物理化學核心教程（其次版）思考題習題答案-第10章 膠體分散系

本文格式為Word版，下載可任意編輯——物理化學核心教程（其次版）思考題習題答案—第10章膠體分散系第十章膠體分散系統(tǒng)

一．基本要求

1．了解膠體分散系統(tǒng)的特有的分散程度、多相不均勻性和熱力學不穩(wěn)定性等三個主要基本特性。

2．了解憎液溶膠在動力性質(zhì)、光學性質(zhì)和電學性質(zhì)等方面的特點，以及如何應用這些特點，對憎液溶膠膠粒的大小、形狀和的帶電狀況等方面進行研究。

3．把握憎液溶膠在穩(wěn)定性方面的特點，知道外加電解質(zhì)對憎液溶膠穩(wěn)定性影響的本質(zhì)，會判斷電解質(zhì)的聚沉值和聚沉能力的大小。

4．了解大分子溶液與憎液溶膠的異同點，了解膠體分散系統(tǒng)的平均摩爾質(zhì)量的多種測定方法。

5．了解凝膠的基本性質(zhì)和納米科技的基本內(nèi)容和廣泛的應用前景。

二．把握學習要點的建議

膠體分散系統(tǒng)以其特有的分散程度、多相不均勻性和熱力學不穩(wěn)定性這三個基本特性，使得與一般的分子分散系統(tǒng)或粗分散系統(tǒng)在性質(zhì)上有很大的不同，主要表現(xiàn)在：動力性質(zhì)、光學性質(zhì)和電學性質(zhì)等方面。不能把憎液溶膠的三個基本特性與它在動力、光學和電學方面的性質(zhì)混為一談。

了解憎液溶膠的動力性質(zhì)、光學性質(zhì)和電學性質(zhì)，目的是將它區(qū)別于分子分散系統(tǒng)和粗分散系統(tǒng)，利用這些性質(zhì)可以對膠粒的大小、形狀和帶電狀況進行研究。

大分子溶液與憎液溶膠在組成上完全是兩回事，大分子溶液是分子分散系統(tǒng)，是親液溶膠，僅僅是由于大分子溶液的分子大小與憎液溶膠膠粒的大小相仿，在粒度效應方面有一點共同之處，才放在一起研究，其實兩者在光學性質(zhì)、電學性質(zhì)和受外來電解質(zhì)影響方面有很大的區(qū)別。大分子是由小分子單體聚合而成的，由于聚合的程度不同，所形成分子的大小也不同，所以大分子物質(zhì)的摩爾質(zhì)量只是一個平均值，而且隨著摩爾質(zhì)量測定方法的不同，所得的摩爾質(zhì)量的值也不同。

納米科技目前是大量學科的研究熱點，采用較多的溶液相制備納米材料的的方法是類似于制備溶膠的方法，學好膠體分散系統(tǒng)的性質(zhì)，對納米材料的研究有很大的幫助。

這一章的計算題不多，主要是把握憎液溶膠的制備、凈化、各種性質(zhì)以及廣闊的應用前景。

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三．思考題參考答案

1．憎液溶膠有哪些特征？答：主要有三個特征：

（1）特有的分散程度。膠粒的大小一般在1－100nm之間，所以有動力穩(wěn)定性強、不能通過半透膜、擴散慢和對光的散射作用明顯等特點。

（2）多相不均勻性。膠團結(jié)構(gòu)繁雜，膠粒是大小不等的超微不均勻質(zhì)點，膠粒與介質(zhì)之間存在相界面。

（3）熱力學不穩(wěn)定性。由于膠粒小、表面積大、表面能高，所以有自動聚結(jié)以降低表面能的趨勢。在制備溶膠時要加適量的穩(wěn)定劑，這樣在膠粒外面就會形成帶電的溶劑化層，利用一致電荷相斥的性質(zhì)，保護膠粒不聚沉。

