胶体化学 (2)2优秀课件.ppt

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1、胶体化学第1页，本讲稿共56页胶体分散系统胶体分散系统主要特点主要特点:高度分散的高度分散的多相性多相性和热力学和热力学不稳定性不稳定性.前者是后者的根源前者是后者的根源,在一定条件下导致系统两方面的变化在一定条件下导致系统两方面的变化:自动聚集成大颗粒自动聚集成大颗粒,缩小表面积缩小表面积,使表面吉布斯函数减使表面吉布斯函数减小小(dG=dAs 0,一定一定).自动吸附某种离子而带电自动吸附某种离子而带电,使胶核表面不饱和力场得到部使胶核表面不饱和力场得到部分补偿分补偿,减小从而降低表面吉布斯函数减小从而降低表面吉布斯函数(dG=Ad 0,A一定一定).第2页，本讲稿共56页 把一种或几种物

2、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 (dispersed phase)，另一种物质称为分散介质(dispersing medium)。12.1.1 分散系统：分散系统：分散相和分散介质的概念第3页，本讲稿共56页12.1.2 分散系统的分类分类a)按按分散相粒子的大小大小，通常有三种分散系统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，分子半径在1 nm 以下。2.胶体分散系统 分散相粒子的半径在1 nm1000 nm之间，目测是均匀的，但实际是多相不均匀系统。3.粗分散系统 当分散相粒子大于1000 nm，目测是混浊不均匀系

3、统，放置后会沉淀或分层。第4页，本讲稿共56页b)若根据分散相和分散介质的聚集状态聚集状态进行分类 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：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 如泡沫第5页，本讲稿共56页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，沸石分子筛第6页，本讲稿共56页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

4、-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系统，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，云第7页，本讲稿共56页c)根据分散相和分散介质之间的亲和力大小亲和力大小分类：（1）憎液溶胶分散相和分散介质之间的亲和力弱，系统具有很大的相界面，很高的表面Gibbs自由能，很不稳定，极易被破坏而聚沉 聚沉之后往往不能恢复原态，因而是热力学中的不稳定和不可逆系统。第8页，本讲稿共56页（2）亲液溶胶大（高）分子化合物的溶液通常属于亲液溶胶 它是分子溶液，但其分子的大小已经到达胶体的范围，因此具有胶体的一些特性 若去除大分子溶液的溶剂使它沉淀，重新再加入

5、溶剂后大分子化合物又可以自动再分散，因而它是热力学中稳定、可逆的系统。第9页，本讲稿共56页 12.2 胶体的性质胶体的性质第10页，本讲稿共56页12.2.1 光学性质光学性质a)丁达尔丁达尔(Tyndall)效应效应Tyndall效应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。第11页，本讲稿共56页光源光源Fe(OH)3溶胶发亮的光柱发亮的光柱第12页，本讲稿共56页光散射现象 当光束通过分散系统时，一部分自由地通过，一部分被吸收、

6、反射或散射。可见光的波长约在400700 nm之间。（1）当光束通过粗分散系统，由于粒子大于入射光的波长，主要发生反射，使系统呈现混浊。（2）当光束通过胶体溶液，由于胶粒直径小于可见光波长，主要发生散射，可以看见乳白色的光柱。（3）当光束通过分子溶液，由于溶液十分均匀，散射光因相互干涉而完全抵消，看不见散射光。第13页，本讲稿共56页 分子溶液十分均匀，这种散射光因相互干涉而完全抵消，看不到散射光。溶胶是多相多相不均匀系统，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。第14页，本讲稿共56页 可见光波长在可见光波长在400700nm范围内范围内,一般胶体粒子的一般胶体粒子

