10 膠體分散系統(tǒng).ppt

2019 12 19 物理化學(xué)核心教程電子教案 第10章膠體分散系統(tǒng) 2019 12 19 10 1膠體分散系統(tǒng)概述 10 2溶膠的動(dòng)力和光學(xué)性質(zhì) 10 3溶膠的電學(xué)性質(zhì) 10 4溶膠的穩(wěn)定性和聚沉作用 10 5大分子概說(shuō) 10 6Donnan平衡 10 7凝膠 10 8納米技術(shù)與應(yīng)用簡(jiǎn)介 第10章膠體分散系統(tǒng) 2019 12 19 10 1膠體分散系統(tǒng)概述 1 分散系統(tǒng)的分類(lèi) 2 憎液溶膠的制備 3 膠團(tuán)的結(jié)構(gòu) 4 溶膠的凈化 把一種或幾種物質(zhì)分散在另一種物質(zhì)中就構(gòu)成散系統(tǒng) 云 水分散在空氣中 被分散的物質(zhì)稱(chēng)為分散相 dispersedphase 另一種物質(zhì)稱(chēng)為分散介質(zhì) dispersingmedium 10 1膠體分散系統(tǒng)概述 牛奶 乳脂分散在水中 珍珠 水分散在蛋白質(zhì)中 分類(lèi)系統(tǒng)通常有三種分類(lèi)方法 分子分散系統(tǒng) 1 按分散相粒子的大小分 2 按分散介質(zhì)的物態(tài)分 液溶膠 3 按膠體分散系統(tǒng)的性質(zhì)分 憎液溶膠 膠體分散系統(tǒng) 粗分散系統(tǒng) 固溶膠 氣溶膠 親液溶膠 締合溶膠 10 1膠體分散系統(tǒng)概述 1 分子分散系統(tǒng) 分散相與分散介質(zhì)以分子或離子形式彼此混溶 沒(méi)有界面 是均勻的單相 分子半徑大小在10 9m以下 通常把這種系統(tǒng)稱(chēng)為真溶液 如CuSO4水溶液 2 膠體分散系統(tǒng) 分散相粒子的半徑在1 100nm的系統(tǒng) 目測(cè)是均勻的 但實(shí)際是多相不均勻系統(tǒng) 也有的將1 1000nm的粒子歸入膠體范疇 3 粗分散系統(tǒng) 當(dāng)分散相粒子大于1000nm 目測(cè)是混濁不均勻系統(tǒng) 放置后會(huì)沉淀或分層 如黃河水 1 按分散相粒子的大小分類(lèi) 2 按分散介質(zhì)的物態(tài)分類(lèi) 1 液溶膠 將液體作為分散介質(zhì)所形成的溶膠 當(dāng)分散相為不同狀態(tài)時(shí) 則形成不同的液溶膠 C 液 固溶膠如油漆 AgI溶膠等 液 液溶膠如牛奶 石油原油等 A 液 氣溶膠如泡沫 2 按分散介質(zhì)的物態(tài)分類(lèi) 2 固溶膠 將固體作為分散介質(zhì)所形成的溶膠 當(dāng)分散相為不同狀態(tài)時(shí) 則形成不同的固溶膠 C 固 固溶膠有色玻璃 不完全互溶的合金 固 液溶膠珍珠 某些寶石 A 固 氣溶膠泡沫塑料 沸石分子篩 2 按分散介質(zhì)的物態(tài)分類(lèi) 3 氣溶膠 將氣體作為分散介質(zhì)所形成的溶膠 當(dāng)分散相為固體或液體時(shí) 形成氣 固或氣 液溶膠 B 氣 固溶膠如青煙 含細(xì)塵的空氣 A 氣 液溶膠如霧 某些云 沒(méi)有氣 氣溶膠 因?yàn)椴煌臍怏w混合后是單相均一系統(tǒng) 不屬于膠體范圍 3 按膠體分散系統(tǒng)的性質(zhì)分類(lèi) 1 憎液溶膠 半徑為1 100nm的難溶物固體粒子保持了原有的性質(zhì) 分散在液體介質(zhì)中 有很大的相界面 易聚沉 是熱力學(xué)上的不穩(wěn)定系統(tǒng) 一旦將介質(zhì)蒸發(fā) 再加入介質(zhì)就無(wú)法再形成溶膠 是一個(gè)不可逆系統(tǒng) 如氫氧化鐵溶膠 碘化銀溶膠等 這是膠體分散系統(tǒng)中主要研究的內(nèi)容 由 和等難溶物質(zhì)分散在液體介質(zhì) 通常是水 中形成的溶膠 3 按膠體分散系統(tǒng)的性質(zhì)分類(lèi) 1 憎液溶膠 形成憎液溶膠的必要條件是 A 分散相的溶解度要小 B 還必須有穩(wěn)定劑存在 否則膠粒容易聚結(jié) 而發(fā)生聚沉現(xiàn)象 3 按膠體分散系統(tǒng)的性質(zhì)分類(lèi) 2 親液溶膠 半徑落在膠體粒子范圍內(nèi)的大分子物質(zhì) 溶解在合適的溶劑中形成的溶膠 親液溶膠是熱力學(xué)上穩(wěn)定 可逆的系統(tǒng) 一旦將溶劑蒸發(fā) 大分子化合物凝聚 再加入溶劑 又可形成溶膠 分散相分子本身的大小已達(dá)到膠粒范圍 它的擴(kuò)散速率小 不能透過(guò)半透膜等性質(zhì)與膠體系統(tǒng)相似 3 按膠體分散系統(tǒng)的性質(zhì)分類(lèi) 3 締合膠體 由表面活性物質(zhì)締合形成膠束 分散在介質(zhì)中 膠束半徑已落在膠體粒子范圍內(nèi) 或由締合表面活性物質(zhì)保護(hù)的一種微小液滴 均勻地分散在另一種液體介質(zhì)中 形成半徑落在膠體粒子范圍內(nèi)的微乳狀液 對(duì)球形顆粒 是指直徑 俗稱(chēng)為納米粒子或超細(xì)微粒 對(duì)片狀物質(zhì) 是指厚度 俗稱(chēng)納米膜 對(duì)線(xiàn)狀物質(zhì) 指線(xiàn)徑或管徑 俗稱(chēng)納米線(xiàn)或納米管 10 1 2憎液溶膠的制備 制備溶膠必須使分散相粒子的大小落在膠體分散系統(tǒng)的范圍之內(nèi) 并加入適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定劑 制備方法大致可分為兩類(lèi) 1 分散法 2 凝聚法 用機(jī)械設(shè)備 電能或熱能等將粗分散的難溶物質(zhì)分散成微小顆粒 用化學(xué)或物理方法 將分子或離子凝聚成一定粒度的膠粒 10 1 2憎液溶膠的制備 1 分散法 這種磨的轉(zhuǎn)速極快 每分鐘高達(dá)1萬(wàn)轉(zhuǎn)以上 兩個(gè)磨盤(pán)之間的距離極小 使從頂部加入的粗分散粒子在強(qiáng)大的應(yīng)切力下被粉碎 1 膠體磨 這方法適用于脆而易碎的物質(zhì) 對(duì)柔韌性的物質(zhì)必須先硬化后再粉碎 例如 將廢輪胎粉碎 先用液氮處理 硬化后再研磨 干法只加入粗分散的粒子 而濕法是將粗分散粒子 穩(wěn)定劑和介質(zhì)一起加入 這樣得到的膠體系統(tǒng)比較穩(wěn)定 10 1 2憎液溶膠的制備 盤(pán)式膠體磨 10 1 2憎液溶膠的制備 轉(zhuǎn)速約每分鐘1萬(wàn) 2萬(wàn)轉(zhuǎn) A為空心轉(zhuǎn)軸 與C盤(pán)相連 向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn) B盤(pán)向另一方向旋轉(zhuǎn) 分散相 分散介質(zhì)和穩(wěn)定劑從空心軸A處加入 從C盤(pán)與B盤(pán)的狹縫中飛出 用兩盤(pán)之間的應(yīng)切力將固體粉碎 這種方法可制備1000nm左右的粒子 10 1 2憎液溶膠的制備 2 噴射磨 