2．有穩(wěn)定劑存在時膠粒優(yōu)先吸附哪種離子？

答：制備溶膠時，一般是將略過量的某一反應物作為穩(wěn)定劑。膠核優(yōu)先吸附的是與作為膠核的化合物中一致的那個離子。例如，在制備AgI溶膠時，若用略過量的KI作為穩(wěn)定劑，則AgI膠核優(yōu)先吸附I?離子，若用略過量的AgNO3作為穩(wěn)定劑，則AgI膠核優(yōu)先吸附Ag?離子，利用同離子效應保護膠核不被溶解。若穩(wěn)定劑是另外的電解質(zhì)，膠核將優(yōu)先吸附使自己不被溶解的離子，或轉(zhuǎn)變成溶解度更小的沉淀的那種離子。在尋常狀況下，膠核優(yōu)先吸附水化作用較弱的陰離子，所以自然界中的自然溶膠如泥漿水、豆?jié){和自然橡膠等，其膠粒都帶負電。

3．把人工培育的珍珠長期珍藏在枯燥箱內(nèi)，為什么會失去原有的光澤?能否再恢復?

答：珍珠是一種膠體分散系統(tǒng)，其分散相為液體水，分散介質(zhì)為蛋白質(zhì)固體。珍珠長期在枯燥箱中存放，作為分散相的水在枯燥箱中逐漸被蒸發(fā)，膠體分散系統(tǒng)被破壞，故失去光澤。這種變化是不可逆的，珍珠的光澤不可能再恢復。尋常在珍珠表面要覆蓋一層保護膜，保護水分不被蒸發(fā)，保護蛋白質(zhì)不因被氧化而發(fā)黃。

4．當一束會聚光線通過憎液溶膠時，站在與入射光線垂直方向的同學，看到光柱的顏色是淡藍色；而站在與入射光180o方向的同學看到的是橙紅色，這是為什么？

答：站在與入射光線垂直方向（即側(cè)面）的同學，看到的是膠粒的散射光。根據(jù)瑞利公式，入射光的波長越短，其散射光就越強。所以，藍色、紫色等短波長的光簡單被散射，其散射光主要呈淡藍色。而對著入射光看的同學，看到的是經(jīng)散射后的透射光。在白光中，波

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長較短的藍色、紫色光已大部分被散射掉了，剩下的透射光中主要是以波長較長的黃光和紅光為主，所以看到的透射光是橙紅色的。

5．為什么有的煙囪冒出的是黑煙，有的卻是青煙？

答：在燃燒不完全時，煙囪冒出的煙是黑色的，由于煙灰的粒子較大，屬于粗分散系統(tǒng)，對入射光主要發(fā)生光的吸收和反射，人們看到的黑色是從大的煙灰粒子上反射出來的光，這種大的煙灰粒子在空氣中會很快沉降。當燃燒完全時，從煙囪冒出的灰粒微小，落到了膠體的粒徑范圍，灰粒的直徑已小于可見光的波長，對入射光主要發(fā)生散射作用。而短波長的藍光、紫光的散射作用強，所以散射光主要呈藍青色，所以看到的是青煙。實際上，看到的呈藍青色的并不是小灰粒的本身，而是它發(fā)出的散射光所形成的光點，要比小灰粒的本身大好幾倍。

6．為什么晴天的天空呈藍色？為什么日出、日落時的彩霞特別嬌艷？

答：太陽光是由七色光組成的?？諝庵杏谢覍游⒘：托∷?，當陽光照射到地球上時，波長較短的藍光、紫光簡單被空氣中的微粒散射，所以藍紫色的散射光較強，人們看到天空呈藍色，實際上看到的就是這種散射光。而在日出、日落時，太陽接近地平線，陽光要穿過厚厚的大氣層才能被人們看到，在陽光穿越空氣層時，其中波長較短的青色、藍色和紫色光，幾乎都被大氣層中的微粒散射掉了，人們看到的是散射后剩余的波長較長的透射光，主要以紅色和橙色的光為主，所以特別絢麗多彩。

7．為什么表示危險的信號燈用紅色？為什么車輛在霧天行駛時，裝在車尾的霧燈一般采用黃色？

答：由于紅色光的波長很長，不簡單被散射，能傳得較遠，可以讓人在很遠的地方就能看到危險的信號。

在霧天，白光中有一部分短波長的光會被微小的霧滴散射，使光線變?nèi)?，不可能傳得很遠，所以用白色燈做霧燈是不適合的。紅色的燈光雖然能傳得很遠，但簡單與停車信號混淆。而黃色光的波長較長，不簡單被散射，所以用黃色燈來做霧燈比較適合。霧天在高速馬路上開車，除了要減速以外，還必需把霧燈開啟，讓黃色的霧燈很遠就能被后面的駕駛員看見，可以防止汽車追尾相撞。

