《膠體分散系統(tǒng)》ppt課件

1、第八章第八章 膠體分散系統(tǒng)膠體分散系統(tǒng)Chapter 8 Colloid 一種或幾種物質(zhì)高度分散在另一種物質(zhì)中所構(gòu)一種或幾種物質(zhì)高度分散在另一種物質(zhì)中所構(gòu)成的系統(tǒng)稱為分散系成的系統(tǒng)稱為分散系disperse system 被分散的物質(zhì)稱為分散相被分散的物質(zhì)稱為分散相dispersed phase 包容分散相的物質(zhì)稱為分散介質(zhì)包容分散相的物質(zhì)稱為分散介質(zhì)dispersion medium分散系概念分散系概念分散系分散系均相分散系均相分散系非均相分散系非均相分散系小分子、離子溶液小分子、離子溶液高分子溶液高分子溶液膠體膠體粗分散系粗分散系廣義的膠體廣義的膠體分散系，是分散系，是膠體化學(xué)的膠體化學(xué)的

2、研討對(duì)象。研討對(duì)象。第一節(jié)第一節(jié) 溶膠的分類和根本特性溶膠的分類和根本特性分散相分散相 分散介質(zhì)分散介質(zhì) 分散系稱號(hào)分散系稱號(hào) 實(shí)例實(shí)例 氣氣 空氣空氣 液液 氣氣 氣溶膠氣溶膠 霧霧 固固 煙、塵煙、塵 氣氣 泡沫泡沫 液液 液液 液溶膠液溶膠 牛奶、原油牛奶、原油 固固 渾濁的河水、油漆渾濁的河水、油漆 氣氣 泡沫塑料、面包泡沫塑料、面包 液液 固固 固溶膠固溶膠 珍珠珍珠 固固 合金、有色玻璃合金、有色玻璃膠體的根本特性膠體的根本特性1.高分散性高分散性2.多相性多相性3.聚結(jié)不穩(wěn)定性聚結(jié)不穩(wěn)定性第二節(jié)第二節(jié) 溶膠的制備與凈化溶膠的制備與凈化 1將大塊物體粉碎，使之到膠體范圍，稱為分散法

3、將大塊物體粉碎，使之到膠體范圍，稱為分散法2使小的分子、離子凝聚成膠體分散相，稱為凝聚使小的分子、離子凝聚成膠體分散相，稱為凝聚法。法。一、溶膠的制備一、溶膠的制備 用化學(xué)凝聚法制備的溶膠通常含有分子、離子等用化學(xué)凝聚法制備的溶膠通常含有分子、離子等雜質(zhì)，過(guò)量的電解質(zhì)會(huì)影響溶膠的穩(wěn)定性，需求凈化雜質(zhì)，過(guò)量的電解質(zhì)會(huì)影響溶膠的穩(wěn)定性，需求凈化除去。除去。 常用的溶膠凈化方法有兩種：滲析常用的溶膠凈化方法有兩種：滲析dialysis包括電滲析和超濾包括電滲析和超濾ultrafiltration 。 二、溶膠的凈化二、溶膠的凈化三、均勻分散膠體三、均勻分散膠體 在嚴(yán)厲控制的條件下有能夠制備出粒子外形

4、一在嚴(yán)厲控制的條件下有能夠制備出粒子外形一樣、尺寸相差不大的膠體，稱為均勻分散膠體。樣、尺寸相差不大的膠體，稱為均勻分散膠體。 制備時(shí)需滿足的條件：在極短的時(shí)間內(nèi)迅速生制備時(shí)需滿足的條件：在極短的時(shí)間內(nèi)迅速生成大量晶核，之后確保晶核同步長(zhǎng)大。成大量晶核，之后確保晶核同步長(zhǎng)大。 重要運(yùn)用：重要運(yùn)用：1驗(yàn)證根本實(shí)際；驗(yàn)證根本實(shí)際；2理想的理想的規(guī)范資料；規(guī)范資料；3新資料；新資料；4催化劑性能的改動(dòng)；催化劑性能的改動(dòng)；5制造特種陶瓷。制造特種陶瓷。四、納米粒子和納米技術(shù)四、納米粒子和納米技術(shù)第三節(jié)第三節(jié) 溶膠的動(dòng)力性質(zhì)溶膠的動(dòng)力性質(zhì) 在顯微鏡下察看到的膠體粒子在介質(zhì)中的無(wú)規(guī)在顯微鏡下察看到的膠體粒

