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1、表面化学和胶体化学本讲稿第一页，共五十八页第一节第一节 表面化学表面化学 1.1 界面和表面界面和表面 密切接触的两相之间的过渡区密切接触的两相之间的过渡区称为界面，如果其中一相为气体，称为界面，如果其中一相为气体，这种界面常称为表面。这种界面常称为表面。本讲稿第二页，共五十八页 S（总表面积）（总表面积）S。=V（总体积）（总体积）分分散散度度：即即物物质质的的分分散散程程度度，分分散散质质粒粒子子越越小，分散程度越大。小，分散程度越大。比表面：比表面：单位体积物质的表面积，用符号单位体积物质的表面积，用符号S。表示。表示。1.2 分散度与比表面分散度与比表面本讲稿第三页，共五十八页表面现象
2、表面现象水滴为什么是圆形水滴为什么是圆形而不是方形而不是方形本讲稿第四页，共五十八页Question：本讲稿第五页，共五十八页表面现象表面现象它们为什么可以漂它们为什么可以漂在水面上在水面上本讲稿第六页，共五十八页水水ps水在毛细管中为什水在毛细管中为什么会上升么会上升本讲稿第七页，共五十八页相界面与相内的分子受力情况 1.3 表面能和表面张力表面能和表面张力本讲稿第八页，共五十八页 表面能表面能 液体或固体表面粒子比内部粒子能量高，多液体或固体表面粒子比内部粒子能量高，多出的这部分能量称为体系的表面能。出的这部分能量称为体系的表面能。本讲稿第九页，共五十八页 一一克克水水分分散散成成半半径径
3、 1 10-9 m的的小小水水滴滴，需需要要做做功功220J，增增加加的的能能量量可可将将这这一一克克水水的的温度升高温度升高50。同同一一体体系系，其其分分散散度度越越大大，其其表表面面能能越越大。大。本讲稿第十页，共五十八页表面能表面能表面张力表面张力:恒温恒压下增加单位表面恒温恒压下增加单位表面 积所引起的系统能量增量积所引起的系统能量增量:与表面相切，垂直作用与表面相切，垂直作用 于单位长度边界线上的力。于单位长度边界线上的力。本讲稿第十一页，共五十八页润湿和润湿角 润湿与粘附润湿与粘附润湿是固液界面的重要行为。机械润滑、注水采油、油漆涂布、金属焊接、搪瓷坯釉、陶瓷/金属的封接等工艺和
4、理论都与润湿过程有关。润湿的热力学定义润湿的热力学定义：固体与液固体与液体接触后能使体系的吉布斯自体接触后能使体系的吉布斯自由能降低，称为润湿。由能降低，称为润湿。润湿形式：润湿形式：本讲稿第十二页，共五十八页润湿角润湿角P(l/g)(s/l)(s/g)ONMO习惯上 90不润湿；=0完全润湿；=180完全不润湿；本讲稿第十三页，共五十八页1.4润湿 液体粘附在固体表面的过程称为润湿。润湿过程固-液界面和气-液界面取代固-气界面的过程。当s-l s-g 时，发生浸没润湿；s-l+l-g s-g 时，液体可以在固体表面完全铺展；s-l s-g+l-g时，液体可以在固体表面发生粘附润湿。本讲稿第十
5、四页，共五十八页 附加压力的气泡模型附加压力的气泡模型 1.5 弯曲液面下的附加压力 本讲稿第十五页，共五十八页hrR液体表面张力；B液体体积质量；g重力加速度。毛细管现象毛细管现象l-s本讲稿第十六页，共五十八页 2 固体表面的吸附作用固体表面的吸附作用 吸附和解吸的关系：吸附和解吸的关系：动态平衡动态平衡A 分子吸附：分子吸附：B 离子吸附：离子吸附：离子选择性吸附离子选择性吸附 离子交换吸附：离子交换吸附：本讲稿第十七页，共五十八页 As2S3 选择吸附选择吸附HS-而带负电荷。而带负电荷。2H3AsO3+3H2S =As2S3+6H2O H2S发生电离发生电离：制备制备As2S3溶胶溶