8．為什么在做測定蔗糖水解速率的試驗時，所用旋光儀的光源用的是鈉光燈？答：由于在測定蔗糖水解的速率時，主要是用旋光儀測定溶液旋光度的變化，不希望有其他散射等因素干擾。鈉光燈放出的是波長單一的、波長較長的黃色光，不簡單被散射，光線也比較強，能使試驗測定更確切。

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9．什么是?電勢？?電勢的正、負號是如何決定的？?電勢的大小與熱力學電勢有什么區(qū)別？?電勢與憎液溶膠的穩(wěn)定性有何關(guān)系？

答：膠粒表面的電荷分布與電極表面一樣，是雙電層結(jié)構(gòu)。膠粒在移動時會帶著它吸附的緊湊層和緊湊層中離子的水化層一起移動，移動時會產(chǎn)生一個滑移界面，這滑移界面與本體溶液之間的電勢差稱為?電勢。由于只有在膠粒移動時才會出現(xiàn)滑移界面，所以?電勢也稱為動電電勢。?電勢的正、負號與膠核首先吸附的離子符號一致，即與緊湊層所帶電荷的符號一致。?電勢總是小于熱力學電勢。?電勢可以使憎液溶膠具有一定的穩(wěn)定性，由于膠粒所帶電荷的符號一致，在兩個膠粒相互接近到一定程度時，由于同性電荷相斥，會阻止膠粒凝聚，?電勢越大，溶膠就越穩(wěn)定。但是，?電勢會受外加電解質(zhì)的影響，隨著電解質(zhì)的參與，?電勢變小，直至等于零，這時憎液溶膠會發(fā)生聚沉而被破壞。有時參與過量的電解質(zhì)，會使?電勢改變符號。

10．在一個U型玻璃管中間，放一個用AgCl晶體組成的多孔塞，管中放濃度為

0.001mol?dm?3的KCl溶液。在多孔塞的兩邊，放與直流電源相接的電極。接通電源后，

管中的介質(zhì)將向哪一極方向移動？假使將KCl溶液的濃度增加10倍，則介質(zhì)遷移的速度是變慢了還是變快了？假使管中放的是濃度為0.001mol?dm?3的AgNO3溶液，電滲的方向會改變嗎？

答：當AgCl晶體與介質(zhì)水接觸時，一旦發(fā)生溶解，由于Ag的體積比Cl小，擴散速度快，可以遠離晶體表面，所以Ag的溶解量相對而言要比Cl大得多，而AgCl晶體又優(yōu)先吸附溶液中的Cl離子，因而多孔塞帶負電，則介質(zhì)帶正電。電滲時，帶正電的介質(zhì)會向負極移動。

將KCl的濃度增加，會使晶體多孔塞的?電勢下降，使電滲速度變慢。

當用AgNO3代替KCl時，AgCl多孔塞優(yōu)先吸附溶液中的Ag離子，使多孔塞帶正電，則介質(zhì)帶負電，電滲的方向與方才相反。

11．為什么輸油管和運輸有機液體的管道都要接地？

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答：固體表面尋常都會吸附一些電荷，形成雙電層結(jié)構(gòu)，使得固體表面與擴散層之間形成電勢差。在用泵輸送石油或其它碳氫化合物時，由于用泵的壓差來迫使液體滾動，在滾動的擴散層和管道表面之間會產(chǎn)生電勢差，這就是滾動電勢。假使?jié)L動電勢很大，就會產(chǎn)生電火花，以至引發(fā)爆炸。為了防止事故發(fā)生，都要將這種管道接地或參與有機電解質(zhì)，增加它的電導，降低滾動電勢。

