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胶体与界面化学(Ⅰ)化学 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 专业化学工艺专业研究生教学材料科学专业目录第一章绪论§1.1早期人们对胶体的认识§1.2憎液溶胶的基本性质§1.3溶胶的制备及净化§1.4胶体化学与界面化学的联系§1.5胶体与界面化学的应用第二章胶体分散体系的性质§2.1动力性质1、Brown运动2、扩散和渗透压3、沉降和沉降平衡§2.2胶体分散体系的光学性质1、Tyndall效应和Rayleigh公式2、乳光计原理3、超显微镜的基本原理和粒子大小的测定第一章绪论§1.1人们早期对胶体的认识渗透实验与“胶体”名词的由来（1861年英国科学家托马斯.格雷汉姆的工作）物质溶解在不同溶剂中所形成的溶液状态的研究（如氯化钠溶于水中和溶于乙醇中）胶体不是一种特殊的物质，而是物质以特定分散度而存在的一种状态。实验结果及推断实验现象：扩散慢和不能透过半透膜。推断：胶体是高度分散的体系，具有很大的表面积；胶体溶液中的质点不是以小分子而是以大粒子形式分散在介质中。实验现象：胶体粒子在重力场重不沉降或沉降速度极慢。推断：分散质点不会太大，约1nm-1μm。国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）对分散体系的分类分散体系是指一种或几种物质以一定的分散度分散在另一种物质中形成的体系以颗粒分散状态存在的不连续相称为分散相；而连续相称为分散介质颗粒某一线度大于1000nm，粗分散体系颗粒某一线度小于1nm，真溶液体系颗粒某一线度为1~1000nm胶体体系§1.2憎液溶胶的基本性质1、憎液溶胶的基本性质（1）特有的分散程度粒子的大小在10-9~10-7m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。（2）多相不均匀性具有纳米级的粒子是由许多离子或分子聚结而成，结构复杂，有的保持了该难溶盐的原有晶体结构，而且粒子大小不一，与介质之间有明显的相界面，比表面很大。（3）热力学不稳定性因为粒子小，比表面大，表面自由能高，是热力学不稳定体系，有自发降低表面自由能的趋势，即小粒子会自动聚结成大粒子。2.胶粒的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；胶粒与扩散层中的反号离子，形成一个电中性的胶团。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，如泥浆水、豆浆等都是负溶胶。例1：AgNO3+KI→KNO3+AgI↓过量的KI作稳定剂胶团的结构表达式：[(AgI)mnI–(n-x)K+]x–xK+|________________________||________________________________|胶核胶粒（带负电）胶团（电中性）(AgI)m胶核K+K+K+K+胶团I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-K+K+K+K+K+K+K+K+胶粒胶团构造示意图§1.3溶胶的制备与净化制备溶胶必须使分散相粒子的大小落在胶体分散系统的范围之内，并加入适当的稳定剂。制备方法大致可分为两类：（1）分散法（大变小）用机械、化学等方法使固体的粒子变小（2）凝聚法（小变大）使分子或离子聚结成胶粒溶胶的制备通常所制备的溶胶中粒子的大小不是均一的，是一个多级分散系统。(1)研磨法这种方法适用于脆而易碎的物质，对于柔韧性的物质必须先硬化后再粉碎。例如，将废轮胎粉碎，先用液氮处理，硬化后再研磨。胶体磨的形式很多，其分散能力因构造和转速的不同而不同。1.分散法(2)胶溶法1.分散法胶溶法又称解胶法，仅仅是将新鲜的凝聚胶粒重新分散在介质中形成溶胶，并加入适当的稳定剂。这种稳定剂又称胶溶剂。根据胶核所能吸附的离子而选用合适的电解质作胶溶剂。这种方法一般用在化学凝聚法制溶胶时，为了将多余的电解质离子去掉，先将胶粒过滤，洗涤，然后尽快分散在含有胶溶剂的介质中，形成溶胶。例如：333FeClFe(OH)()Fe(OH)()?????加新鲜沉淀溶胶3AgNOKIAgCl()AgCl()???????