10-胶体分散系统(2015)

2020/6/22第10章胶体分散系统2020/6/2210.1胶体分散系统概述10.2溶胶的动力和光学性质10.3溶胶的电学性质10.4溶胶的稳定性和聚沉作用10.5大分子概说10.7凝胶10.8纳米技术与应用简介第10章胶体分散系统2020/6/2210.1胶体分散系统概述1.分散系统的分类2.憎液溶胶的制备3.胶团的结构4.溶胶的净化把一种或几种物质分散在另一种物质中就构成分散系统。云：水分散在空气中被分散的物质称为分散相（dispersedphase)另一种物质称为分散介质（dispersingmedium)10.1胶体分散系统概述牛奶：乳脂分散在水中珍珠：水分散在蛋白质中？分类系统通常有三种分类方法：•分子分散系统1.按分散相粒子的大小2.按分散介质的物态•液溶胶3.按胶体分散系统的性质•憎液溶胶•胶体分散系统•粗分散系统•固溶胶•气溶胶•亲液溶胶•缔合溶胶10.1胶体分散系统概述｛｛｛(1)分子分散系统分散相与分散介质以分子或离子形式彼此混溶，没有界面，是均匀的单相，分子半径大小在10-9m以下。通常把这种系统称为真溶液，如CuSO4水溶液。（2）胶体分散系统分散相粒子的半径在1~100nm的系统。目测是均匀的，但实际是多相不均匀系统。也有的将1~1000nm的粒子归入胶体范畴。（3）粗分散系统当分散相粒子大于1000nm，目测是混浊不均匀系统，放置后会沉淀或分层，如黄河水？。1.按分散相粒子的大小分类2.按分散介质的物态分类（1）液溶胶将液体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为不同状态时，则形成不同的液溶胶C.液-固溶胶如油漆，AgI溶胶等B.液-液溶胶如牛奶，石油原油等A.液-气溶胶如泡沫2.按分散介质的物态分类（2）固溶胶将固体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为不同状态时，则形成不同的固溶胶C.固-固溶胶有色玻璃，不完全互溶的合金B.固-液溶胶珍珠，宝石A.固-气溶胶泡沫塑料，沸石分子筛2.按分散介质的物态分类（3）气溶胶将气体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为固体或液体时，形成气-固或气-液溶胶B.气-固溶胶如青烟，含细尘的空气A.气-液溶胶如雾，某些云没有气-气溶胶，因为不同的气体混合后是单相均一系统，不属于胶体范围。分散相分散介质通称举例气液泡沫肥皂及灭火泡沫液液乳状液牛奶及含水原油固液溶胶或悬浮液银溶胶、油墨、泥浆气固固体泡沫沸石、聚乙烯泡沫、海棉液固珍珠固固加颜料的塑料液气气溶胶雾固气悬浮体烟、沙尘暴3.按胶体分散系统的性质分类（1）憎液溶胶半径为1~100nm的难溶物固体粒子保持了原有的性质，分散在液体介质中，有很大的相界面，易聚沉，是热力学上的不稳定系统。一旦将介质蒸发，再加入介质就无法再形成溶胶，是一个不可逆系统，如氢氧化铁溶胶、碘化银溶胶等。这是胶体分散系统中主要研究的内容。由，和等难溶物质分散在液体介质(通常是水)中形成的溶胶。AgI(s)Au(s)3Fe(OH)(s)3.按胶体分散系统的性质分类（1）憎液溶胶形成憎液溶胶的必要条件是：（A）分散相的溶解度要小。（B）还必须有稳定剂存在，否则胶粒容易聚结，而发生聚沉现象。3.按胶体分散系统的性质分类（2）亲液溶胶半径落在胶体粒子范围内的大分子物质，溶解在合适的溶剂中形成的溶胶。亲液溶胶是热力学上稳定、可逆的系统。一旦将溶剂蒸发，大分子化合物凝聚，再加入溶剂，又可形成溶胶。分散相分子本身的大小已达到胶粒范围，它的扩散速率小、不能透过半透膜等性质与胶体系统相似。3.按胶体分散系统的性质分类（3）缔合胶体由表面活性物质缔合形成胶束，分散在介质中，胶束半径已落在胶体粒子范围内。或由缔合表面活性物质保护的一种微小液滴，均匀地分散在另一种液体介质中，形成半径落在胶体粒子范围内的微乳状液。