膠體與表面化學(xué)第一講

1、膠體與表面化學(xué) 1日常生活中的膠體知識1土壤的保肥作用 2江河入?？谔幮纬扇侵?3明礬的凈水原理 4工業(yè)靜電、高壓除塵 5不同品種的墨水不能混用 6血性不同的人不能相互輸血 7面粉廠不能穿鐵釘鞋2第一章 緒論一、膠體化學(xué)(Colloid Chemistry)的發(fā)展簡史滲析實驗與“膠體”名詞的由來 （1861 英國 膠體化學(xué)之父格雷哈姆提出了膠體的英文名稱(colloid)。導(dǎo)致一門有系統(tǒng)性的新學(xué)科膠體化學(xué)的建立。） 他在實驗中發(fā)現(xiàn)形成某些溶液的物質(zhì)不能透過半透膜，也不能從溶液中結(jié)晶出來，他稱這種物質(zhì)為膠體。而將能透過半透膜，溶劑蒸發(fā)后能結(jié)晶出來的物質(zhì)稱為晶體。現(xiàn)在我們知道，膠體和晶體并不是物

2、質(zhì)的分類，而是物質(zhì)的兩種不同狀態(tài)，同一種物質(zhì)在不同的條件下可以形成膠體，也可以形成晶體。研究膠體及其相關(guān)的表面現(xiàn)象的科學(xué)稱為膠體化學(xué)（colloid chemistry）。 3上述實驗結(jié)果的推斷：膠體是一定分散范圍內(nèi)物質(zhì)存在的一種狀態(tài)，而不是物質(zhì)固有的特性。膠體是高度分散的體系，具有很大的表面積有擴散慢和不能透過半透膜，推斷膠體溶液中的質(zhì)點不是以小分子而是以大粒子形式分散在介質(zhì)中膠體粒子在重力場下不沉降或沉降速度極慢，推斷分散質(zhì)點不會太大，約1nm-1m4膠體化學(xué)的發(fā)展簡史-膠體化學(xué)是一門古老而又年輕的學(xué)科祖先制造陶器、漢朝利用纖維造紙、后漢發(fā)明墨水、豆腐制作等等古埃及利用木材浸水膨脹來破裂山

3、巖1777年瑞典化學(xué)家做木炭吸附氣體的實驗1809年俄國化學(xué)家發(fā)現(xiàn)土粒的電泳現(xiàn)象1829年英國植物學(xué)家BROWN觀察花粉的布朗運動1861年膠體化學(xué)作為一門學(xué)科，創(chuàng)始人英國科學(xué)家Thomas Graham1907年 第一本膠體化學(xué)專門刊物膠體化學(xué)和工業(yè)雜志創(chuàng)刊；（膠體化學(xué)真正作為一門獨立學(xué)科）5什么是膠體？實驗：將一把泥土放入水中一杯泥土泥沙+渾濁的小土粒（底部） 土中的鹽類形成真溶液既不下沉、也不溶解的極為微小的土壤顆粒稱為膠體顆粒；含膠體顆粒的體系稱為膠體體系可見：膠體是一個具有巨大相界面的分散體系6正式了解膠體之前要明確幾個概念71、定義：一種或一種以上的物質(zhì)分散到 另一種物質(zhì)中所得到的

4、混合物 分散質(zhì)：被分散的物質(zhì) 分散劑：能分散分散質(zhì)的物質(zhì) 一、分散系溶液、懸（乳）濁液、膠體（其中分散成微粒的物質(zhì)）（微粒分散在其中的物質(zhì)）82、分散系的分類本質(zhì)依據(jù)分散質(zhì)微粒直徑大小10-9m(10-7m（100 nm） 9二、膠體 分散質(zhì)微粒的直徑大小在1nm-100nm（10-9-10-7m )之間的分散系叫做膠體1. 定義：102. 膠體的分類:Fe(OH)3 AgI膠體淀粉膠體霧、云、煙有色玻璃Fe(OH)3 AgI膠體11注：膠體不是一類物質(zhì)，而是幾乎任何物質(zhì)都可能形成的一種分散狀態(tài)。如：NaCl溶于水形成溶液，如果分散在酒精中則可形成膠體。練習(xí)：用特殊方法把固體物質(zhì)加工到納米級(

