第五章 胶体溶液

第五章胶体溶液讲师：第二军医大学学习目标●理解分散系的概念、分类及特点●了解溶胶的重要性质，掌握溶胶的稳定性原因及聚沉方法●了解高分子化合物的概念、特性，理解高分子溶液对溶胶的保护作用●了解凝胶的概念、性质及形成原因，熟悉凝胶在医学上的意义第一节分散系油水泥水NaCl溶液分散剂（介质）分散相（质）分散系Na+和Cl-小土粒小油滴水水水一、分散系的概念（一）分散系1.分散系：一种物质(或几种物质)以细小粒子，分散到另一种物质里所形成的混合物。2.分散相：被分散成细小粒子的物质。3.分散介质：容纳分散相的物质。1.相的定义：物理性质和化学性质完全相同的部分称为相。（二）相的概念3.多相体系：有两个或两个以上相的体系称多相体系。2.单相体系：只有一个相的体系称为单相体系（或均相体系）油水混合物碘酊二、分散系的分类分散系划分方法：根据分散质微粒大小的不同。分散质粒子的直径d：﹤10-9m10-9～10-7m10-9m=1nm(纳米)(1nm1～100nm100nm)溶液胶体浊液﹥10-7m分散系溶液（分子或离子）胶体粗分散系悬浊液、乳浊液d1nm1nmd100nmd100nm思考：溶质＝分散质？溶剂＝分散剂？说明：溶质、溶剂概念只适用于溶液，而不能用于其它分散系。二、分散系的分类（一）分子或离子分散系分散相粒子的直径小于1nm(10-9m)，以分子、原子或离子状态均匀分散在分散介质中所形成的分散系，称为分子或离子分散系。CuSO4溶液特点透明均匀、稳定能透过滤纸和半透膜氯化钠注射液二、分散系的分类（二）粗分散系分散相粒子直径大于100nm(10-7m)的分散系称为粗分散系。按分散相状态的不同又分为悬浊液和乳浊液。1.悬浊液固体的小颗粒分散在液体中所形成的粗分散系，叫做悬浊液。2.乳浊液液体以微小的小液滴分散在另一种互不相溶的液体中所形成的粗分散系称为乳浊液。油水混合物泥水混合物特点不透明不均匀、不稳定不能透过滤纸和半透膜二、分散系的分类（三）胶体分散系分散相粒子的直径在1～100nm(10-9m~10-7m)之间的分散系，称为胶体分散系，简称胶体。常见的胶体：Fe(OH)3胶体、Al(OH)3胶体、硅酸胶体、淀粉胶体、蛋白质、血液、豆浆、墨水、涂料。Fe(OH)3胶体豆浆特点不透明不均匀、不稳定不能透过滤纸和半透膜三、分散系的特点分散系的种类分散相粒子粒子直径分散系特点分子、离子分散系溶液单个分子或离子＜1nm单相、透明、均匀、稳定、能透过滤纸和半透膜胶体分散系溶胶许多分子或离子的聚集体1～100nm多相、透明度不一、不均匀、较稳定、能透过滤纸，不能透过半透膜高分子溶液单个高分子单相、透明、均匀、稳定、能透过滤纸，不能透过半透膜粗分散系悬浊液固体小颗粒＞100nm多相、浑浊、不透明、不均匀、不稳定、不能透过滤纸和半透膜乳浊液液体小液滴三种分散系的比较第二节溶胶一、溶胶的性质（一）光学性质（丁达尔效应）在暗室中用一束强光投射到溶胶上，从光束的垂直方向上可以清楚地观察到一条光带，这是溶胶的丁达尔效应。丁达尔效应是光的散射现象。由于溶胶粒子的直径大小在1~100nm之间，稍小于可见光波长（400~700nm），当可见光透过溶胶时会产生明显的散射作用。而对于真溶液，由于分子或离子直径远小于光的波长，光发生透射，显得清澈透明。因此，可以用丁达尔现象区分溶胶和真溶液。实验：光束分别通过Fe(OH)3胶体和CuSO4溶液，观察现象。现象：一束光通过胶体时，从侧面可观察到胶体里产生一条光亮的“通路”。