对球形颗粒，是指直径，俗称为纳米粒子或超细微粒；对片状物质，是指厚度，俗称纳米膜；对线状物质，指线径或管径，俗称纳米线或纳米管。胶体分散系统（分散质或分散相的质点大小在1-1000nm之间）溶胶（憎液胶体）胶束溶液（缔合胶体）大分子溶液（亲液胶体）胶体分散系统的主要特征溶胶高度分散的、多相的、热力学不稳定系统胶束溶液高度分散的、均相的、热力学稳定系统大分子溶液高度分散的、均相的、热力学稳定系统溶胶的制备与净化溶胶质点大小1nm～1000nm小分子溶液质点大小0.1nm由小变大凝聚法由大变小分散法粗分散系统质点大小1mm更换溶剂法化学反应法（液相法、气相法）物理凝聚法研磨法超声分散法电弧法溶胶的制备10.1.2憎液溶胶的制备制备溶胶必须使分散相粒子的大小落在胶体分散系统的范围之内，并加入适当的稳定剂。制备方法大致可分为两类：1.分散法2.凝聚法用机械设备、电能或热能等将粗分散的难溶物质分散成微小颗粒。用化学或物理方法，将分子或离子凝聚成一定粒度的胶粒。10.1.2憎液溶胶的制备1.分散法这种磨的转速极快，每分钟高达1万转以上。两个磨盘之间的距离极小，使从顶部加入的粗分散粒子在强大的应切力下被粉碎。（1）胶体磨这方法适用于脆而易碎的物质，对柔韧性的物质必须先硬化后再粉碎。例如，将废轮胎粉碎，先用液氮处理，硬化后再研磨。干法只加入粗分散的粒子，而湿法是将粗分散粒子、稳定剂和介质一起加入，这样得到的胶体系统比较稳定。10.1.2憎液溶胶的制备盘式胶体磨10.1.2憎液溶胶的制备转速约每分钟1万∼2万转。A为空心转轴，与C盘相连，向一个方向旋转，B盘向另一方向旋转。分散相、分散介质和稳定剂从空心轴A处加入，从C盘与B盘的狭缝中飞出，用两盘之间的应切力将固体粉碎。这种方法可制备1000nm左右的粒子。10.1.2憎液溶胶的制备（2）喷射磨在装有两个高压喷嘴的粉碎室中，一个喷高压空气，一个喷物料，两束超音速物流以一定角度相交，形成涡流，将粒子粉碎。（3）电弧法电弧法主要用于制备金、银、铂等金属溶胶。制备过程包括先分散后凝聚两个过程。可制备粒径小于1000nm的粒子。10.1.2憎液溶胶的制备将金属做成两个电极，浸在水中，盛水的盘子放在冰浴中。制备时在两电极上施加直流电，调节电极之间的距离，使之形成电弧。在水中加入少量NaOH作为稳定剂。这时表面金属蒸发，是分散过程接着金属蒸气立即被水冷却而凝聚为胶粒。10.1.2憎液溶胶的制备2.凝聚法通过各种化学反应，使生成物呈过饱和状态，（1）化学凝聚法通过各种化学反应或物理方法，使分子或离子凝聚成一定粒度的胶粒使初生成的难溶物微粒结合成胶粒，在少量稳定剂存在下形成溶胶。这种稳定剂一般是某一过量的反应物10.1.2憎液溶胶的制备例如，硫化砷溶胶的制备又如，用水解反应制氢氧化铁溶胶稳定剂是略过量的反应物硫化氢FeCl3(稀)+3H2O(热)=Fe(OH)3(溶胶)+3HCl稳定剂是反应过程中产生的FeO+23233AsO(s)3HO(l)2HAsO3322322HAsO3HSAsS()6HO(l)溶胶10.1.2憎液溶胶的制备（2）物理凝聚法蒸气凝聚法例如，将汞蒸气通入冷水中，可获得汞的水溶胶在加热汞时生成的少量氧化物作为稳定剂更换溶剂法例如,松香易溶于乙醇而难溶于水，将松香的乙醇溶液滴入水中可制备松香的水溶胶。实际是利用物质在不同溶剂中的溶解度不同,把普通溶液突然变成过饱和溶液，使溶质凝聚成胶粒10.1.4溶胶的净化在制备溶胶的过程中，常生成一些多余的电解质，如制备Fe(OH)3溶胶时生成的HCl。净化的方法主要有渗析法和超过滤法。323FeCl3HOFe(OH)()3HCl（热）溶胶32Fe(OH)HClFeOCl2HOFeOClFeOCl少量电解质可以作为溶胶的稳定剂FeO过多的电解质的存在会使溶胶不稳定，容易聚沉，所以必须除去。HCl1.渗析法简单渗析利用浓差，多余的电解质离子不断向膜外渗透如将装有溶胶的半透膜容器不断旋转，可以加快渗析速度。将溶胶放在羊皮纸或动物膀胱等半透膜制成的容器内，膜外放纯水。