基础化学第五章胶体精.ppt

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1、基础化学第五章胶体基础化学第五章胶体第1页，本讲稿共53页内容提要1.胶体分散系分散系的分类胶体分散系2.溶胶溶胶的基本性质胶团结构及溶胶的稳定性气溶胶第2页，本讲稿共53页内容提要3.高分子溶液高分子化合物的结构特点及其溶液的形成聚电解质溶液高分子溶液稳定性的破坏高分子溶液的渗透压和膜平衡凝胶4.表面活性剂和乳状液表面活性剂缔合胶体乳状液第3页，本讲稿共53页教学基本要求1.了解分散系、分散度的概念。熟悉胶体分散系的特点。2.掌握溶胶的基本性质和胶团结构。熟悉溶胶的稳定因素及聚沉作用。3.了解高分子溶液与溶胶的区别。熟悉高分子溶液的稳定性与破坏条件。了解高分子溶液的形成特点 4.熟悉表面活性

2、剂的结构特点及其在溶液中的状态。了解两种类型的乳状液、乳化作用。第4页，本讲稿共53页第一节 胶体分散系一、分散系的分类n分散系dispersed system：一种或数种物质分散在另一种物质中所形成的系统 n分散相dispersed phase：被分散的物质n分散介质dispersion medium：容纳分散相的连续介质n相 phase：指体系中物理性质和化学性质完全相同 的均匀部分 n界面interface：相与相之间的接触面第5页，本讲稿共53页第一节 胶体分散系分散相粒子大小(直径)性质分散相1nm分子(离子)分散系真溶液均相，热力学稳定系统扩散快，透滤纸和半透膜均相1100nm胶体

3、分散系高分子溶液均相，热力学稳定系统 扩散 慢，透滤纸不透半透膜溶胶非均相，热力学不稳定系统扩散慢，透滤纸不透半透膜非均相缔合胶体均相，热力学稳定系统扩散慢，透滤纸不透半透膜 100nm粗粒分散系乳状液悬浮液非均，热力学不稳定系统不透滤纸和不透半透膜第6页，本讲稿共53页第一节 胶体分散系二、胶体分散系胶体分散系包括溶胶、高分子溶液和缔合胶体三类。胶体的分散相的粒子的大小为1100 nm，可以是一些小分子、离子或原子的聚集体，也可以是单个的大分子。分散介质可以是液体、气体，或是固体。第7页，本讲稿共53页分散介质分散相名 称实 例气体液体气溶胶雾气体固体气溶胶烟液体气体泡沫胶生奶油液体液体乳状

4、液牛奶液体固体溶胶油漆，细胞液固体气体泡沫浮石固体液体凝胶果冻固体固体固体溶胶红宝石玻璃第一节 胶体分散系一些胶体的例子 第8页，本讲稿共53页第一节 胶体分散系二、胶体分散系1.分散度分散相在分散介质中分散的程度，分散度常用比表面来表示。n比表面 单位体积物质所具有的表面积 S0=S/V 实例：当 r=0.62cm的水滴分散成 r=10-7cm 时，S0增加7个数量级，总面积自由能亦增加7个数量级。第9页，本讲稿共53页第一节 胶体分散系二、胶体分散系2.表面能表面层分子比内部分子多出一部分能量，称为表面能。第10页，本讲稿共53页第一节 胶体分散系二、胶体分散系2.表面能n液体有自动缩小表

5、面积的趋势。小的液滴聚集变大，可以缩小表面积，降低表面能。表面积减小过程是自发过程。n这个结论对固体物质同样适用。高度分散的溶胶比表面大，所以表面能也大，它们有自动聚积成大颗粒而减少表面积的趋势，称为聚结不稳定性。第11页，本讲稿共53页第二节 溶胶1溶胶的基本性质n溶胶的胶粒是由数目巨大的原子（或分子、离子）构成的聚集体。n直径为1100nm的胶粒分散在分散介质中。n基本特性：多相性、高度分散性、聚法不稳定性第12页，本讲稿共53页第二节 溶胶一、溶胶的基本性质1.溶胶的光学性质Tyndall Effectn上：溶液n下：溶胶第13页，本讲稿共53页第二节 溶胶nTyndall现象产生的原因