在裝有兩個(gè)高壓噴嘴的粉碎室中 一個(gè)噴高壓空氣 一個(gè)噴物料 兩束超音速物流以一定角度相交 形成渦流 將粒子粉碎 3 電弧法 電弧法主要用于制備金 銀 鉑等金屬溶膠 制備過(guò)程包括先分散后凝聚兩個(gè)過(guò)程 可制備粒徑小于1000nm的粒子 10 1 2憎液溶膠的制備 將金屬做成兩個(gè)電極 浸在水中 盛水的盤(pán)子放在冰浴中 制備時(shí)在兩電極上施加直流電 調(diào)節(jié)電極之間的距離 使之形成電弧 在水中加入少量NaOH作為穩(wěn)定劑 這時(shí)表面金屬蒸發(fā) 是分散過(guò)程 接著金屬蒸氣立即被水冷卻而凝聚為膠粒 10 1 2憎液溶膠的制備 2 凝聚法 通過(guò)各種化學(xué)反應(yīng) 使生成物呈過(guò)飽和狀態(tài) 1 化學(xué)凝聚法 通過(guò)各種化學(xué)反應(yīng)或物理方法 使分子或離子凝聚成一定粒度的膠粒 使初生成的難溶物微粒結(jié)合成膠粒 在少量穩(wěn)定劑存在下形成溶膠 這種穩(wěn)定劑一般是某一過(guò)量的反應(yīng)物 10 1 2憎液溶膠的制備 例如 硫化砷溶膠的制備 又如 用水解反應(yīng)制氫氧化鐵溶膠 穩(wěn)定劑是略過(guò)量的反應(yīng)物硫化氫 FeCl3 稀 3H2O 熱 Fe OH 3 溶膠 3HCl 穩(wěn)定劑是反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的FeO 10 1 2憎液溶膠的制備 2 物理凝聚法 蒸氣凝聚法 例如 將汞蒸氣通入冷水中 可獲得汞的水溶膠 在加熱汞時(shí)生成的少量氧化物作為穩(wěn)定劑 更換溶劑法 例如 松香易溶于乙醇而難溶于水 將松香的乙醇溶液滴入水中可制備松香的水溶膠 實(shí)際是利用物質(zhì)在不同溶劑中的溶解度不同 把普通溶液突然變成過(guò)飽和溶液 使溶質(zhì)凝聚成膠粒 10 1 3膠團(tuán)的結(jié)構(gòu) 膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜 先有一定量的難溶物分子聚結(jié)形成膠粒的中心 稱(chēng)為膠核 然后膠核選擇性的吸附穩(wěn)定劑中的一種離子 形成緊密吸附層 膠粒與擴(kuò)散層中的反號(hào)離子 形成一個(gè)電中性的膠團(tuán) 由于正 負(fù)電荷相吸 在緊密層外形成反號(hào)離子的包圍圈 從而形成了帶與緊密層相同電荷的膠粒 10 1 3膠團(tuán)的結(jié)構(gòu) 現(xiàn)以制備碘化銀溶膠為例 過(guò)量的KI作穩(wěn)定劑 膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)表達(dá)式 膠核 膠粒 帶負(fù)電 膠團(tuán) 電中性 AgI m 膠團(tuán)的圖示式 nI n x K x xK 10 1 3膠團(tuán)的結(jié)構(gòu) AgI mnAg n x NO3 x xNO3 膠團(tuán)的圖示式 膠核 膠粒 帶正電 膠團(tuán) 電中性 膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)表達(dá)式 過(guò)量的AgNO3作穩(wěn)定劑 10 1 4溶膠的凈化 在制備溶膠的過(guò)程中 常生成一些多余的電解質(zhì) 如制備Fe OH 3溶膠時(shí)生成的HCl 凈化的方法主要有滲析法和超過(guò)濾法 少量電解質(zhì)可以作為溶膠的穩(wěn)定劑 過(guò)多的電解質(zhì)的存在會(huì)使溶膠不穩(wěn)定 容易聚沉 所以必須除去 1 滲析法 簡(jiǎn)單滲析 利用濃差 多余的電解質(zhì)離子不斷向膜外滲透 如將裝有溶膠的半透膜容器不斷旋轉(zhuǎn) 可以加快滲析速度 將溶膠放在羊皮紙或動(dòng)物膀胱等半透膜制成的容器內(nèi) 膜外放純水 經(jīng)常更換溶劑 就可以?xún)艋胪改と萜鲀?nèi)的溶膠 10 1 4溶膠的凈化 溶膠 10 1 4溶膠的凈化 電滲析 為了加快滲析速度 在半透膜的兩側(cè)外加電場(chǎng) 10 1 4溶膠的凈化 使多余的電解質(zhì)離子向相應(yīng)的電極作定向移動(dòng) 溶劑水不斷自動(dòng)更換 這樣可以提高凈化速度 用半透膜作濾紙 利用吸濾或加壓的方法使膠粒與含有雜質(zhì)的介質(zhì)在壓差作用下迅速分離 2 超過(guò)濾法 將半透膜上的膠粒迅速用含有穩(wěn)定劑的介質(zhì)再次分散 10 1 4溶膠的凈化 在生物化學(xué)中常用超過(guò)濾法測(cè)定蛋白質(zhì)分子 酶分子 病毒和細(xì)菌分子的大小 電超過(guò)濾 有時(shí)為了加快過(guò)濾速度 在半透膜兩邊安放電極 施以一定電壓 將電滲析和超過(guò)濾合并使用 這樣可以降低超過(guò)濾壓力 10 1 4溶膠的凈化 10 2溶膠的動(dòng)力和光學(xué)性質(zhì) 1 動(dòng)力性質(zhì) 2 光學(xué)性質(zhì) 10 2 1動(dòng)力性質(zhì) 1 Brown運(yùn)動(dòng) 1827年植物學(xué)家布朗 Brown 用顯微鏡觀察到懸浮在液面上的花粉粉末不斷地作不規(guī)則的運(yùn)動(dòng) 后來(lái)又發(fā)現(xiàn)許多其它物質(zhì)如煤 化石 金屬等的粉末也都有類(lèi)似的現(xiàn)象 人們稱(chēng)微粒的這種運(yùn)動(dòng)為Brown運(yùn)動(dòng) 但在很長(zhǎng)的一段時(shí)間里 這種現(xiàn)象的本質(zhì)沒(méi)有得到闡明 10 2 1動(dòng)力性質(zhì) 1 Brown運(yùn)動(dòng) 1903年發(fā)明了超顯微鏡 為研究布朗運(yùn)動(dòng)提供了物質(zhì)條件 用超顯微鏡可以觀察到溶膠粒子不斷地作不規(guī)則 之 字形的運(yùn)動(dòng) 從而能夠測(cè)出在一定時(shí)間內(nèi)粒子的平均位移 10 2 1動(dòng)力性質(zhì) 1 Brown運(yùn)動(dòng) 通過(guò)大量觀察 得出結(jié)論 粒子越小 布朗運(yùn)動(dòng)越激烈 其運(yùn)動(dòng)激烈的程度不隨時(shí)間而改變 但隨溫度的升高而增加 10 2 1動(dòng)力性質(zhì) 1 Brown運(yùn)動(dòng) 1905年Einstein 愛(ài)因斯坦 等人才闡述了Brown運(yùn)動(dòng)的本質(zhì) 認(rèn)為Brown運(yùn)動(dòng)是分散介質(zhì)分子以不同大小和不同方向的力對(duì)膠體粒子不斷撞擊而產(chǎn)生的 由于受到的力不平衡 所以連續(xù)以不同方向 不同速度作不規(guī)則運(yùn)動(dòng) 10 2 1動(dòng)力性質(zhì) Einstein認(rèn)為 溶膠粒子的Brown運(yùn)動(dòng)與分子運(yùn)動(dòng)類(lèi)似 平均動(dòng)能為 并假設(shè)粒子是球形的 運(yùn)用分子運(yùn)動(dòng)論的一些基本概念和公式 得到Brown運(yùn)動(dòng)的公式為 10 2 1動(dòng)力性質(zhì) r為膠粒的半徑 為介質(zhì)的黏度 L為Avogadro常量 這個(gè)公式把粒子的位移與粒子的大小 介質(zhì)黏度 溫度以及觀察時(shí)間等聯(lián)系起來(lái) 是在觀察時(shí)間t內(nèi)粒子沿x軸方向的平均位移 10 2 1動(dòng)力性質(zhì) 2 擴(kuò)散與滲透壓 Einstein對(duì)球形粒子導(dǎo)出了膠粒在時(shí)間t內(nèi) 平均位移與擴(kuò)散系數(shù)D之間的定量關(guān)系 因?yàn)?