统包括乳状液、悬浮液、泡沫等，它们在性质及研 究方法上与胶体分散系统有许多相似之。,102、溶胶的制备和净化 1、溶胶的制备：粒子大小在胶体范围内。 分散法: 大变小。 凝聚法: 小变大。为了获得稳定的溶胶，还需满足两个条件：一是分散相在介质中的溶解度要小；二是需要加入第三者作为稳定剂。,溶胶质点大小1nm 1000nm,小分子溶液质点大小 1mm,小变大,大变小,凝聚法,分散法,更换溶剂法,化学反应法,物理凝聚法,电弧法,超声分散法,研磨法,物理凝聚法：蒸气凝聚法：过饱和法：（有机溶胶） 化学凝聚法： 制金溶胶 KAuO2+3HCHO+K2CO32Au+3HCOOK+KHCO3 制硫化砷溶胶 2H3AsO3 + 3H2S As2S3溶胶 + 6H2O 制氢氧化铁溶胶 FeCl3+3H2O(沸水) Fe(OH)3溶胶 + 6H2O,(1)凝聚法,(2)分散法: 由粗分散系统的较大分子分散成较小的溶胶分子。 机械研磨： 球磨机，胶体磨。 超声波分散：高于16000Hz超声波通入体系。 电弧法：将欲分散的金属作电极，冷水中有少量NaOH，通直流电，调节电极距离产生电弧，金属原子蒸发、冷却，成金属胶体。,2、溶胶的净化少量的电解质可使溶胶稳定；过量的电解质可使溶胶聚沉。最常见的是“渗析法”。 使用半透膜。电渗析法。目的：去处多余的电解质。,半透膜,Fe(OH)3溶胶,电极,半透膜,超过滤：利用具有微孔的薄膜或滤片，在加压或吸滤的情况下，让介质连同其中的电解质或低分子杂质透过滤膜成为滤液，从而分离胶粒与介质。,介质、 可溶性杂质,漏斗,微孔薄膜或滤片,溶胶,加压气源,加料口,渗析和超过滤技术在生物化学、 医学、药物学等方面应用广泛。,例1：利用超过滤法测定蛋白质、 酶分子的大小。在微生物学中，研究病毒和细菌的大小等。,例2：在生物医学中，人工肾是渗析和超过滤原理应用的典型例子。 肾脏的功能之一是利用它的渗析膜来除去血液中的有害物质和排泄 成分。（聚甲基丙烯酸甲酯膜）,丁达尔现象的实质是溶胶对光的散射作用。,11-3 溶胶的性质1、溶胶的光学性质 （1）丁达尔效应由于溶胶的光学不均匀性，当一束波长大于溶胶分散相粒子尺寸的入射光照射到溶胶系统，可发生散射现象丁达尔现象。如图所示：,（2）雷利公式,光学现象：当光线照射到微粒上时，可能发生情况：a、微粒尺寸大于入射光波长很多时，发生光的反射(或折射)；b、 若微粒尺寸小于入射光波长时，则发生光的散射；C、微粒尺寸等于入射光波长时，则发生光的吸收。可见光的波长在400760nm的范围，大于一般溶胶粒子（小于100nm）的尺寸。,I 1/4 天空是兰色，夕阳是红色的。防雾灯用黄色灯, 禁止信号灯用红灯. I V 2 溶胶散射强烈，真溶液散射极弱。I n C， 浊度计原理I 1/ I 2= c 1/ c 2,防雾灯用黄色灯,高度分散的憎液溶胶从外观上看是完全透明的，利用雷利散射原理设计的超显微镜。应用电子显微镜，可以将物像放大10万50万倍，能直接观察到粒子形状及测定某些胶核的大小。,显微镜观察,胶体,光线,聚光镜,强光源照射；在与入射光垂直的方向观察 闪闪发亮、不断移动的光点黑暗视野 （如黑夜观看漫天星斗）,光点是散射光点，而不是胶体粒子本身，光点的大小实际比粒子本身大数倍之多。 超显微镜不能直接观察到粒子的形状和大小。,1、估测粒子的平均半径,2、推测粒子的形状,不闪光的球形（对称，有光但不闪）、正四面 体、正八面体等静止时闪光，流动时不闪光棒形静、动均闪光的片形,3、估计溶胶的分散均匀度,发光点的亮度相差不多系统分散度比较均匀 所有发光点的亮度相差较大分散很不均匀（较大粒子散射较多光）,2、溶胶的动力学性质溶胶是一种高度分散的多相系统，在热力学上是不稳定的。 溶胶会自动聚结为大粒子，使整个胶体系统遭到破坏。但溶胶 却能稳定存在，其主要原因是溶胶的动力学性质。（1）布朗运动与扩散在显微镜下可观察到悬浮在水中的花粉颗粒作永不停息的无 规则运动，称为布朗运动。用超显微镜可以观察布朗运动。,产生布朗运动的原因是分散介 质分子对胶粒撞击的结果。