6、n当分散粒直径入射光波长，光波可绕过粒子前进且迫使粒子振动：二次波源向各方发射散射光。n特性散射光强度与单位体积内胶粒数成正比；散射光强度与胶粒体积成正比；散射光强度与波长成反比；分散相与分散介质折射率的差愈大，散射光愈强。第14页，本讲稿共53页第二节 溶胶一、溶胶的基本性质2.溶胶的动力学性质Brown Movement由于介质分子的热运动不断地撞击着胶体粒子所引起的现象。第15页，本讲稿共53页第二节 溶胶nBrown运动产生原因：处于热运动状态的介质分子不断撞击胶粒。某一瞬间胶粒受到各方撞击力不均，向合力方向移动。第16页，本讲稿共53页第二节 溶胶一、溶胶的基本性质扩散和沉降平衡n扩

7、散：胶粒存在浓度差时，胶粒将从浓度大的区域向浓度小的区域移动的现象称扩散。n沉降：密度分散介质的胶粒，在重力作用下下沉而与流体分离的过程称沉降。第17页，本讲稿共53页第二节 溶胶n沉降平衡：当沉降速度=扩散速度系统达平衡，形成一个浓度梯度，此状态称沉降平衡。第18页，本讲稿共53页第二节 溶胶3.溶胶的电学性质电泳n在外电场作用下，带电胶粒在介质中定向移动的现象称电泳。第19页，本讲稿共53页第二节 溶胶3.溶胶的电学性质电渗n在外电场作用下，液体介质通过多孔膜向其所带电荷相反的电极方向定向移动的现象。第20页，本讲稿共53页第二节 溶胶二、胶团结构及溶胶的稳定性 1.胶粒带电原因胶核界面的

8、选择性吸附例如：制备氢氧化铁溶胶FeCl3+3H2OFe(OH)3+3HCl溶液中部分Fe(OH)3与HCl作用，Fe(OH)3+HClFeOCl+2H2OFeOClFeO+Cl-第21页，本讲稿共53页第二节 溶胶二、胶团结构及溶胶的稳定性 1.胶粒带电原因胶核表面分子的离解例如：硅胶的胶核由xSiO2.yH2O分子组成，表面的H2SiO3分子可以离解。H2SiO3 HSiO3-+H+HSiO3-SiO32-+H+第22页，本讲稿共53页第二节 溶胶2.胶粒的双电层结构n胶团结构：例如，氢氧化铁溶胶Fe(OH)3mnFeO+(n-x)Cl-x+xCl-胶核 吸附层 扩散层 胶粒 胶团第23页

9、，本讲稿共53页第二节 溶胶2.胶粒的双电层结构n胶核表面因荷电而结合水，吸附的反离子也水合，给胶粒覆盖了一层水合膜。n胶粒运动时水合膜层以及膜层内的反离子一起运动。这部分水合膜层称为吸附层；其余反离子呈扩散状态分布在吸附层周围，形成与吸附层荷电性质相反的扩散层。n这种由吸附层和扩散层构成的电性相反的两层结构称为扩散双电层。第24页，本讲稿共53页第二节 溶胶3.溶胶的稳定因素 胶粒带电n两个带电胶粒间存在静电排斥力，阻止胶粒接近，合并变大。但是，加热溶胶，胶粒的动能增大到能克服静电斥力时就会聚沉。胶粒表面的水合膜犹如一层弹性膜，阻碍胶粒相互碰撞合并变大。水合膜层愈厚，胶粒愈稳定。布朗运动也是

10、溶胶稳定因素之一。第25页，本讲稿共53页第二节 溶胶4.溶胶的聚沉n电解质作用加电解质，迫使反离子更多进入吸附层，扩散层变薄，稳定性下降。上：Cl-离子围绕Fe(OH)3胶粒下：PO43-离子围绕Fe(OH)3胶粒 第26页，本讲稿共53页第二节 溶胶4.溶胶的聚沉临界聚沉浓度：一定量溶胶在一定时间内发生聚沉所需电解质的最小浓度n负离子聚沉正溶胶；正离子聚沉负溶胶；n反离子电荷大，聚沉能力强；n同价离子聚沉能力接近，但 正离子：H+Cs+Rb+NH4+K+Na+Li+负离子：F-Cl-Br-I-CNS-n一些有机物离子具有非常强的聚沉能力。第27页，本讲稿共53页不同电解质对几种溶胶的临界聚