這就是Einstein Brown位移方程 代入得 10 2 1動(dòng)力性質(zhì) 2 擴(kuò)散與滲透壓 從Brown運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn) 測(cè)出平均位移 就可求出擴(kuò)散系數(shù)D 有了擴(kuò)散系數(shù) 就可以從上式求粒子半徑r 已知r和粒子密度 可以計(jì)算粒子的摩爾質(zhì)量 擴(kuò)散系數(shù)D的物理意義是 在單位時(shí)間內(nèi) 單位濃度梯度下通過(guò)單位截面積的物質(zhì)的質(zhì)量 10 2 1動(dòng)力性質(zhì) 2 擴(kuò)散與滲透壓 由于膠粒不能透過(guò)半透膜 而介質(zhì)分子或外加的電解質(zhì)離子可以透過(guò)半透膜 所以有從化學(xué)勢(shì)高的一方向化學(xué)勢(shì)低的一方自發(fā)滲透的趨勢(shì) 溶膠的滲透壓可以借用稀溶液滲透壓公式計(jì)算 式中c為膠粒的濃度 由于憎液溶膠不穩(wěn)定 濃度不能太大 所以測(cè)出的滲透壓及其他依數(shù)性質(zhì)都很小 10 2 1動(dòng)力性質(zhì) 3 沉降與沉降平衡 溶膠的膠粒一方面受到重力吸引而下降 另一方面由于Brown運(yùn)動(dòng)促使?jié)舛融呌诰?當(dāng)這兩種效應(yīng)相反的力相等時(shí) 粒子的分布達(dá)到平衡 粒子的濃度隨高度不同有一定的梯度 如圖所示 這種平衡稱(chēng)為沉降平衡 10 2 1動(dòng)力性質(zhì) 3 沉降與沉降平衡 達(dá)到沉降平衡時(shí) 粒子隨高度分布的情況與大氣在地球表面分布類(lèi)似 可以用高度分布定律 根據(jù)高度分布定律可知 粒子質(zhì)量越大 其平衡濃度隨高度的降低也越大 上層粒子小而稀疏 下層粒子大而密集 10 2 2光學(xué)性質(zhì) 光散射現(xiàn)象 可見(jiàn)光的波長(zhǎng)為400 760nm 1 當(dāng)光束通過(guò)粗分散系統(tǒng) 由于粒子大于入射光的波長(zhǎng) 主要發(fā)生反射 系統(tǒng)呈現(xiàn)混濁 2 當(dāng)光束通過(guò)憎液溶膠時(shí) 由于膠粒直徑遠(yuǎn)小于可見(jiàn)光的波長(zhǎng) 主要發(fā)生散射 可以看見(jiàn)乳白色的光柱 當(dāng)光束通過(guò)分散系統(tǒng)時(shí) 一部分自由地通過(guò) 一部分被吸收 反射或散射 10 2 2光學(xué)性質(zhì) 光散射現(xiàn)象 3 當(dāng)光束通過(guò)分子溶液時(shí) 由于溶液十分均勻 散射光因相互干涉而完全抵消 看不見(jiàn)散射光 光散射現(xiàn)象的本質(zhì) 光是一種電磁波 照射溶膠時(shí) 分子中的電子分布發(fā)生位移而產(chǎn)生偶極子 這種偶極子像小天線(xiàn)一樣向各個(gè)方向發(fā)射與入射光頻率相同的光 這就是散射光 溶膠是多相不均勻系統(tǒng) 在膠粒和介質(zhì)分子上產(chǎn)生的散射光不能完全抵消 因而能觀察到散射現(xiàn)象 10 2 2光學(xué)性質(zhì) 1 Tyndall效應(yīng) 1869年 Tyndall發(fā)現(xiàn) 若令一束會(huì)聚光通過(guò)溶膠 從側(cè)面 與光束垂直的方向 可以看到一個(gè)發(fā)光的圓錐體 這就是Tyndall效應(yīng) 其他分散系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生一點(diǎn)散射光 但遠(yuǎn)不如溶膠顯著 Tyndall效應(yīng)實(shí)際上已成為判別溶膠與分子溶液的最簡(jiǎn)便的方法 10 2 2光學(xué)性質(zhì) 1 Tyndall效應(yīng) 10 2 2光學(xué)性質(zhì) 2 Rayleigh散射定律 Rayleigh研究了大量的光散射現(xiàn)象 發(fā)現(xiàn)散射光的強(qiáng)度與多種因素有關(guān) 主要因素為 1 散射光強(qiáng)度與入射光波長(zhǎng)的四次方成反比 入射光波長(zhǎng)越短 散射越顯著 所以可見(jiàn)光中 藍(lán) 紫色光散射作用強(qiáng) 2 分散相與分散介質(zhì)的折射率相差越顯著 則散射作用也越顯著 3 散射光強(qiáng)度與單位體積中的粒子數(shù)成正比 10 2 2光學(xué)性質(zhì) 2 Rayleigh散射定律 在分散相與分散介質(zhì)都相同的情況下 Rayleigh導(dǎo)出了散射光強(qiáng)度的計(jì)算公式 稱(chēng)為Rayleigh公式 其簡(jiǎn)化公式為 式中 散射光強(qiáng)度 入射光波長(zhǎng) 體積粒子數(shù) 每個(gè)粒子的體積 與折射率等有關(guān)的常數(shù) 10 2 2光學(xué)性質(zhì) 2 Rayleigh散射定律 從Rayleigh散射定律可以解釋 為何當(dāng)用白光照射溶膠時(shí) 正面和側(cè)面看到的光的顏色不一樣 危險(xiǎn)訊號(hào)為何要用紅色 晴天的天空為何呈藍(lán)色 早霞和晚霞為何特別絢麗等 10 2 2光學(xué)性質(zhì) 3 超顯微鏡的原理 普通顯微鏡分辨率不高 只能分辨出半徑在200nm以上的粒子 所以看不到膠體粒子 超顯微鏡分辨率高 可以研究半徑為5 150nm的粒子 超顯微鏡觀察的不是膠粒本身 而是觀察膠粒發(fā)出的散射光 超顯微鏡是目前研究憎液溶膠非常有用的手段之一 1 狹縫式超顯微鏡 超顯微鏡的目鏡看到的是膠粒的散射光 如果溶液中沒(méi)有膠粒 視野將是一片黑暗 10 2 2光學(xué)性質(zhì) 照射光從碳弧光源射出 經(jīng)可調(diào)狹縫后 由透鏡會(huì)聚 從側(cè)面射到盛膠體的樣品池中 2 有心形聚光器的超顯微鏡 目鏡在黑暗的背景上看到的是膠粒發(fā)出的散射光 顯微鏡物鏡 10 2 2光學(xué)性質(zhì) 這種超顯微鏡有一個(gè)心形腔 上部視野涂黑 強(qiáng)烈的照射光通入心形腔后不能直接射入目鏡 