表面和膠體化學(xué)：第一章 緒論

1、表面和膠體化學(xué)Surface Chemistry and Colloids 膠體理論的發(fā)展歷史1.1.1 定義： 膠體科學(xué)是研究微觀不均相體系的科學(xué)，凡是在固、液、氣相中含有固、液、氣微粒的體系（氣-氣體系除外）,微粒的大小在1-100nm以至1000nm之間，均屬膠體科學(xué)研究的范圍。 膠體是物質(zhì)存在的一種特殊狀態(tài)，而不是一種特殊的物質(zhì)。 1.1.2 膠體科學(xué)概述 膠體科學(xué)是一門密切聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際的科學(xué)，其研究已成為許多具有重要意義的材料和工程的理論基礎(chǔ)，如填料，許多復(fù)合材料和功能材料、工業(yè)懸浮與浮液、顏料與涂料，而新能源開發(fā)、土壤改良、海水淡化、人工降雨、污染防治、生物膜和血液的研制等無不與這

2、一學(xué)科有密切關(guān)系。 膠體理論的發(fā)展歷史1.1.3 膠體理論的發(fā)展瓶頸 膠體科學(xué)是一門古老的科學(xué)，但長期以來，由于膠體體系的復(fù)雜性，許多規(guī)律停留在定性或半定量的描述。近40 年這門學(xué)科有了明顯的發(fā)展與突破。膠體理論的發(fā)展歷史膠體理論的發(fā)展膠體理論的發(fā)展瓶頸 分散體系如果是粒子大小一致稱為單分散體系，而實(shí)際工作中遇到的大多數(shù)是不止一種粒徑，稱為多分散體系，多分散體系給數(shù)學(xué)處理帶來困難，“粗放處理”很難得到理想的結(jié)果，所以膠體化學(xué)的理論發(fā)展多來自物理學(xué)家們的貢獻(xiàn)。如DLVO理論。 膠體理論的發(fā)展膠體理論的發(fā)展瓶頸 膠體理論發(fā)展的另一個(gè)瓶頸在于測(cè)試條件。盡管奧斯瓦爾德很早就呼吁人們重視膠體體系，它們可

3、能引起材料性能極大的改變，但是由于條件限制，膠體體系并不可能直接測(cè)試，直到1981年，IBM公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的兩位科學(xué)家賓尼和羅雷爾發(fā)明了掃描隧道顯微鏡(STM) ，人們才第一次看到了原子，看到了原子在物質(zhì)表面上的排列形式。膠體理論的發(fā)展STM的發(fā)明，為人們認(rèn)識(shí)納米世界提供了強(qiáng)有力的工具，被認(rèn)為是20世紀(jì)末的重大科技成就之一。為此，這兩位科學(xué)家與觀察納米世界的另一重要工具電子顯微鏡的發(fā)明人魯斯卡一道，獲得了1986年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。膠體理論的發(fā)展掃描電鏡（SEM）用于觀察二次粒子，透射電鏡（TEM）是檢測(cè)一次粒子的直觀方法，原子力顯微鏡用于觀測(cè)一塊表面的三維表面結(jié)構(gòu)，類似于航空測(cè)量拍攝的照

4、片，由顏色深淺在計(jì)算機(jī)上可直接表出此處粒徑。膠體理論的發(fā)展圖1 氧化鈦的TEM照片 圖2 氧化鈦的SEM照片圖 3 氧化鈦，氧化硅復(fù)合物的AFM圖，右為三維立體圖，世界各國的膠體雜志（部分） 荷蘭： Advance in Colloid and Interface Science Surface Science 美國： Progress in Surface Science Journal of Colloid and Interface Science Langmuir 膠體雜志膠體雜志日本： Colloid and Surface Chemistry德國： Colloid and Poly

5、mer Science1.2.1分散體系的分類Ostwald分類 粗分散（懸浮、乳液） 膠體分散（溶膠、微乳液） 分子分散1.2.2 膠體體系的分類 1.Perin和Freundlich分類 憎液膠體 親液膠體（水溶性高分子或聚電解質(zhì)）第一章: 緒論類型粒子大小粗分散大于1000nm膠體分散11000nm分子分散小于1nm膠體的定義和特點(diǎn)2. 膠體研究對(duì)象的熱力學(xué)分類 狹義膠體體系（納米分散體系） 締合膠體 高分子溶液1.2.3 膠體的特點(diǎn) 1. 最大比表面、界面現(xiàn)象 巨大的表面和表面能使膠體體系具有很強(qiáng)的吸附能力，可用于制造各種吸附劑和催化劑。膠體的定義和特點(diǎn)粒徑/nm n=表面上的原子數(shù)/

