膠體化學(物化 化大)

第十章膠體化學ColloidChemistry§10-1引 言§10-2膠體系統(tǒng)的制備§10-3膠體系統(tǒng)的光學性質(zhì)§10-4膠體系統(tǒng)的動力性質(zhì)§10-5溶膠系統(tǒng)的電學性質(zhì)§10-6溶膠的穩(wěn)定與聚沉本章基本要求§10-1 引言一、膠體化學的研究對象二、膠體系統(tǒng)的分類一、膠體化學的研究對象

膠體化學研究領域包括化學、物理學、材料科學、生物化學等學科的交叉。所研究的對象是高度分散的多相系統(tǒng)(即一種或幾種物質(zhì)分散在另一種物質(zhì)中所構成的系統(tǒng))。二、膠體系統(tǒng)的分類1、分散系統(tǒng)及分類分散系統(tǒng)：一種或幾種物質(zhì)分散在另一種物質(zhì)中所構成的系統(tǒng)分散相：被分散的物質(zhì)分散介質(zhì)：呈連續(xù)分布起分散作用的物質(zhì)分散系統(tǒng)分類(按分散相與分散介質(zhì)的聚集狀態(tài))：(1)均相系統(tǒng)(真溶液)(2)多相系統(tǒng)分散相以分子形式溶于分散介質(zhì)分散相不溶于分散介質(zhì)分散介質(zhì)分散相名稱實例氣液固氣溶膠云、霧煙、塵液氣液固泡沫乳狀液液溶膠或懸浮液肥皂泡沫牛奶泥漿、油漆固氣液固固溶膠泡沫塑料珍珠有色玻璃分散系統(tǒng)分類(按分散相粒子的大小)：系統(tǒng)分散相粒子的直徑系統(tǒng)相態(tài)熱力學穩(wěn)定性實例真溶液d<1nm均相穩(wěn)定各種分子、原子、離子溶液膠體系統(tǒng)1nm<d<1000nm多相不穩(wěn)定各種溶膠粗分散系統(tǒng)d>1000nm多相不穩(wěn)定乳狀液、懸浮液、泡沫等2、膠體系統(tǒng)及分類(1)溶膠(2)高分子溶液(親液溶膠)(3)締合膠體(膠體電解質(zhì))高度分散，多相系統(tǒng)，熱力學不穩(wěn)定均相系統(tǒng)，熱力學穩(wěn)定均相系統(tǒng)，熱力學穩(wěn)定§10-2 膠體系統(tǒng)的制備一、分散法二、凝聚法三、溶膠的凈化粗分散系統(tǒng)d>1000nm膠體系統(tǒng)d=1~1000nm分子分散系統(tǒng)d<1nm分散法凝聚法一、分散法利用機械設備將粗分散的物料分散成膠體1、研磨法：適用于脆而易碎的物質(zhì)2、膠溶法：新鮮的凝聚膠粒重新分散在介質(zhì)中3、超聲波分散法：目前只適用于制備乳狀液4、電弧法：主要用于制備金屬溶膠5、氣流粉碎法：高壓氣流沖撞粗分散粒子使之破碎盤式膠體磨示意圖二、凝聚法1、物理凝聚法：

(1)蒸氣凝聚法：分散相與分散介質(zhì)氣化后冷凝

(2)過飽和法：改變?nèi)軇┗蚶鋮s使分散相的溶解度降低而過飽和而析出2、化學凝聚法：

利用生成不溶物的化學反應控制析晶過程由分子分散狀態(tài)凝聚為膠體分散狀態(tài)三、溶膠的凈化除去制備過程中產(chǎn)生的過量電解質(zhì)或雜質(zhì)的過程1、滲析法 2、超過濾法§10-3 膠體系統(tǒng)的光學性質(zhì)一、丁達爾效應二、瑞利公式一、丁達爾效應(乳光效應)丁達爾效應的實質(zhì)：光的散射光的吸收：入射光頻率=分子的固有頻率光的透過：光束與系統(tǒng)不發(fā)生作用光的反射：入射光波長<分散粒子尺寸光的散射：入射光波長>分散粒子尺寸粗分散系統(tǒng)發(fā)生光的反射膠體分散系統(tǒng)發(fā)生光的散射真溶液乳光效應很弱二、瑞利公式膠體分散系統(tǒng)散射光強度V每個分散相粒子的體積C單位體積內(nèi)粒子數(shù)目及I0入射光的波長及強度l觀察者與散射中心的距離觀察方向與入射光方向的夾角n及n0分散相及分散介質(zhì)的折射率說明：(1)I1/4，波長越短，散射越強(2)IV2，可用來鑒別真溶液與膠體(3)I(n2–n02)2，可用來區(qū)分憎液溶膠與親液溶膠(4)IC，測定溶膠的乳光強度(濁度)