5、子在介質(zhì)中的無(wú)規(guī)那么的運(yùn)動(dòng)稱為布朗運(yùn)動(dòng)。那么的運(yùn)動(dòng)稱為布朗運(yùn)動(dòng)。Brown運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng) Brown運(yùn)動(dòng)的實(shí)踐途徑雖然雜亂無(wú)章，但在一運(yùn)動(dòng)的實(shí)踐途徑雖然雜亂無(wú)章，但在一定時(shí)間內(nèi)，粒子挪動(dòng)的平均投影位移卻具有一定的定時(shí)間內(nèi)，粒子挪動(dòng)的平均投影位移卻具有一定的數(shù)值。數(shù)值。 XrL3RTt=式中，式中， 為時(shí)間為時(shí)間t內(nèi)粒子在內(nèi)粒子在x軸方向的平均位移；軸方向的平均位移；為介質(zhì)的粘度；為介質(zhì)的粘度；L為為Avogadro常數(shù)；常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；為絕對(duì)溫度；R為氣體常數(shù)。為氣體常數(shù)。X 溶膠粒子在介質(zhì)中由高濃度區(qū)自發(fā)地向低濃溶膠粒子在介質(zhì)中由高濃度區(qū)自發(fā)地向低濃度區(qū)遷移的景象稱為分散度區(qū)遷移的景象稱為分散

6、diffusion。 分散分散 dtdndxdC= DA 式中，式中，dn / dt為在一定的濃度梯度為在一定的濃度梯度dC / dx下，單位時(shí)下，單位時(shí)間內(nèi)粒子經(jīng)過(guò)截面積間內(nèi)粒子經(jīng)過(guò)截面積A的物質(zhì)的量。比例系數(shù)的物質(zhì)的量。比例系數(shù)D稱為稱為分散系數(shù)分散系數(shù)diffusion coefficient。 Einstein推導(dǎo)了粒子在推導(dǎo)了粒子在t時(shí)間內(nèi)的平均位移與分散系時(shí)間內(nèi)的平均位移與分散系數(shù)數(shù)D之間的關(guān)系式：之間的關(guān)系式： r61LRTD = 懸浮在介質(zhì)中的固體顆粒下降，而與介質(zhì)分別的懸浮在介質(zhì)中的固體顆粒下降，而與介質(zhì)分別的過(guò)程稱為沉降過(guò)程稱為沉降sedimentation 。沉降與沉降平

7、衡沉降與沉降平衡重力沉降速率重力沉降速率gr343 F重 =F浮浮 =gr3403g)(r3403F沉沉 = F重重 F浮浮 = F阻阻 = 6rV g)(r3403 6rV 9g)(r202當(dāng)當(dāng)=時(shí)，時(shí)， V=重力沉降平衡與高度分布重力沉降平衡與高度分布 34RTL C = C0exp r30gh 12CC34RTL= exp r3= exp r300g gh2h1h2h1 第四節(jié)第四節(jié) 溶膠的光學(xué)性質(zhì)溶膠的光學(xué)性質(zhì)光的散射光的散射Tyndall景象景象 Tyndall景象是由于溶膠粒子對(duì)光的散射引起的。景象是由于溶膠粒子對(duì)光的散射引起的。Rayleigh散射公式散射公式2202202423

8、)n2nnn(V24I = I0 式中式中I、I0分別為散射光和入射光的強(qiáng)度，分別為散射光和入射光的強(qiáng)度，n、n0分別分別為分散相和分散介質(zhì)的折射率，為分散相和分散介質(zhì)的折射率，為入射光的波長(zhǎng)，為入射光的波長(zhǎng)，V為單個(gè)粒子的體積，為單個(gè)粒子的體積，為單位體積內(nèi)的粒子數(shù)。為單位體積內(nèi)的粒子數(shù)。超顯微鏡測(cè)定粒子大小超顯微鏡測(cè)定粒子大小第五節(jié)第五節(jié) 溶膠的電學(xué)性質(zhì)溶膠的電學(xué)性質(zhì)1電電 泳泳一、溶膠的電動(dòng)景象一、溶膠的電動(dòng)景象2電電 滲滲3流動(dòng)電勢(shì)流動(dòng)電勢(shì) 在外力作用下，液體沿著固體外表流動(dòng)時(shí)，在外力作用下，液體沿著固體外表流動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)，稱為流動(dòng)電勢(shì)。會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)，稱為流動(dòng)電勢(shì)。 4沉降電

