胶体与界面化学

胶体与界面化学授课教师：郑欧CollegeofChemistryandChemicalEngineering课程参考书《胶体与表面化学》沈钟，王果庭编化学工业出版社《应用胶体与界面化学》赵振国编著化学化工出版社《胶体化学基础》周祖康、顾惕人编著北京大学出版社《胶体与界面化学》陈宗淇等编著高等教育出版社《应用胶体化学》候万国等编著科学出版社CollegeofChemistryandChemicalEngineering课程内容绪论第一章胶体与纳米粒子的制备第二章胶体的基本性质第三章表面张力与润湿作用第四章表面活性剂溶液第五章乳状液、微乳状液、泡沫、凝胶等CollegeofChemistryandChemicalEngineering绪论§0.1胶体与界面§0.2胶体与界面化学的基本内容§0.3胶体和界面化学与其他学科的关系§0.4胶体与界面化学的发展与展望第一节胶体与界面实验：将一把泥土放入水中一杯泥土泥沙+浑浊的小土粒（底部）土中的盐类形成真溶液既不下沉、也不溶解的极为微小的土壤颗粒称为胶体颗粒；含胶体颗粒的体系称为胶体体系；胶体化学，狭义地说就研究这些微小颗粒分散体系的科学。？什么是胶体CollegeofChemistryandChemicalEngineering一、分散体系把一种或几种物质分散在另一种物质中就构成分散体系。其中，被分散的物质称为分散相（dispersedphase），另一种物质称为分散介质（dispersingmedium)。例如：云，牛奶，珍珠（1）分子分散体系---真溶液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。通常把这种体系称为真溶液，如CuSO4溶液。（2）胶体分散体系分散相粒子的半径在1nm~100nm之间的体系。目测是均匀的，但实际是多相不均匀体系。也有的将1nm~1000nm之间的粒子归入胶体范畴。（3）粗分散体系当分散相粒子大于1000nm，目测是混浊不均匀体系，放置后会沉淀或分层，如黄河水。胶体的定义(1915Owtwald):胶体是一种尺寸在1~100nm以至1000nm的分散体。分散体系的分类---分散相的尺寸CollegeofChemistryandChemicalEngineering国际纯粹化学与应用化学联合会（IUPAC）分散体系是指一种或几种物质以一定的分散度分散在另一种物质中形成的体系以颗粒分散状态存在的不连续相称为分散相；而连续相称为分散介质颗粒某一线度大于1000nm，粗分散体系颗粒某一线度小于1nm，真溶液体系颗粒某一线度为1-1000nm胶体体系CollegeofChemistryandChemicalEngineering分散体系的分类---聚集状态CollegeofChemistryandChemicalEngineering二、胶体胶体是一种尺寸在1~100nm以至1000nm的分散体系。CollegeofChemistryandChemicalEngineering1.胶体分类－－(I)按分散相和介质之间的亲和性分类（1）亲液溶胶（lyophiliccolloid)（2）憎液溶胶（lyophobiccolloid)CollegeofChemistryandChemicalEngineering亲液溶胶：一旦将溶剂蒸发，分散相凝聚，再加入溶剂，又可形成溶胶，亲液溶胶是热力学上稳定、自发、可逆的体系。CollegeofChemistryandChemicalEngineering憎液溶胶：半径在1nm~100nm之间的难溶物固体粒子分散在液体介质中，有很大的相界面，易聚沉，是热力学上的不稳定体系。一旦将介质蒸发掉，再加入介质就无法再形成溶胶，是一个不可逆体系，如氢氧化铁溶胶、碘化银溶胶等。CollegeofChemistryandChemicalEngineering憎液溶胶的特性A特有的分散程度粒子的大小在10-9~10-7m之间，因而扩散较慢，不能透过半透膜，渗透压低但有较强的动力稳定性和乳光现象。B多相不均匀性具有纳米级的粒子是由许多离子或分子聚结而成，结构复杂，有的保持了该难溶盐的原有晶体结构，而且粒子大小不一，与介质之间有明显的相界面，比表面很大。C热力学不稳定性因为粒子小，比表面大，表面自由能高，是热力学不稳定体系，有自发降低表面自由能的趋势，即小粒子会自动聚结成大粒子。CollegeofChemistryandChemicalEngineering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，否则胶粒易聚结而聚沉。CollegeofChemistryandChemicalEngineering（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：A.液-固溶胶如：油漆，AgI溶胶B.液-液溶胶如：牛奶，石油原油等乳状液C.液-气溶胶如：泡沫1.胶体分类－－(II)按分散相和介质聚集状态分类CollegeofChemistryandChemicalEngineering（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：A.固-固溶胶如：有色玻璃，不完全互溶的合金B.固-液溶胶如：珍珠，某些宝石C.固-气溶胶如：泡沫塑料，沸石分子筛CollegeofChemistryandChemicalEngineering（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，但没有气-气溶胶，因为不同的气体混合后是单相均一体系，不属于胶体范围.A.气-固溶胶如烟，含尘的空气B.气-液溶胶如雾，云例如，把边长为1cm的立方体1cm3逐渐分割成小立方体时，表面积增长情况列于下表：2.