或加新鲜沉淀溶胶42226KSn(OH)SnClSnO()SnO()???????????加水解新鲜沉淀溶胶若沉淀放置时间较长，则沉淀老化就得不到溶胶(3)超声波分散法这种方法目前只用来制备乳状液。如图所示，将分散相和分散介质两种不混溶的液体放在样品管4中。样品管固定在变压器油浴中。在两个电极上通入高频电流，使电极中间的石英片发生机械振荡，使管中的两个液相均匀地混合成乳状液。4312电弧法主要用于制备金、银、铂等金属溶胶。制备过程包括先分散后凝聚两个过程。(4)电弧法将金属做成两个电极浸在水中，盛水的盘子放在冷浴中。在水中加入少量NaOH作为稳定剂制备时在两电极上施加100V左右的直流电，调节电极间的距离，使之发生电火花，这时表面金属蒸发，是分散过程，接着金属蒸气立即被水冷却而凝聚为胶粒2.凝聚法(1)化学凝聚法通过各种化学反应使生成物呈过饱和状态，使初生成的难溶物微粒结合成胶粒，在少量稳定剂存在下形成溶胶，这种稳定剂一般是某一过量的反应物。例如：A.复分解反应制硫化砷溶胶232232AsO3HSAsS()3HO???溶胶B.还原反应制金溶胶422HAuCl3HCHO11KOH2Au3HCOOK8KCl8HO?????????加热（稀溶液）（少量）（溶胶）323FeCl3HOFe(OH)()3HCl??（热）溶胶C.水解反应制氢氧化铁溶胶D.氧化还原反应制备硫溶胶2222HSSO2HO3S()???溶胶22322NaSO2HCl2NaClHOSOS()?????溶胶胶粒表面吸附了过量的具有溶剂化层的反应物离子，因而溶胶变得稳定。但是，若离子的浓度太大，反而会引起胶粒的聚沉，必须除去。将汞的蒸气通入冷水中就可以得到汞的水溶胶（2）物理凝聚法罗金斯基等人利用下列装置，制备碱金属的苯溶胶先将体系抽真空，然后适当加热管2(苯)和管4(金属钠)，使钠和苯的蒸气同时在管5外壁凝聚。除去管5中的液氮，凝聚在外壁的混合蒸气融化，在管3中获得钠的苯溶胶。蒸气骤冷法（3）更换溶剂法例1.松香易溶于乙醇而难溶于水，将松香的乙醇溶液滴入水中可制备松香的水溶胶。例2.将硫的丙酮溶液滴入90℃左右的热水中，丙酮蒸发后，可得硫的水溶胶。利用物质在不同溶剂中溶解度的显著差别来制备溶胶，而且两种溶剂要能完全互溶。溶胶的净化在制备溶胶的过程中，常生成一些多余的电解质，如制备Fe(OH)3溶胶时生成的HCl。少量电解质可以作为溶胶的稳定剂，但是过多的电解质存在会使溶胶不稳定，容易聚沉，所以必须除去。净化的方法主要有渗析法和超过滤法。（1）渗析法简单渗析利用浓差因素，多余的电解质离子不断向膜外渗透，经常更换溶剂，就可以净化半透膜容器内的溶胶。如将装有溶胶的半透膜容器不断旋转，可以加快渗析速度。将需要净化的溶胶放在羊皮纸或动物膀胱等半透膜制成的容器内，膜外放纯溶剂。电渗析为了加快渗析速度，在装有溶胶的半透膜两侧外加一个电场，使多余的电解质离子向相应的电极作定向移动。溶剂不断自动更换，可以提高净化速度溶胶的形成条件和老化机理溶胶形成的过程中要经历两个阶段，即：晶核的形成和晶体的生长。晶核形成过程的速率决定于形成和生长两个因素。（1）从溶液中析出固体的速率即晶核形成的速率1()Qsvks??（2）晶体长大的速率2()QsvDA???要得到分散度很高的溶胶，则必需控制两者的值，使很小或接近于零。2v1()Qsvks??即使是经过纯化后的胶粒也会随时间推移而慢慢增大，最终导致沉淀，这一过程称之为溶胶的老化，老化过程是自发过程。2()QsvDA???当的值很大时，有利于形成溶胶()Qss?当的值很小时，也有利于形成溶胶()Qss?当的值较小时，有利于生成大块沉淀()Qss?固体的溶解度与颗粒的大小有关，颗粒半径与其相应的溶解度之间服从Kelvin公式：2''121211lnsMsRTRR???????????若有大小不同的颗粒同时在一个溶胶中，较小颗粒附近的饱和浓度大于较大颗粒的饱和浓度，结果是小者愈小，大者愈大，直到小颗粒全部溶解为止。而大颗粒大到一定程度即发生沉淀，这就是产生老化过程的原因。均分散胶体的制备和应用在严格控制的条件下，有可能制备出形状相同、尺寸相差不大的沉淀颗粒，组成均分散系统。颗粒的尺寸在胶体颗粒范围之内的均分散系统则称为均分散胶体系统。制备均分散系统的方法有：1.金属盐水溶液高温水解法；2.金属络合物高温水解法；3.微乳液法；4.溶胶-凝胶转化法。金属盐水溶液高温水解法以制备Cr(OH)3单分散溶胶为例。