7、的尺寸为尺寸为11000nm。如胶体粒子的直径小于可见光波。如胶体粒子的直径小于可见光波长，则可发生光的散射长，则可发生光的散射.丁达尔现象的实质是光的散射作用丁达尔现象的实质是光的散射作用.丁达尔效应又称为乳丁达尔效应又称为乳光效应光效应,散射光的强度可由雷利公式计算散射光的强度可由雷利公式计算.第15页，本讲稿共56页b)雷莱(Rayleigh)公式 Rayleigh研究了大量的光散射现象，导出了散射光强度的计算公式，称为Rayleigh公式：式中：入射光总强度 单位体积中粒子数 入射光波长 每个粒子的体积 分散相折射率 分散介质的折射率 常数 散射光强度 第16页，本讲稿共56页 从Ra

8、yleigh公式可得出如下结论：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。3.散射光强度与单位体积中的粒子数以及单个粒子的体积平方成正比。第17页，本讲稿共56页C)浊度计原理 当入射光强度、分散相和分散介质等条件都相同时，Rayleigh公式可改写成：当入射光波长不变，若有两个浓度相同的溶胶设粒子为球形，代入上式可得：第18页，本讲稿共56页 若胶体粒子大小相同，而浓度不同 如果已知一种溶液的散射光强度和粒子半径(或浓度)，测定未知溶液的散射光强度，就可以知道其粒径

9、(或浓度)，这就是浊度计的原理。第19页，本讲稿共56页12.2.2 胶体的动力学性质胶体的动力学性质a)布朗布朗(Brown)效应效应 1827 年植物学家 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。这种现象被称之为布朗运动。第20页，本讲稿共56页 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。布朗运动的现象布朗运动的现象第21页，本讲稿共56

10、页布朗运动是分散介质分子以不同大小和方向的力对胶体粒子不断撞击而产生的。当半径大于5 m，布朗运动消失。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。布朗运动的本质布朗运动的本质第22页，本讲稿共56页 爱因斯坦创立了布朗运动的理论，假定溶胶粒子的布朗运动与分子运动类似；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：r 为胶粒的半径；为介质的黏度；NA 为Avogadro常数。是粒子的在观察时间t内平均位移；第23页，本讲稿共56页b)沉降与沉降平衡沉降与沉降平衡 溶胶是高度分散系统，

11、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。第24页，本讲稿共56页粒子的沉降速度密度重力加速度分散介质的粘度粒子的半径通过沉降速度 的测定，可以求得粒子的大小 第25页，本讲稿共56页对某一特定体系来说，其 均为定值，上式即为：第26页，本讲稿共56页时间t内澄清界面下降距离h，则沉降速度u为：第27页，本讲稿共56页12.2.3 胶体的电学性质胶体的电学性质a)电泳电泳 带电胶粒或大分子在外加电场的作用下向带相反电荷的电极作定向移动的现象称为电泳。

12、电泳现象说明了胶体粒子是带有电荷的。图中图中Fe(OH)3 溶胶在电场作用下向阴极方向移溶胶在电场作用下向阴极方向移动动,证明证明Fe(OH)3的胶体粒子是带正电荷的的胶体粒子是带正电荷的.NaCl溶液溶液Fe(OH)3 溶胶溶胶+电泳示意图电泳示意图第28页，本讲稿共56页b)电渗电渗 在外加电场作用下，带电的介质作定向移动，这种现象称为电渗。电渗方法有许多实际应用，如溶胶净化、海水淡化、泥炭和染料的干燥等。第29页，本讲稿共56页 12.3 溶胶的胶团结构与溶胶的胶团结构与电位电位12.3.1 溶胶的胶团结构溶胶的胶团结构第30页，本讲稿共56页a)胶粒带电的原因胶粒带电的原因胶体分散系统

13、比表面积大，表面能高 胶粒很容易吸附溶液中的带电离子 胶粒带电情况与吸附何种电荷有关 吸附何种电荷取决于被吸附离子的本性和胶粒表面的结构有关 胶粒选择性吸附某种离子，或胶粒本身发生电离作用而使某一种离子进入溶液，以致使胶粒带有不同符号的电荷在界面上形成了双电层的结构。第31页，本讲稿共56页b)胶粒的双电层结构胶粒的双电层结构第32页，本讲稿共56页c)溶胶的胶团结构溶胶的胶团结构 胶粒的结构比较复杂，先有一定量的难溶物分子聚结形成胶粒的中心，称为胶核；然后胶核选择性的吸附稳定剂中的一种离子，形成紧密吸附层；由于正、负电荷相吸，在紧密层外形成反号离子的包围圈，从而形成了带与紧密层相同电荷的胶粒