CuSO4溶液Fe(OH)3胶体丁达尔效应利用丁达尔效应是区分胶体与溶液的一种常用的物理方法。（二）动力学性质1．布朗运动2．扩散3．沉降溶胶的布朗运动在胶体分散系中，当溶胶粒子有浓度差时，溶胶粒子将从浓度大区域向浓度小区域自动迁移，这种现象称为扩散。如果胶体粒子的密度比分散介质的密度大，粒子在重力作用下缓慢地向容器底部降落的现象叫做沉降。将一束强光透过溶胶并在光的垂直方向用超显微镜观察，可以观测到溶胶中的粒子在不停地作不规则的运动，这种不停的无规则的运动称为布朗运动。溶胶的扩散现象溶胶的沉降现象（三）电学性质（电泳现象）在外电场作用下，胶粒在分散介质中定向移动的现象称为电泳现象。氢氧化铁溶胶的电泳现象胶粒带有电荷是由于胶粒电离或选择性吸附离子引起的。在一个U形管中，加入棕色的Fe(OH)3溶胶，然后插上电极并通直流电，阴极附近颜色逐渐变深，表示氢氧化铁胶粒向阴极移动。二、溶胶的稳定性和聚沉（一）溶胶的稳定性溶胶是不稳定体系，具有自发聚结的趋势，应该很容易聚结而下沉，但事实上很多溶胶相当稳定。溶胶的稳定性原因有以下几点：①溶胶分散程度高，胶粒体积小，具有强烈的布朗运动，可以克服重力作用而不易下沉。②在溶胶体系中，由于胶粒都带有相同的电荷，它们相互排斥阻止了彼此的靠近。③胶团中的吸附层离子和扩散层离子都能发生水化作用，在其表面形成具有一定强度和弹性的水化膜，这层水化膜阻止了胶粒之间的直接接触，使胶粒碰撞时不致引起聚沉。二、溶胶的稳定性和聚沉（二）溶胶的聚沉溶胶的稳定是暂时的、有条件的、相对的。从溶胶的稳定性来看，只要破坏了溶胶稳定性的因素，溶胶粒子就会聚结而沉降，这个过程称为溶胶的聚沉。①电解质对溶胶的聚沉作用在溶胶中加入少量电解质，增加了溶液中离子的浓度，将有较多带相反电荷的离子抵消胶粒所带电荷，使胶粒之间的相互排斥力减小甚至消失，导致胶粒聚集合并变大，从而破坏了水化膜，胶粒就会聚集成大的颗粒从溶胶中聚沉下来。③溶胶的相互聚沉②加热聚沉加热增加了胶粒的运动速度和碰撞机会，同时降低胶核对带电离子的吸附作用，减少胶粒所带的电荷和水化程度，即减弱胶体溶液稳定的因素，使胶粒可以碰撞聚沉。将两种带相反电荷的溶胶以适当的比例混合，也会发生聚沉。这是因为不同电性的溶胶相互中和了各自所带的电荷，所以共同聚沉下来。明矾KAl(SO4)2·12H2O用明矾净水就是溶胶相互聚沉的实际应用，因为天然水中的胶体悬浮粒子一般是负溶胶，明矾中的硫酸铝水解生成的Al(OH)3溶胶是正溶胶，两者混合发生相互聚沉，再加上Al(OH)3絮状物的吸附作用，使污物清除，达到净化水的目的。第三节高分子化合物溶液一、高分子化合物的概念高分子化合物是由几千甚至几万个原子组成的、相对分子质量在1万以上，甚至高达几百万的大分子化合物。如蛋白质、纤维素、淀粉、动植物胶、人工合成的各种树脂等。高分子化合物溶液是指高分子溶解在适当的溶剂中所形成的溶液。如组成人体组织、细胞以及存在于体液中的重要物质——蛋白质、核酸、糖原等。二、高分子化合物溶液的特性（一）稳定性高高分子溶液比溶胶稳定性高，在无菌、溶剂不蒸发的情况下，可以长期放置而不沉淀。在稳定性方面与真溶液相似。高分子溶液稳定性高，与高分子化合物本身的结构有关。高分子化合物具有亲水基团（如-OH、-COOH、-NH3等），这些基团与水有很强的亲和力。当高分子化合物溶解于水中时，在高分子化合物表面上牢固地吸引着许多水分子形成了水化膜。原因（二）黏度大因其具有线状或分支状结构，在溶液中能牵引介质使其运动困难，故表现为黏度大。