将浓度为0.8~4.0×10-4mol/L的KCr(SO4)2溶液在26℃下恒温老化26h，若溶胶中存有和时，则可生成粒径为几百纳米的单分散球形Cr(OH)3溶胶；若溶液中没有和，就制不出单分散溶胶，若:在1/3~2/3时，析出的是无定形胶粒且粒径较粗。若溶液pH在9~10时，胶粒带负电荷；pH小于7时，胶粒带正电荷。?34PO?24SO?24SO?34PO?3Cr?24SO金属络合物高温水解法以铑溶胶为例。在1000mL回流装置中加入8.8mgRhCl3和150mg聚乙烯醇（聚合度为500），续加25mL甲醇和25mL水，加热回流1~4h，可得黑色铑溶胶：此法重现性好，所得铑溶胶在空气中可稳定一年以上。干后为黑色透明胶状物，加水可再成溶胶，性能不变。生成的球形铑溶胶粒径（4nm)不受回流加热时间影响，关键是聚乙烯醇与Rh3+形成了络合物。用此法还可制得Pd、Pt、Ir及Os单分散溶胶。OHHClHCHORhOHCHOHRhCl23236632322??????微乳液法以制备BaSO4纳米粒子为例由水、油、表面活性剂和助表面活性剂形成的分散相液滴一般不大于100nm的透明或半透明的稳定胶体分散体系称为微乳液。微乳液中的分散相液滴可以作为微反应器制备纳米粒子。以TritonX-100为表面活性剂，正己醇为助表面活性剂，盐溶液（或水）为分散的水相。将TritonX-100和正己醇按质量比4:1混合，构成表面活性剂混合物。将此表面活性剂混合物以10%体积分数浓度溶于环己烷中。室温下向其中加入不同量的水相溶液，形成W/O型乳状液，加入的水相溶液的体积分数为1.6%~2.8%。以(NH4)2SO4或Ba(OAc)2的水溶液为水相溶液，盐的浓度为0.1mol/L。将含有Ba2+的和含有同样浓度SO2-4的两W/O型乳状液快速混合，可得BaSO4纳米粒子。溶胶-凝胶转化法以制备单分散球形Fe2O3为例。胶体粒子相互连结而成的网状结构称为凝胶，网状结构的空隙中填充的是分散介质（液体或气体）。先将一定浓度的FeSO4和KOH混合，形成Fe(OH)2凝胶，再加入KNO3溶液将Fe2+氧化，生成极小的Fe3O4粒子。由于凝胶网状结构的隔离，使这些小粒子不能明显长大，也不聚沉。随着连结成网状结构的Fe(OH)2中Fe2+氧化，部分结构溶解，并使一级小粒子聚集成二级粒子，未溶解的网状结构使二级粒子隔离，从而形成单分散Fe2O3粒子。均分散胶体新材料的应用（1）验证基本理论（2）理想的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 材料（3）新材料（4）催化剂性能的改进（5）制造特种陶瓷§1.4胶体化学与界面化学的关系胶体的基本特性：特有的分散程度、多相性、聚结不稳定性研究物质的界面特性——界面化学表面张力、表面能、表面现象等研究一群质点所构成的分散体系的性质——胶体化学动力性质、电性质、光学性、流变性质、胶体的聚结与稳定性等联系桥梁：界面张力§1.5胶体与界面化学应用举例★农业★生物学与医学★日用品生产★轻工业★环境科学★分析化学★材料★海洋科学★天文与气象学★油田开发§2胶体分散体系的性质主要讨论胶体的动力性质和光学性质。§2.1动力性质1827年植物学家布朗（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。人们称微粒的这种运动为布朗运动。布朗运动示意图1、Brown运动1903年发明了超显微镜，为研究布朗运动提供了物质条件。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。1905年和1906年Einstein和Smoluchowski分别阐述了Brown运动的本质。认为Brown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≥0.5?m，Brown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。Einstein认为，溶胶粒子的Brown运动与分子运动类似，平均动能为。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:32kT式中是在观察时间t内粒子沿x轴方向的平均位移；xr为胶粒的半径;?为介质的粘度;NA为阿伏加德罗常数。3ARTtxNr???