6、胶本讲稿第十八页，共五十八页如：如：去离子水的制备（阴、阳离子交换树脂）去离子水的制备（阴、阳离子交换树脂）2H+2OH-H2OAl3+Ca2+Cs+Rb+K+Na+Li+I I-Br-Cl-离子交换能力：离子交换能力：本讲稿第十九页，共五十八页第二节胶体化学1 分散系统分散系统 把一种或几种物质分散在另一种物质中就构成分散系统。被分散的物质称为分散相，另一种物质称为分散质。本讲稿第二十页，共五十八页 A 特有的分散程度特有的分散程度 粒子的大小在粒子的大小在10-9 10-7 m之间，因而扩散较慢，不能透过半透之间，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膜，渗透
7、压低但有较强的动力稳定性和乳光现象。胶体的特性胶体的特性 B 多相不均匀性多相不均匀性 C 热力学不稳定性热力学不稳定性 本讲稿第二十一页，共五十八页 胶胶体体是是一一种种高高度度分分散散的的多多相相体体系系，具具有有很很大大的的比比表表面面，因因此此表表面面能能很很大大。能能量量越越高高，体体系系越越不不稳稳定定，因因此此，表表现现出出一一系系列列特特殊殊的的表表面面现现象象：如如水水滴滴会会自自动动呈呈球球形形；放放置置较较长长时时间间，溶溶液液中中的的晶晶粒粒会会慢慢慢慢长长大大；液液体体对对固固体体的的润润湿湿及固体表面的吸附。及固体表面的吸附。均使界面能量降低。均使界面能量降低。本讲
8、稿第二十二页，共五十八页 2 溶胶的性质溶胶的性质（1）光学性质（丁铎尔效应）光学性质（丁铎尔效应）光学原理光学原理：强光照到分散质粒子上，若粒子直径大：强光照到分散质粒子上，若粒子直径大于入射光于入射光 波长，则发波长，则发 生反射或折射。若粒子直径略小生反射或折射。若粒子直径略小于入于入 射光波长时，则发生散射。射光波长时，则发生散射。散射光称为乳光。散射光称为乳光。Fe(OH)3胶体丁达尔效应示意图丁达尔效应示意图光源光源凸透镜凸透镜光锥光锥本讲稿第二十三页，共五十八页 （2）动力学性质（布朗运动）动力学性质（布朗运动）在在超超显显微微镜镜下下观观察察胶胶体体溶溶液液，可可以以看看到到胶
9、胶体体粒粒子子的的发发光光点点在在介介质质中中间间不不停停地地作作不不规规则则的的运运动动，称称布布朗朗运运动。动。溶胶中分散质粒子直径：溶胶中分散质粒子直径：1 100 nm可见光波长：可见光波长：400 700 nm 在真溶液中，溶质颗粒太小（在真溶液中，溶质颗粒太小（10-9 m）,光的光的散射极弱，看不到丁达尔效应。阳光从狭缝射进室散射极弱，看不到丁达尔效应。阳光从狭缝射进室内形成光柱也是丁达尔效应。内形成光柱也是丁达尔效应。本讲稿第二十四页，共五十八页布朗运动产生的原因：布朗运动产生的原因：分散质粒子本身处于不断的热运动中。分散质粒子本身处于不断的热运动中。分散剂分子对分散质粒子的不
10、断撞击。分散剂分子对分散质粒子的不断撞击。液体分子对溶胶粒子的撞击液体分子对溶胶粒子的撞击 粗分散系粗分散系本讲稿第二十五页，共五十八页 胶胶体体粒粒子子的的布布朗朗运运动动必必然然导导致致溶溶胶胶具具有有扩扩散散作作用用，一一定定程程度度上上可可以以抵抵消消胶胶粒粒受受重重力力作作用用而而引引起起的的沉沉降降，使使溶溶胶胶具具有有一一定定的的稳稳定定性性，称为称为溶胶的动力学稳定性。溶胶的动力学稳定性。本讲稿第二十六页，共五十八页（3）溶胶的电学性质）溶胶的电学性质 电动现象：电动现象：在在外外电电场场的的作作用用下下，分分散散相相和和分分散散介介质质发发生生相对位移的现象称为胶体的电动现象