相同條件下，I1/I2=C1/C2乳光(濁度)計原理§10-4 膠體系統(tǒng)的動力性質(zhì)一、布朗運動二、擴散三、沉降與沉降平衡一、布朗運動在顯微鏡下可看到懸浮于水中的花粉粒子處于不停息、無規(guī)則的運動。一般小于4m的粒子都有這種運動，是粒子熱運動的必然結(jié)果愛因斯坦布朗平均位移公式布朗運動二、擴散有濃度梯度時因熱運動而發(fā)生的宏觀定向遷移現(xiàn)象三、沉降與沉降平衡多相分散系統(tǒng)中粒子因受重力作用而下沉的過程沉降擴散產(chǎn)生濃度梯度消除濃度梯度沉降平衡：沉降速度=擴散速度§10-5 膠體系統(tǒng)的電學性質(zhì)一、溶膠的電動現(xiàn)象二、雙電層理論三、溶膠的膠團結(jié)構一、溶膠的電動現(xiàn)象溶膠與電勢差有關的相對運動1、電泳2、電滲3、流動電勢4、沉降電勢1、電泳在外電場作用下，膠粒在分散介質(zhì)中的定向移動+-Fe(OH)3NaOH電泳現(xiàn)象2、電滲在外電場作用下，液體分散介質(zhì)通過多孔膜(或毛細管)的定向移動3、流動電勢在外力作用下，迫使液體分散介質(zhì)通過多孔膜(或毛細管)定向移動而在多孔膜兩端所產(chǎn)生的電勢差電滲的逆過程4、沉降電勢分散相粒子在重力場或離心力場的作用下迅速移動時，在移動方向的兩端所產(chǎn)生的電勢差電泳的逆過程二、雙電層理論溶膠表面電荷的來源：

(1)溶膠粒子選擇性地吸附某種離子而帶電(2)溶膠粒子表面上的某些分子、原子可發(fā)生電離例：1)AgI溶膠：

溶液中I-

過量時，可吸附I-而帶負電，溶液中Ag+過量時，可吸附Ag+而帶正電。

2)蛋白質(zhì)中的氨基酸分子:

pH低時氨基形成－NH3+而帶正電；

pH高時羧基形成－COO－而帶負電。

1、亥姆霍茲平板雙電層平行板電容器模型正負離子整齊排列于界面層兩側(cè)；兩層間電勢直線下降，層間距離小；外加電場下帶電質(zhì)點與反離子反向移動；2、古依－查普曼擴散雙電層理論靠近質(zhì)點表面的反離子呈擴散狀態(tài)分布在溶液中3、斯特恩(Stern)雙電層模型離子是有一定大小的，而且離子與質(zhì)點表面除了靜電作用外，還有范德華吸引力；在靠近表面1-2個分子厚的區(qū)域內(nèi)，反離子由于受到強烈的吸引，會牢固地結(jié)合在表面，形成一個緊密的吸附層，稱為固定吸附層或斯特恩層；其余反離子擴散地分布在溶液中，構成雙電層的擴散層。b"b'bdd'd"‘“緊密層擴散層

電勢：膠粒帶電，滑動面與溶液本體之間的電勢差，擴散層厚度當溶液中電解質(zhì)濃度增加時，介質(zhì)中反離子的濃度加大，將壓縮擴散層使其變薄，把更多的反離子擠進滑動面以內(nèi)，使電勢在數(shù)值上變小。三、溶膠的膠團結(jié)構膠體粒子：滑動面內(nèi)所包圍的帶電體膠核：膠體粒子內(nèi)由分子、原子或離子形成的固態(tài)微粒膠團：整個擴散層及其所包圍的膠體粒子構成的電中性的整體例：AgNO3+KIAgI+KNO3KI過量：

AgI溶膠吸附I－帶負電，K＋為反離子AgNO3過量：

AgI溶膠吸附Ag＋帶正電，NO3－為反離子特點：(1)膠核：首先吸附過量的成核離子，然后吸附反離子；(2)膠團整體為電中性?！?0-6 溶膠的穩(wěn)定與聚沉一、溶膠的經(jīng)典穩(wěn)定理論DLVO理論二、溶膠的聚沉一、溶膠的經(jīng)典穩(wěn)定理論DLVO理論溶膠穩(wěn)定的原因：1)膠粒帶電