这个公式把粒子的位移与粒子的大小、介质粘度、温度以及观察时间等联系起来，也称爱因斯坦公式。无规则?无规律2、扩散和渗透压胶粒也有热运动，因此也具有扩散和渗透压。只是溶胶的浓度较稀，这种现象很不显著。如图所示，在CDFE的桶内盛溶胶，在某一截面AB的两侧溶胶的浓度不同，c1>c2由于分子的热运动和胶粒的Brown运动，可以观察到胶粒从c1区向c2区迁移的现象，这就是胶粒的扩散作用。设通过AB面的扩散质量为m，则扩散速度为，它与浓度梯度和AB截面积A成正比。ddmt斐克第一定律（Fick'sfirstlaw）如图所示，设任一平行于AB面的截面上浓度是均匀的，但水平方向自左至右浓度变稀，梯度为。ddcx这就是斐克第一定律。式中负号表示扩散发生在浓度降低的方向，<0,而>0。ddcxddmtddddmcDAtx??用公式表示为：式中D为扩散系数，其物理意义为：单位浓度梯度、单位时间内通过单位截面积的质量。在ABFE体积内粒子净增速率为(1)-(2)，dd[()d](3)ddcDAxxx离开EF面的扩散量为：ddd[()d](2)dddccDAxxxx??设进入AB面的扩散量为：d(1)dcDAx?斐克第二定律（Fick'ssecondlaw）斐克第二定律适用于浓度梯度变化的情况单体积内粒子浓度随时间的变化率为22dd[()d]dddddddcDAxccxxDtAxx??若考虑到扩散系数受浓度的影响，则ddd()dddccDtxx?这就是斐克第二定律。这个斐克第二定律的表示式是扩散的普遍公式。Einstein-Brown位移方程找出距AB面处的两根虚线，其浓度恰好为和。12x2c1c在t时间内，从两个方向通过AB面的粒子数分别为和，因，则自左向右通过AB面的净粒子数为：221cx21cc?112xc2112112122()ccxcxcx???如图，设截面为单位面积为时间t内在水平方向的平均位移。截面间的距离均为xx设很小，浓度梯度：x12ddcccxx??12121()2ccxccDtx?????????22xDt?这就是Einstein-Brown位移方程。从Brown运动实验测出，就可求出扩散系数D。x则扩散通过AB面的净粒子数与浓度梯度和扩散时间t成正比，得到：将Brown运动公式代入)(321rtLRTx???16RTDLr???从上式可求粒子半径r已知r和粒子密度，可以计算粒子的摩尔质量。?343MrL???溶胶的渗透压由于胶粒不能透过半透膜，而介质分子或外加的电解质离子可以透过半透膜，所以有从化学势高的一方向化学势低的一方自发渗透的趋势。溶胶的渗透压可以借用稀溶液渗透压公式计算：nRTV?Π由于憎液溶胶不稳定，浓度不能太大，所以测出的渗透压及其它依数性质都很小。但是亲液溶胶或胶体的电解质溶液，可以配制高浓度溶液，用渗透压法可以求它们的摩尔质量。3、沉降和沉降平衡溶胶是高度分散系统，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。达沉降平衡时，粒子随高度分布的情况与气体类似，可用高度分布定律高度分布定律如图所示，设容器截面积为A，粒子为球型，半径为r，粒子与介质的密度分别为和，在x1和x2处单位体积的粒子数分别N1，N2，为渗透压，g为重力加速度。?粒子?介质Π34d()3NAxrg?????粒子介质在高度为dx的这层溶胶中，使N个粒子下降的重力为：dddNAARTcARTL?????Π该层中粒子所受的扩散力为，负号表示扩散力与重力相反。，则cRT?ΠdA?Π3d4d()3NRTNxrgL???????粒子介质达到沉降平衡时，这两种力相等，得这就是高度分布公式。粒子质量愈大，其平衡浓度随高度的降低亦愈大。积分得322114ln()()3NRTrgLxxN???????粒子介质3221141exp()()3NrgLxxNRT?????????????粒子介质或以恒定速度沉降时通过沉降速度的测定，可以求得粒子的大小ddxft沉降时粒子所受的阻力为为阻力因子f6fr???对于球形粒子且粒子浓度很低时d6dxrt???沉降时粒子所受的阻力34()3rg?????粒子介质沉降时粒子所受的重力34d()63dxrgrt???????粒子介质9dd2()xtrg?????粒子介质（Stokes公式）沉降时粒子所受的净作用力沉降时粒子所受的阻力积分得对于超离心力场，当沉降达平衡时，扩散力与超离心力相等，只是方向相反32d4d()3NRTNxrxL???????