11、。相对位移的现象称为胶体的电动现象。电动现象分为电动现象分为电泳电泳和和电渗电渗。本讲稿第二十七页，共五十八页电泳管中电泳管中:Fe(OH)3溶胶溶胶向负向负极移动极移动，说明，说明 Fe(OH)3溶胶溶胶带正电荷带正电荷。As2S3向正极移动向正极移动，说，说明明As2S3溶胶溶胶带负电荷。带负电荷。电泳管示意图电泳管示意图直流电直流电A 电泳：电泳：在电场中，分散质粒子作定向移动。在电场中，分散质粒子作定向移动。本讲稿第二十八页，共五十八页 胶胶体体微微粒粒的的移移动动，说说明明胶胶粒粒是是带带电电的的，且且有有正正负负之之分分。由由于于胶胶体体溶溶液液是是电电中中性性的的，所所以以，胶胶
12、粒粒带带正正电电荷荷（或或负负电电荷荷），则则分分散介质必带负电荷（或正电荷）。散介质必带负电荷（或正电荷）。电泳是介质不动，胶粒运动。电泳是介质不动，胶粒运动。本讲稿第二十九页，共五十八页 根据不同蛋白质分子、核酸分子电泳速度的不同根据不同蛋白质分子、核酸分子电泳速度的不同对它们进行分离，已成为生物化学中的一项重要实验技对它们进行分离，已成为生物化学中的一项重要实验技术。术。利用电泳的方法使橡胶的乳状液凝结而浓缩。利用电泳的方法使橡胶的乳状液凝结而浓缩。生产和科研中的生产和科研中的某些应用某些应用本讲稿第三十页，共五十八页 B 电渗：电渗：胶粒设法固定不动，胶粒设法固定不动，分散介质在电场中
13、作分散介质在电场中作定向移动的现象称为电渗。定向移动的现象称为电渗。正极正极 +负极负极 多孔性固体多孔性固体电渗管示意图电渗管示意图 工程上利用电工程上利用电渗使泥土脱水渗使泥土脱水。本讲稿第三十一页，共五十八页 胶体粒子带电的主要原因胶体粒子带电的主要原因 电离作用电离作用 吸附作用吸附作用 固固体体吸吸附附剂剂常常常常是是优优先先选选择择吸吸附附固固体体晶晶格格上上的的同同名名离离子子或或化化学学成成分分相相近近、结结晶晶结结构构相相似似的的物物质质的离子。的离子。本讲稿第三十二页，共五十八页3 胶团结构胶团结构 制备制备AgI过程中，若过程中，若KI过量，则胶核优先吸附过量，则胶核优先
14、吸附I I-而带负电。而带负电。胶核胶核胶粒胶粒胶团胶团本讲稿第三十三页，共五十八页（AgI)m n I-(n-x)K+x-x K+胶核胶核 电势离子电势离子 反离子反离子 反离子反离子 吸附层吸附层 扩散层扩散层 胶粒胶粒 胶团胶团 胶团的结构表达式胶团的结构表达式 ：本讲稿第三十四页，共五十八页 例例 AgNO3+KIKNO3 +AgI AgNO3过量过量 胶团的结构表达式胶团的结构表达式：(AgI)m n Ag+(n-x)NO3x+x NO3|_|_|胶核胶粒胶团 胶团的图示式胶团的图示式本讲稿第三十五页，共五十八页 AgI 胶团结构胶团结构本讲稿第三十六页，共五十八页 Fe(OH)3溶
15、胶：溶胶：As2S3溶胶：溶胶：硅酸溶胶：硅酸溶胶：胶粒带电，胶团不带电胶粒带电，胶团不带电（电中性）（电中性）Fe(OH)3m n FeO+(n-x)Cl-x+xCl-（As2S3）m n HS-(n-x)H+x-x H+（SiO2)m n HSiO3-(n-x)H+x-x H+本讲稿第三十七页，共五十八页FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+FeO+Fe(OH)3mFe(OH)3胶核吸附电势离子的示意图胶核吸附电势离子的示意图本讲稿第三十八页，共五十八页 如制备如制备AgCl溶胶：溶胶：AgNO3+K
