第12章 胶体化学.ppt

第十二章 胶体化学,2024/4/29,胶体化学是物理化学的一个重要分支。它所研究的领域是化学、物理学、材料科学、生物化学等诸多学科的交叉与重叠，它已成为这些学科的重要基础理论。胶体化学的理论和技术现在已广泛应用于化工、石油开采、催化、涂料、造纸、农药、纺织、食品、化妆品、染料、医药和环境保护等工业部门和技术领域。,2024/4/29,日常生活中常见的现象：,1.为什么天空和海洋呈蔚蓝色的？,2.为什么危险信号要用红灯显示？防雾灯要用黄色显示？,3.为什么朝霞和晚霞的色彩特别鲜艳？,4.为什么在江河入海处常形成三角洲？,5.做豆腐时“点浆”的原理是什么？加明矾为什么能使混浊的水澄清？,重金属离子中毒的病人，为什么喝牛奶可使症状减轻？,2024/4/29,概论,2024/4/29,2024/4/29,2024/4/29,2024/4/29,（1）按胶体溶液的稳定性分类,1.憎液溶胶,半径在1 nm100 nm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。,这是胶体分散体系中主要研究的内容。,2024/4/29,2.亲液溶胶,半径落在胶体粒子范围内的大分子溶解在合适的溶剂中，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，亲液溶胶是热力学上稳定、可逆的体系。,2024/4/29,憎液溶胶的特性,（1）特有的分散程度,粒子的大小在10-910-7 m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。,（2）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。,（3）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。,2024/4/29,形成憎液溶胶的必要条件是：,（1）分散相的溶解度要小；,（2）还必须有稳定剂存在，否则胶粒易聚结而 聚沉。,2024/4/29,根据分散相粒子的大小，分散系统可分为：,2024/4/29,宏观：指研究对象的尺寸很大，其下限是人的肉眼可以观察到的最小物体(半径大于 1 微米)，而上限则是无限的。,微观：上限为原子、分子，而下限则是一个无下限的时空。,在宏观世界与微观世界之间，还有一个介观世界，胶体化学中所涉及的超细微粒，其大小、尺寸在 1nm1000nm之间，基本上归属于介观领域。,2024/4/29,（2）按分散相和介质聚集状态分类,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：,.液-固溶胶 如油漆，AgI溶胶,.液-液溶胶 如牛奶，石油原油等乳状液,.液-气溶胶 如泡沫,2024/4/29,（2）按分散相和介质聚集状态分类,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：,.固-固溶胶 如有色玻璃，不完全互溶的合金,.固-液溶胶 如珍珠，某些宝石,.固-气溶胶 如泡沫塑料，沸石分子筛,2024/4/29,（2）按分散相和介质聚集状态分类,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，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.,.气-固溶胶 如烟，含尘的空气,.气-液溶胶 如雾，云,2024/4/29,胶体分散系统在生物界和非生物界都普遍存在，在实际生活和生产中也占有重要的地位，在石油、冶金、纺织、建材、橡胶、塑料等工业部门，及在生物学、医学、土壤学、气象学、地质学等领域都有重要的应用。江河湖海、工业废水等属于液溶胶系统；大气层属于由微尘、水滴和其他介质形成的气溶胶；人体中很多组织都是含水的胶体，我们的衣食住行很多也都与胶体息息相关。胶体化学在纳米(超细)颗粒及新型纳米材料的制备领域。,2024/4/29,12.1 胶体系统的制备：,2024/4/29,1 溶胶的制备分散法,1.研磨法 用机械粉碎的方法将固体磨细。,这种方法适用于脆而易碎的物质，对于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。,胶体磨的形式很多，其分散能力因构造和转速的不同而不同。,2024/4/29,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，可得1000 nm左右的粒子。,2024/4/29,2.气流粉碎法,这种方法使用的设备称为喷射磨。,喷射磨有一粉碎室，在粉碎室的边缘上，装有与周边成一定角度的两个高压喷嘴，分别将高压空气及物料以接近或超过音速的速度喷入粉碎室，这两股高速旋转的气流在粉碎室相遇，而形成涡流，由于粒子间的相互碰撞、摩擦及剪切作用而被粉碎。粉碎程度可达1m以下。,由于旋转的离心作用，较大的粒子被抛向周边而继续被粉碎，细小微粒则随气流走向中心，受到挡板的拦截而落入布袋之中。该设备连续操作，效率较高。,2024/4/29,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。,3.电弧法,将金属做成两个电极，浸在水中，盛水的盘子放在冷浴中。在水中加入少量NaOH 作为稳定剂。,制备时在两电极上施加 100V 左右的直流电，调节电极之间的距离，使之发生电火花，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。,2024/4/29,1.物理凝聚法,A.更换溶剂法 利用物质在不同溶剂中溶解度的显著差别来制备溶胶，而且两种溶剂要能完全互溶。,例1.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。