12．為什么明礬能使渾濁的水很快澄清？

答：明礬是硫酸鉀鋁復鹽，溶于水后產(chǎn)生K?，Al3?等離子。另外，Al3?離子在水中發(fā)生水解，產(chǎn)生Al(OH)3絮狀膠體，這種膠粒帶正電?；鞚岬乃杏写罅繋ж撾姷哪嗌衬z粒，受電解質(zhì)Al3?離子的作用，很快就發(fā)生凝聚，并與帶正電的Al(OH)3絮狀膠體相互作用，兩種帶不同電荷的膠體發(fā)生混凝而迅速下沉，所以明礬能使渾濁的水很快澄清。目前的凈水劑也大多用Al2(SO4)3系列的鹽類。

13．用電解質(zhì)把豆?jié){點成豆腐，假使有三種電解質(zhì)：NaCl，MgCl2和CaSO4?2H2O，哪種電解質(zhì)的聚沉能力最強？

答：點豆腐是用適合的電解質(zhì)溶液（俗稱鹵水）將豆?jié){膠粒凝聚，變成凝膠。自然的豆?jié){膠粒是帶負電的，電解質(zhì)中的正離子起主要作用。對于負溶膠，顯然NaCl的聚沉能力最弱，Mg2?和Ca2?的聚沉能力差不多，但由于MgCl2中Cl?是負一價的，而CaSO4?2H2O?中SO2是負二價的，所以相對而言，聚沉能力最強的應當是MgCl2。但由于Mg42?加多了

會有苦味，所以目前較多是用CaSO4?2H2O（即生石膏）的溶液來點豆腐。

14．在能見度很低的霧天飛機急于起飛，地勤人員搬來一個很大的高音喇叭，喇叭一開，很長一段跑道上的霧就消失了，這是為什么？

答：這叫高音消霧。聲音是有能量的，喇叭的音波能促使霧粒相互碰撞，使小水滴凝結(jié)成大水滴而下降，部分更小的水滴獲得能量后會氣化，所以在音波作用的較近的范圍內(nèi)，霧會很快消失。

由清華大學席葆樹教授研制的大喇叭，輸出功率為20000聲瓦。喇叭長5m，直徑為2.86m。在霧天，這只喇叭朝飛機跑道上大吼一聲，可以開出500m到1000m的清亮大道。

15．江河入?？跒槭裁磿纬扇侵?？

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解：該蛋白在pH處于4.56到5.20之間，電泳的方向發(fā)生改變，說明經(jīng)歷了一個動電電勢變小、等于零并改變符號又繼續(xù)增大的過程，所以該蛋白的等電點在pH等于4.56與5.20之間。

6．298K時，有一球形膠粒的溶膠，膠粒的平均半徑為5.0?10?7m的水溶膠，介質(zhì)的介電常數(shù)??8.89?10?9C?V?1?m?1，溶膠的黏度??0.001Pa?s。當所用的電場強度

E?100V?m?1時，膠粒與溶液之間的動電電勢??0.636V，試計算膠粒的電泳速率。

解：根據(jù)Hückel計算電泳速率的公式

u???E6??

?9?0.636V?8.89?10C?V?1?m?1?100V?m?16?3.14?0.001Pa?s

?3.0?10?5m?s?1

7．在充滿0.001mol·dm-3AgNO溶液的U形電滲管中，中間放置一個AgCl（s）多3孔塞，塞中的細孔中都充滿了溶液。在多孔塞的兩側(cè)分別放置電極，并通以直流電。通電一段時間后，在電滲管上方的刻度毛細管中，液面的變化表示介質(zhì)向哪個電極移動?假使將管中的溶液換為0.01mol·dm-3的AgNO3溶液，并保持直流電的電壓一致，問介質(zhì)電滲的速度將如何改變?假使用KCl溶液來代替AgNO3溶液，則電滲的方向有何變化？

解：將AgCl（s）多孔塞置于AgNO3溶液中，由于同離子效應，AgCl（s）優(yōu)先吸附Ag+，所以AgCl多孔塞帶正電，則介質(zhì)溶液帶負電。在直流電的電場中，介質(zhì)會向正極移動。當