16、Cl =AgCl+KNO3 溶液中存在的溶液中存在的Ag+和和Cl-都是胶体的组成离子，都是胶体的组成离子，它们都有可能被吸附。它们都有可能被吸附。制备溶胶的条件不同，可使胶体粒子带不同的电制备溶胶的条件不同，可使胶体粒子带不同的电荷。荷。注意注意本讲稿第三十九页，共五十八页 若制备过程中：若制备过程中：AgNO3过量，溶液中有过量，溶液中有Ag+、NO3-、K+，胶核，胶核AgCl 优先吸附优先吸附Ag+而带正电荷。而带正电荷。Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+AgCl本讲稿第四十页，共五十八页 若若KCl过量时，溶液中有过
17、量的过量时，溶液中有过量的K+、Cl-、NO3-，溶胶粒子优先吸附，溶胶粒子优先吸附Cl-而带负电荷。而带负电荷。Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-AgCl 若是若是等物质的量进行反应，则不能形成溶胶等物质的量进行反应，则不能形成溶胶。本讲稿第四十一页，共五十八页 例如：例如：Fe(OH)3胶体粒子很容易吸附与它结构胶体粒子很容易吸附与它结构相似的相似的FeO+离子，而带正电荷。离子，而带正电荷。Fe(OH)3mnFeO+FeCl3+3H2O=Fe(OH)3+3HClFeCl3+2H2O=Fe(OH)2 Cl+2HClFe(O
18、H)2 Cl=FeO+Cl-+H2O本讲稿第四十二页，共五十八页 4 溶胶的稳定性溶胶的稳定性 动力学稳定性：动力学稳定性：布朗运动产生的扩散作用，克布朗运动产生的扩散作用，克服重力场的影响而不下沉服重力场的影响而不下沉。电学性质：电学性质：胶粒表面同种电荷相斥，阻止颗胶粒表面同种电荷相斥，阻止颗粒相互碰撞聚结成大颗粒。粒相互碰撞聚结成大颗粒。溶剂化作用：溶剂化作用：胶粒中的吸附离子和反离子都胶粒中的吸附离子和反离子都是水化离子，胶粒周围形成了一层牢固的水化薄膜，是水化离子，胶粒周围形成了一层牢固的水化薄膜，具一定的弹性，阻止胶粒相互接触，增强了稳定性。具一定的弹性，阻止胶粒相互接触，增强了稳
19、定性。本讲稿第四十三页，共五十八页 5 溶胶的聚沉溶胶的聚沉 溶溶胶胶的的稳稳定定性性是是相相对对的的、暂暂时时的的、有有条条件件的的，一一旦旦稳稳定定条条件件被被破破坏坏，溶溶胶胶中中的的分分散散相相粒粒子子就就会会相相互互聚结变大而发生沉淀，这种现象称为溶胶的聚沉。聚结变大而发生沉淀，这种现象称为溶胶的聚沉。溶胶的聚沉是不可逆的。溶胶的聚沉是不可逆的。不稳定性不稳定性：胶粒表面积大，表面能大，体系：胶粒表面积大，表面能大，体系可自动聚集降可自动聚集降 低表面能，是热力学的不稳定体系。低表面能，是热力学的不稳定体系。本讲稿第四十四页，共五十八页 原因原因 增加分散介质中的反电荷离子浓度，扩散