5、1nm100nm，1nm=10-9m)的超細粉末粒子，然后制得納米材料。下列分散系中的分散質(zhì)的粒子直徑和這種粒子具有相同數(shù)量級的是 ( )A、溶液 B、懸濁液 C、膠體 D、乳濁液c12100 nm 單個分子或離子 許多分子集合體 大量分子集合體 能 能 不能 能 不能 不能 穩(wěn)定 較穩(wěn)定 不穩(wěn)定 【附表】：三種分散系的比較13分散體系分類（按粒子尺寸分類） 類 型 r分散相分 散 相性質(zhì)、特 點 舉 例低分子分散體系(真溶液)109m原子、分子、離子單相，熱力學(xué)穩(wěn)定，擴散快，光散射現(xiàn)象弱蔗糖水溶液，混合氣體等大分子化合物溶液(親液溶膠)109 107m大分子均相，熱力學(xué)狀態(tài)穩(wěn)定，可逆，光散射

6、現(xiàn)象弱，擴散慢蛋白質(zhì)，聚乙烯醇水溶液膠體分散體系(憎液溶膠)109 107m 原子或分子的聚集體 (膠核)多相，熱力學(xué)狀態(tài)不穩(wěn)定，光散射現(xiàn)象明顯， 擴散慢，滲透壓小，不可逆Fe(OH)3溶膠，Au溶膠粗分散體系107m 粗顆粒微多相，熱力學(xué)狀態(tài)極不穩(wěn)定光散射現(xiàn)象弱， 擴散極慢泥漿水，牛奶，泡沫等14分散體系分類（按聚集狀態(tài)分類） 名 稱 舉 例 液溶膠液-固溶膠 油漆，AgI溶膠液-液溶膠 牛奶，石油原油等乳狀液液-氣溶膠 泡沫 固溶膠固-固溶膠 有色玻璃，不完全互溶的合金固-液溶膠 珍珠，某些寶石固-氣溶膠 泡沫塑料，沸石分子篩 氣溶膠氣-固溶膠 煙，含塵的空氣氣-液溶膠 霧，云15（膠體）

7、（溶液）三、膠體的性質(zhì)實驗：光束分別通過Fe(OH)3膠體和CuSO4溶液，觀察現(xiàn)象。現(xiàn)象：一束光通過膠體時，從側(cè)面可觀察到膠體里產(chǎn)生一條光亮的“通路”1、丁達爾現(xiàn)象(光學(xué)性質(zhì))16原因： 膠粒直徑大小與光的波長相近,膠粒對光有散射作用；而溶液分散質(zhì)的粒子太小，不發(fā)生散射。應(yīng)用：鑒別溶膠和溶液。 練習(xí):不能發(fā)生丁達爾現(xiàn)象的分散系是（ ） A、碘酒 B、無水酒精 C、蛋白質(zhì)溶液 D、鈷玻璃A B17普遍存在的現(xiàn)象 2、 布朗運動(動力學(xué)性質(zhì)) 在超顯微鏡下觀察膠體溶液可以看到膠體顆粒不斷地作無規(guī)則的運動。18原因：溶劑分子不均勻地撞擊膠體粒子，使其發(fā)生不斷改變方向、改變速率的布朗運動。膠體微粒作

8、布朗運動是膠體穩(wěn)定的原因之一。練習(xí):膠體粒子能作布朗運動的原因是 （ ） 水分子對膠體粒子的撞擊 膠體粒子有 吸附能力 膠體粒子帶電 膠體粒子質(zhì) 量很小，所受重力小 A、 B、 C、 D、c19在外加電場作用下, 膠體粒子在分散劑里向電極 (陰極或陽極) 作定向移動的現(xiàn)象, 叫做電泳 -陰極+陽極Fe(OH)3膠體向陰極 移動帶正電荷 3、 電泳現(xiàn)象(電學(xué)性質(zhì))20原因：粒子膠體微粒帶同種電荷，當(dāng)膠粒帶正 電荷時向陰極運動，當(dāng)膠粒帶負電荷時 向陽極運動。應(yīng)用：靜電除塵；電泳電鍍，利用電泳將油漆、 乳膠、橡膠等粒子均勻地沉積在鍍件上。膠體的膠粒有的帶電，有電泳現(xiàn)象；有的不帶電，沒有電泳現(xiàn)象。答：

9、電解質(zhì)離子在電場作用下也發(fā)生定向運動，因此，電泳不能用作凈化或檢驗?zāi)z體的方法。Q：可否用電泳現(xiàn)象凈化或檢驗?zāi)z體？21AgIm nAg+ (n-x) NO3- x+ x NO3- 膠核 吸附層 擴散層 膠粒 膠團 膠粒帶電，但整個膠體分散系是呈電中性的。在進行電泳實驗時，由于電場的作用，膠團在吸附層和擴散層的界面之間發(fā)生分離，帶正電的膠粒向陰極移動，帶負電的離子向陽極移動。因此，膠團在電場作用下的行為跟電解質(zhì)相似。22重要膠粒帶電的一般規(guī)律: 膠粒帶同種電荷，相互間產(chǎn)生排斥作用，不易結(jié)合成更大的沉淀微粒，這是膠體具有穩(wěn)定性的主要因素。帶正電荷膠粒帶負電荷膠粒金屬氫氧化物金屬氧化物AgI金屬硫化物