而是在腔壁上幾經(jīng)反射 改變方向 最后從側(cè)面會(huì)聚在試樣上 從超顯微鏡可以獲得哪些有用信息 1 可以測(cè)定球狀膠粒的平均半徑 2 間接推測(cè)膠粒的形狀和不對(duì)稱(chēng)性 例如 球狀粒子不閃光 不對(duì)稱(chēng)的粒子在向光面變化時(shí)有閃光現(xiàn)象 3 判斷粒子分散均勻的程度 粒子大小不同 散射光的強(qiáng)度也不同 4 觀察膠粒的布朗運(yùn)動(dòng) 電泳 沉降和凝聚等現(xiàn)象 10 2 2光學(xué)性質(zhì) 10 3溶膠的電學(xué)性質(zhì) 1 電泳 2 雙電層和動(dòng)電電勢(shì) 3 電滲 4 流動(dòng)電勢(shì) 5 沉降電勢(shì) 10 3溶膠的電學(xué)性質(zhì) 電動(dòng)現(xiàn)象分兩類(lèi) 1 因電而動(dòng) 膠粒是帶電的 而溶膠是電中性的 所以介質(zhì)所帶的電荷剛好與膠粒的電荷相反 帶電膠粒在重力場(chǎng)的作用下發(fā)生沉降而產(chǎn)生沉降電勢(shì) 帶電的介質(zhì)定向流動(dòng)而產(chǎn)生流動(dòng)電勢(shì) 在外電場(chǎng)作用下 膠粒向帶相反電荷電極的定向移動(dòng)稱(chēng)為電泳 介質(zhì)向帶相反電荷電極的定向移動(dòng)稱(chēng)為電滲 電泳和電滲是因電而動(dòng) 2 因動(dòng)而產(chǎn)生電 10 3 1電泳 1 吸附 膠粒帶電的原因 膠粒在形成過(guò)程中 膠核優(yōu)先吸附某種離子 使膠粒帶電 例如 在AgI溶膠的制備過(guò)程中 如果AgNO3過(guò)量 則膠核優(yōu)先吸附Ag 使膠粒帶正電 如果KI過(guò)量 則優(yōu)先吸附I 膠粒帶負(fù)電 膠核優(yōu)先吸附與膠核本身結(jié)構(gòu)或組成相似的離子 利用同離子效應(yīng)保護(hù)膠核不被溶解 10 3 1電泳 如黏土和分子篩等由硅氧四面體和鋁氧四面體組成 由H Na 等離子來(lái)平衡電荷 當(dāng)離子擴(kuò)散到介質(zhì)中時(shí) 黏土和分子篩等微粒就帶負(fù)電 膠粒帶電的原因 當(dāng)Al3 被兩價(jià)離子同晶置換后 黏土和分子篩等微粒帶負(fù)電就更多 2 同晶置換 10 3 1電泳 膠粒帶電的原因 3 電離 離子型固體電解質(zhì)形成溶膠時(shí) 由于正 負(fù)離子的溶解量不同 擴(kuò)散速率不同 使膠粒帶電 例如 AgI固體分散在介質(zhì)中 由于Ag 較小 擴(kuò)散速率快 比I 容易脫離晶格而進(jìn)入溶液 使AgI膠粒帶負(fù)電 10 3 1電泳 膠粒帶電的原因 3 電離 又如 蛋白質(zhì)分子有許多羧基和胺基 在pH較高的溶液中 離解生成P COO 而負(fù)帶電 在pH較低的溶液中 生成P NH3 而帶正電 在某一特定的pH條件下 生成的 COO 和 NH3 數(shù)量相等 蛋白質(zhì)分子的凈電荷為零 這個(gè)pH稱(chēng)為蛋白質(zhì)的等電點(diǎn) 10 3 1電泳 帶電膠粒或大分子在外加電場(chǎng)的作用下 向帶相反電荷的電極作定向移動(dòng)的現(xiàn)象稱(chēng)為電泳 研究電泳的實(shí)驗(yàn)方法很多 根據(jù)溶膠的量和性質(zhì)的不同 可以采用不同的電泳儀 如界面電泳儀 適用于溶膠量較大的系統(tǒng) 區(qū)帶電泳 凝膠電泳等適用于生物膠體 顯微電泳儀適用于樣品極少或個(gè)別膠粒的觀察 10 3 1電泳 界面移動(dòng)電泳儀 先在漏斗中裝入待測(cè)溶膠 打開(kāi)活塞 使溶膠進(jìn)入U(xiǎn)型管 溶膠在左 右兩臂的液面與活塞等高時(shí) 關(guān)閉活塞 在活塞上部的管中加入超濾液或等滲溶液 10 3 1電泳 小心打開(kāi)活塞 接通電源 觀察液面的變化 根據(jù)通電時(shí)間和液面升高或下降的刻度 計(jì)算電泳的速度 選擇合適的介質(zhì) 使電泳過(guò)程中保持液面清晰 若是無(wú)色溶膠 必須用紫外吸收等光學(xué)方法讀出液面的變化 10 3 1電泳 區(qū)帶電泳 區(qū)帶電泳實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)便 易行 樣品用量少 分離效率高 是分析和分離蛋白質(zhì)等的生物膠體的基本方法 常用的區(qū)帶電泳有 紙上電泳 圓盤(pán)電泳和板上電泳等 將惰性的固體或凝膠作為支持物 兩端接正 負(fù)電極 在其上面進(jìn)行電泳 從而將電泳速度不同的各組成分離 10 3 1電泳 區(qū)帶電泳 紙上電泳 用濾紙作為支持物的電泳稱(chēng)為紙上電泳 先將一厚濾紙條在一定pH的緩沖溶液中浸泡 取出后兩端夾上電極 在濾紙中央滴少量待測(cè)溶膠 電泳速度不同的各組分即以不同速度沿紙條運(yùn)動(dòng) 10 3 1電泳 區(qū)帶電泳 紙上電泳 經(jīng)一段時(shí)間后 在紙條上形成距起點(diǎn)不同距離的區(qū)帶 區(qū)帶數(shù)等于樣品中的組分?jǐn)?shù) 將該濾紙干燥后再浸入染料液中 由于各不同組分對(duì)染料的選擇吸附不同而顯示不同的顏色 從而可以區(qū)分不同的組分 紙上電泳的分離能力不是很強(qiáng) 只能將人體血清或血漿分成5個(gè)組分 10 3 1電泳 凝膠電泳 用淀粉凝膠 瓊膠或聚丙烯酰胺等凝膠作為載體 則稱(chēng)為凝膠電泳 將凝膠裝在玻管中 滴入樣品 電泳后各組分在管中形成圓盤(pán)狀 凝膠電泳的分辨率極高 例如 紙上電泳只能將血清分成五個(gè)組分 而用聚丙烯酰胺凝膠作的圓盤(pán)電泳可將血清分成25個(gè)組分 10 3 1電泳 板上電泳 如果將凝膠鋪在玻板上進(jìn)行的電泳稱(chēng)為平板電泳 10 3 1電泳 顯微電泳儀 該方法簡(jiǎn)單 快速 膠體用量少 可以在膠粒所處的環(huán)境中直接觀察和測(cè)定電泳速度和電動(dòng)電勢(shì) 裝置中用的是鉑黑電極 樣品放在作為觀察管的玻璃毛細(xì)管內(nèi) 電泳池是封閉的 用顯微鏡直接觀察膠粒 這個(gè)方法只能觀察200nm以上的膠粒 10 3 1電泳 影響電泳的因素有 電泳的應(yīng)用 濃縮天然橡膠的乳液 將橡膠鍍?cè)诮饘?布匹或木材上 電泳涂漆 精煉陶土 石油原油的破乳及不同蛋白質(zhì)的分離等 1 膠粒的大小 形狀和所帶表面電荷的數(shù)目 2 介質(zhì)中電解質(zhì)的種類(lèi) 離子強(qiáng)度和溶液的pH 3 電泳的溫度和外加電場(chǎng)強(qiáng)度等 外加電解質(zhì)會(huì)顯著影響電泳速率 使速率降低直至變?yōu)榱?甚至還會(huì)改變膠粒電泳的方向 10 3 2雙電層和動(dòng)電電勢(shì) 擴(kuò)散雙電層模型 膠粒雖小到肉眼看不見(jiàn) 但從微觀角度看它仍是一個(gè)很大的固體 同樣可以用討論電極表面電荷分布的方法來(lái)討論膠粒表面的電荷結(jié)構(gòu) Gouy和Chapman提出的擴(kuò)散雙電層模型如下所示 在膠粒與介質(zhì)的界面上也形成了雙電層的結(jié)構(gòu) 設(shè)膠粒帶正電荷 相同數(shù)量的負(fù)電荷以擴(kuò)散雙電層的形式分布在膠粒周?chē)?