9、勢(shì)沉降電勢(shì) 在外力作用下，帶電粒子相對(duì)于液體介質(zhì)運(yùn)在外力作用下，帶電粒子相對(duì)于液體介質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電勢(shì)稱為沉降電勢(shì)。動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電勢(shì)稱為沉降電勢(shì)。 動(dòng)動(dòng) 電電 現(xiàn)現(xiàn) 象象 電泳、電滲、流動(dòng)電勢(shì)和沉降電勢(shì)統(tǒng)稱為動(dòng)電泳、電滲、流動(dòng)電勢(shì)和沉降電勢(shì)統(tǒng)稱為動(dòng)電景象。電景象。 二、溶膠粒子外表電荷的來(lái)源二、溶膠粒子外表電荷的來(lái)源一電離一電離二吸附二吸附三同晶置換三同晶置換四摩擦帶電四摩擦帶電三、膠粒的雙電層構(gòu)造三、膠粒的雙電層構(gòu)造 從粒子外表到本體溶液之間存在著三種電勢(shì)：從粒子外表到本體溶液之間存在著三種電勢(shì)：1 1從粒子外表到本體溶液之間的電勢(shì)稱為外表從粒子外表到本體溶液之間的電勢(shì)稱為外表電勢(shì)或熱力學(xué)電勢(shì)

10、電勢(shì)或熱力學(xué)電勢(shì) 。2從斯特恩平面到本體溶液之間的電勢(shì)稱為斯特從斯特恩平面到本體溶液之間的電勢(shì)稱為斯特恩電勢(shì)恩電勢(shì) ；3從粒子的滑動(dòng)界面到本體溶液之間的電勢(shì)稱為從粒子的滑動(dòng)界面到本體溶液之間的電勢(shì)稱為電動(dòng)電勢(shì)或電動(dòng)電勢(shì)或電勢(shì)電勢(shì)zeta potential。電勢(shì)只是斯特電勢(shì)只是斯特恩電勢(shì)的一部分。恩電勢(shì)的一部分。 普通情況下，外表電勢(shì)與溶液中的外加普通情況下，外表電勢(shì)與溶液中的外加電解質(zhì)無(wú)關(guān)，而電解質(zhì)無(wú)關(guān)，而電勢(shì)卻對(duì)外加電解質(zhì)非常電勢(shì)卻對(duì)外加電解質(zhì)非常敏感。敏感。 某些高價(jià)反離子或大的反離子由于吸附性能很強(qiáng)某些高價(jià)反離子或大的反離子由于吸附性能很強(qiáng)而大量進(jìn)入吸附層，牢牢地貼近在固體外表，可以使

11、而大量進(jìn)入吸附層，牢牢地貼近在固體外表，可以使斯特恩層構(gòu)造發(fā)生明顯改動(dòng)，甚至導(dǎo)致斯特恩電勢(shì)和斯特恩層構(gòu)造發(fā)生明顯改動(dòng)，甚至導(dǎo)致斯特恩電勢(shì)和電勢(shì)改動(dòng)符號(hào)；同樣，某些同號(hào)大離子也可因其劇電勢(shì)改動(dòng)符號(hào)；同樣，某些同號(hào)大離子也可因其劇烈的范德華引力而進(jìn)入吸附層，使斯特恩電勢(shì)電勢(shì)增烈的范德華引力而進(jìn)入吸附層，使斯特恩電勢(shì)電勢(shì)增大，甚至使其高于外表電勢(shì)。大，甚至使其高于外表電勢(shì)。 某些高價(jià)反離子或同號(hào)大離子對(duì)雙電層的影響某些高價(jià)反離子或同號(hào)大離子對(duì)雙電層的影響四、膠團(tuán)構(gòu)造四、膠團(tuán)構(gòu)造AgImn Ag+n xNO3x+ xNO3AgImnIn xK+x x K+五、電泳測(cè)定五、電泳測(cè)定 = =r4qr0E4