14、；胶粒与扩散层中的反号离子，形成一个电中性的胶团。优先吸附与胶核中具有相同元素的离子。第33页，本讲稿共56页例1：AgNO3+KIKNO3 +AgI (AgI)m n I (n-x)K+x xK+胶核胶粒(带负电)胶团(电中性)过量的 KI 作稳定剂 第34页，本讲稿共56页(AgI)m过量的 KI 作稳定剂时，胶团的图示式：第35页，本讲稿共56页(AgI)m n Ag+(n-x)NO3x+x NO3 过量的 AgNO3 作稳定剂 胶团的结构表达式：胶核 胶粒(带正电)胶团(电中性)胶核胶粒胶团第36页，本讲稿共56页 写出由写出由FeCl3水解制得水解制得Fe(OH)3溶胶的胶团结构溶胶

15、的胶团结构.已知稳定剂为已知稳定剂为FeCl3.水解反应水解反应:FeCl3+3H2O Fe(OH)3+3HClFeCl3为稳定剂时为稳定剂时,固体表面吸附的是固体表面吸附的是Fe3+,Cl为反离子为反离子,胶团胶团结构为结构为:胶胶粒粒胶团胶团胶核胶核第37页，本讲稿共56页AgI的水溶胶以的水溶胶以KI为稳定剂时为稳定剂时,其结构可写成其结构可写成(AgI)mnI(nx)K+xxK+,下述表达式中下述表达式中_是胶核是胶核,_ 是胶粒是胶粒,_是胶团是胶团.A.(AgI)m B.(AgI)mnI C.(AgI)mnI(nx)K+D.(AgI)mnI(nx)K+xxK+第38页，本讲稿共56

16、页溶胶粒子带电的原因溶胶粒子带电的原因:固体表面从溶液中有选择地吸附某种离子而带固体表面从溶液中有选择地吸附某种离子而带电电.固体表面上的物质粒子固体表面上的物质粒子,在溶液中发生电离在溶液中发生电离.溶液中的带电固体溶液中的带电固体 与异电离子与异电离子(或反离子或反离子)在固液两在固液两相之间形成相之间形成双电层双电层.12.3.2扩散双电层理论和扩散双电层理论和 电位电位第39页，本讲稿共56页 双电层双电层电容器电容器模型模型(1879年亥姆霍兹提出年亥姆霍兹提出):正负离子整齐地排列正负离子整齐地排列于界面层的两侧于界面层的两侧,电荷电荷分布情况就如同平行板分布情况就如同平行板电容器

17、电容器.x0亥姆霍兹双电层模型亥姆霍兹双电层模型 这种模型能解释一些电动现象这种模型能解释一些电动现象,但它不能解释带电质点的但它不能解释带电质点的表面电势表面电势 0与与流动电势流动电势(电势电势)的区别的区别;也不能解释电解质对也不能解释电解质对 电势的影响电势的影响.第40页，本讲稿共56页 扩散扩散双电层模型双电层模型(1909年古依提出年古依提出):溶液中的反离子因为热运动应呈扩散状态分溶液中的反离子因为热运动应呈扩散状态分布在溶液中布在溶液中,而不是整齐地排列在一个平面上而不是整齐地排列在一个平面上.如图，固体表面上的电势为热力学电如图，固体表面上的电势为热力学电势势 0，紧靠固体