胶体的纳米粒子特性边长/m立方体数比表面Av/（m2/m3）1×10-21×10-31×10-51×10-71×10-91103109101510216×1026×1036×1056×1076×109从表上可以看出，当将边长为10-2m的立方体分割成10-9m的小立方体时，比表面增长了一千万倍。CollegeofChemistryandChemicalEngineering粒径/nm原子数表面上的原子数总的原子数20105212.510531044103250301020408099n(=)/%某种超细粉的原子数与表面上原子所占比例胶体粒子具有很强的表面能CollegeofChemistryandChemicalEngineering胶体的特点---纳米粒子的特点(1)巨大的比表面，界面现象重要例如：巨大的表面和表面能使胶体体系具有很强的吸附能力，可以制造各种吸附剂和催化剂。CollegeofChemistryandChemicalEngineering(2)最强烈的尺寸效应（a）熔点变化，例如：12nm的TiO2在室温下就已熔合（正常熔点：1830～1850℃）（b）力学性能，例如：500oC时所得硬度相当于粗晶块在1100oC烧结所得（c）电学性质：Kubo效应---即粒子保持电学中性类别粒径/nm起始烧结温度/oCCuFeAgNi50502020200(1083)200~300(1593)60~80(960)200(1453)超细粉的起始烧结温度CollegeofChemistryandChemicalEngineering（d）光学效应：CollegeofChemistryandChemicalEngineering4.胶体粒子的形状单分散球形硫化锌（a）立方碳酸镉粒子（b）的SEM图（a）b-FeOOH棒状粒子；（b）a-Fe2O3椭球状粒子；（c）b-FeOOH棒状粒子立方状粒子；（d）b-FeOOH和a-Fe2O3混合化学组成的棒状粒子的TEM图CollegeofChemistryandChemicalEngineeringCollegeofChemistryandChemicalEngineering三、界面(Interface)接触的不相混溶的两相交界处称为界面。界面包括：气/液、液/液、固/液、气/固、液/固等5种不同界面。通常气/液和气/固界面又称为表面。宏观表面或界面微观界面如生物膜、表面活性剂的各种类型有序聚集体（胶束、囊泡及脂质体、微乳液等）的微观界面CollegeofChemistryandChemicalEngineeringCollegeofChemistryandChemicalEngineeringCollegeofChemistryandChemicalEngineering界面上的分子的聚集状态、排列方式、分子间的相互作用赋予其界面上独特的物理化学作用、化学反应和生物化学过程例如：吸附作用、界面化学反应，细胞对阴、阳离子、中离分子的选择性运输作用，细胞膜中的各种酶促反应。物理化学作用及化学反应与构成界面的物质组成、化学结构、表面结构与基团、界面面积大小等因素有关，例如：水在硅胶表面上的吸附量受硅胶表面硅羟基浓度、硅胶孔结构和比表面的影响;氢和烃易在过渡金属表面吸附，故过渡金属是氢和烃反应的良好催化剂。CollegeofChemistryandChemicalEngineeringCollegeofChemistryandChemicalEngineering生物表面自清洁现象CollegeofChemistryandChemicalEngineeringCollegeofChemistryandChemicalEngineeringCollegeofChemistryandChemicalEngineering翅膀具有集水功能CollegeofChemistryandChemicalEngineering自然界中具有结构色的生物及其微观结构CollegeofChemistryandChemicalEngineering第二节胶体与界面化学的基本内容胶体与界面化学是研究：界面现象及除小分子分散体系以外的多相分散体系物理化学性质的科学，其内容涉及各种界面现象、表面层结构与性质，各种分散体系的形成与性质。一、什么是胶体与界面化学二、现代胶体科学的研究内容--------研究对象和内容分散体系分散体系的形成与稳定光学性能、流变性能智能流体、电磁流变体界面现象有序组合体纳米材料润湿、吸附、界面电现象、界面双电层结构生物膜、仿生膜、溶液中的有序分子组合体第三节胶体与界面化学与其他学科的关系★农业★生物学与医学★日用品的生产与使用★轻工业★环境科学★分析化学★材料★海洋科学★天文与气象学★油田开发有人认为，世界上有50%以上的科学家是与胶体与界面打交道，有50%以上的产品属于胶体体系。研究涉及领域CollegeofChemistryandChemicalEngineering一些涉及胶体和表面化学的实例分析化学中的吸附指示剂、离子交换、色谱等物理化学中的成核作用、过饱和及液晶等生物化学和分子生物学中的电泳、膜现象、蛋白质和核酸等化学制造中的催化剂、洗涤剂、润滑剂、粘合剂等环境科学中的气溶胶、泡沫、污水处理等材料科学中纳米材料、纤维、陶瓷制品、水泥、涂料等日用品中的牛奶、豆浆、啤酒、雨衣等石油工业中的油品回收、乳化等CollegeofChemistryandChemicalEngineeringCollegeofChemistryandChemicalEngineering一、胶体化学的发展简史◆渗析实验与“胶体”名词的由来（1861英国科学家）◆物质溶解在不同溶剂中所形成的溶液状态的研究（俄国科学家）第四节胶体与界面化学的发展与展望CollegeofChemistryandChemicalEngineering胶体化学的发展简史--------胶体化学是一门古老而又年轻的学科祖先制造陶器、汉朝利用纤维造纸、后汉发明墨水、豆腐制作等等古埃及利用木材浸水膨胀来破裂山岩1777年瑞典化学家做木炭吸附