12、Kr0第六節(jié)第六節(jié) 膠體的穩(wěn)定性和聚沉作用膠體的穩(wěn)定性和聚沉作用溶膠的穩(wěn)定性溶膠的穩(wěn)定性 1. 動(dòng)力穩(wěn)定性動(dòng)力穩(wěn)定性 溶膠粒子具有劇烈的溶膠粒子具有劇烈的Brown運(yùn)動(dòng)，以致膠粒運(yùn)動(dòng)，以致膠?？梢圆灰蛑亓Χ鲁??？梢圆灰蛑亓Χ鲁?。2. 膠粒帶電的穩(wěn)定作用膠粒帶電的穩(wěn)定作用 在膠粒的周圍存在著反離子的分散層，使每個(gè)在膠粒的周圍存在著反離子的分散層，使每個(gè)膠粒周圍構(gòu)成了離子氛。當(dāng)膠粒相互接近到一定程膠粒周圍構(gòu)成了離子氛。當(dāng)膠粒相互接近到一定程度時(shí)，分散層會(huì)相互重疊，產(chǎn)生靜電斥力，堅(jiān)持了度時(shí)，分散層會(huì)相互重疊，產(chǎn)生靜電斥力，堅(jiān)持了膠體的穩(wěn)定性。因此，膠粒具有足夠大的膠體的穩(wěn)定性。因此，膠粒具有足夠

13、大的電勢(shì)是溶電勢(shì)是溶膠穩(wěn)定的主要緣由。膠穩(wěn)定的主要緣由。3. 溶劑化的穩(wěn)定性溶劑化的穩(wěn)定性 膠團(tuán)中的離子都是溶劑化的；假設(shè)溶劑為水，膠團(tuán)中的離子都是溶劑化的；假設(shè)溶劑為水，就稱為水化。水溶液中的膠粒周圍都構(gòu)成了水化層。就稱為水化。水溶液中的膠粒周圍都構(gòu)成了水化層。水化層具有彈性，可呵斥膠粒接近時(shí)的機(jī)械阻力，水化層具有彈性，可呵斥膠粒接近時(shí)的機(jī)械阻力，從而阻止了溶膠的聚沉。從而阻止了溶膠的聚沉。溶膠的聚沉溶膠的聚沉 溶膠的分散度降低，分散相顆粒變大，最后從介質(zhì)溶膠的分散度降低，分散相顆粒變大，最后從介質(zhì)中沉淀析出的景象，稱為溶膠的聚沉中沉淀析出的景象，稱為溶膠的聚沉coagulation。 不同

14、的電解質(zhì)對(duì)溶膠的聚沉才干不同，電解質(zhì)不同的電解質(zhì)對(duì)溶膠的聚沉才干不同，電解質(zhì)的聚沉才干可用聚沉值來(lái)表示。的聚沉才干可用聚沉值來(lái)表示。 聚沉值是在一定條件下，使一定量的溶膠在一聚沉值是在一定條件下，使一定量的溶膠在一定時(shí)間內(nèi)完全聚沉所需電解質(zhì)溶液的最小濃度。定時(shí)間內(nèi)完全聚沉所需電解質(zhì)溶液的最小濃度。 1. 電解質(zhì)的聚沉作用電解質(zhì)的聚沉作用 使溶膠聚沉的主要是反離子；而且，反離子使溶膠聚沉的主要是反離子；而且，反離子的價(jià)數(shù)越高，其聚沉值就越小，聚沉才干越大。的價(jià)數(shù)越高，其聚沉值就越小，聚沉才干越大。1Schulze-Hardy規(guī)那么規(guī)那么 對(duì)于給定的溶膠，反離子的價(jià)數(shù)分別為對(duì)于給定的溶膠，反離子的