受介质 分子的热运动的撞击，在某一瞬间，,爱因斯坦用几率的概念和分子 运动论的观点，导出了爱因斯坦- 布朗平均位移公式,溶胶粒子的布朗运动会引起溶胶中分散相粒子的扩散作用。 推动力是浓度梯度。可用经推导：,式中D为扩散系数，它的物理意义是在单位浓度梯度下，单位 时间内，通过单位面积的质量。从D可求得粒子的大小。 粒子的半径越小，介质的粘度越小，温度越高，则D越大，粒子越易扩散。,（2）沉降与沉降平衡多相分散系统中的物质粒子，由于受自身的重力作用而下沉 的过程，称之为沉降。 沉降平衡：若扩散速率等于沉降速率（动态平衡）。此时，粒子分布的浓度梯度不变。达到沉降平衡时，粒子浓度随高度的分布为：,式中，c2、c1分别为高度h2、h1截面上粒子的浓度； 及0分别为分散相(粒子)及分散介质的密度；M为粒子相对分子质量；上式不受粒子形状的限制，但要求粒子大小相等。,表103 不同大小的粒子的高度分布,藤黄悬浮体 2.3010-7 310-5粗分散金溶胶 1.8610-7 210-7金溶胶 8.3510-9 210-2高分散金溶胶 1.8610-9 2.15氧气 2.7010-10 5103,体 系 粒子直径（m） 粒子浓度降低一半时的高度（m）,分散相的粒子很小，沉降速度极为缓慢，有时无法测定其沉降速度。可利用超离心机（其离心力可达地心引力的106倍以上）加快沉降速度。,如：蛋白质、核酸、病毒等生命物质的研究，就利用超速离心机分离 。,10-3 、溶胶的电学性质（1）电动现象,实验显示： 正溶胶向负极移动； 负溶胶向正极移动；,电泳在外加电场作用下，带 电的分散相粒子在分散介 质中向相反符号电极移动 的现象。如图所示。,Fe(OH)3溶胶向阴极移动Fe(OH)3胶体粒子带正电,+,+,电泳的应用： a）生化中分离各种氨基酸和蛋白质.N+HRCOOH， NH2RCOOH （等电点） NH2RCOO（医学判断患者肝硬度） b）纸上电泳 ，凝胶电泳(生化分析) c）高压毛细管电泳(化学分析) d）显微电泳 (测 电位) e）静电除尘 f）电泳镀漆 g）电泳电镀,电渗在外加电场作用下，分散介质(由过剩反离子所携带)通过多孔膜或极细的毛细管移动的现象(此时带电的固相不动)。,电渗现象示意图,正极粘土粒子不断富集，水变浑浊，且水面略下降， 负极管内水慢慢上升。, 流动电势和沉降电势流动电势 在外加压力下，迫使液体流经相对静止的固体表面(如毛细管)而产生的电势叫流动电势(它是电渗的逆现象)。,沉降电势 由于固体粒 子或液滴在分散介质中沉降 使流体的表面层与底层之间 产生的电势差叫沉降电势(它是电泳的逆现象)。,（2）带电原因 （a）吸附：固体表面可以从溶液中有选择的吸附某种离子而带电。与胶粒有相同的化学元素的离子可优先吸附。 （b）电离：固体表面上的物质粒子，在溶液中发生电离，也可导致固体表面带电。（c）非电解质之间的摩擦：介电常数D大者带正电，小者带负电。,双电层结构斯特恩模型 如 图所示：,热力学电势 由固体表面至溶液本体间的电势差 e；斯特恩电势 由紧密层与扩散层之间的分界 处至溶液本体间的电势差 ； 电势(动电电势) 由滑动面至溶液本体间的电势 差。反映了胶粒带电的程度。 电泳参数。,（3）双电层结构,热力学电势与电动电势的区别：1）、数值不同： = + e；2）影响因素不同： 只与被吸附的离子浓度有关； 不仅与被吸附的离子浓度有关也与其他离子浓度有关；等电状态： =03） 电势与电泳速度有关， 与电泳速度无关。电迁移率,若在溶胶中加入电解质，则会对电泳有显著影响。随溶胶中外加电解质的增加，电泳速度常会降低至变为零，甚至改变胶粒的电泳方向。,（3）、溶胶的胶团结构溶胶中的分散相与分散介质之间存在着界面。因此，按扩散 双电层理论，可以设想出溶胶的胶团结构。以KI溶液滴加至 AgNO3溶液中形成的AgI溶胶(正溶胶）为例：胶团结构式见图,胶粒带电，可随电泳移动； 整个胶团不带电。,胶团的结构也可以用下面的剖面图来描述。,练习：写出下列溶胶的胶团结构：1、FeS溶胶，稳定剂H2S；2、SiO2溶胶，稳定剂SiO32-；3、Fe（OH）3溶胶，稳定剂FeCl3；,