在AB線(xiàn)以左的部分稱(chēng)為緊密層 以右至本體溶液部分稱(chēng)為擴(kuò)散層 緊密層 10 3 2雙電層和動(dòng)電電勢(shì) 擴(kuò)散層 為熱力學(xué)電勢(shì) 是AB線(xiàn)以右的擴(kuò)散層的電勢(shì)差 但無(wú)法解釋為何電勢(shì)受外加電解質(zhì)影響 10 3 2雙電層和動(dòng)電電勢(shì) Stern雙電層 將AB面稱(chēng)為Stern面 AB面以左為Stern層 層中離子會(huì)水合 切動(dòng)面是個(gè)曲面 是曲面以右的電勢(shì)差 10 3 2雙電層和動(dòng)電電勢(shì) 從固體表面到緊密層電勢(shì)直線(xiàn)下降 用 1表示 0是熱力學(xué)電勢(shì) 1的值要比 0小 帶電的膠粒只有在移動(dòng)時(shí)才會(huì)顯示出切動(dòng)面 才會(huì)有電勢(shì) 所以電勢(shì)稱(chēng)為動(dòng)電電勢(shì) 電勢(shì)越大 膠粒越穩(wěn)定 不容易凝聚 10 3 2雙電層和動(dòng)電電勢(shì) 當(dāng)有外來(lái)電解質(zhì)加入時(shí) 與固體所帶電荷相反的離子 稱(chēng)為異電性離子 會(huì)進(jìn)入溶劑化層 使整個(gè)雙電層變薄 電勢(shì)會(huì)隨著溶劑化層中離子濃度的改變而改變 的數(shù)值主要取決于與固體成平衡的離子濃度 若有足夠多的電解質(zhì)加入 當(dāng)雙電層的厚度變薄到等于切動(dòng)面以左部分的厚度時(shí) 這時(shí)電勢(shì)就等于零 甚至還會(huì)改變符號(hào) 10 3 2雙電層和動(dòng)電電勢(shì) 影響電泳速率的因素太多 所以很難用統(tǒng)一的公式來(lái)計(jì)算 對(duì)于半徑為r的球形膠粒 在r遠(yuǎn)小于雙電層的厚度時(shí) 可以用H ckel公式計(jì)算電泳速率 即 可見(jiàn) 電泳速率u受介質(zhì)的黏度和介電常數(shù)的影響 受電場(chǎng)強(qiáng)度的影響 也受動(dòng)電電勢(shì)的影響 在外加電場(chǎng)作用下 帶電的介質(zhì)通過(guò)多孔膜或半徑為1 10nm的毛細(xì)管作定向移動(dòng) 這種現(xiàn)象稱(chēng)為電滲 10 3 3電滲 電滲管示意圖 3為多孔膜 可以用濾紙 玻璃或棉花等構(gòu)成 在U型管1 2中盛電解質(zhì)溶液 作為介質(zhì) 也可以用氧化鋁 碳酸鋇 AgI等物質(zhì)構(gòu)成 當(dāng)在電極5 6上施以直流電壓時(shí) 從刻度毛細(xì)管4中彎月面的移動(dòng)可以觀察到管中介質(zhì)的移動(dòng) 10 3 3電滲 如果多孔膜吸附陰離子 則介質(zhì)帶正電 通電時(shí)介質(zhì)向陰極移動(dòng) 反之 多孔膜吸附陽(yáng)離子 帶負(fù)電的介質(zhì)向陽(yáng)極移動(dòng) 外加電解質(zhì)對(duì)電滲速度影響顯著 隨著電解質(zhì)濃度的增加 電滲速度降低 甚至?xí)淖冸姖B的方向 電滲方法有許多實(shí)際應(yīng)用 如溶膠凈化 海水淡化 泥炭和染料的干燥等 在外力作用 如加壓 下 迫使液體流經(jīng)毛細(xì)管或通過(guò)由粉末壓成的多孔膜時(shí) 在毛細(xì)管的兩端或在多孔膜的兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差 這種電勢(shì)差稱(chēng)為流動(dòng)電勢(shì) 10 3 4流動(dòng)電勢(shì) 毛細(xì)管壁與液體的界面也是雙電層結(jié)構(gòu) 處于擴(kuò)散層中的反號(hào)離子作定向移動(dòng)時(shí) 就會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差 這就是流動(dòng)電勢(shì) 在化工或石化工業(yè)中 若要用泵輸送易燃的碳?xì)浠衔?一定要防止這類(lèi)液體在流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)高的流動(dòng)電勢(shì) 當(dāng)介質(zhì)的流速很快時(shí) 有時(shí)會(huì)產(chǎn)生電火花 10 3 4流動(dòng)電勢(shì) 防止流動(dòng)電勢(shì)過(guò)高的方法是將這類(lèi)輸運(yùn)管道接地 或在運(yùn)送的有機(jī)液體中加入油溶性電解質(zhì) 增加介質(zhì)的電導(dǎo) 降低流動(dòng)電勢(shì) 在重力場(chǎng)的作用下 帶電的分散相粒子 在分散介質(zhì)中迅速沉降時(shí) 使底層與表面層的粒子濃度懸殊 從而產(chǎn)生電勢(shì)差 這就是沉降電勢(shì) 貯油罐中的油內(nèi)常會(huì)有水滴 水滴的沉降會(huì)形成很高的電勢(shì)差 有時(shí)會(huì)引發(fā)事故 10 3 5沉降電勢(shì) 通常在油中加入有機(jī)電解質(zhì) 增加介質(zhì)的電導(dǎo) 降低沉降電勢(shì) 10 4溶膠的穩(wěn)定性和聚沉作用 1 溶膠的穩(wěn)定性 3 影響溶膠穩(wěn)定性的其他因素 2 電解質(zhì)對(duì)溶膠穩(wěn)定性的影響 10 4 1溶膠的穩(wěn)定性 1 Brown運(yùn)動(dòng) 由于溶膠粒子小 Brown運(yùn)動(dòng)激烈 在重力場(chǎng)中不易沉降 使溶膠具有動(dòng)力穩(wěn)定性 但是 如果Brown運(yùn)動(dòng)太激烈 增加了粒子互碰的機(jī)會(huì) 一旦粒子合并變大 在重力場(chǎng)中就會(huì)沉降 Brown運(yùn)動(dòng)不足以維持憎液溶膠的穩(wěn)定性 憎液溶膠的表面能很高 是熱力學(xué)上的不穩(wěn)定系統(tǒng) 但合格的溶膠在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)可以保持不聚沉 這主要有兩個(gè)因素 10 4 1溶膠的穩(wěn)定性 膠粒都是帶電的 同一種膠粒都帶相同的電荷 2 電勢(shì) 膠粒移動(dòng)時(shí) 從滑移界面到本體溶液的電勢(shì)差稱(chēng)為動(dòng)電電勢(shì) 或電勢(shì) 膠粒帶相同的電荷 同性電荷相斥 使膠粒不易相互靠近 兩個(gè)膠粒要合并必須克服一個(gè)勢(shì)能壘 電勢(shì)越大 勢(shì)能壘也就越高 這也就是制備溶膠時(shí)必須加少量電解質(zhì)作為穩(wěn)定劑的原因 10 4 2電解質(zhì)對(duì)溶膠穩(wěn)定性的影響 1 DLVO理論 兩個(gè)前蘇聯(lián)科學(xué)家和兩個(gè)荷蘭科學(xué)家分別從理論上闡明了溶膠的穩(wěn)定性及外加電解質(zhì)的影響 后來(lái)人們以他們名字的第一個(gè)字母稱(chēng)為DLVO理論 在膠粒相距較遠(yuǎn)時(shí) 主要以vanderWaals引力為主 當(dāng)膠?？