15、價(jià)數(shù)分別為1、2、3時(shí)，時(shí)，其聚沉值與反離子的價(jià)數(shù)的六次方成反比。其聚沉值與反離子的價(jià)數(shù)的六次方成反比。 M +M 2+M 3+ = 1 / 161 / 261 / 36 此規(guī)那么是一個(gè)近似規(guī)那么。此規(guī)那么是一個(gè)近似規(guī)那么。 同價(jià)反離子對(duì)溶膠的聚沉才干雖然相近，但同價(jià)反離子對(duì)溶膠的聚沉才干雖然相近，但仍有差別，特別是一價(jià)離子表現(xiàn)得最為明顯。仍有差別，特別是一價(jià)離子表現(xiàn)得最為明顯。一價(jià)正電反離子的聚沉才干由大到小的順序?yàn)椋阂粌r(jià)正電反離子的聚沉才干由大到小的順序?yàn)椋篐+Cs+Rb+NH4+K+Na+Li+一價(jià)負(fù)電反離子聚沉才干由大到小的順序?yàn)椋阂粌r(jià)負(fù)電反離子聚沉才干由大到小的順序?yàn)椋篎IO3H2P

16、O4BrO3ClClO3BrICNS 同價(jià)反離子的聚沉才干的這一順序稱為感膠離子同價(jià)反離子的聚沉才干的這一順序稱為感膠離子序序lyotropic series。 起聚沉作用的雖然是反離子，但與溶膠所帶電起聚沉作用的雖然是反離子，但與溶膠所帶電荷同號(hào)的離子也具有一定的影響。普通來(lái)說(shuō)，同號(hào)荷同號(hào)的離子也具有一定的影響。普通來(lái)說(shuō)，同號(hào)離子可以降低反離子的聚沉作用，其規(guī)律是：同號(hào)離子可以降低反離子的聚沉作用，其規(guī)律是：同號(hào)離子的價(jià)數(shù)越高，或離子越大，它對(duì)溶膠的穩(wěn)定性離子的價(jià)數(shù)越高，或離子越大，它對(duì)溶膠的穩(wěn)定性就越顯著。就越顯著。2同號(hào)離子的影響同號(hào)離子的影響 有時(shí)少量的電解質(zhì)可以使溶膠聚沉，隨著電解有

17、時(shí)少量的電解質(zhì)可以使溶膠聚沉，隨著電解質(zhì)濃度的逐漸添加，沉淀又重新分散成溶膠，并使質(zhì)濃度的逐漸添加，沉淀又重新分散成溶膠，并使膠粒所帶的電荷改動(dòng)符號(hào)；電解質(zhì)濃度繼續(xù)添加時(shí)，膠粒所帶的電荷改動(dòng)符號(hào)；電解質(zhì)濃度繼續(xù)添加時(shí)，溶膠再次發(fā)生聚沉，這種景象稱為不規(guī)那么聚沉。溶膠再次發(fā)生聚沉，這種景象稱為不規(guī)那么聚沉。 3不規(guī)那么聚沉不規(guī)那么聚沉 假設(shè)將兩種帶相反電荷的溶膠相互混合，那么會(huì)假設(shè)將兩種帶相反電荷的溶膠相互混合，那么會(huì)發(fā)生聚沉，稱為相互聚沉景象。相互聚沉的程度與兩發(fā)生聚沉，稱為相互聚沉景象。相互聚沉的程度與兩種溶膠的相對(duì)量有關(guān)，當(dāng)兩種溶膠粒子所帶的電荷全種溶膠的相對(duì)量有關(guān)，當(dāng)兩種溶膠粒子所帶的電荷全部被中和時(shí)聚沉最完全。部被中和時(shí)聚沉最完全。 2. 異電溶膠的相互聚沉景象異電溶膠的相互聚沉景象1維護(hù)作用維護(hù)作用2絮凝作用絮凝作用3. 高分子溶液對(duì)溶膠的作用高分子溶液對(duì)溶膠的作用第七節(jié)第七節(jié) 乳狀液、泡沫和氣溶膠乳狀液、泡沫和氣溶膠一、乳狀液一、乳狀液 液液分散的系統(tǒng)為乳狀液，有液液分散的系統(tǒng)為乳狀液，有O/W型和型和W/O型兩種，制備乳狀液需運(yùn)用乳化劑。型兩種，制備乳狀液需運(yùn)用乳化劑。 普通乳狀液為粗分散系統(tǒng)，液滴半徑小于普通乳狀液為粗分散系統(tǒng)，液滴半徑小于100 nm時(shí)稱為微乳，微乳是熱力學(xué)穩(wěn)定系統(tǒng)，在時(shí)稱為微乳，微乳是熱力學(xué)穩(wěn)定