6、總原子數(shù) 20 10 10 20 5 40 2 80 1 99膠體的定義和特點(diǎn)2. 最強(qiáng)烈的尺寸效應(yīng) 這種效應(yīng)（光散射、電磁特性、力學(xué)特性等）是和膠體的尺寸大小而不是與其表面有關(guān)的。 Q顆粒：1-10nm的顆粒，Q代表量子力學(xué)效應(yīng) 或尺寸量子化效應(yīng)。 膠體的定義和特點(diǎn)納米材料的性能： 熔點(diǎn)變化：12nm的TiO2在室溫下就已熔合。 力學(xué)性能：5000C時(shí)所得硬度相當(dāng)于粗晶材在1100 0C燒結(jié)所得。 電學(xué)性質(zhì)：kubo效應(yīng)很難從小于10nm的金屬粒 子種取去或注入電子。這種粒子具有保 持電子 中性的趨勢(shì)，對(duì)比熱容、磁化 和超導(dǎo)電性都有重要影響。 隧道效應(yīng)：顆粒間距小于5nm時(shí)，電子可穿過顆粒

7、間勢(shì)壘而傳遞。1.3 研究內(nèi)容及應(yīng)用領(lǐng)域1.3.1 研究內(nèi)容 分散體系、界面現(xiàn)象、有序組合體。兩個(gè)根本問題：1. 相互作用力，主要是弱作用力（分子間力與界面力）2. 研究和控制分子集合體的堆積和排列，研究二級(jí)結(jié)構(gòu)以至三級(jí)結(jié)構(gòu)的科學(xué)。研究內(nèi)容及應(yīng)用領(lǐng)域1.3.2 膠體科學(xué)的應(yīng)用1.能源 微乳液技術(shù)提高油的利用率，代油煤漿的開發(fā)，三次采油等均涉及微乳液和懸濁液的形成和穩(wěn)定性研究，涉及到分散體系流變性質(zhì)的研究。2.信息材料 分子電子學(xué)和納米電子學(xué)，膠體科學(xué)中的研究內(nèi)容及應(yīng)用領(lǐng)域 LB膜技術(shù)，吸附理論，溶液中有序分子組合體都十分有用。如DNA檢測(cè)器。3.醫(yī)藥與仿生 藥物緩慢釋放、靶向給藥及化學(xué)和材料的

8、膜模擬等。4.環(huán)境科學(xué) 解決膠體形式存在的污染等。1952年倫敦?zé)熿F事件 1952年倫敦?zé)熿F事件是1952年12月5日9日發(fā)生在倫敦的一次嚴(yán)重大氣污染事件。 這次事件造成多達(dá)12000人因?yàn)榭諝馕廴径鴨噬?，并推進(jìn)了英國環(huán)境保護(hù)立法的進(jìn)程。煤炭燃燒產(chǎn)生的二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、粉塵等氣體與污染物在城市上空蓄積，引發(fā)了連續(xù)數(shù)日的大霧天氣。 洛杉磯光化學(xué)煙霧事件 美國洛杉磯光化學(xué)煙霧事件是世界有名的公害事件之一，40年代初期發(fā)生在美國洛杉磯市。光化學(xué)煙霧是大量碳?xì)浠衔镌陉柟庾饔孟?，與空氣中其他成份起化學(xué)作用而產(chǎn)生的。這種煙霧中含有臭氧、氧化氮、乙醛和其他氧化劑，滯留市區(qū)久久不散。在1952年12月的一次光化學(xué)煙霧事件中，洛杉磯市65歲以上的老人死亡400多人。1955年9月，短短兩天之內(nèi)，65歲以上的老人又死亡400余人。洛杉磯光化學(xué)煙霧事件 這種煙霧是由于汽車尾氣和工業(yè)廢氣排放造成的，汽車尾氣中的烯烴類碳?xì)浠衔锖投趸慌欧诺酱髿庵泻?，在?qiáng)烈的陽光紫外線照射下，會(huì)吸收太陽光所具有的能量。這些物質(zhì)的分子在吸收了太陽光的能量后，會(huì)變得不穩(wěn)定起來，原有的化學(xué)鏈遭到破壞，形成新的物質(zhì)。這種化學(xué)反應(yīng)被稱為光化