第7章-带电界面PPT课件

§7-1　双电层界面带电的原因双电层平板型模型扩散双电层模型斯特恩模型第7章　带电界面Chargedinterfaces作　业2.　在两个充有0.001mol·dm-3KCl溶液的容器之间放一个由AgCl晶体组成的多孔塞，其细孔道中也充满了KCl溶液。在多孔塞两侧放两个接直流电源的电极。作　业（1）通电时介质将向哪一极方向移动？（2）若改用0.1mol·dm-3KCl溶液，在相同外加电场中，介质流动速度是变快还是变慢？（3）若用AgNO3溶液代替原来用的KCl溶液时，情形又将如何？*电动现象胶粒在重力场作用下发生沉降，而产生沉降电势；带电的介质发生流动，则产生流动电势。这是因动而产生电。由于胶粒带电，而溶胶是电中性的，则介质带与胶粒相反的电荷。在外电场作用下，胶粒和介质分别向带相反电荷的电极移动，就产生了电泳和电渗的电动现象，这是因电而动。1、电动现象包括的 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 与定义在外电场的作用下，分散相和分散介质发生相对位移的现象。电泳；电渗；分散相和分散介质发生相对位移产生电场沉降电势；流动电势；*胶粒带电的本质（1）胶粒在形成过程中，胶核优先吸附某种离子，使胶粒带电（2）离子型固体电解质形成溶胶时，由于正、负离子溶解量不同，使胶粒带电。例如：将AgI制备溶胶时，由于Ag+较小，活动能力强，比I-容易脱离晶格而进入溶液，使胶粒带负电。例如：在AgI溶胶的制备过程中，如果AgNO3过量，则胶核优先吸附Ag+离子，使胶粒带正电；如果KI过量，则优先吸附I-离子，胶粒带负电。*（3）可电离的大分子溶胶，由于大分子本身发生电离，而使胶粒带电。例如蛋白质分子，有许多羧基和胺基，在pH较高的溶液中，离解生成P–COO-离子而负带电；在pH较低的溶液中，生成P-NH3+离子而带正电。在某一特定的pH条件下，生成的-COO-和-NH3+数量相等，蛋白质分子的净电荷为零，这pH称为蛋白质的等电点。*3、胶粒 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面电荷的来源⑴电离黏土、属于硅酸盐，在水中电离，荷负电；硅溶胶在碱性介质中也因电离荷负电；蛋白质高分子在pH大于等电点时，荷负电；在pH小于等电点时，荷正电；⑵离子吸附有些物质(石墨,纤维,油珠)在水中不能电离，但可以吸附其它离子而带电。固体吸附剂优先选择吸附与它组成相关的离子，或者能够在固体表面上形成难电离或难溶解物质的离子。“相似相吸原理”⑶晶格取代⑷非水介质中的质点带电的原因：吸附杂质H2SiO3SiO2·H2OH++HSiO3-*因为胶粒的大小介于1～100nm之间，故每一胶粒必然是由许多分子或原子聚集而成的。组成胶粒核心部分的固态微粒称为---胶核。胶核；胶核吸附离子是有选择性的，首先吸附与胶核中相同的某种离子，用同离子效应使胶核不易溶解。若无相同离子，则首先吸附水化能力较弱的负离子，所以自然界中的胶粒大多带负电。4、胶团结构*以AgCl为例：AgNO3+KCl=AgCl+KNO3当AgNO3过量时，分散质带正电荷，胶团结构如下：[（AgCl)m•nAg+•(n-x)NO3-]x+•xNO3-胶核电位离子反离子反离子吸附层扩散层胶粒胶团胶团结构*Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+分散质AgCl溶液中存在的Ag+和Cl-都是胶体的组成离子，都能被优先吸附，Cl--Cl--Cl--Cl--Cl--Cl--Cl--Cl--Cl--Cl--Cl--Cl--Cl--Cl--Cl--Cl--Cl--分散质AgCl若是等物质的量进行反应，则不能形成溶胶。AgNO3过量时，溶液中有Ag+、NO3-、K+，分散质AgCl优先吸附Ag+而带正电荷KCl过量时，溶液中有过量的K+、Cl-、NO3-，溶胶粒子优先吸附Cl-而带负电荷。*Fe(OH)3溶胶：{[Fe(OH)3]m•nFeO+•(n-x)Cl-}x+•xCl-As2S3溶胶：[（As2S3）m•nHS-•(n-x)H+]x-•xH+硅酸溶胶：[（SiO2)m•nHSiO3-•(n-x)H+]x-•xH+胶粒带电，胶团不带电（电中性）****电动现象胶粒在重力场作用下发生沉降，而产生沉降电势；带电的介质发生流动，则产生流动电势。