10、(如Sb2S3)非金屬硫化物(如As2S3)非金屬氧化物(如SiO2泥沙)硅酸鹽(土壤和水泥)AgI23 在陶瓷工業(yè)上常遇到因陶土里混有Fe2O3而影響產(chǎn)品質(zhì)量的問題。解決方法之一是把這些陶土和水放在一起攪拌，使粒子大小在1nm100nm之間，然后插入兩根電極，接通直流電源，這時陽極聚積 ， 陰極聚積 ，理由是 。 例帶負電荷的膠粒（粒子陶土） 帶正電荷的膠粒（Fe2O3) 含有雜質(zhì)的陶土和水形成了膠體，利用電泳將陶土和雜質(zhì)分離除雜 24例：已知土壤膠體中的粒子帶負電荷，又有很大的表面積，因而具有選擇吸附能力。 有下列陰陽離子，NH4+、K+、H+、NO3-、H2PO4 -、PO43- ，哪些

11、易被吸附？在土壤里施用含氮量相同的下列肥料，肥效較差的是(NH4)2SO4 、 NH4HCO3 、 NH4NO3 、 NH4Cl25 土壤膠粒一般帶負電荷，容易再吸附陽離子如NH4+、K+、H+，而難以吸附陰離子如NO3-、H2PO4 -、PO43-，據(jù)此，我們可以得到如下有關(guān)施用化肥與土壤膠體關(guān)系的常識：銨態(tài)氮肥、鉀肥容易被土壤吸收，此類化肥可以直接進行表面施用。磷肥不易被土壤吸收，易隨雨水流失，因此，磷肥必須深施在土壤里層，以保證有效利用。施用硝酸鹽氮肥肥料不如施用銨態(tài)氮肥好，如NH4NO3雖含氮量高，但NO3-的利用率低，多雨季節(jié)不宜使用。酸雨和長期施用酸性化肥容易導(dǎo)致土壤膠粒吸附H+，

12、而使土壤酸化，影響植物生長，也影響銨態(tài)氮肥和鉀肥的有效利用。26膠體制備的兩種方法：膠體中分散質(zhì) 懸浮顆粒 分子、原子和離子 分散法 凝聚法 將懸濁液或乳濁液中的分散質(zhì)分散；如：磨墨常見的膠體有：墨汁、碳素墨水、淀粉溶液等四、膠體的制備原理：使分散質(zhì)粒子大小在1nm 100nm之間物理分散(凝聚)法27化學(xué)結(jié)合法溶質(zhì)分子聚合成膠粒水解法注意：不能過度加熱，以免出現(xiàn)Fe(OH)3膠體凝聚。FeCl3 + 3H2O Fe(OH)3（膠體）+3HCl 紅褐色FeCl3溶液中存在微弱的水解,生成極少量的Fe(OH)3 , 加熱, 加大水解程度, 使Fe(OH)3聚集成較大顆粒 膠體 條件：飽和FeCl

13、3溶液、沸水28復(fù)分解法AgNO3+KI=AgI（膠體）+KNO3 注意：濃度控制，濃度過大會生成沉淀,逐滴滴加，同時要不斷振蕩。 膠體較為穩(wěn)定，但是長時間放置之后也會出現(xiàn)沉淀。所以膠體通?，F(xiàn)配現(xiàn)用。淺黃色29 五、膠體的凝聚要使膠體凝聚成沉淀，就要減少或消除膠體微粒表面吸附的電荷，使之減弱或失去電性排斥力作用，從而使膠粒在運動中碰撞結(jié)合成更大的顆粒。Q1：膠體為什么能夠穩(wěn)定存在？ 膠粒帶電、布朗運動Q2：如何破壞膠體的穩(wěn)定狀態(tài)？使膠體微粒凝聚成更大的顆粒，形成沉淀，從分散劑里析出的過程叫膠體的凝聚。30實驗：往Fe(OH)3膠體中加入物質(zhì)的量濃度相等的下列溶液：MgSO4溶液,Na2SO4溶