11、沉浓度/mmolL-1 As2S2(负溶胶)AgI(负溶胶)Al2O3(正溶胶)LiCl58LiNO3165NaCl43.5NaCl51NaNO3140KCl46KCl49.5KNO3136KNO360KNO350RbNO3126CaCl20.65Ca(NO3)22.40K2SO40.30MgCl20.72Mg(NO3)22.60K2Cr2O70.63MgSO40.81Pb(NO3)22.43K2C2O40.69AlCl30.093Al(NO3)30.067K3Fe(CN)60.081/2Al2(SO4)20.096La(NO3)30.069Al(NO3)20.095Ce(NO3)30.069

12、第28页，本讲稿共53页第二节 溶胶Shulze-Hardy规则电解质对溶胶的聚沉作用，有如下规律：n反离子的价数愈高，聚沉能力愈强；n一价、二价、三价反离子的临界聚沉浓度之比近似为(1/1)6:(1/2)6:(1/3)6=100:1.8:0.14即临界聚沉浓度与离子价数的六次方成反比。第29页，本讲稿共53页第二节 溶胶溶胶相互聚沉胶粒电性相反的两种溶胶适量混合，电性中和，发生聚沉。高分子化合物对溶胶的保护作用(a)和敏化作用(b)第30页，本讲稿共53页第二节 溶胶三、气溶胶（aerosol）n由极小的固体或液体粒子悬浮在气体介质中所形成的分散系统称为气溶胶。n图示是各种气溶胶的分散相粒子

13、直径的大致范围。n烟、雾的分散度较高，粉尘的分散度低，后者稳定性要差些。第31页，本讲稿共53页第三节 高分子溶液n高分子化合物概念：单个分子相对分子量在一万以上的大分子。n 蛋白质、核酸、糖原、存在体液中重要物质；人体肌肉、组织；又如天然 橡胶等n 据来源 可分为天然的和合成的第32页，本讲稿共53页第三节 高分子溶液n高分子溶液与溶胶性质比较高分子溶液与溶胶性质比较胶体物质相同性质不同性质溶胶1.分散相粒子大小1100nm2.扩散速率慢3.不能透过半透膜多相Tyndall现象明显热力学不稳定系统对电解质敏感高分子溶液均相Tyndall现象微弱热力学稳定系统对电解质不太敏感缔合胶体均相热力学

14、稳定系统第33页，本讲稿共53页第三节 高分子溶液一、高分子化合物的结构特点及溶液的形成1.结构特征：一般具有碳链，碳链由大量称为链节的结构单位连接而成，链节重复的次数叫聚合度，以n表示。天然橡胶 链节为异戊二烯单位(-C5H8-)。纤维素、淀粉、糖原或高分子右旋糖酐，链节为葡萄糖单位(-C6H10O5-)，通式(C6H10O5)n。蛋白质的结构单位是氨基酸。第34页，本讲稿共53页第三节 高分子溶液一、高分子化合物的结构特点及溶液的形成1.结构特征：高分子化合物是不同聚合度的同系物分子组成的混和物，它的聚合度和相对分子质量指的都是平均值。高分子化合物分子链的长度以及链节的连接方式并不相同，因

15、而形成线状或分枝状结构。第35页，本讲稿共53页第三节 高分子溶液2.柔性和分子内旋转n内旋转：分子链中许多C-C单键，C原子以sp3杂化，单键能在键角不变条件下绕键轴旋转。n柔性：内旋转导致碳链构型改变，高分子长链两端的距离也随之改变。第36页，本讲稿共53页第三节 高分子溶液3.高分子溶液的形成 溶胀：溶剂进入高分子链，导致化合物舒展，体积成倍增长。高分子化合物先溶胀，后溶解。与水分子亲和力很强的高分子化合物形成水合膜：稳定性的主要原因。上：高分子化合物在良溶剂中下：高分子化合物在不良溶剂中第37页，本讲稿共53页第三节 高分子溶液二、聚电解质溶液n蛋白质等高分子化合物在水溶液中往往以离子

16、形式存在，称为聚电解质（polyelectrolyte）1.特征：链上有荷电基团很多电荷密度很大对极性溶剂分子的亲合力很强分为阳离子、阴离子、两性离子三类。第38页，本讲稿共53页第三节 高分子溶液2.等电状态和等电点(isoelectric point)pI 恰好使高分子上(蛋白质)所带正电荷量与负电荷量相等时溶液的pH，称为等电点。第39页，本讲稿共53页第三节 高分子溶液2.等电状态和等电点(isoelectric point)pI pH pI，蛋白质形成负离子。pH C6H5O73-C4H4O62-CH3COO-CI-NO3-Br-I-CNS-NH4+K+Na+Li+第42页，本讲稿共