拷诫p電層重疊時(shí) 主要以排斥力為主 形成一個(gè)勢(shì)能壘 DLVO理論對(duì)這些作用能進(jìn)行計(jì)算 從理論上說(shuō)明了聚沉值與使溶膠聚沉的電解質(zhì)反號(hào)離子電價(jià)之間的關(guān)系 10 4 2電解質(zhì)對(duì)溶膠穩(wěn)定性的影響 2 聚沉值與聚沉能力 聚沉值 使一定量的溶膠在一定時(shí)間內(nèi)完全聚沉所需外加電解質(zhì)的最小濃度 對(duì)同一溶膠 外加電解質(zhì)的離子價(jià)數(shù)越低 其聚沉值越大 聚沉能力 定性地判斷電解質(zhì)對(duì)溶膠穩(wěn)定性的影響 與聚沉值的次序剛好相反 聚沉值越大的電解質(zhì) 聚沉能力越弱 反之 聚沉值越小的電解質(zhì) 其聚沉能力越強(qiáng) 10 4 2電解質(zhì)對(duì)溶膠穩(wěn)定性的影響 3 與膠粒帶相反電荷離子的影響 與膠粒帶相反電荷離子的價(jià)數(shù)越高 其聚沉值越小 聚沉能力越強(qiáng) Schulze Hardy規(guī)則 聚沉值與異電性離子價(jià)數(shù)的六次方成反比 例如 對(duì)于給定的溶膠 異電性離子分別為1 2 3價(jià) 則聚沉值的比例為 100 1 6 0 14 即 10 4 2電解質(zhì)對(duì)溶膠穩(wěn)定性的影響 4 感膠離子序 與膠粒帶相反電荷的離子就是價(jià)數(shù)相同 其聚沉能力也有差異 例如 對(duì)膠粒帶負(fù)電的溶膠 一價(jià)陽(yáng)離子硝酸鹽的聚沉能力次序?yàn)?對(duì)帶正電的膠粒 一價(jià)陰離子的鉀鹽的聚沉能力次序?yàn)?這種次序稱(chēng)為感膠離子序 lyotropicseries 離子水化半徑越小 聚沉能力越強(qiáng) 10 4 3影響溶膠穩(wěn)定性的其他因素 1 物理因素 濃度的影響 溫度的影響 外加作用力影響 濃度增加 粒子碰撞機(jī)會(huì)增多 使膠粒易于凝聚 溫度升高 粒子碰撞機(jī)會(huì)增多 碰撞強(qiáng)度增加 將溶膠放入高速離心機(jī) 由于膠粒與介質(zhì)的密度不同 離心力不同而分離 10 4 3影響溶膠穩(wěn)定性的其他因素 2 高分子化合物的影響 1 敏化作用 將少量大分子溶液加入憎液溶膠 就可以促使溶膠聚沉的現(xiàn)象稱(chēng)為敏化作用 憎液溶膠的膠粒黏附在大分子上 大分子起一個(gè)橋梁作用 把膠粒聯(lián)系在一起 使之更容易聚沉 例如 對(duì)SiO2進(jìn)行重量分析時(shí) 在SiO2的溶膠中加入少量明膠 使SiO2的膠粒黏附在明膠上而聚沉 便于過(guò)濾 減少損失 使分析更準(zhǔn)確 10 4 3影響溶膠穩(wěn)定性的其他因素 2 高分子化合物的影響 2 保護(hù)作用 將較多量的大分子溶液加入憎液溶膠 可以保護(hù)溶膠不被聚沉 這種現(xiàn)象稱(chēng)為大分子溶液對(duì)溶膠的保護(hù)作用 大分子吸附在憎液溶膠膠粒的周?chē)?使膠粒不能直接接觸 可以保護(hù)溶膠不被聚沉 敏化作用 10 4 3影響溶膠穩(wěn)定性的其他因素 2 高分子化合物的影響 金值 goldnumber 齊格蒙弟提出的金值含義 用 金值 作為大分子化合物保護(hù)金溶膠能力的一種量度 金值越小 保護(hù)劑的能力越強(qiáng) 為了保護(hù)10cm3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 00006的金溶膠 在加入1cm3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 1的NaCl后 在18h內(nèi)不聚沉 所需高分子的最少質(zhì)量稱(chēng)為金值 一般用mg表示 金值越小的高分子物質(zhì) 說(shuō)明它對(duì)溶膠的保護(hù)能力越強(qiáng) 10 4 3影響溶膠穩(wěn)定性的其他因素 3 有機(jī)化合物離子的影響 用葡萄糖酸內(nèi)脂可以使天然豆?jié){凝聚 制成內(nèi)脂豆腐 一些有機(jī)化合物的離子都具有很強(qiáng)的吸附能力 所以有很強(qiáng)的聚沉能力 10 4 3影響溶膠穩(wěn)定性的其他因素 4 帶不同電荷膠粒的相互影響 將膠粒帶相反電荷的溶膠互相混合 也會(huì)發(fā)生聚沉 與加入電解質(zhì)情況不同的是 當(dāng)兩種溶膠的用量恰能使其所帶相反電荷的量相等時(shí) 才會(huì)完全聚沉 否則會(huì)不完全聚沉 甚至不聚沉 在污水處理或自來(lái)水廠使水凈化時(shí) 常要加凈化劑 水解形成的溶膠帶正電 而天然的泥砂粒子帶負(fù)電 由于正 負(fù)溶膠相互作用 發(fā)生混凝 水很快澄清 10 5大分子概說(shuō) 1 大分子的概念 2 大分子溶液的特點(diǎn) 3 大分子物質(zhì)的摩爾質(zhì)量 10 5 1大分子的概念 Staudinger把相對(duì)分子質(zhì)量大于104的物質(zhì)稱(chēng)之為大分子 主要有 人工合成大分子 如合成橡膠 聚烯烴 樹(shù)脂和合成纖維等 合成的功能高分子材料 如光敏高分子 導(dǎo)電性高分子 醫(yī)用高分子和高分子膜等 天然大分子 如淀粉 蛋白質(zhì) 纖維素 核酸和各種生物大分子等 10 5 2大分子溶液的特點(diǎn) 1 類(lèi)似于小分子溶液的特點(diǎn) 2 類(lèi)似于憎液溶膠的特點(diǎn) 3 大分子溶液自身的特點(diǎn) 三種溶液性質(zhì)的比較 10 5 3大分子物質(zhì)的摩爾質(zhì)量 1 數(shù)均摩爾質(zhì)量 2 質(zhì)均摩爾質(zhì)量 3 黏均摩爾質(zhì)量 由于聚合過(guò)程中 每個(gè)分子的聚合程度可以不一樣 所以聚合物的摩爾質(zhì)量只能是一個(gè)平均值 4 Z均摩爾質(zhì)量 隨著測(cè)定和平均的方法不同 得到的平均摩爾質(zhì)量也不同 常用的有四種平均方法 1 數(shù)均摩爾質(zhì)量 數(shù)均摩爾質(zhì)量可以用端基分析法和滲透壓法測(cè)定 設(shè)有一高分子溶液 各組分的物質(zhì)的量分別為n1 n2 ni 其對(duì)應(yīng)的摩爾質(zhì)量為M1 M2 Mi 則數(shù)均摩爾質(zhì)量的定義為 2 質(zhì)均摩爾質(zhì)量 設(shè)高分子物質(zhì)的總質(zhì)量為m 各組分的質(zhì)量分別為m1 m2 mi 其對(duì)應(yīng)的摩爾質(zhì)量為M1 M2 Mi 則質(zhì)均摩爾質(zhì)量的定義為 質(zhì)均摩爾質(zhì)量可以用光散射法測(cè)定 3 黏均摩爾質(zhì)量 用黏度法測(cè)定的摩爾質(zhì)量稱(chēng)為黏均摩爾質(zhì)量 它的定義是 m為大分子物質(zhì)的總質(zhì)量 mB是摩爾質(zhì)量為MB質(zhì)量組分的質(zhì)量 式中為與溶劑 大分子化合物和溫度有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù) 常見(jiàn)物質(zhì)的值有表可查 4 Z均摩爾質(zhì)量 在光散射法中利用Zimm圖從而計(jì)算的高分子摩爾質(zhì)量稱(chēng)為Z均摩爾質(zhì)量 它的定義是 式中 10 5 4大分子溶液的黏度 設(shè)純?nèi)軇┑酿ざ葹?