基础化学第五章胶体

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第五章 胶 体* 研究内容: 涉及物理学中的光学、电学、流体力学和流变学,同时还涉及表面化学、电化学。 从应用来说,遍及生命现象(血液、骨组织、细胞膜)、材料(陶瓷、水泥、纤维、塑料、多孔吸附剂、有色玻璃以及微米与纳米材料)、食品(牛奶、啤酒、面包)、能源(油、气的地质勘探、钻井、采油、储运,石油炼制、油品回收、乳化和破乳等)、环境(烟雾、除尘、污水处理)等各领域。因此,虽然历史上曾称为胶体化学,现在则将这一学科称为胶体科学。 胶体是自然界中存在的一种分散体系*。 胶体是物质的一种分散体系,通常规定胶体颗粒的大小为1~100nm,因此,胶体体系是物质的一种特殊状态,而不是特殊的物质。任何一种物质在一定条件下可以晶体的形式存在,在另一种条件下却可以胶体的形态存在。 例如:构成机体组织和细胞的基础物质蛋白质、核酸、糖原等都是胶体物质;体液如血液、细胞液等具有胶体的性质;许多药物*以胶体形式进行生产和使用。因此,医学生有必要学习胶体的有关知识。 【内容提要】v 第一节 胶体分散系v 第二节 溶胶v 第三节 高分子溶液v 第四节 表面活性剂和乳状液 第一节 胶体分散系 一、胶体分散系的制备 胶体分散系包括溶胶(sol)、高分子溶液(macro-molecular solution)和缔合胶体(associated colloid) 。 胶体分散系的分散相粒子的大小介于1nm~100nm之间。 表5-1 一些胶体的例子 表5-1 一些胶体的例子分散介质 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 乳状液 牛奶 液体 固体 溶胶 油漆 固体 液体 凝胶 果冻 固体 固体 固体溶胶 红宝石玻璃 胶体分散系的制备方法:分散法和凝聚法,前者是使大粒子变小,后者是使较小的粒子凝聚成胶体粒子。 研磨法 超声波法 分散法 胶磨法 电弧法 物理凝聚法 凝聚法 化学凝聚法 二、胶体分散系的表面特性* 界面与表面:对于相互接触的不同聚集状态的物质,相与相之间的边界皆称界面,相界面上发生的物理化学现象统称为界面现象*。 固相或液相与其蒸汽或与空气相接触的界面习惯上称为表面*,一般在要求不严格的情况下界面与表面可以通用。 气溶胶:烟、粉尘;雾*等。 固溶胶:珍珠、某些宝石、有色玻璃等。 * 液溶胶 :Fe(OH)3溶胶、碘化银溶胶等。 总之,溶胶是由分散相高度分散到介质中所形成的多相分散系统*。 高度分散,使得分散相的表面积急剧增大。 例如:边长为1cm立方体的表面积是6cm2,当它分散为1012个小立方体*,总体积不变,而总表面积却增大为60 000cm2。 1.分散度(degree of dispersion) 分散相在分散介质中分散的程度称为分散 度。 分散度常用比表面积即比表面(specific surface area) 来表示。 比表面 (S0):是指单位体积物质所具有的表面积。 S0 = S/V (5-1) S-----总表面积 V -----体积 总表面积越大,分散度越大,比表面也越大*。 当物质形成高度分散系统时,因表面积大大增加,表面性质就十分突出。* 2.表面自由能(surface free energy) 任何两相的界面分子与其相内部的分子所处状况不同,它们的能量也不同。 例如:在液、气两相中(图5-1)。 可见,表层分子比内部分子多出一部分能量, 称为表面能(表面自由能)*。 气相 液相图5-1 液体内部及表层分子 受力情况示意图 水滴分散后表面积和表面能的变化* 分散后水 总表面积 比表面* 总表面自由半径r/(cm) 2 -1 的滴数(n) s/(cm ) s0/(cm ) 能 G总/(J)1×0.62 1 4.83 4.83 3.2×10-51×10-1 2.4×102 3×10 3×10 2.2×10-41×10-3 2.4×108 3×103 3×103 2.2×10-21×10-5 2.4×1014 3×105 3×105 2.2×1001×10-7 2.4×1020 3×107 3×107 2.2×102 * 系统表面能和表面积的关系为 :dG表=?dS S ---系统表面积, ?---比表面自由能, 若dG表<0,则dS<0, 即:表面积缩小过程是自发过程。 故:液体呈球形是自发过程。* dS<0,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的颗粒而减小表面积的趋势,称为聚结不稳定。属于热力学不稳定体系。 高分子化合物溶液的分散相粒子大小在胶体范围内,属于胶体溶液。其分散相是以单个分子分散在介质中,为均相分散系。是热力学稳定系统。 缔合胶体:是由溶液中的表面活性剂分子(具有亲水的极性基团和亲油的烃基*的两亲分子)超过某一特定浓度,分子在溶液内部缔合形成分子集团,即所谓“胶团”或“胶束”作为分散相粒子形成的分散系。 表面活性物质的这种缔合作用是自发的和可逆的,因而与溶胶不同,缔合胶体是热力学稳定体系。 第二节 溶胶 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。直径为1~100nm的胶粒分散在分散介质中,形成热力学不稳定性分散系统。多相性、高度分散性和聚结不稳定性是溶胶的基本特性,其光学性质、动力学性质和电学性质都是由这些基本特性引起的。溶胶的性质溶 光学性质 ------Tyndall效应胶的 运动性 动力学性质 ------Brown质 电泳(electrophoresis) 电学性质 电渗(electroosmosis)一、溶胶的基本性质 1. 溶胶的光学性质—Tyndall Effect 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称Brown运动。*3. 溶胶的电学性质? 电泳 electrophoresis 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。3. 溶胶的电学性质? 电渗 electroosmosis 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。 二、胶团结构及溶胶的稳定性 (一) 胶粒带电的原因: 1. 胶核界面的选择性吸附: 胶粒中的胶核(原子、离子、或分子的聚集体)有吸附其它物质而降低其界面能的趋势。 * 胶核常选择性的吸附组成与其相似的离子。 * 例:制备Fe(OH)3溶胶 ,反应为: 沸腾 FeCl3+3H2O Fe(OH)3+3HCl 部分Fe(OH)3与HCl作用: Fe(OH)3+HCl FeOCl+3H2O FeOCl FeO++Cl- + Fe(OH)3胶核就吸附与其组成相似的FeO 而带正电荷。 * 如AgI溶胶的制备:AgNO3+KI 2.胶粒表面分子的离解: 例:硅胶的胶核由许多 xSiO2 ·yH2O 分子组成,表层分子与H2O作用生成硅酸: - + H2SiO3 HSiO3 +H - 2- + HSiO3 SiO3 +H + 2- 硅酸电离出的H 扩散到介质中去, SiO3 则留在胶核表面,结果使胶粒带负电荷。 (二) 胶团的双电层结构* 1. m个Fe(OH)3分子聚成的固体粒子---胶核。 [ Fe(OH)3]m 2.胶核选择性吸附:nFeO+离子,带正电。 3. 静电作用,吸附少量Cl- , (n-x) Cl- 吸附层: nFeO+ · (n-x) Cl- 胶核与吸附层组成胶粒。 n﹥x,胶粒带x正电荷。 4.据呈电中性的要求,胶粒仍然要吸附Cl- 这部分Cl-借助于扩散作用分布于离胶核较远处形成扩散层: x Cl-
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