粒子介质3222221141ln()()32NRTrLxxN????????粒子介质343rLmLM??????粒子22222112ln(1)()cRTMxxc???????介质粒子因为21222212ln(1)()cRTcMxx??????介质粒子用来测蛋白质的摩尔质量1、光散射现象当光束通过分散体系时，一部分自由地通过，一部分被吸收、反射或散射。可见光的波长约在400~700nm之间。（1）当光束通过粗分散体系，由于粒子大于入射光的波长，主要发生反射，使体系呈现混浊。（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。§2.2胶体分散体系的光学性质Tyndall效应Tyndall效应实际上已成为判别溶胶与分子溶液的最简便的方法。可用来观察溶胶粒子的运动以及测定大小和形状。1869年Tyndall发现，若令一束会聚光通过溶胶，从侧面（即与光束垂直的方向）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。Tyndall效应4CuSO溶液光源光源Fe(OH)3溶胶光散射的产生光是一种电磁波，其振动频率高达1015Hz，就光散射而言，主要是电场起作用。当入射光的电场接触到溶液中得到胶粒时，会使组成微粒的分子转化为偶极子，由于光波电场是振动的，而使偶极子振动并向各个方向辐射出与入射光振动频率相同的诱导波，这就是散射光。如果粒子足够小（d＜＜λ），可以把不具有光程差、不会相互发生干涉的分子的散射光加和起来，也就是说把这个小粒子作为一个点散射源处理。相反，如果粒子尽管小于入射光波长，但是粒子大到其上各部位所产生的散射光波有足够的光程差而发生相互干涉时，则其散射光强度因此而降低，这种干涉即为内干涉。如果不但粒子比较大，而且分散体系中分散相粒子的数量浓度也很大，即粒子间距离足够小，则各个粒子间的散射光也会互相发生干涉而减弱，这就是外干涉。2、Rayleigh公式Rayleigh研究了大量的光散射现象，对于粒子半径在47nm以下的溶胶，作了两个假定（1）组成粒子的分子间的光散射不发生内干涉，故粒子的光散射等于组成其所有分子光散射的总和；（2）组成溶胶的各个分散相粒子间也不存在外干涉，故溶胶的光散射等于分散相诸粒子光散射的加和。据此可导出Rayleigh公式：式中：r观察者距样品的距离，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θ观察方向与入射光方向间的夹角?1n?2nV)cos1()2(29222221222142220????????nnnnrVII从Rayleigh公式可得出如下结论：1.散射光总能量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成正比。3、乳光计原理当分散相和分散介质等条件都相同时，Rayleigh公式可改写成：24νVIKλ?当入射光波长不变，cV???343Vr??311322IrIr?若有两个浓度相同的溶胶3IK'cr?设粒子为球形，代入上式可得：1122IcIc?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(或浓度)，这就是乳光计。乳光计的原理与比色计相似，所不同者在于乳光计中光源是从侧面照射溶胶，因此观察到的是散射光的强度。浊度（turbidity）浊度的物理意义：lτ1?浊度计的用处：当光源、波长、粒子大小相同时，溶胶的浓度不同，其透射光的强度亦不同，由浊度计算浓度。浊度的定义为：0ltI/Ie???tI0I?l透射光强度入射光强度样品池长度浊度/e/IIt10?当4、超显微镜的基本原理和粒子大小的测定普通显微镜分辨率不高，只能分辨出半径在200nm以上的粒子，所以看不到胶体粒子。超显微镜分辨率高，可以研究半径为5~150nm的粒子。超显微镜观察的不是胶粒本身，而是观察胶粒发出的散射光。是用普通显微镜来观察Tyndall效应。超显微镜是目前研究憎液溶胶非常有用的手段之一从超显微镜可以获得哪些有用信息？（1）可以测定球状胶粒的平均半径。（2）间接推测胶粒的形状和不对称性。例如，球状粒子不闪光，不对称的粒子在向光面变化时有闪光现象。（3）判断粒子分散均匀的程度。粒子大小不同，散射光的强度也不同。（4）观察胶粒的Brown运动、电泳、沉降和凝聚等现象。