《膠體的基本性質(zhì)》PPT課件

第三章溶膠的基本性質(zhì)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)；光學(xué)性質(zhì)；電學(xué)性質(zhì),一、膠體分散體系的動(dòng)力學(xué)性質(zhì),膠體的擴(kuò)散與滲透；是膠體與分子分散體系所共有的性質(zhì)。布朗運(yùn)動(dòng)；膠體分散體系獨(dú)有的性質(zhì)。穩(wěn)定與沉降；是膠體與粗分散系所共有的性質(zhì)。,1、膠體的擴(kuò)散與滲透,擴(kuò)散的定義與本質(zhì)擴(kuò)散是分子熱運(yùn)動(dòng)的必然結(jié)果。分子熱運(yùn)動(dòng)并不需要存在著濃度差才能發(fā)生；但在濃度差存在下，分子從高濃度向低濃度遷移的數(shù)目大于從低向高遷移的數(shù)目，,高濃度,低濃度,總結(jié)果使物系呈現(xiàn)出從高濃度向低濃度的凈遷移，這就是擴(kuò)散擴(kuò)散的本質(zhì)是分子的熱運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)散推動(dòng)力是濃度梯度,膠粒的擴(kuò)散(diffusion),膠粒也有熱運(yùn)動(dòng)，因此也具有擴(kuò)散現(xiàn)象。膠體粒子的熱運(yùn)動(dòng)，在微觀上表現(xiàn)為Brown運(yùn)動(dòng)，在宏觀上表現(xiàn)為擴(kuò)散。溶膠粒子從高濃度區(qū)間向低濃度區(qū)間遷移的現(xiàn)象稱為膠粒的擴(kuò)散。物質(zhì)的擴(kuò)散可用斐克第一定律和第二定律描述.,設(shè)通過A面的物質(zhì)質(zhì)量為m，則擴(kuò)散速度為dm/dt，它與濃度梯度和截面積A成正比。,斐克第一定律（Ficksfirstlaw）,設(shè)任一截面A上濃度是均勻的，垂直A方向上的濃度梯度為dc/dx,D為擴(kuò)散系數(shù)，其物理意義為：單位濃度梯度、單位時(shí)間內(nèi)通過單位截面積的質(zhì)量。式中負(fù)號(hào)表示擴(kuò)散朝濃度降低的方向進(jìn)行，,斐克第一定律：,膠體的滲透(osmosis)、滲透壓與Donnan平衡,滲透壓是稀溶液的四個(gè)依數(shù)性之一，半透膜：只能透過溶劑、不透過溶質(zhì)。對(duì)于理想稀溶液、理想半透膜：滲透壓服從公式：VnRT,=P2-P1,純?nèi)軇?溶液,半透膜,P1,P2,T,實(shí)際情況：很難找到不能透過離子的半透膜因此無法測(cè)定鹽和小分子引起的滲透壓。高分子和膠粒不能通過半透膜，所以可利用此法測(cè)算高分子和穩(wěn)定膠體的滲透壓。獲得高分子的相對(duì)分子質(zhì)量和膠體的膠束聚集數(shù).,滲透的應(yīng)用反滲透（超過濾）,利用超過滲透壓的壓力，從相反方向?qū)⑷軇┳匀芤褐袎撼?，稱為反滲透。應(yīng)用于海水淡化、濃縮溶液（果汁、放射性污水）。海水在25時(shí)的滲透壓為25atm，相當(dāng)于210m高水柱，半透膜如何選擇？-膠體、大分子,半透膜,淡水井,反滲透原理制造淡水井,Donnan平衡，膜平衡,Donnan平衡針對(duì)的是帶電粒子和帶電高分子的滲透現(xiàn)象。如果膜的一側(cè)有膠?；虼蠓肿?，而且?guī)в须姾桑瑒t會(huì)產(chǎn)生Donnan平衡。,-,RNac1(c1+x)Cl-(x)(1),Na+Cl-(c2-x)(c2-x)(2),堿液中的蛋白質(zhì)為Na-R,兩容器間的膜可以透過Na,但不能通過R；,據(jù)電中性原則，(1)區(qū)中的Na離子無法向(2)區(qū)擴(kuò)散；但(2)區(qū)中的Na、Cl可以擴(kuò)散到(1)區(qū)。由于膜的一側(cè)有了大分子，使能透過鹽的膜變成了半透膜Donnan平衡就是研究此種情況下的滲透壓。,在含有凝膠的體系中，即使沒有膜也一樣，各種凝膠的作用就像大分子，所結(jié)合的離子可以移動(dòng)。