14、液，MgCl2溶液，NaCl溶液，Na3PO4溶液結(jié)論：a. 加入電解質(zhì)使Fe(OH)3膠體凝聚說明Fe(OH)3膠粒帶電荷；b. 不同電解質(zhì)對Fe(OH)3膠體的凝聚效果不同，從電解質(zhì)陽離子濃度的影響不能解釋，但從陰離子對其影響PO43-SO42-Cl-說明Fe(OH)3膠體微粒帶正電荷?，F(xiàn)象：膠體變成渾濁狀態(tài)，產(chǎn)生紅褐色沉淀的量=(1)加入電解質(zhì)31實例：渾濁的井水中加入少量石灰能使水變澄清；豆?jié){里加鹽鹵(MgCl26H2O)或石膏(CaSO42H2O)溶液使之凝聚成豆腐；水泥里加石膏能調(diào)節(jié)水泥漿的硬化速率；在江河與海的交匯處形成的沙洲。32(2)加入膠粒帶相反電荷的膠體帶不同電荷的膠體微

15、粒相互吸引發(fā)生電性中和，從而在膠粒碰撞時發(fā)生凝聚，形成沉淀或凝膠。實驗：將Fe(OH)3膠體溶液與硅酸膠體溶液現(xiàn)象：形成大量的沉淀.結(jié)論：Fe(OH)3膠粒與H2SiO3膠粒帶相反電荷.實例：用明礬、氯化鐵等凈水；不同種類的墨水混合使用時有沉淀產(chǎn)生，使墨水失效。33(3)加熱 溫度升高，膠粒的吸附能力減弱，減少了膠粒所吸引的陰離子或陽離子數(shù)量，膠粒所帶的電荷數(shù)減少，膠粒間的斥力作用減弱，使得膠粒在碰撞時容易結(jié)合成大顆粒，形成沉淀或凝膠。實例：淀粉溶液加熱后凝聚成了漿糊凝膠，蛋清加熱后凝聚成了白色膠狀物(同時發(fā)生變性)。 練習(xí):氯化鐵溶液與氫氧化鐵膠體具有的共同性 質(zhì)是 ( ) A、分散質(zhì)顆粒直

16、徑都在1nm100nm之間 B、能透過半透膜 C、加熱蒸干、灼燒后都有氧化鐵生成 D、呈紅褐色C34 練習(xí):下列事實：用鹽鹵點豆腐 水泥的硬化 用明礬凈水 河海交匯處可沉積沙洲 制肥皂時在高級脂肪酸鈉、甘油和水形成的混合物中加入食鹽，析出肥皂 鋼筆使用兩種不同顏色的藍墨水，易出現(xiàn)堵塞 血液透析。其中與膠體知識有關(guān)的是 （ ）A、 B、C、 D、全部都是D35三、膠體化學(xué)與界面化學(xué)的相關(guān)性膠體的基本特性： 特有的分散程度、多相性、聚結(jié)不穩(wěn)定性 研究物質(zhì)的界面特性界面化學(xué) 表面張力、表面能、表面現(xiàn)象、表面吸附、單分子膜、表面潤濕等研究一群質(zhì)點所構(gòu)成的分散體系的性質(zhì) 膠體化學(xué) 動力性質(zhì)、電性質(zhì)、光學(xué)

17、性、流變性質(zhì)、膠體的聚結(jié)與穩(wěn)定性等36四、膠體與界面化學(xué)研究涉及領(lǐng)域農(nóng)業(yè) 生物學(xué)與醫(yī)學(xué)日用品的生產(chǎn)與使用 輕工業(yè)環(huán)境科學(xué) 分析化學(xué)材料 海洋科學(xué)天文與氣象學(xué) 油田開發(fā)37一些涉及膠體和表面化學(xué)的實例分析化學(xué)中的吸附指示劑、色譜等物理化學(xué)中的成核作用、過飽和、液晶等生物化學(xué)和分子生物學(xué)中的電泳、膜現(xiàn)象 蛋白質(zhì)和核酸等化學(xué)制造中的催化劑、洗滌劑、潤滑劑、粘合劑、農(nóng)藥環(huán)境科學(xué)中的氣溶膠、泡沫、污水處理、材料科學(xué)中陶瓷制品、水泥、涂料等日用品中的牛奶、豆?jié){等石油工業(yè)中的油品回收、乳化風(fēng)38五、膠體化學(xué)的應(yīng)用與發(fā)展前景膠體化學(xué)是一門與實際應(yīng)用密切結(jié)合的學(xué)科現(xiàn)代科學(xué)儀器的發(fā)展為膠體化學(xué)的研究提供全新的手段近代化學(xué)和物理的成就促進了膠體化學(xué)基礎(chǔ)理論問題的探討生物物理、生物化學(xué)、環(huán)境學(xué)、地礦學(xué)、天文學(xué)等領(lǐng)域的研究成就吸取了膠體化學(xué)的理論和方法，同時給膠體化學(xué)帶來了廣闊的研究空間391.利用近代物理或化學(xué)理論解決膠體與表面化學(xué)中 的基本理論等問題;量子化學(xué)研究吸附與催化;分 形理論研究膠粒形貌