增加膠粒間的排斥作用；2)溶劑化作用

形成彈性水化外殼，增加溶膠聚合的阻力；3)Brown運動

使膠粒受重力的影響而不下沉。DLVO理論的基本要點：(1)膠團之間既存在著斥力勢能，也存在著引力勢能。(2)溶膠的相對穩(wěn)定性或聚沉取決于斥力勢能或引力勢能的相對大小。

斥力勢能>引力勢能：溶膠相對穩(wěn)定

引力勢能>斥力勢能：粒子相互靠攏而聚沉(3)斥力勢能、引力勢能以及總勢能都隨著粒子間距離的變化而變化。(4)理論推導表明，加入電解質(zhì)，對引力勢能影響不大，但對斥力勢能的影響卻十分明顯。適當調(diào)整電解質(zhì)的濃度，可以得到相對穩(wěn)定的溶膠。二、溶膠的聚沉1、聚沉：溶膠粒子合并長大進而發(fā)生沉淀的現(xiàn)象2、造成聚沉的因素：濃度、溫度、光的作用、攪拌、外加電解質(zhì)等。3、電解質(zhì)的聚沉作用：(1)聚沉值使溶膠發(fā)生明顯聚沉所需電解質(zhì)的最小濃度(2)聚沉能力聚沉值的倒數(shù)(3)聚沉規(guī)律i)反離子的價數(shù)起主要作用

價數(shù)，聚沉值，聚沉能力

聚沉值Z-6，聚沉能力Z6

舒爾策—哈迪(Schultz-Hardy)規(guī)則ii)同價離子，有感膠離子序正離子聚沉能力：

H+>Cs+>Rb+>NH4+>K+>Na+>Li+

負離子聚沉能力：

F－>Cl－>Br－>NO3－>I－>OH－12.10.在NaOH溶液中用HCHO還原HAuCl4可制得金溶膠：HAuCl4+5NaOHNaAuO2+4NaCl+3H2O2NaAuO2+3HCHO+NaOHAu(s)+3HCOONa+2H2ONaAuO2是上述方法制得金溶膠的穩(wěn)定劑，寫出該金溶膠膠團結(jié)構的表示式。

解：該金溶膠膠團結(jié)構為：{[Au]mnAuO2-

(n-x)Na+}x-xNa+P658、習題：12.11.在Ba(NO3)2溶液中滴加Na2SO4溶液可制備BaSO4溶膠。分別寫出(1)Ba(NO3)2溶液過量，(2)Na2SO4溶液過量時的膠團結(jié)構表示式。解：(1)Ba(NO3)2溶液過量時，膠團結(jié)構為:{[BaSO4]mnBa2+(2n-x)NO3-}x+xNO3-(2)Na2SO4溶液過量時，膠團結(jié)構為：

{[BaSO4]mnSO42-(2n-x)Na+}x-xNa+解：As2S3膠團的結(jié)構為：{[As2S3]mnHS-(n-x)H+}x-xH+各電解質(zhì)對該溶膠聚沉能力的大小為：AlCl3>MgSO4>KCl12.12.在H3AsO3的稀溶液中通入H2S氣體，生成As2S3溶膠。已知H2S能解離成H+和HS-。試寫出As2S3膠團的結(jié)構，比較電解質(zhì)AlCl3

、MgSO4

和KCl對該溶膠聚沉能力大小。12.13.以等體積的0.08moldm-3

AgNO3溶液和0.1moldm-3

KCl溶液制備AgCl溶膠。(1)寫出膠團結(jié)構式，指出電場中膠體粒子的移動方向；(2)加入電解質(zhì)MgSO4、AlCl3和Na3PO4使上述溶膠發(fā)生聚沉，則電解質(zhì)聚沉能力大小順序是什么？解：(1)膠團結(jié)構為：{[AgCl]mnCl-(n-x)Ag+}x-xAg+

因膠粒帶負電，故電場中向正極移動(2)各電解質(zhì)對該溶膠聚沉能力的大小為：AlCl3>MgSO4>Na3PO412.14.某帶正電荷溶膠，KNO3作為沉淀劑時，聚沉值為5010-3moldm-3，若用K2SO4溶液作為沉淀劑，其聚沉值大約為多少？解：聚沉值大約為：5010-3/26=7.8110-4moldm-3

12.15.在三個燒瓶中分別盛有0.020dm3的Fe(OH)3溶膠，分別加入NaCl、Na2SO4及Na3PO4溶液