这是因动而产生电。由于胶粒带电，而溶胶是电中性的，则介质带与胶粒相反的电荷。在外电场作用下，胶粒和介质分别向带相反电荷的电极移动，就产生了电泳和电渗的电动现象，这是因电而动。1、电动现象包括的内容与定义在外电场的作用下，分散相和分散介质发生相对位移的现象。电泳；电渗；分散相和分散介质发生相对位移产生电场沉降电势；流动电势；*⑴外加电场作用于胶体－－电泳与电渗析1809年，俄国科学家Peйcc发现：在一块湿黏土上插两根玻璃管，用干净的细沙覆盖两管底部，加水使两管的水面高度相等，在两管内各插入一个电极，通电一段时间后，发现：在正极管中，黏土透过细沙上升，水变得浑浊，水位下降；而在负极管中，水未变浑浊，但水位上升。*电泳（electrophoresis）影响电泳的因素有：带电粒子的大小、形状；粒子表面电荷的数目；介质中电解质的种类、离子强度，pH值和粘度电泳的温度和外加电压等。电泳现象证明：黏土颗粒是带电的；从中可获得胶粒或大分子的结构、大小和形状等有关信息。任何溶胶都有电泳现象：带负电的胶粒向正极移动；带正电的胶粒向负极移动*沿aa',bb'和cc'都可以水平滑移。实验开始时，从bb'处将上部移开，下面A，B部分装上溶胶，然后将上部移到原处，在C部装上超滤液，在bb'处有清晰界面。常见的电泳仪----提赛留斯Tiselius电泳仪提赛留斯电泳仪的纵、横剖面图如图所示。接通直流电源，在电泳过程中可以清楚的观察到界面的移动。从而可以判断胶粒所带电荷和测定电泳速度等。*界面移动电泳仪首先在漏斗中装上待测溶胶，U型管下部活塞内径与管径相同实验开始时，打开底部活塞，使溶胶进入U型管，当液面略高于左、右两活塞时即关上，并把多余溶胶吸走在管中加入分散介质，使两臂液面等高。小心打开活塞，接通电源，观察液面的变化。若是无色溶胶，必须用紫外吸收等光学方法读出液面的变化。选择合适的介质，使电泳过程中保持液面清晰根据通电时间和液面升高或下降的刻度计算电泳速度。*显微电泳仪该方法简单、快速，胶体用量少，可以在胶粒所处的环境中测定电泳速度和电动电位。但只能测定显微镜可分辨的胶粒，一般在200nm以上。装置中用的是铂黑电极，观察管用玻璃制成。电泳池是封闭的，电泳和电渗同时进行。物镜观察位置选在静止层处（即电渗流动与反流动刚好相消），这时观察到的胶粒运动速度可以代表真正的电泳速度。*电渗胶粒带电，而溶胶是电中性的，所以，介质带与胶粒相反的电荷。在外电场作用下，胶粒和介质分别向带相反电荷电极移动就产生了电泳和电渗的现象。毛细管中液体朝某一电极移↓Peйcc的实验中还存在另一个现象：正极、负极中的水位下降与上升这种含有电解质的水在外加电场的作用下，通过黏土中的毛细通道向负极移动的现象称为电渗析。液体通过其它多孔物质(陶瓷、凝胶、棉花）皆有电渗析现象*电渗：胶粒设法固定不动，分散介质在电场中作定向移动。正极+负极—多孔性固体电渗管示意图电泳是介质不动，分散相胶粒运动。*⑵胶粒运动所产生的电现象－－沉降与流动电位若是分散相粒子在分散介质中迅速沉降则在沉降管两端会产生电位差，称为沉降电势；为电泳的逆过程；与电渗相反，通过施加压力，将液体压过毛细管，则在毛细管两端会产生电位差称为流动电位。此现象是电渗析的逆过程。*2、电动现象的应用A电泳实验可以确定胶粒的电荷：①氢氧化铁、氢氧化铝溶胶，以及次甲蓝等碱性染料带正电；②金、银、铂、硫、三硫化二砷、硅酸溶胶，以及淀粉颗粒、微生物等常荷负电；③胶体颗粒所带的电荷往往与溶胶的制备条件和介质的pH值有关，例如AgI溶胶：硝酸银过量时，胶粒荷正电；碘化钾过量时，胶粒荷负电；实验发现，胶粒与离子的绝对泳动速度非常接近，表明胶粒带有大量的电荷。*a.纸上电泳B生化、医学上常用电泳来分离氨基酸和蛋白质------区带电泳用滤纸作为支持物的电泳称为纸上电泳。先将一厚滤纸条在一定pH的缓冲溶液中浸泡，取出后两端夹上电极，在滤纸中央滴少量待测溶液，电泳速度不同的各组分即以不同速度沿纸条运动。经一段时间后，在纸条上形成距起点不同距离的区带，区带数等于样品中的组分数。将纸条干燥并加热，将蛋白质各组分固定在纸条上，再用适当方法进行分析。*b.凝胶电泳用淀粉凝胶、琼胶或聚丙烯酰胺等凝胶作为载体，则称为凝胶电泳。将凝胶装在玻管中，电泳后各组分在管中形成圆盘状，称为圆盘电泳；凝胶电泳的分辨率极高。例如，纸上电泳只能将血清分成五个组分，而用聚丙烯酰胺凝胶作的圆盘电泳可将血清分成25个组分。