,例2.将硫的丙酮溶液滴入90左右的热水中，丙酮蒸发后，可得硫的水溶胶。,2.溶胶的制备-凝聚法,2024/4/29,将汞的蒸气通入冷水中就可以得到汞的水溶胶。,4金属钠，2苯,5液氮。,B.蒸气骤冷法,罗金斯基等人利用下列装置，制备碱金属的苯溶胶。,先将体系抽真空，然后适当加热管2和管4，使钠和苯的蒸气同时在管5 外壁凝聚。除去管5中的液氮，凝聚在外壁的混合蒸气融化，在管3中获得钠的苯溶胶。,2024/4/29,(2)化学凝聚法：利用生成不溶性物质的化学反应，控制析晶过程，使其停留在胶核尺度的阶段，而得到溶胶。所谓控制析晶过程，系指采用有利于大量形成晶核，减缓于晶体生长的条件，例：采用较大的过饱和浓度，较低的操作温度。,2024/4/29,2 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。,少量电解质可以作为溶胶的稳定剂，但是过多的电解质存在会使溶胶不稳定，容易聚沉，所以必须除去。,净化的方法主要有渗析法和超过滤法。,2024/4/29,（1）渗析法,简单渗析 将需要净化的溶胶放在羊皮纸或动物膀胱等半透膜制成的容器内，膜外放纯溶剂。,2 溶胶的净化,利用浓差因素，多余的电解质离子不断向膜外渗透，经常更换溶剂，就可以净化半透膜容器内的溶胶。,如将装有溶胶的半透膜容器不断旋转，可以加快渗析速度。,2024/4/29,电渗析 为了加快渗析速度，在装有溶胶的半透膜两侧外加一个电场，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。这种方法称为电渗析法。,（1）渗析法,2 溶胶的净化,12.2 胶体系统的光学性质,1.Tyndall效应,Tyndall效应实际上已成为判别溶胶与分子溶液的最简便的方法。,1869年Tyndall发现，若令一束会聚光通过溶胶，从侧面（即与光束垂直的方向）可以看到一个发光的圆锥体，这就是Tyndall效应。其他分散体系也会产生一点散射光，但远不如溶胶显著。,2024/4/29,把盛有溶液和胶体得烧杯置于暗处，分别用手电筒照射烧杯中的液体，在与光束垂直的方向进行观察并记录实验现象。,2024/4/29,树林中的丁达尔效应,2024/4/29,2024/4/29,丁铎尔效应是由于胶体粒子发生光散射而引起的,丁铎尔效应可用来区分,胶体溶液小分子真溶液,2.Rayleigh公式,1871年，Rayleigh研究了大量的光散射现象，对于粒子半径在47nm以下的溶胶，导出了单位体积溶胶的散射光强度计算公式，称为Rayleigh公式：,式中：I0 入射光强度，C 单位体积中粒子数 入射光波长，V 每个粒子的体积 分散相折射率，分散介质的折射率,从Rayleigh公式可得出如下结论：,2.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。,3.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。,4.散射光强度与单位体积中的粒子数成正比。,1.散射光强度与粒子的体积平方成正比。可鉴别分散系统的种类,乳光计原理,保持粒子大小相同,如果已知一种溶液的散射光强度和浓度，测定未知溶液的散射光强度，就可以知道其浓度，这就是乳光计。,3.超显微镜与粒子大小的近似测定,普通显微镜分辨率不高，只能分辨出半径在200 nm以上的粒子，所以看不到胶体粒子。,超显微镜分辨率高，可以研究半径为5150 nm的粒子。但是，超显微镜观察的不是胶粒本身，而是观察胶粒发出的散射光。是目前研究憎液溶胶非常有用的手段之一。,2024/4/29,与普通显微镜差别：1）垂直于入射光的方向上（即入射光侧面）观察普通显微镜在入射光的反方向观察时，受透射光的干扰看不到散射光2）用强光源（常用弧光）照射3）黑暗的视野下观察,从超显微镜可以获得哪些有用信息？,（1）可以测定球状胶粒的平均半径。,（2）间接推测胶粒的形状和不对称性。例如，球状 粒子不闪光，不对称的粒子在向光面变化时有 闪光现象。,（3）判断粒子分散均匀的程度。粒子大小不同，散 射光的强度也不同。,（4）观察胶粒的布朗运动、电泳、沉降和凝聚等 现象。,2024/4/29,1827 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布朗运动。,但在很长的一段时间里，这种现象的本质没有得到阐明。,12.3 溶胶的动力学性质,2024/4/29,1903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。,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。,2024/4/29,1905年和1906年爱因斯坦（Einstein)和斯莫鲁霍夫斯基（Smoluchowski)分别阐述了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。随着粒子增大，撞击的次数增多，而作用力抵消的可能性亦大。,当半径大于5 m，Brown运动消失。,2024/4/29,Einstein认为，溶胶粒子的Brown运动与分子运动类似，平均动能为。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：,式中 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；,L为阿伏加德罗常数。,这个公式把粒子的位移与粒子的大小、介质粘度、温度以及观察时间等联系起来。,2024/4/29,2.扩散,扩散：有浓度梯度存在时，物质粒子因热运动而发生宏观上的定向迁移,溶胶系统中，溶胶粒子因布朗运动由高“浓度”向低“浓度”的定向迁移过程溶胶粒子的扩散,也可用Fick第一定律来描述此种扩散：,