此時(shí)，即使沒有膜的存在效果也是一樣。,在大分子電解質(zhì)溶液中，因大離子不能透過半透膜，而小粒子受大離子電荷影響，能夠透過半透膜，當(dāng)滲透達(dá)到平衡時(shí)，膜兩邊小離子濃度不相等，這種現(xiàn)象叫唐南平衡或膜平衡。,土壤中，植物、動(dòng)物的脫水收縮以及養(yǎng)分的吸收、鹽分的均衡均與Donnan平衡有關(guān)。,人的體液平衡,人體內(nèi)存在的液體稱為體液（bodyfluid）。體液中有無機(jī)物和有機(jī)物，無機(jī)物與部分以離子形式存在的有機(jī)物統(tǒng)稱為電解質(zhì)。葡萄糖、尿素等不能解離的有機(jī)物稱為非電解質(zhì)。體液以細(xì)胞膜為界，可分為兩大部分，細(xì)胞內(nèi)液（ICF）和細(xì)胞外液（ECF）。細(xì)胞外液又可分為血漿和細(xì)胞間液（如淋巴液）。,各部位體液之間處于動(dòng)態(tài)平衡，部位內(nèi)部的水與電解質(zhì)也處于動(dòng)態(tài)平衡，這種平衡狀態(tài)，很易受外界或機(jī)體內(nèi)部因素的影響，導(dǎo)致水電解質(zhì)平衡紊亂和酸堿平衡紊亂。,水平衡,成年人維持水的需要量，每日平均總進(jìn)水量約2500ml，通過飲水（約1200ml），攝食含的水（約1000ml）體內(nèi)氧化時(shí)釋放出的水（約300ml）攝入量等于排出量。,小兒每日水的攝入量（含體內(nèi)氧化產(chǎn)生的水）略大于排出量，其中約有攝入量的0.5-3.0保留在體內(nèi)用以生長。小兒水交換速度比成人快，體重7.0kg嬰兒每日排出水約700ml，占細(xì)胞外液的1/3，70kg體重的成人水交換率只占細(xì)胞外液的1/7，這就是小兒易引起脫水的原因。,鈉、氯平衡,氯和鈉是細(xì)胞外液的主要陰陽離子。體內(nèi)Na+約50于細(xì)胞外液，40于骨骼，約10于細(xì)胞內(nèi)K+主要分布在細(xì)胞內(nèi)液,血漿中主要電解質(zhì)有Na+、Cl、K+。細(xì)胞間液是血漿的超濾液，血漿含有較多的蛋白質(zhì)，由于蛋白質(zhì)是大分子量物質(zhì)，不易通過細(xì)胞膜，故血漿蛋白含量高于細(xì)胞間液。腦脊液就屬于細(xì)胞間液,Donnan平衡與人體,夏日補(bǔ)鹽還有很重要，否則就易產(chǎn)生頭昏等癥狀。這與人的腦脊液中的氯化物濃度多少有關(guān)；人腦脊液與血液之間滲透壓的平衡,根據(jù)Donnan平衡，腦脊液中的蛋白質(zhì)含量較少，故氯化物較高正常人腦脊液中的氯化物含量比血液高約20%左右，但腦脊液中的氯化物濃度隨血液中氯化物濃度而變；,在正常人血液中，血鈉為130150mmol/L，血鉀為3.55.3mmol/L，血鈣為.252.75mmol/L，血鎂為0.751.25mmol/L。氯化鈉是其主要成分。為維持腦脊液與血液之間滲透壓的平衡，應(yīng)當(dāng)及時(shí)適度補(bǔ)鹽,2、膠體的沉降,分散于氣體或液體介質(zhì)中的顆粒，都受到兩種相反方向作用力。重力：溶膠中顆粒的密度大于介質(zhì)時(shí)，顆粒在重力場作用下有向下沉降的趨勢(shì)；稱為沉降。沉降的結(jié)果使底部粒子濃度大于上部，即造成上下的濃差，擴(kuò)散力：由布朗運(yùn)動(dòng)引起，其作用促進(jìn)介質(zhì)中粒子濃度均勻；,沉降與擴(kuò)散達(dá)平衡時(shí)，粒子的分布達(dá)到平衡，稱為沉降平衡。此時(shí)，顆粒濃度自上而下增加，隨高度不同有一定的濃度梯度，梯度不隨時(shí)間而變。,在重力場中的沉降；在離心力場中的沉降；離心力場中的沉降主要是在離心機(jī)中進(jìn)行普通離心機(jī)：3000r/min,產(chǎn)生的離心力比地心引力大2000倍超速離心機(jī)：轉(zhuǎn)速可達(dá)1016萬轉(zhuǎn)/min,產(chǎn)生的離心力約為重力的100萬倍,3、布朗運(yùn)動(dòng),膠體布朗運(yùn)動(dòng)的獨(dú)特性分子分散體系和粗分散系為什么沒有布朗運(yùn)動(dòng)？