经常更换溶剂，就可以净化半透膜容器内的溶胶。10.1.4溶胶的净化2HO2HO溶胶10.1.4溶胶的净化电渗析为了加快渗析速度，在半透膜的两侧外加电场10.1.4溶胶的净化使多余的电解质离子向相应的电极作定向移动溶剂水不断自动更换，这样可以提高净化速度2HO2HO2HO2HO溶胶用半透膜作滤纸，利用吸滤或加压的方法使胶粒与含有杂质的介质在压差作用下迅速分离。2.超过滤法将半透膜上的胶粒迅速用含有稳定剂的介质再次分散。10.1.4溶胶的净化在生物化学中常用超过滤法测定蛋白质分子、酶分子、病毒和细菌分子的大小。电超过滤：有时为了加快过滤速度，在半透膜两边安放电极，施以一定电压，将电渗析和超过滤合并使用，这样可以降低超过滤压力。10.1.4溶胶的净化10.2溶胶的动力和光学性质1.动力性质2.光学性质10.2.1动力性质1.Brown运动1827年植物学家布朗（Brown)用显微镜观察到悬浮在液面上的花粉粉末不断地作不规则的运动。后来又发现许多其它物质如煤、化石、金属等的粉末也都有类似的现象。人们称微粒的这种运动为Brown运动。但在很长的一段时间里，这种现象的本质没有得到阐明。10.2.1动力性质1.Brown运动1903年发明了超显微镜，为研究布朗运动提供了物质条件。用超显微镜可以观察到溶胶粒子不断地作不规则“之”字形的运动从而能够测出在一定时间内粒子的平均位移。10.2.1动力性质1.Brown运动通过大量观察，得出结论：粒子越小，布朗运动越激烈。其运动激烈的程度不随时间而改变，但随温度的升高而增加。10.2.1动力性质1.Brown运动1905年Einstein（爱因斯坦)等人才阐述了Brown运动的本质。认为Brown运动是分散介质分子以不同大小和不同方向的力对胶体粒子不断撞击而产生的.由于受到的力不平衡，所以连续以不同方向、不同速度作不规则运动。10.2.1动力性质Einstein认为，溶胶粒子的Brown运动与分子运动类似，平均动能为。32kT并假设粒子是球形的运用分子运动论的一些基本概念和公式，得到Brown运动的公式为123RTtxLr无规则无规律10.2.1动力性质123RTtxLrr为胶粒的半径；为介质的黏度；L为Avogadro常量这个公式把粒子的位移与粒子的大小、介质黏度、温度以及观察时间等联系起来。是在观察时间t内粒子沿x轴方向的平均位移；x10.2.1动力性质2.扩散与渗透压Einstein对球形粒子导出了胶粒在时间t内,平均位移与扩散系数D之间的定量关系12(2)xDt123RTtxLr因为这就是Einstein-Brown位移方程。代入得16RTDLr10.2.1动力性质2.扩散与渗透压16RTDLr从Brown运动实验，测出平均位移，就可求出扩散系数D有了扩散系数，就可以从上式求粒子半径r。已知r和粒子密度，可以计算粒子的摩尔质量343MrL扩散系数D的物理意义是：在单位时间内、单位浓度梯度下通过单位截面积的物质的质量。10.2.1动力性质2.扩散与渗透压由于胶粒不能透过半透膜，而介质分子或外加的电解质离子可以透过半透膜，所以有从化学势高的一方向化学势低的一方自发渗透的趋势。溶胶的渗透压可以借用稀溶液渗透压公式计算：nRTcRTVΠ式中c为胶粒的浓度。由于憎液溶胶不稳定，浓度不能太大，所以测出的渗透压及其他依数性质都很小。10.2.1动力性质3.沉降与沉降平衡溶胶的胶粒一方面受到重力吸引而下降，另一方面由于Brown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，如图所示。这种平衡称为沉降平衡。10.2.1动力性质3.沉降与沉降平衡达到沉降平衡时，粒子随高度分布的情况与大气在地球表面分布类似，可以用高度分布定律。根据高度分布定律可知粒子质量越大，其平衡浓度随高度的降低也越大。上层粒子小而稀疏，下层粒子大而密集。沉降平衡——分散相粒子本身的重力使粒子沉降；而介质的粘度及布朗运动引起的扩散作用阻止粒子下沉；两种作