大分子溶液的黏度為 兩者不同的組合得到不同的黏度表示方法 1 相對(duì)黏度 2 增比黏度 3 比濃黏度 4 特性黏度 這節(jié)內(nèi)容在教材中已刪除 僅供需要的教師參考 10 5 4大分子溶液的黏度 特性黏度是幾種黏度中最能反映溶質(zhì)分子本性的一種物理量 由于它是外推到無(wú)限稀釋時(shí)溶液的性質(zhì) 已消除了大分子之間相互作用的影響 而且代表了無(wú)限稀釋溶液中 單位濃度大分子溶液黏度變化的分?jǐn)?shù) 實(shí)驗(yàn)方法是用黏度計(jì)測(cè)出溶劑和溶液的黏度和 計(jì)算相對(duì)黏度和增比黏度 當(dāng)溫度 聚合物和溶劑系統(tǒng)選定后 大分子溶液的黏度僅與濃度和聚合物分子的大小有關(guān) 以對(duì)c作圖 得一條直線(xiàn) 以對(duì)c作圖得另一條直線(xiàn) 將兩條直線(xiàn)外推至濃度 得到特性黏度 從如下經(jīng)驗(yàn)式求黏均摩爾質(zhì)量 式中和為與溶劑 大分子物質(zhì)和溫度有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù) 有表可查 10 5 4大分子溶液的黏度 用黏度法測(cè)定摩爾質(zhì)量 10 6Donnan平衡 1 不電離大分子的滲透壓 2 電離大分子的滲透壓 3 滲透壓法測(cè)電離大分子的摩爾質(zhì)量 在大分子電解質(zhì)中通常含有少量電解質(zhì)雜質(zhì) 即使雜質(zhì)含量很低 但按離子數(shù)目計(jì)還是很可觀的 在半透膜兩邊 一邊放大分子電解質(zhì) 一邊放純水 大分子離子不能透過(guò)半透膜 而解離出的小離子和雜質(zhì)電解質(zhì)離子可以 由于膜兩邊要保持電中性 達(dá)到滲透平衡時(shí)小離子在兩邊的濃度不等 這種平衡稱(chēng)為膜平衡或Donnan平衡 帶電粒子在膜兩邊的不均勻分布會(huì)產(chǎn)生膜電勢(shì) 會(huì)影響滲透壓的數(shù)值 導(dǎo)致所計(jì)算的大分子的摩爾質(zhì)量產(chǎn)生誤差 故又稱(chēng)之為Donnan效應(yīng) 要設(shè)法消除 10 6Donnan平衡 由于大分子物質(zhì)的濃度不能配得很高 否則易發(fā)生凝聚 如等電點(diǎn)時(shí)的蛋白質(zhì) 所以產(chǎn)生的滲透壓很小 用這種方法測(cè)定大分子的摩爾質(zhì)量誤差太大 其中是大分子溶液的濃度 由于大分子P不能透過(guò)半透膜 而H2O分子可以 所以在膜兩邊會(huì)產(chǎn)生滲透壓 滲透壓可以用不帶電粒子的van tHoff公式計(jì)算 即 10 6 1不電離大分子的滲透壓 10 6 2電離大分子的滲透壓 大分子電解質(zhì)RNa在水中發(fā)生如下離解 這種離子在膜兩邊濃度不等的平衡就是Donnan平衡 大分子離子不能透過(guò)半透膜 而Na 可以 但為了保持溶液的電中性 Na 也必須留在同一側(cè) 膜電勢(shì)在生理上起著重要作用 不同的細(xì)胞膜上的電勢(shì)差是不同的 維持一定的膜電勢(shì)就維持了生命 帶電粒子在膜兩邊的不均勻分布會(huì)產(chǎn)生膜電勢(shì) 會(huì)影響滲透壓的數(shù)值 導(dǎo)致所測(cè)的摩爾質(zhì)量不準(zhǔn) 10 6 3滲透壓法測(cè)電離大分子的摩爾質(zhì)量 達(dá)到膜平衡時(shí) 為了保持電中性 有相同數(shù)量的Na 和Cl 同時(shí)擴(kuò)散到了左邊 為了消除膜電勢(shì)的影響 在純水一邊加入足夠的中性電解質(zhì) 如NaCl 雖然膜兩邊NaCl的濃度不等 但達(dá)到膜平衡時(shí)NaCl在兩邊的化學(xué)勢(shì)應(yīng)該相等 即 設(shè)活度因子均為1 得 10 6 3滲透壓法測(cè)電離大分子的摩爾質(zhì)量 同一個(gè)化合物的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)是相同的 所以有 即 滲透壓是因?yàn)槟蛇叺牧Ｗ訑?shù)不同而引起的 故 10 6 3滲透壓法測(cè)電離大分子的摩爾質(zhì)量 解得 將x的數(shù)值代入 得 10 6 3滲透壓法測(cè)電離大分子的摩爾質(zhì)量 A 若加入電解質(zhì)太少 B 當(dāng)加入的電解質(zhì)足夠多 這與不外加電解質(zhì)的情況差不多 這與第一種不電離的大分子的情況差不多 但兩邊的離子濃度相差不大 消除了Donnan效應(yīng)的影響 10 6 3滲透壓法測(cè)電離大分子的摩爾質(zhì)量 大分子化合物的溶液一般是非理想的 最好使用非理想溶液的滲透壓公式進(jìn)行計(jì)算 其簡(jiǎn)化公式為 改寫(xiě)成線(xiàn)性方程為 用做圖 從截距計(jì)算數(shù)均摩爾質(zhì)量 10 7凝膠 1 凝膠的分類(lèi) 2 凝膠的制備 3 凝膠的性質(zhì) 10 7 1凝膠的分類(lèi) 凝膠是膠體分散系統(tǒng)的一種特殊存在形式 在一定的條件下 膠?；虼蠓肿釉谀承┎课簧舷嗷ヂ?lián)結(jié) 形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 分散介質(zhì) 液體或氣體 充滿(mǎn)其空間 使溶膠失去流動(dòng)性 根據(jù)含水量的多少 分散相質(zhì)點(diǎn)的剛?cè)嵝曰蛩男再|(zhì)有多種分類(lèi)方法 凝膠既不完全像固體 又不完全像液體的一個(gè)中間狀態(tài) 稱(chēng)為凝膠 gel 10 7 1凝膠的分類(lèi) 1 彈性凝膠和剛性凝膠 由柔性大分子形成的彈性凝膠具有彈性 在一定范圍內(nèi)變形后能自動(dòng)恢復(fù)原狀 如 橡膠 明膠 肌肉等 大部分無(wú)機(jī)凝膠是剛性凝膠 一旦被破壞 不能復(fù)原 剛性凝膠具有多孔性 吸附無(wú)選擇性 只要能潤(rùn)濕它的液體 均能被吸收 對(duì)液體吸收有選擇性 有溶脹性質(zhì) 如 硅膠 V2O5干凝膠等 10 7 1凝膠的分類(lèi) 2 凍膠和干膠 凍膠 含水量多的凝膠 含水量可多達(dá)99 以上 如瓊脂 肉凍和豆腐腦等 干膠 