18、表面紧靠固体表面,过剩负离子浓度最过剩负离子浓度最大大.随着离开固体表面愈远随着离开固体表面愈远,过剩负离子过剩负离子浓度愈小，电势逐渐减小浓度愈小，电势逐渐减小,过剩负离子浓过剩负离子浓度降低度降低,直到过剩负离子浓度为零直到过剩负离子浓度为零,电势电势也为零也为零.的倒数的倒数-1具有双电层厚度的意义具有双电层厚度的意义.古依的扩散双电层模型古依的扩散双电层模型x0 第41页，本讲稿共56页 斯特恩斯特恩双电层模型双电层模型(1924年年Stern 提出提出):该模型认为溶液一侧的该模型认为溶液一侧的带电层应分为紧密层和扩散层两部分带电层应分为紧密层和扩散层两部分.紧密层紧密层:当溶液中某

19、些离子受到当溶液中某些离子受到足够大的静电吸引力足够大的静电吸引力,就会使这些就会使这些离子离子紧密吸附在固体表面紧密吸附在固体表面上上,以至以至在外电场作用下在外电场作用下,吸附层也随固体吸附层也随固体粒子一齐运动粒子一齐运动.斯特恩面斯特恩面:离子被吸附时离子被吸附时,离子离子中心距固体表面的距离约为水化离中心距固体表面的距离约为水化离子的半径子的半径,这些水化离子的这些水化离子的中心线中心线所连成的假想面所连成的假想面称为斯特恩面称为斯特恩面.第42页，本讲稿共56页紧密层和扩散层紧密层和扩散层:斯特恩面与固体表面斯特恩面与固体表面之间的空间为斯特恩层之间的空间为斯特恩层(即紧密层即紧密

20、层),斯斯特恩面至溶液本体电势为零处之间的空特恩面至溶液本体电势为零处之间的空间称为扩散层间称为扩散层.滑动面滑动面:指固液两相发生相对移动的界面指固液两相发生相对移动的界面,在在斯特恩面之外斯特恩面之外,与固体表面距离约为分与固体表面距离约为分子大小的数量级子大小的数量级,一旦固液两相发生相对移一旦固液两相发生相对移动时便显露出来动时便显露出来.滑动面是凹凸不平的曲面滑动面是凹凸不平的曲面.滑动面两侧离子达到滑动面两侧离子达到吸附和解吸的动态平吸附和解吸的动态平衡衡.热力学电势热力学电势固体表面与溶液本体间的电固体表面与溶液本体间的电势差势差 0.斯特恩电势斯特恩电势紧密层与扩散层之间的界面

21、紧密层与扩散层之间的界面和溶液本体间的电势差和溶液本体间的电势差 .电势电势(流动电势流动电势)滑动面与溶液本滑动面与溶液本体间的电势差体间的电势差.第43页，本讲稿共56页 电势只有在固液两相发生相对移动电势只有在固液两相发生相对移动时才能呈现出来时才能呈现出来.电势在滑动面内急电势在滑动面内急剧下降剧下降,故故 电势在数值上电势在数值上小于小于热热力学电势力学电势.电电势势距离距离滑动面滑动面 c1 c2 c3 c4c1c2c3c4电解质浓度对电解质浓度对 电势的影响电势的影响等电点等电点:电解质浓度增大时电解质浓度增大时,会使会使扩散层变薄扩散层变薄,电势在数值上变电势在数值上变小小.当

22、电解质的浓度足够大时当电解质的浓度足够大时,可使可使 电势为零电势为零.此时的状态称此时的状态称为为等电点等电点.处于等电点的粒子是处于等电点的粒子是不带电的不带电的,电泳电泳,电渗的速度也电渗的速度也必然为零必然为零,溶胶非常易于聚沉溶胶非常易于聚沉.第44页，本讲稿共56页b)电泳速度与电泳速度与电位的关系电位的关系溶胶的电泳速度与 电位无直接关系，但与 电位直接相关 :介质的介电常数 :介质的粘度 :电场强度 :电泳速度 第45页，本讲稿共56页c)电解质的电解质的消电消电作用作用电解质浓度：C1 C2 C3 C4 即增加电解质浓度，使扩散层减小，动电位减小：紧密层厚度紧密层与扩散层的界