AgNO3溶液的濃度增加，使動電電位變小，介質(zhì)的電滲速度會減慢。

若以KCl溶液代替AgNO3溶液，由于同離子效應，多孔塞優(yōu)先吸附Cl?，所以AgCl多孔塞帶負電，則介質(zhì)溶液帶正電，電滲的方向剛好相反，會向負極移動。

8．由0.01dm30.05mol·kg-1的KCl和0.1dm30.002mol·kg-1的AgNO3溶液混合，生成AgCl溶膠。若使用以下電解質(zhì)：KCl，AlCl3和ZnSO4將溶膠聚沉，請排出聚沉值由小到大的順序。

解：這兩種溶液混合，KCl略過量，作為穩(wěn)定劑，所以生成的AgCl膠核優(yōu)先吸附Cl，膠粒帶負電。外加電解質(zhì)中正離子的電價越高，聚沉能力就越強，而聚沉值則就越小。所以這些電解質(zhì)的聚沉值由小到大的順序為：AlCl3＜ZnSO4＜KCl。

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9．在H3AsO3的稀溶液中，通入略過量的H2S氣體，生成As2S3溶膠。若用以下電解質(zhì)將溶膠聚沉：Al(NO3)3，MgSO4和K3Fe(CN)6，請排出聚沉能力由大到小的順序。

解：用過量的H2S氣體作為穩(wěn)定劑，H2S發(fā)生一級解離，生成HS?離子，生成的As2S3

膠核優(yōu)先吸附HS?離子，膠粒帶負電。外加電解質(zhì)中正離子的電價越高，聚沉能力越強，所以聚沉能力由大到小的順序為：Al(NO3)3＞MgSO4＞K3Fe(CN)6。

10．墨汁是一種膠體分散系統(tǒng)，在制作時，往往要參與一定量的阿拉伯膠（一種大分子物質(zhì)）作穩(wěn)定劑，主要原因是什么？

解：墨汁是碳的微粒分散在水中形成的膠體分散系統(tǒng)，它不穩(wěn)定，簡單發(fā)生聚沉。加適量的大分子化合物，大分子吸附在小的碳顆粒周邊，使碳顆粒不易凝聚，對溶膠起保護作用。

11．混合等體積的0.08mol·dm-3KI和0.1mol·dm-3AgNO3溶液所得的溶膠。(1)試寫出膠團的結(jié)構(gòu)式。(2)指明膠粒電泳的方向。

(3)比較MgSO4，Na2SO4和CaCl2電解質(zhì)對溶膠聚沉能力的大小。

解：(1)由于AgNO3的濃度大于KI的濃度，所以等體積混合時，AgNO3過量，生成的AgI膠核優(yōu)先吸附Ag?，使膠粒帶正電。則膠團的結(jié)構(gòu)式為

??x??[(AgI)m?nAg?(n?x)NO3]?xNO3

(2)由于膠粒帶正電，電泳時往負極方向移動。

(3)要使膠粒帶正電的溶膠聚沉，外加電解質(zhì)中負離子的電價（絕對值）越大，聚沉能力也就越強。所以聚沉能力大小的次序為：Na2SO4>MgSO4>CaCl2。雖然前兩種電解質(zhì)中負離子一致，但由于Na2SO4中正離子是一價的，聚沉能力要比正離子是二價的稍大一些。

12．在制備二氧化硅溶膠的過程中，存在如下反應：

SiO2?H2O???H2SiO3(溶膠)H2SiO???3Si3O?2??2H（1）試寫出二氧化硅膠粒的結(jié)構(gòu)式。

（2）指明膠粒電泳的方向。

（3）當溶膠中分別參與NaCl，MgCl2，K3PO4時，哪種物質(zhì)的聚沉值最??？解（1）H2SiO3(溶膠)的膠核優(yōu)先吸附SiO3，所以膠粒的結(jié)構(gòu)式為

2??2x?[(H2SiO3)m?nSiO3?2(n?x)H]

2?（2）由于膠粒帶負電，所以在電泳試驗時，膠粒向正極移動。

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（3）根據(jù)Schulze-Hardy規(guī)則，對于負溶膠，外加電解質(zhì)的正離子的價數(shù)越高，對

