胶体与表面化学知识点整理

1第一章胶体的制备和性质一、什么是胶体？1.胶体体系的重要特点之一是具有很大的表面积。通常规定胶体颗粒的大小为1-100nm（直径）2.胶体是物质以一定分散程度存在的一种特殊状态，而不是一种特殊物质，不是物质的本性。胶体化学研究对象是溶胶（也称憎液溶胶）和高分子溶液（也称亲液溶胶）。气溶胶：云雾，青烟、高空灰尘液溶胶：泡沫，乳状液，金溶胶、墨汁、牙膏固溶胶：泡沫塑料、沸石、冰淇淋，珍珠、水凝胶、红宝石、合金二、溶胶的制备与净化1.溶胶制备的一般条件：（1）分散相在介质中的溶解度必须极小（2）必须有稳定剂存在2.胶体的制备方法：（1）分散法：研磨法：用机械粉碎的方法将固体磨细（产品细度1-74μm）胶溶法（解胶法）：仅仅是将新鲜的凝聚胶粒重新分散在介质中形成溶胶，并加入适当的稳定剂。（目前制备纳米材料和超微细粉的方法）超声波分散法：让分散介质动起来。主要用来制备乳状液（即分散介质是液体的体系）。好处是不与溶液接触。④电弧法：用于制备金属水溶胶。金溶胶多用于美容。（2）凝聚法：化学凝聚法物理凝聚法：A、更换溶剂法（溶解度是减小的）：利用物质在不同容剂中的溶解度的显著差别，制备溶胶，而且两种溶剂要能完全互溶。（与萃取区别）B、蒸汽骤冷法：制备碱金属的苯溶胶。3.溶胶的净化：简单渗析法，电渗析，超过滤法三．溶胶的运动性质1.扩散：胶粒从高浓度向低浓度迁移的现象，此过程为自发过程根本原因在于存在化学位。ddddmcDAtx，此为Fick第一扩散定律，式中dm/dt表示单位时间通过截面A扩散的物质数量，D为扩散系数，单位为m2/s，D越大，质点的扩散能力越大。扩散系数D与质点在介质中运动时阻力系数f之间的关系为：ARTDNf（AN为阿伏加德罗常数；R为气体常数）若颗粒为球形，阻力系数f=6r（式中，为介质的黏度，r为质点的半径）故16RTDNAr，此式即为Einstein第一扩散公式浓度梯度越大，质点扩散越快；就质点而言，半径越小，扩散能力越强，扩散速度越快。2.布朗运动：粒子越小布朗运动越激烈，其运动激烈的程度不随时间而变，但随温度变化。本质：分散介质的分子热运动。现象：分子处于不停的无规则运动中半径大于5μm时布朗运动消失。由于布朗运动是无规则的，因此就单个粒子而言，它们向各方向运动的几率是相等的。在浓度高的区2域，单位体积的粒子较周围多，造成该区域“出多进少”，使浓度降低，这就表现为扩散。扩散是布朗运动的宏观表现，而布朗运动是扩散的微观基础Einstein认为，粒子的平均位移x与粒子半径r、介质黏度、温度T和位移时间t之间的关系：123ARTtxNr，此式常称为Einstein-Brown位移方程。式中x是在观察时间t内粒子沿x轴方向的平均位移；r为胶粒的半径；为介质的粘度；AN为阿伏加德罗常数。利用此公式可以求粒子的半径，进而可以求粒子的摩尔质量。3.沉降溶胶是高度分散体系，胶粒一方面受到重力吸引而下降，另一方面由于布朗运动促使浓度趋于均一。当这两种效应相反的力相等时，粒子的分布达到平衡，粒子的浓度随高度不同有一定的梯度，这种平衡称为沉降平衡。高度分布定律三、溶胶的光学性质1.光散射（1）丁达尔效应：以一束强光射入溶胶后，在入射光的垂直方向可以看到一道明亮的光带，被称为丁达尔效应光本质是电磁波，当光波作用到介质中小于光波波长的粒子上时，粒子中的电子被迫振动（其振动频3率与入射光波的频率相同）,成为二次波源，向各个方向发射电磁波，这就是散射光波也就是我们看到的散射光。丁达尔效应可以认为是胶粒对光的散射作用的宏观表现。溶胶是多项不均匀体系，在胶粒和介质分子上产生的散射光不能完全抵消，因而能观察到散射现象。（2）Rayleigh散射定律c为单位体积中质点数，v为单个粒子的体积（其线性大小应远小于入射光波长），为入射光波长，n1、n2分别为分散介质和分散相的折射率①散射光强度与入射光波长的四次方成反比。入射光波长愈短，散射愈显著。