膠體分散體系為什么能觀察到布朗運(yùn)動(dòng)？布朗運(yùn)動(dòng)是分子熱運(yùn)動(dòng)的必然結(jié)果。大顆粒：每秒鐘在各個(gè)方向上都承受數(shù)百萬次撞擊,各個(gè)方向幾率均等，相互抵消；顆粒較大，難以發(fā)生位移。,直徑小于4m的粒子在分散介質(zhì)中都呈現(xiàn)出連續(xù)不斷的、無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，這就是布朗運(yùn)動(dòng)。,當(dāng)半徑大于5m，Brown運(yùn)動(dòng)消失。,粒子如果較小，受到分子熱運(yùn)動(dòng)撞擊的次數(shù)就要小的多，各個(gè)方向的撞擊不能彼此抵消小粒子就發(fā)生了不斷改變方向的、無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。從運(yùn)動(dòng)性質(zhì)來看，溶液與膠體無本質(zhì)上的區(qū)別，溶液中，是單個(gè)分子的熱運(yùn)動(dòng)；溶膠的布朗運(yùn)動(dòng)是許多分子熱運(yùn)動(dòng)沖擊的綜合結(jié)果。,液體分子對(duì)溶膠粒子的撞擊,粗分散系,布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的原因：分散質(zhì)粒子本身處于不斷的熱運(yùn)動(dòng)中。分散劑分子對(duì)分散質(zhì)粒子的不斷撞擊。,為什么顆粒越小，布朗運(yùn)動(dòng)越明顯？,布朗運(yùn)動(dòng)是RobertBrown于1827年發(fā)現(xiàn)，但是到了1905年Einstein和Smaluchowski由分子運(yùn)動(dòng)論觀點(diǎn)分別提出了布朗運(yùn)動(dòng)理論。,NA阿伏加德羅常數(shù)介質(zhì)粘度r粒子半徑,Perrin證實(shí)了EinsteinBrown位移公式通過觀察藤黃粒子的布朗運(yùn)動(dòng)，多次測(cè)定NA值。粒子數(shù)50個(gè)，r=0.212um,T=287K,=0.0012Pas,t=120s觀察位移次數(shù)50次；測(cè)得平均位移13.96um求得NA6.121023；與實(shí)際值非常接近。,Einstein,愛因斯坦：一個(gè)世紀(jì)的神話,1905年，是堪稱奇跡的一年。這種年份僅在16651666年有過一次,(牛頓為了躲避黑死病而呆在自己的家鄉(xiāng)，開始著手微積分、萬有引力定律和顏色理論的基礎(chǔ)工作)除此之外，科學(xué)史上沒有哪一階段可以與1905年的科學(xué)成就相媲美。,1905年，年僅26歲的愛因斯坦連續(xù)發(fā)表了關(guān)于：量子論、相對(duì)論布朗運(yùn)動(dòng)等方面的論文，這些論文都可以稱為-革命性的論文開啟了自然科學(xué)的新紀(jì)元。為了紀(jì)念物理學(xué)史上這一空前絕后的“奇跡年”聯(lián)合國教科文組織將2005年定為“世界物理年”,2005年4月18日是愛因斯坦逝世50周年，世界各國都在以各種方式紀(jì)念這位繼牛頓之后最為大的科學(xué)家。在全球舉行了光束穿越活動(dòng)，,我校泰達(dá)應(yīng)用物理學(xué)院博士生樓慈波，獲得了為紀(jì)念這一活動(dòng)所設(shè)立的愛因斯坦獎(jiǎng)，全國獲獎(jiǎng)?wù)吖?0名。該獎(jiǎng)項(xiàng)由德國與瑞士政府聯(lián)合頒發(fā)，訪問了瑞士與德國的科研機(jī)構(gòu)。,Einstein的四篇著名論文,1.關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)有啟發(fā)性觀點(diǎn)論文完成于1905年3月，6月發(fā)表在德文刊物物理學(xué)年鑒(AnnalenderPhysik)上。該文并且延伸了MarxPlank的量子思想，即高溫物體僅以特定離散束的形式發(fā)射或吸收能量，認(rèn)為光束是由粒子組成。