区带电泳*区带电泳如果将凝胶铺在玻板上进行的电泳称为平板电泳。C.板上电泳*如：血清的“纸上电泳”与“凝胶电泳”可用于医学诊断。将血清样品点在润湿的滤纸条上，通电后，血清中荷负电的清蛋白以及αβγ三种球蛋白由于分子量和电荷密度不同，向正极的泳动速度不同可以分离，显色以后即可诊断肝病。*用醋酸纤维膜、淀粉凝胶、聚丙烯酰胺或琼脂多糖替代滤纸，便可以提高分辨力。如：血清在纸上电泳，一般能分辨6－7个组分；血清在凝胶上电泳，则分辨20－30个组分。***血清经琼脂平板电泳后分成的区带*C、工业上的静电除尘实际上就是烟雾气溶胶的电泳现象。带有尘粒的气流在高压直流电场30－60kV下，因电极放电而使气体电离，尘粒吸附阴离子而荷负电,并迅速向集尘极(正极)移动，最后也因放电而下落。静电除尘效率可达99％,但是成本高。***胶体粒子----即胶粒，并非单指固体颗粒，它由三部分组成:胶核、表面吸附离子、紧密层。“胶团”：胶粒与其外部的扩散层组成；电动电势：滑移面与分散介质体相间电势差，为ζ,又称ζ电势。用AgNO3稀溶液和KI溶液制备AgI溶胶时，其胶团结构式可以表示为：四、双电层的基本模型与电动电位(ζ电位)过量的KI作稳定剂*滑动面和ζ电势滑动面是当固液两相发生相对移动时，呈现在固液交界处的一个高低不平的曲面，它位于紧密层之外，扩散层之中;距固体表面的距离约为分子直径大小处。滑动面与溶液本体之间的电势差称为ζ电势。有时也称为电动电势。双电层平行板电容器模型（parallelplatecapacitormodel）1879年Helmholtz和Perrin提出了平行板电容器模型。如图所示：电场强度的定义为双电层电位降和电荷密度σ与板间距δ联系在一起的公式：图7-2平行板电容器模型示意图（约1nm）扩散双电层模型(diffuseelectricaldoublelayermodel)1.Gouy-Chapman模型Gouy在1910年和Chapman在1913年分别独立提出了扩散双电层理论。他们认为,由于静电引力和静电斥力的作用和离子热运动，使异电离子由固面到溶液深部，其浓度越来越低；相反同电离子浓度越来越高（这里指过剩浓度）,直至二者浓度完全相等。图7—3固面附近同、异电离子浓度分布情况图7—4Gouy-Chapman模型示意图ζ2．Stern模型1924年Stern创立了新的模型，表象上这个模型似乎是H—P和G—C模型的组合起来成为目前人们广泛接受的扩散双电层模型，如图7—5所示。图7—5Stern模型示意图图7—6ζ电位随电解质浓度变化情况**++++++++---------+颗粒的固体表面模型建立的两个前提：①首先离子有一定大小且水化的，故与固面距离不能小于水化离子的半径（即离子半径与水分子直径之和）；②离子与固面还存在非电性相互作用，即表面一个小距离内存在着分子引力场。Stern认为异电离子在分子吸引力和静电引力作用下，部分异电离子滞留在距固面1nm以内的δ处，并与固面形成平行板电容器结构，这一层称为紧密层（closelayer）。距固面δ处的平面称为δ面或Stern面。Stern面以外的过剩异电离子分布处称为扩散层（diffuselayer）。表面电位似由两部分组成：紧密层电位和扩散层电位（始于）。应用Stern模型可以解释G—C模型所无法解释的现象：⑴随外加电解质浓度C的增加，会将异电离子由扩散层压入紧密层，如图7—6所示。⑵含高价异电离子的电解质加入，如吸附量足够大，会使ζ电位为零，甚至反号。同电离子的吸附使增大，如图7—7（b）所示。图7—7含高价异电离子电解质加入情况示意图：曲线1加入前；曲线2：加入后⑶具有相同价数而不同种类的异电离子的影响取决于离子的特定吸附力，这种吸附力又取决于其极化率和水化后的水化半径。图7—8ζ电位与离子半径的关系ζ随离子半径增加，其水化作用减弱，从而减弱了水化膜对于异电离子与固面相互作用降低的作用，因此使双电层压缩增强，ζ电位降低，如图7—8所示。*ζ电势是溶胶稳定性的主要因素当电解质的浓度增加时，介质中反离子的浓度加大，将压缩扩散层使其变薄，把更多的反离子挤进滑动面以内，使ζ电势在数值上变小，如下图所示。当电解质的浓度足够大时，可使ζ电势为零。此时相应的状态，称为等电态。处于等电态的粒子是不带电的，电泳、电渗的速度也必然为零。此时，溶胶非常容易聚沉。ζ电势可从电泳，电渗等实验中求得。