所以可见光中，蓝、紫色光散射作用强。②分散相与分散介质的折射率相差愈显著，则散射作用亦愈显著。若n1=n2则无散射现象③散射光强度与单位体积中的粒子数成正比。④散射光强度与粒子体积的平方成正比。在低分子溶液中，散射光极弱，因此利用丁道尔现象可以鉴别溶胶和真溶液。四．溶胶的电学性质和胶团结构1.电动现象及其应用（1）电泳：带电胶粒或大分子在外加电场作用下向带相反电荷的电极作定向移动的现象称为电泳。（在不规则部件镀膜，多用于汽车行业）（2）电渗析：在外加电场的作用下，带电的介质通过多孔膜或半径为1-10nm的毛细管作定向移动。外加电解质对电渗速度影响显著，随着电解质浓度的增加，电渗速度降低，甚至会改变电渗的方向。电渗应用：溶胶的净化，海水淡化，泥炭和燃料的干燥。（3）沉降电势：在无外加电场作用下，若使分散相粒子在分散介质中迅速沉降时，使底层与表面层的粒子浓度悬殊，从而产生电势差，这就是沉降电势。这种现象是电泳的逆过程。贮油罐中的油内常会有水滴，水滴的沉降会形成很高的电势差，有时会引发事故。通常在油中加入有机电解质，增加介质电导，降低沉降电势。（4）流动电势：若用压力将液体挤过毛细管网或由粉末压成的多孔塞，则在毛细管网或多孔塞的两端会产生电位差，此之谓流动电势，此现象为电渗析的逆过程。在用泵输送原油或易燃化工原料时，要使管道接地或加入油溶性电解质，增加介质电导，防止流动电势可能引发的事故。电动电势：在外加电场下，胶粒与介质作相对移动时所表现出的电势叫做电动电势2.双电层五．胶体的稳定性（略谈）（一）.溶胶的稳定性与DLVO理论1.（1）热力学上为不稳定体系：胶体体系是多相分散体系，有巨大的界面能。（2）动力学上的稳定体系：溶胶粒子较小，布朗运动激烈，因此在重力场中不易沉降，即具有动力学稳定性。（3）聚结稳定性：由于胶团双电层结构的存在，胶粒都带有相同的电荷，相互排斥，故不易聚沉。这是溶胶稳定存在的最重要原因2.DLVO理论：溶胶在一定条件下是稳定存在还是聚沉，取决于粒子间的相互吸引力和静电斥力。若斥力大于吸引力则溶胶稳定，反之则不稳定。溶胶稳定理论胶粒之间有相互吸引的能量Va和相互排斥的能量Vr，总作用能为Va+Vr。如图所示：223222410221224()2nncVIInn4当粒子相距较大时，主要为吸力，总势能为负值；当靠近到一定距离，双电层重叠，排斥力起主要作用，势能升高。要使粒子聚结必须克服这个势垒。3.影响溶胶稳定性的因素（1）外加电解质的影响。这影响最大，主要影响胶粒的带电情况，使电位下降，促使胶粒聚结。（2）浓度的影响。浓度增加，粒子碰撞机会增多。（3）温度的影响。温度升高，粒子碰撞机会增多，碰撞强度增加。（4）胶体体系的相互作用。带不同电荷的胶粒互吸而聚沉。（二）溶胶的聚沉聚沉值：使一定量的溶胶在一定时间内完全聚沉所需电解质的最小浓度。对同一溶胶，外加电解质的离子价数越低，其聚沉值越大。聚沉能力：是聚沉值的倒数。聚沉值越大的电解质，聚沉能力越小；反之，聚沉值越小的电解质，其聚沉能力越强。第六章表面活性剂两个重要性质，一是在各界面上的定向吸附（作乳化剂、起泡剂、润湿剂的根据），另一个是在溶液内部能形成胶束（增溶核乳化作用的原因）一．表面活性剂定义：微量加入，显著降低液体（一般是水）表面张力的一种化学试剂。表面活性剂有表面活性，但不是有表面活性的就是表面活性剂。肥皂：降低水的界面能，很好的渗透润湿性。起泡，污染物分离。二．表面活性剂的特点分两部分一部分是与油有亲和性的亲油基（也称憎水基）另一部分是与水有亲和性的亲水基（也称憎油基）。虽然表面活性剂的结构是两亲分子，但并不是所有两亲分子都是表面活性剂，只有亲油部分有足够长度的两亲性物质，才是表面活性剂。三．表面活性剂的分类、结构特点及应用1.