含水量較少的凝膠 如硅膠 市售明膠 含水量約15 等 溶膠 凍膠 干膠 凝膠或溶膠 10 7 1凝膠的分類(lèi) 3 觸變性凝膠 由線(xiàn)狀粒子組成的凝膠 粒子間以vanderWaals力聯(lián)結(jié) 作用力較弱 凝膠 溶膠 凝膠 例如 沼澤地里的泥炭 可塑性黏土和混凝土漿料等 以共價(jià)鍵交聯(lián)的凝膠 如硅膠 或以靜電引力形成的凝膠 如蛋白質(zhì)凝膠 因粒子間相互作用力強(qiáng) 一般沒(méi)有觸變現(xiàn)象 10 7 2凝膠的制備 形成凝膠主要有兩種途徑 一種是從溶膠出發(fā) 使之發(fā)生膠凝而得到凝膠 這種方法既適用于親液溶膠 也適用于憎液溶膠 另一種是從干凝膠出發(fā) 使之吸收合適的介質(zhì)發(fā)生溶脹而變成凝膠 這種方法只適用于親液溶膠 10 7 2凝膠的制備 1 從溶膠制備凝膠 1 提高溶膠的濃度 或加入不良溶劑 突然降低其溶解度 使溶膠粒子交聯(lián)而形成凝膠 2 降低溶膠的溫度 這樣既降低其溶解度 又降低溶膠粒子的熱運(yùn)動(dòng) 使之交聯(lián)而形成凝膠 3 加入適量電解質(zhì) 使膠粒的水化層變薄 使動(dòng)電電位下降而交聯(lián)成凝膠 10 7 2凝膠的制備 2 從干凝膠制備凝膠 這種方法只適用于親液溶膠 將干凝膠浸在合適的溶劑中 凝膠吸收溶劑后發(fā)生膨脹 膨脹至一定程度形成凝膠 繼續(xù)吸收溶劑 最后會(huì)形成溶膠 10 7 3凝膠的性質(zhì) 1 凝膠的溶脹 彈性凝膠選擇吸收某種溶劑而使自身體積增大 稱(chēng)為凝膠的溶脹 第一步 介質(zhì)分子與大分子形成溶劑化層 第二步 介質(zhì)分子的滲透作用 使凝膠體積增大 溶脹時(shí)產(chǎn)生的壓力稱(chēng)為溶脹壓 如濕木裂石 溶脹可以是有限的 也可以是無(wú)限的 無(wú)限溶脹至最終形成溶膠 凝膠溶脹時(shí)對(duì)溶劑的選擇比較專(zhuān)一 10 7 3凝膠的性質(zhì) 2 凝膠的脫液收縮 凝膠在老化時(shí)會(huì)滲出一些液體 凝膠本身體積收縮 稱(chēng)為凝膠的脫液收縮作用或離漿作用 滲出的液體是大分子的稀溶液 例如 血液放置后會(huì)膠凝 并有血清滲出 脫液收縮可看作是溶脹的逆過(guò)程 彈性凝膠的離漿作用是可逆的 而剛性凝膠的離漿作用是不可逆的 10 7 3凝膠的性質(zhì) 3 凝膠中的擴(kuò)散與化學(xué)反應(yīng) 凝膠介于液體和固體之間 小分子在凝膠中的擴(kuò)散速率幾乎與在純?nèi)軇┲邢嗤?如鹽橋 凝膠有一定的孔結(jié)構(gòu) 有吸附作用 可以起到篩分分子的作用 如凝膠色譜 在凝膠中可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 可以防止物質(zhì)間的對(duì)流與混合 僅靠擴(kuò)散進(jìn)行 10 7 3凝膠的性質(zhì) 由于凝膠內(nèi)部的液體不能 自由 流動(dòng) 所以在凝膠中發(fā)生的反應(yīng)沒(méi)有對(duì)流現(xiàn)象 如果反應(yīng)中有沉淀生成 則沉淀物基本上是存在于原位而難以移動(dòng) 形成Liesegang環(huán) 10 8納米技術(shù)與應(yīng)用簡(jiǎn)介 1 納米技術(shù)的概念 2 納米材料的分類(lèi) 3 納米材料的制備方法 4 納米材料的特性 5 納米材料的應(yīng)用 10 8 1納米技術(shù)的概念 納米技術(shù)作為21世紀(jì)的主導(dǎo)科學(xué)技術(shù) 將給人類(lèi)帶來(lái)一場(chǎng)前所未有的新工業(yè)革命 納米技術(shù)正向各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域全面滲透 速度之快 影響之廣 出乎人們意料 納米技術(shù)與傳統(tǒng)學(xué)科相結(jié)合 形成了許多新的學(xué)科增長(zhǎng)點(diǎn) 如納米物理學(xué) 納米化學(xué) 納米電子學(xué) 納米機(jī)械學(xué) 納米材料學(xué) 納米生物學(xué) 納米醫(yī)學(xué) 藥學(xué)和納米軍事學(xué)等 對(duì)自然界物質(zhì)在原子 分子的基礎(chǔ)上對(duì)其本質(zhì)進(jìn)行研究 希望能任意操縱它們 按人類(lèi)的意愿設(shè)計(jì)出全新的物質(zhì) 給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)全新的變化 10 8 1納米技術(shù)的概念 UVVisIRFIR 150400800 nm 紫外可見(jiàn)光紅外遠(yuǎn)紅外 納米材料1 100nm H原子半徑約0 1nm 納米技術(shù)研究的顆粒粒徑一般為0 1 100nm 即從由單個(gè)原子或數(shù)個(gè)原子組成的小分子 到由幾百個(gè)原子甚至上千個(gè)原子組成的蛋白分子等 10 8 2納米材料的分類(lèi) 三維 納米顆粒 二維 納米膜 一維 納米絲 納米管 1 根據(jù)形狀分類(lèi) 納米金屬 納米氧化物 硫化物 氮化物等 納米含氧酸鹽和納米復(fù)合材料等 2 根據(jù)性質(zhì)分類(lèi) 半導(dǎo)體型納米材料 光敏型納米材料 增強(qiáng)型和磁性納米材料等 3 根據(jù)功能分類(lèi) 10 8 3納米材料的制備方法 1 物理氣相沉積法 PVD 2 化學(xué)氣相沉積法 CVD 將要制成納米粒子的金屬在惰性氣氛中加熱氣化 然后氣相分子共聚或沉積成納米粒子或納米膜 將要制成納米粒子的原材料加熱氣化 然后氣相發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 成核生長(zhǎng)為納米粒子 3 水熱合成法 在一定的溫度和壓力下 在水溶液中或蒸氣流中 將反應(yīng)物混合并發(fā)生反應(yīng) 使之形成納米級(jí)晶?；虺恋?如分子篩的合成 10 8 3納米材料的制備方法 4 溶膠 凝膠法 5 微乳液或反相膠束法 將有機(jī)或無(wú)機(jī)鹽類(lèi)首先水解制成溶膠 然后將溶膠轉(zhuǎn)化成凝膠 再?zèng)龈?粉碎 煅燒得納米粒子等 將互不相溶的 油 和水在表面活性劑的作用下形成納米級(jí)的微乳液 使每一個(gè)納米級(jí)的液滴成為一個(gè) 微反應(yīng)器 從而可制備納米粒子 用合適的表面活性劑作為穩(wěn)定劑 如果在溶液中加入足量合適的表面活性劑和助劑 形成反相膠束 這樣可以控制水相微區(qū)的形狀 起到 模板 的作用 10 8 3納米材料的制備方法 利用膠束的各種形狀 可以制備出相應(yīng)的球狀 棒狀 碟狀等納米粒子 水 水包油 油 油包水 10 8 3納米材料的制備方法 6 納米膜的制備 A 用物理的方法進(jìn)行真空蒸氣沉積 即真空鍍膜 B 使氣相發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 共聚成納米粒子