23、面第46页，本讲稿共56页 12.4 溶胶的聚沉溶胶的聚沉12.4.1 溶胶的聚沉概念溶胶的聚沉概念第47页，本讲稿共56页溶胶中分散相颗粒相互聚结，颗粒变大，以致最后发生沉降的现象聚沉电位越大，溶胶越稳定，当电位小于某一数值时，静电斥力不足以阻止布朗运动引起的粒子间的相互碰撞作用而聚集，发生沉降第48页，本讲稿共56页12.4.2 影响聚沉作用的因素影响聚沉作用的因素a)电解质对于溶胶聚沉作用的影响聚沉值：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。聚沉值对应的动电位称为临界电位(c)，对同一溶胶，外加电解质的反号离子的价数越低，其聚沉值越大。第49页，本讲稿共56页电解质的影响

24、有如下一些规律：聚沉能力主要决定于与胶粒带相反电荷的离子的价数 离子的聚沉能力与它的价数有关，一、二、三价的电解质，其聚沉值的比例约为：即聚沉值与异电性离子价数的六次方成反比 第50页，本讲稿共56页价数相同的离子聚沉能力也有所不同。例如不同的碱金属的一价阳离子所生成的硝酸盐对负电性胶粒的聚沉能力可以排成如下次序：不同的一价阴离子所形成的钾盐，对带正电的溶胶的聚沉能力则有如下次序：第51页，本讲稿共56页b）胶粒之间的相互作用 将胶粒带相反电荷的溶胶互相混合，也会发生聚沉。与加入电解质情况不同的是，当两种溶胶的用量恰能使其所带电荷的量相等时，才会完全聚沉，否则会不完全聚沉，甚至不聚沉。产生相互

25、聚沉现象的原因是：可以把溶胶粒子看成是离子，所以溶胶的混合，类似于加入电解质的一种特殊情况。例如：明矾、硫酸亚铁净水第52页，本讲稿共56页c)高分子絮凝剂对溶胶的絮凝作用 在溶胶内加入极少量的可溶性高分子化合物，可导致溶胶迅速沉淀，沉淀呈疏松的絮状，这类沉淀称为絮凝物，这种现象称为絮凝作用。高分子对胶粒的絮凝作用与电解质的聚沉作用机理不同第53页，本讲稿共56页 高分子的絮凝作用则是通过氢键或范德华力吸附了溶胶粒子以后，高分子化合物本身的链段旋转和运动，将固体粒子聚集在一起而产生沉淀。由电解质所引起的聚沉过程比较缓慢，所得到的沉淀颗粒紧密、体积小，这是由于电解质压缩了溶胶粒子的扩散双电层所引

26、起的 第54页，本讲稿共56页影响高分子絮凝剂作用的因素絮凝剂的分子结构，一般为链状结构絮凝剂的摩尔质量，越大，絮凝效率越高絮凝剂的加入量，存在最佳加入量胶粒的大小，比表面越大，絮凝效率越高第55页，本讲稿共56页在三个烧瓶中分别盛有在三个烧瓶中分别盛有0.020dm3的的Fe(OH)3溶胶溶胶,分别加入分别加入NaCl,Na2SO4及及Na3PO4溶液使溶胶发生聚沉溶液使溶胶发生聚沉,最少需要加入最少需要加入:1.00 mol dm3的的NaCl0.021 dm3;5.0 103 mol dm3的的Na2SO40.125 dm3及及3.333 103 mol dm3 Na3PO40.0074

27、 dm3.试计算各电解质的聚沉值试计算各电解质的聚沉值,聚沉能力之比聚沉能力之比,并指出胶体粒子的带电符号并指出胶体粒子的带电符号.聚沉值聚沉值 NaCl:1.00 0.021/(0.020+0.021)mol dm3 =512 103 mol dm3 Na2SO4:5.0 103 0.125/(0.021+0.125)mol dm3 =4.31 103 mol dm3 Na3PO4:3.333 103 0.0074/(0.020+0.0074)mol dm3 =0.90 103 mol dm3 聚沉能力之比聚沉能力之比聚沉值：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。第56页，本讲稿共56页