20、增加分散介质中的反电荷离子浓度，扩散层中一些反离子被挤入吸附层内，中和了胶粒的部分电层中一些反离子被挤入吸附层内，中和了胶粒的部分电荷，胶粒间排斥力变小，当胶粒碰撞时易合并成大颗粒荷，胶粒间排斥力变小，当胶粒碰撞时易合并成大颗粒而下沉。而下沉。电电解解质质离离子子的的水水化化作作用用，夺夺取取了了胶胶粒粒水水化化膜膜的水分子，使胶粒水化膜变薄，有利于聚沉。的水分子，使胶粒水化膜变薄，有利于聚沉。促使溶胶聚沉的方法有：促使溶胶聚沉的方法有：加入电解质；加入电解质；（研究最多应用最广）（研究最多应用最广）本讲稿第四十五页，共五十八页 聚聚沉沉值值：一一定定量量的的溶溶胶胶在在一一定定时时间间内内明
21、明显显聚聚沉沉所所需需电电解解质质的的最最低低浓浓度度（mmolL-1 ）（用用于于比比较较各种电解质的聚沉能力各种电解质的聚沉能力）。）。聚沉值越小，聚沉能力越大。聚沉值越小，聚沉能力越大。反离子的价数越高，聚沉能力越强。反离子的价数越高，聚沉能力越强。通常通常:一价反离子聚沉值：一价反离子聚沉值：25 150 二价反离子聚沉值二价反离子聚沉值：0.52 三价反离子聚沉值：三价反离子聚沉值：0.010.1叔采叔采-哈迪规则哈迪规则 本讲稿第四十六页，共五十八页 例例 将将12 mL 0.10 mol L1 KI溶液和溶液和100 mL 0.005mol L1的的AgNO3溶液混合以溶液混合以
22、制备制备AgI溶胶，写出胶团结构式，问溶胶，写出胶团结构式，问MgCl2与与K3Fe(CN)6这两种电解质对该溶胶的聚沉值这两种电解质对该溶胶的聚沉值哪个大？哪个大？本讲稿第四十七页，共五十八页解：解：n(KI)=1210-30.10=1.210-3 mol n(AgNO3)=10010-30.005 =0.510-3 mol KI过量，形成过量，形成AgI负性溶胶负性溶胶 胶胶团团结结构构：(AgI)m nI-（n-x）K+x-x K+聚沉值：聚沉值：MgCl2 K3Fe(CN)6本讲稿第四十八页，共五十八页 练练习习 由由10 mL 0.05 mol L-1的的KCl溶溶液液与与100 m
23、L 0.002 mol L-1的的AgNO3溶溶液液混混合合制制得得的的AgCl溶溶胶胶，若若分分别别用用下下列列电电解解质质使使其其聚聚沉沉，则则聚聚沉沉值值的的大大小次序为小次序为（）aAlCl3ZnSO4KCl bKClZnSO4AlCl3 cZnSO4KClAlCl3 dKClAlCl3ZnSO4a本讲稿第四十九页，共五十八页怎样由豆浆制成豆腐怎样由豆浆制成豆腐？豆豆浆浆是是蛋蛋白白质质的的负负电电胶胶体体，在在豆豆浆浆中中加加卤卤水水，由由于于卤卤水水中中含含Na+、Ca2+、Mg2+等等离离子子，破破坏坏了了蛋蛋白白质负电胶体的稳定性，从而使其发生聚沉形成豆腐。质负电胶体的稳定性，
24、从而使其发生聚沉形成豆腐。本讲稿第五十页，共五十八页 溶胶的相互聚沉（两种电性相反的溶胶混合，溶胶的相互聚沉（两种电性相反的溶胶混合，发生聚沉）发生聚沉）原因原因：不同电性的胶粒相互吸引，电荷中和。不同电性的胶粒相互吸引，电荷中和。两两种种胶胶体体中中的的稳稳定定剂剂相相互互发发生生反反应应，破破坏坏了了胶体的稳定性。胶体的稳定性。注注意意：只只有有其其中中一一种种溶溶胶胶的的总总电电荷荷量量恰恰能能中中和和另另一一种种溶溶胶胶的的总总电电荷荷量量才才能能发发生生完完全全聚聚沉沉，否否则则部部分分聚聚沉沉，甚至不聚沉。甚至不聚沉。本讲稿第五十一页，共五十八页为何明矾能净化水为何明矾能净化水？明