溶膠的聚沉能力越強。而聚沉值與聚沉能力相反，所以MgCl2的聚沉值最小。

13．298K時，在半透膜的一側(cè)是0.1dm-3水溶液，其中含0.5g某大分子化合物Na6P，設(shè)大分子能完全解離，溶液是理想的。膜的另一側(cè)是濃度為1.0×10-7mol·dm-3的NaCl稀溶液。測得滲透壓為6881Pa。求大分子化合物Na6P的數(shù)均摩爾質(zhì)量。

解：當膜的另一側(cè)的電解質(zhì)濃度極低時，可以忽略它的影響，近似用van’tHoff的滲透壓公式計算：Π?(z?1)c2RT6881Pa?(6?1)?解得

Mn?(6?1)?0.5?10kg6881Pa?0.1?10m?10.5gMn?0.1dm3?8.314J?mol?1?K?1?298K

?3?33?8.314J?mol?1?K?1?298K

?12.6kg?mol

14．298K時，在半透膜兩邊，一邊放濃度為0.100mol?dm?3的大分子有機物RCl，設(shè)RCl能全部解離，但R+不能透過半透膜。另一邊放濃度為0.500mol?dm?3的NaCl。試計算達滲透平衡時，膜兩邊各種離子的濃度和滲透壓。

解：達滲透平衡時，有[ClL][NaL?]??[Cl][Na]RR??即(0.1?x)x?(0.5?x)(0.5?x)解得x?0.227mm?old所以平衡時，左邊：[Cl]L?0.327mol?dm右邊[Cl]R?0.273mol?dmΠ??cRT

1?[(0.?0?.1x2?)2(?x0.R5T)?]?2.6765???3?3；[Na]L?0.227mol?dm；[Na]R?0.273mol?dm???3

?3?3

10Pa15．25℃時，在一個半透膜做成的袋內(nèi)，裝有0.1dm3很稀的鹽酸水溶液，將1.3g一元大分子酸RH溶于其中，假設(shè)RH能完全解離。膜的外面是0.1dm3的純水。達到滲透平衡時，測得膜外溶液的pH為3.26，膜電勢為34.9mV，假設(shè)溶液為理想溶液。試計算

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(1)半透膜袋內(nèi)溶液的pH值。(2)一元大分子酸RH的摩爾質(zhì)量。

解：(1)由于一元大分子酸的酸根R?不能透過半透膜，但是溶劑分子、H?和Cl?可以。為了保持袋內(nèi)的電中性，鹽酸解離出來的H?和Cl?可以成對的往膜外滲透，但是RH解離出來的H?不可能往外滲透，所以半透膜袋內(nèi)H?的濃度會比膜外的大。達到膜平衡時，根據(jù)膜電勢的計算公式，E膜等于

RTF+E膜?ln?H????內(nèi)?H???外?

根據(jù)pH的定義，pH??lgaH，在25℃時，E膜的計算公式也可以表示為E膜?0.0592?pH外?pH內(nèi)?V代入膜電勢的數(shù)值，

V0.0349?0.?0592?3.內(nèi)2?6pHV得pH內(nèi)?2.67(2)在膜內(nèi)，設(shè)RH和鹽酸的起始濃度分別為c1和c2，達滲透平衡后，鹽酸在膜外的濃度為x。在滲透平衡時，膜內(nèi)外HCl的化學勢應當相等，所以有][C內(nèi)l?][H內(nèi)??[外H]外[Cl2??即(c1?c2?x)(c2?x)?x（1）已知膜外溶液的pH為3.26，計算得到pH內(nèi)?2.67，則有

?lg?lg?3.26x?5.495?10mol?dm1mo?ldm?3x?4?3

?3(c1?c2?x)1mol?dm?3?2.67c1?c2?x?2.14?10mol?dm?3

將這兩個數(shù)值代入（1）式，可求得：c2?6.91?10mol?dm由于c1?m1MRH?0.1dm3?4?3c1?2.00?10mol?dm?3?3?3

?1.3?10kgMRH?0.1dm3?2.00?10mol?dm?3?3

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解得MRH?1.3?10kg2.00?10mol?dm?3?3?3?0.1dm3?6.50kg?mol?1

即膜內(nèi)大分子酸的摩爾質(zhì)量為6.50kg?mol?