17、53页第三节 高分子溶液三、高分子溶液的稳定与破坏n于蛋白质溶液中加入与水作用强烈的有机溶剂也能降低蛋白质的水合程度，蛋白质因脱水而沉淀。n对少量电解质不太敏感 高分子溶解：高度水化系统，加少电解质不足以破坏水合层。第43页，本讲稿共53页第三节 高分子溶液四、高分子溶液的渗透压和膜平衡1.高分子溶液的渗透压 n将高分子溶液与溶剂用半透膜隔开，可产生渗透现象；n渗透压数值不符合Vant Hoff公式；n浓度改变时，渗透压的增加比浓度的增加要大得多。原因：高分子链的空隙间束缚着大量溶剂，浓度增大，单位体积内溶剂的有效分子数明显减小。第44页，本讲稿共53页第三节 高分子溶液1.高分子溶液的渗透压

18、 n高分子溶液渗透压与溶液的质量浓度B(gL-1)的关系：B是常数。通过测定，以/B对B作图得直线，外推至B 0时截距为RT/Mr。第45页，本讲稿共53页第三节 高分子溶液2.膜平衡或Donnan平衡用半透膜隔开，小离子能透过而聚电解质离子不能，但受为保持溶液的电中性，平衡时小离子在膜两侧分布不均匀。第46页，本讲稿共53页第三节 高分子溶液平衡时，v进=v出c(Na+)外c(Cl-)外=c(Na+)内c(Cl-)内当c1c2时，x0，膜外几乎一点也不透入膜内。当c2c1时，x c2/2，膜内外NaCl浓度近似相等。当c2=c1时，x c2/2，1/3的NaCl透入膜内。第47页，本讲稿共5

19、3页第三节 高分子溶液五、凝胶 高分子溶液粘度变大，失去流动性，形成有网状结构的半固态物质，称为凝胶（gel）。n刚性凝胶：粒子间交联强，网状骨架坚固，若将其干燥，网孔中的液体可被驱出，凝胶的体积和外形无明显变化。n弹性凝胶：由柔性高分子化合物形成，干燥后，体积明显缩小，有弹性，再放到合适的液体中，它又会溶胀变大，甚至完全溶解。第48页，本讲稿共53页第四节 表面活性剂和乳状液一、表面活性剂1.能显著降低水表面张力的物质称为表面活性剂（1）NaCl、NH4Cl等无机盐及蔗糖、甘露醇等多羟基有机物，升高水的表面张力；（2）醇、醛、羧酸、酯等大多数有机物，逐渐降低水的表面张力；（3）肥皂及各种合成

20、洗涤剂（含8个碳原子以上的直链有机酸金属盐、硫酸盐或苯磺酸盐），显著降低水的表面张力。第49页，本讲稿共53页第四节 表面活性剂和乳状液一、表面活性剂2.表面活性物质在溶液中能形成正吸附3.表面活性物的结构特点n含有疏水性非极性基团和亲水性极性基团，亲水基端进入水中，疏水基端离开水相，在水表面定向排列，从而降低表面张力。第50页，本讲稿共53页第四节 表面活性剂和乳状液二、缔合胶体n表面活性剂达到一定量，在水相表面定向排列的同时，疏水基相互紧靠，逐渐聚集，形成亲水基朝外而疏水基在内的胶束。由胶束形成的溶液称为缔合胶体。由于胶束的形成减小了疏水基与水的接触面积，从而使系统稳定。第51页，本讲稿共

21、53页第四节 表面活性剂和乳状液二、缔合胶体n开始形成胶束时表面活性剂的最低浓度称为临界胶束浓度（CMC），数值受温度、表面活性剂用量、分子缔合程度、溶液pH值及电解质的影响。n接近CMC，胶束呈球形。浓度增大，胶束成为圆柱形乃至板层形。n表面活性剂可使不溶于水的油脂或其它有机物裹在其中形成胶束，称为增溶。第52页，本讲稿共53页第四节 表面活性剂和乳状液三、乳状液n乳状液是不相溶的分散相液体分散在另一种液体中所成的粗分散系。其中一相是水，另一相统称为油。n乳状液属于不稳定系统。要稳定乳状液，须有乳化剂，常用的是表面活性剂。n乳状液可分为“水包油”（O/W）和“油包水”（W/O）两种类型。第53页，本讲稿共53页