它為量子力學(xué)基石的光的波粒二重性獲得廣泛接受鋪平了道路。,2.分子大小的新測(cè)定,該文完成于1905年4月30日。當(dāng)時(shí)愛因斯坦還沒有獲得博士學(xué)位，1901年曾經(jīng)提交過一篇關(guān)于氣體分子運(yùn)動(dòng)論的論文，被蘇黎世大學(xué)駁回；1905年初，再次提交關(guān)于狹義相對(duì)論的論文，又被認(rèn)為是“荒誕不經(jīng)”而駁回；于是，便提交了這篇.分子大小的新測(cè)定,完成于1905年5月；于1905年7月發(fā)表在物理學(xué)年鑒(AnnalenderPhysik)上。該文創(chuàng)立了支配布朗運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)定律是對(duì)現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)力學(xué)的一項(xiàng)重大貢獻(xiàn)，其導(dǎo)出的方法可以用于空氣污染物的行為或者股票市場漲落走勢(shì)。,3、上文的續(xù)篇關(guān)于熱的分子運(yùn)動(dòng)論所要求的靜止液體中懸浮小粒子的運(yùn)動(dòng),4.論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué),此文為獲得諾貝爾獎(jiǎng)的貢獻(xiàn)論文。,愛因斯坦研究布朗運(yùn)動(dòng)的起因與結(jié)果,1927年，植物學(xué)家布朗發(fā)現(xiàn)并引起人們注意這種現(xiàn)象；此后的多年，這種現(xiàn)象就一直困擾著許多科學(xué)家；許多人把水滴中花粉顆?？偸亲鲋S機(jī)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，解釋為這些花粉顆粒是有生命的。然而，布朗將研磨的精細(xì)巖石粉末懸浮于水中時(shí)也有類似現(xiàn)象。有人又認(rèn)為是電力場推動(dòng)，有人傾向于蒸發(fā)、對(duì)流、光效應(yīng)。,布朗寫下了這樣的一段文字：“我確信這種運(yùn)動(dòng)不是由于液體流動(dòng)所引起，也不是由液體的逐漸蒸發(fā)所引起，而是屬于粒子本身的運(yùn)動(dòng)”,布朗,英國,植物學(xué)家,為了進(jìn)一步證實(shí)這種看法，布朗把觀察的對(duì)象擴(kuò)大到一切物質(zhì)的微小顆粒，發(fā)現(xiàn)，一切懸浮在液體中的微小顆粒，都會(huì)作無休止的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。,愛因斯坦提出，懸浮于液體中的顆粒的四處運(yùn)動(dòng)，主要是分子從各個(gè)方向與其撞擊造成的。這些現(xiàn)象事實(shí)上是關(guān)于熱的本質(zhì)理論的有力證據(jù)（當(dāng)時(shí)正在爭論）。導(dǎo)出了決定布朗運(yùn)動(dòng)基本數(shù)學(xué)規(guī)律。最近，科學(xué)家應(yīng)用愛因斯坦的這些數(shù)學(xué)規(guī)律，設(shè)計(jì)出了“布朗棘輪”：,這些設(shè)備利用了一個(gè)事實(shí)，即布朗運(yùn)動(dòng)中小粒子移動(dòng)的距離比大粒子遠(yuǎn)。利用微觀化的絞盤內(nèi)鋸齒型齒輪，布朗棘輪把粒子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫墓ぷ骼纾喊创笮》蛛x病毒，除掉水中的污染雜質(zhì)。,2003年，利用類似于制造微芯片的技術(shù)，普林斯頓大學(xué)的C.Sturm及其合作者建造了兩臺(tái)這樣的布朗棘輪。它看上去有點(diǎn)像大拇指大小。在一塊二氧化硅薄片中刻蝕出一條通道，在通道中等間隔地留下若干微小支柱，間隔足以使液體流過。微支柱寬6微米，高3微米，成45度