分类※（1）按离子类型分类（按亲水基的电离分的）阴离子型（用量最大）：R-COONa羧酸盐、R-OSO3Na硫酸酯盐、R-SO3Na磺酸盐、R-OPO3Na磷酸酯盐离子型阳离子型（多用于杀菌）：R-NH2HCl伯胺盐、R-N(CH3)HHCl仲铵盐、R-N(CH3)2HCl叔铵盐、R-N+(CH3)3Cl-季铵盐两性离子：R-NHCH2CH2COOH氨基酸型、RN(CH3)2-CH2COO-甜菜碱非离子型：R-O(CH2CH20)nH聚氧乙烯型、R-(C6H4)-O(CH2CH20)nH烷基酚聚氧乙烯烷基胺R2N-(CH2CH20)nH聚氧乙烯烷基胺R-CONH(CH2CH20)nH聚氧乙烯烷基酰胺R-COOCH2C(CH2OH)3多元醇型5（2）按溶解性分类可分为水溶性表面活性剂和油溶性表面活性剂（3）按分子量分类高分子表面活性剂：分子量在10000—∞中分子表面活性剂：分子量在1000—10000低分子表面活性剂：分子量在100—1000（4）按用途分2.各类表面活性剂的特点（1）阴离子型表面活性剂（2）阳离子型表面活性剂（3）两性离子型表面活性剂当水溶液偏碱性，则显示出阴离子活性剂的特性，若溶液偏酸性则显示出阳离子的特性（4）非离子型表面活性剂：不是离子状态，稳定性高，不易受强电解质无机盐的影响，不易受酸碱性的影响。五．胶束理论1.胶束：达到一定浓度时其疏水基相互缔合成有序组合体，这种缔合结构称为胶束2.临界胶束浓度：开始形成胶束的最低浓度3.胶束理论当溶液浓度在CMC一下时，溶液中基本是单个表面活性剂分子（或离子），表面吸附量随浓度增大而逐渐增加，直至表面上再也挤不下更多的分子，此时表面张力不再下降。也就是说σ-c曲线上，σ不再下降时的浓度可能正是开始形成胶束的浓度，这应该是各种性质的开始与理想性质发生偏离时的浓度。浓度继续增加并超过CMC后，单个的表面活性剂离子的浓度基本上不再增加，而胶束浓度或胶束数目增加。因胶束表面是由许多亲水基覆盖的，故胶束本身不是表面活性的，因而不被溶液表面吸附。而胶束内部皆为碳氢链所组成的亲油基团，有溶解不溶于水的有机物的能力。胶束的形成使溶液中的质点（离子或分子）数目减少，因此依数性（如渗透压等）的变化减弱。4.胶束的结构球形胶束：浓度为CMC或略大于CMC棒状胶束：在浓度为CMC的10倍或更大的浓度层状胶束：浓度更大，就形成巨大的层状胶束六．亲水亲油平衡HLB:以石蜡的HLB为0，以油酸的HLB为1，以油酸钾的HLB为20，以十二烷基硫酸钠为40七.表面活性剂的作用及应用1.增溶作用:指难溶和不难溶有机物在表面活性剂胶束水溶液中溶解度增大的现象发生增溶作用时，被增溶物的蒸气压下降。增溶作用是一个可逆的平衡过程，无论用什么方法，达到平衡后的增容作用都是一样的。增溶作用对依数性影响很少，这表明增溶时溶质并未拆散成单个分子或离子，而很可能是“整团”地溶解在肥皂溶液中，因为只有这样，质点的数目才不致有显著的增加。实验证明，在低于临界胶束时基本上无增溶作用，只有高于CMC以后增溶作用才明显地表现出来。2.增溶机理3.影响增溶作用的因素（1）表面活性剂的结构同系的钾皂中碳氢链越长，増溶能力越大；对于烃类，2价金属烷基硫酸盐较之相应的钠盐有较大的增溶能力，因为前者具有较大的胶束聚集数和体积；但直链的表面活性剂较相同的碳原子数的支链表面活性剂的増溶能力大，因为后者的有效链长较短；极稀溶液中非离子型表面活性剂有较低的CMC，故较之粒子性表面活性剂有较强的増溶能力。当表面活性剂具有相同的亲油链长时，不同类型表面活性剂增溶烃类和极性化合物的顺序：非离子型阳离子型阴离子型（2）被增溶物的结构：一般情况极性化合物比非极性化合物易于增溶；芳香族化合物比脂肪族化合物易于增溶；有支链的化合物比直链化合物易于增溶。（3）电解质：往离子型表面活性剂中加入无机盐，能降低其CMC，有利于加大表面活性剂的増溶能力；6往非离子型表面活性剂中加入电解质，能增加烃类的增溶量，这主要是加入电解质后胶束的聚集数增加。（4）温度：升温能增加极性和非极性物质在离子型表面活性剂中的增溶作用量，这主要是由于温度升高后热扰动增强，从而增大了胶束中提供增溶的空