真溶液、溶胶的粘度与纯溶剂相近。原因高分子化合物溶液的黏度比溶液或溶胶都大。三、高分子化合物对溶胶的保护作用例如，作为防腐药的蛋白银是一种胶体银制剂，其制备过程中将蛋白质高分子化合物加入到胶体银中，使之比普通银溶胶更稳定、浓度更高、银粒更细。在溶胶中加入适量高分子化合物溶液，可以显著的增加溶胶的稳定性，这种现象叫高分子化合物的保护作用。第四节凝胶一、凝胶的形成凝胶是一种特殊的分散体系。它是由胶体粒子或线形大分子之间相互连接，形成立体网状结构，大量的溶剂分子被分隔在网状结构的空隙中而失去流动性所形成的。1.形成凝胶的原因：一般认为是由于析出固体时，形成立体网状结构，在网状结构空隙内保留了大量的溶剂，所以凝结为稠厚而不易流动的凝胶。2.形成凝胶的条件：首先决定于胶体粒子的本性，其次还与浓度和温度等因素有关。例如：鱼汤在低温下便会形成凝胶。液体含量多的凝胶叫胶冻，如血块、果冻、鱼冻等，液体含量少的称为干凝胶，如人的指甲、毛发、皮肤组织等。高分子化合物绝大多数是线形或分支形大分子，能形成凝胶是其普遍性质。浓度越大，温度越低，越容易形成凝胶。二、凝胶的性质（一）弹性各种凝胶在冻态时（溶剂含量多的凝胶叫胨），弹性大致相同，但干燥后就显出很大差别。一类凝胶在烘干后体积缩小很多，但仍保持弹性，叫做弹性凝胶；例如：肌肉、皮肤、毛发、指甲等是由柔顺性大的线形大分子所形成的凝胶，属于弹性凝胶；另一类凝胶烘干后体积缩小不多，但失去弹性，变脆，易磨碎，叫做脆性凝胶。例如：由硅酸溶胶、氢氧化铝溶胶等所形成的凝胶，粒子间交联性强，网状结构牢固，不易伸缩，则是脆性凝胶。（二）膨润（溶胀）干燥的弹性凝胶放入适当的溶剂中，会自动吸收液体而膨胀，体积增大，这个过程叫做膨润。有的弹性凝胶膨润到一定程度，体积就不再增大，称为有限膨润。例如：橡胶在苯中的膨润，木柴在水中的膨润。有的弹性凝胶能无限地吸收溶剂，最后形成溶液，称为无限膨润。例如：阿拉伯树胶、牛皮胶等在水中的膨润。脆性凝胶不能膨润。（三）离浆（脱液收缩）新制备的凝胶放置一段时间后，一部分液体可以自动而缓慢地从凝胶中分离出来，凝胶本身体积缩小，这种现象叫做离浆或脱液收缩。离浆实质上是高分子之间继续交联的结果，即组成网状结构的大分子之间的连结点继续发展增多，使网架紧密，更牢固，结果使液体从网状结构中挤出。离浆析出的液体是溶液而不是溶剂，因而离浆并不是膨润的逆过程。例如：腺体的分泌，新鲜血块放置后分离出血清，淀粉糊放置后分离出液体，都是凝胶的离浆现象。三、凝胶的生理意义凝胶处于溶液和固体高聚物的中间状态，兼有两者的一些性质，一方面具有一定强度以维持形态，另一方面可以让许多物质在其中进行物质交换，因此凝胶对生命活动具有重要意义。例如生物体中肌肉组织纤维、细胞膜、软骨和有机体中的各种膜，都是凝胶的薄膜，它们具有一定的强度，保持细胞和组织一定的形状，同时承担着机体新陈代谢过程中物质交换的功能。生理学特点凝胶在有机体的组成中占重要地位，人体的肌肉、皮肤、脏器、细胞膜以及毛发、指甲、软骨等都可看做是凝胶，人体中约占体重三分之二的水分，基本上保存在凝胶里面。例如：如硅胶、离子交换树脂等都是凝胶。分子筛就是利用凝胶的网状结构，来分离大小不同的分子。在生物科学实验中，凝胶常作为支持介质用于电泳与层析分离，如琼脂糖凝胶电泳用于血清蛋白及DNA的分离鉴别；聚丙烯酰胺凝胶电泳用于分离蛋白质或RNA。凝胶在生产和科学研究上同样十分重要，目前应用广泛的层析法分析技术所使用的层析剂，学习结束！