25、明矾矾KAl(SO4)212H2O在在水水中中水水解解产产生生带带正正电电的的Al(OH)3胶胶体体及及沉沉淀淀，而而水水中中的的污污物物主主要要是是带带负负电电的的粘粘土土及及SiO2等等胶胶体体，二二者者发发生生相相互互聚聚沉沉，使使胶胶体体污污物物下下沉沉，另另外外由由于于Al(OH)3絮絮状状沉沉淀淀有有吸吸附附作作用用，两两种种作作用用结结合合就就能能将将污污物清除，达到净化水的目的。物清除，达到净化水的目的。本讲稿第五十二页，共五十八页 高分子的敏化作用高分子的敏化作用更稳定更稳定易聚沉易聚沉a 高分子物质带电，中和胶粒表面高分子物质带电，中和胶粒表面的电荷，降低斥力，发生的电荷，
26、降低斥力，发生聚沉聚沉。b 高分子呈长链形，可同时吸附高分子呈长链形，可同时吸附在许多胶粒上，使胶粒联在一在许多胶粒上，使胶粒联在一起起成较大的聚集体而聚沉。成较大的聚集体而聚沉。c 可脱去胶粒周围的水化膜，使可脱去胶粒周围的水化膜，使其易聚沉。其易聚沉。（敏化作用）（敏化作用）（保护作用）（保护作用）加加入入高高分分子子 高高分分子子物物质质附附在在胶胶粒粒表表面面，包包住胶住胶 粒使其不易凝结。粒使其不易凝结。本讲稿第五十三页，共五十八页 健健康康人人血血液液中中的的CaCO3、MgCO3、Ca3(PO4)2等等难难溶溶盐盐都都是是以以溶溶胶胶的的状状态态存存在在并并被被血血清清蛋蛋白白等
27、等高高分分子子化化合合物物保保护护着着，若若保保护护物物质质减减少少，就就可可能能使这些溶胶在身体的某些部分聚沉下来成为结石。使这些溶胶在身体的某些部分聚沉下来成为结石。人体中结石如何产生人体中结石如何产生？本讲稿第五十四页，共五十八页 8 8 表面活性物质表面活性物质 溶于水后能显著降低水的表面能（表面张力）溶于水后能显著降低水的表面能（表面张力）的物质称为表面活性物质。的物质称为表面活性物质。从分子结构来看，其特点具有双亲基团。从分子结构来看，其特点具有双亲基团。亲水基亲水基：-OH,-COOH,-NH2,-SO3H等，极性部等，极性部分，溶于水；分，溶于水；憎水基憎水基：烷基、苯基等，非
28、极性部分，溶于油。：烷基、苯基等，非极性部分，溶于油。可以在水油界面（或水表面）形成一层定向排列的可以在水油界面（或水表面）形成一层定向排列的单分子膜，从而降低水的表面能。单分子膜，从而降低水的表面能。本讲稿第五十五页，共五十八页亲油基亲油基 亲水基亲水基如：如：CH3(CH2)16COONa 肥肥皂皂是是最最常常见见的的表表面面活活性性物物质质，它它是是硬硬脂脂酸酸的的钠盐。钠盐。C17H35-COONa。亲油基亲油基 亲水基亲水基 注：表面活性物质在两相间的排列注：表面活性物质在两相间的排列本讲稿第五十六页，共五十八页 一一种种液液体体以以细细小小液液滴滴的的形形式式分分散散在在另另一一种
29、种与与它它不不互互溶溶的的液液体之中所形成的液液粗分散系统。体之中所形成的液液粗分散系统。其其中中一一种种液液体体通通常常是是水水，另另一一种种则则为为油油（一一切切不不溶溶于于水水的的有机液体统称为油有机液体统称为油）。）。分为：分为：水包油型水包油型(O/W)：水是分散剂，油是分散：水是分散剂，油是分散 质。如：牛奶质。如：牛奶 油包水型油包水型(W/O)：油是分散剂，水是分散：油是分散剂，水是分散 质。如：原油质。如：原油 9 9 乳浊液乳浊液本讲稿第五十七页，共五十八页 水油 ：亲油型乳化剂亲油型乳化剂 ：亲水型乳化剂亲水型乳化剂 油包水（油包水（W/O）型乳浊液）型乳浊液 水包油（水包油（O/W）型乳浊液）型乳浊液 水和油所形成的乳状液的类型，主要取决水和油所形成的乳状液的类型，主要取决于所选用的乳化剂的品种。于所选用的乳化剂的品种。本讲稿第五十八页，共五十八页