北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B

1、北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B 第五章第五章 材料表面化學(xué)與膠體化學(xué)材料表面化學(xué)與膠體化學(xué) 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B 5.7 膠體化學(xué)膠體化學(xué) 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B 5.7.1 膠體的制備和性質(zhì)膠體的制備和性質(zhì) 1、膠體制備的一般條件、膠體制備的一般條件 分散相在介質(zhì)中的溶解度須極小分散相在介質(zhì)中的溶解度須極小 n三氯化鐵在水中溶解為真溶液，但水解成氫氧化鐵后則不溶于水。適當(dāng)條三氯化鐵在水中溶解為真溶液，但水解成氫氧化鐵后則不溶于水。適當(dāng)條 件下使三氯化鐵水解可以制得氫氧化鐵水溶膠。件下使三氯化鐵水解可以制得氫氧化鐵水溶膠。 n分散相在介質(zhì)中有極小的溶解度，是形成溶膠的必

2、要條件之一。分散相在介質(zhì)中有極小的溶解度，是形成溶膠的必要條件之一。 n還要具備反應(yīng)物濃度很稀、生成的難溶物晶粒很小、而且又無長大條件時還要具備反應(yīng)物濃度很稀、生成的難溶物晶粒很小、而且又無長大條件時 才能得到膠體。才能得到膠體。 n如果反應(yīng)物濃度很大，細(xì)小的難溶物顆粒突然生成很多，則可能生成凝膠。如果反應(yīng)物濃度很大，細(xì)小的難溶物顆粒突然生成很多，則可能生成凝膠。 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B 必須有穩(wěn)定劑存在必須有穩(wěn)定劑存在 n將大塊物體分散成膠體時，由于分散過程中顆粒的比表面積增大，體系將大塊物體分散成膠體時，由于分散過程中顆粒的比表面積增大，體系 的表面能增大，這意味著此體系是熱力學(xué)

3、不穩(wěn)定的。的表面能增大，這意味著此體系是熱力學(xué)不穩(wěn)定的。 n如欲制得穩(wěn)定的溶膠，必須加入第三種物質(zhì)，即穩(wěn)定劑。如欲制得穩(wěn)定的溶膠，必須加入第三種物質(zhì)，即穩(wěn)定劑。 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B 5.7.2 膠體制備的方法膠體制備的方法 分散法分散法 n分散法有機(jī)械分散、電分散、超聲波分散和膠溶等各種方法。分散法有機(jī)械分散、電分散、超聲波分散和膠溶等各種方法。 凝聚法凝聚法 n用物理或化學(xué)方法使分子或離子聚集成膠體粒子的方法叫凝聚法。用物理或化學(xué)方法使分子或離子聚集成膠體粒子的方法叫凝聚法。 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B 由溶液中析出膠粒的過程，與結(jié)晶過程相似，可以分為兩個階段：由溶液中析

4、出膠粒的過程，與結(jié)晶過程相似，可以分為兩個階段： n第一個階段是形成晶核第一個階段是形成晶核 n第二個階段是晶體的成長第二個階段是晶體的成長 n晶核的生成速度，與晶體的溶解度和溶液的過飽和度有關(guān)。晶核的生成速度，與晶體的溶解度和溶液的過飽和度有關(guān)。 n析出物質(zhì)的濃度越大，溶解度越小，則生成晶核的速度越大。析出物質(zhì)的濃度越大，溶解度越小，則生成晶核的速度越大。 n由于體系中物質(zhì)數(shù)量一定，要成大量晶核，就只能得到極小的粒子。由于體系中物質(zhì)數(shù)量一定，要成大量晶核，就只能得到極小的粒子。 5.7.3 凝聚法原理凝聚法原理 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B Haber 認(rèn)為：主要取決于認(rèn)為：主要取決于凝

5、結(jié)速度和定向速度凝結(jié)速度和定向速度。 凝結(jié)速度和飽和度成正比，而定向速度是指分子或離子以一定的方式在晶凝結(jié)速度和飽和度成正比，而定向速度是指分子或離子以一定的方式在晶 格中排列的速度，主要取決于物質(zhì)的極性大小。格中排列的速度，主要取決于物質(zhì)的極性大小。 AgCl、ZnS、HgS等分子小、極性大，故定向速度快，能生成結(jié)晶狀沉淀，等分子小、極性大，故定向速度快，能生成結(jié)晶狀沉淀， 或具有晶體結(jié)構(gòu)的膠粒。或具有晶體結(jié)構(gòu)的膠粒。 Al(OH)3、Fe(OH)3或硅酸等含輕基多，還有水分子結(jié)合，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分子或硅酸等含輕基多，還有水分子結(jié)合，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分子 極性較小，且溶解度極微，故其凝結(jié)速度遠(yuǎn)大于定向

6、速度，因而極易生成極性較小，且溶解度極微，故其凝結(jié)速度遠(yuǎn)大于定向速度，因而極易生成 無定形結(jié)構(gòu)的凝膠狀沉淀。無定形結(jié)構(gòu)的凝膠狀沉淀。 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B 用凝聚法制得的溶膠都具有多分散性，即體系中含有大小不等的各類粒子，用凝聚法制得的溶膠都具有多分散性，即體系中含有大小不等的各類粒子， 其中有一些可能會超出膠體顆粒的范圍。其中有一些可能會超出膠體顆粒的范圍。 用化學(xué)法制得的溶膠通常都含有較多的電解質(zhì)，雖然適量的電解質(zhì)可以作用化學(xué)法制得的溶膠通常都含有較多的電解質(zhì)，雖然適量的電解質(zhì)可以作 為溶膠的穩(wěn)定劑，但過多電解質(zhì)又會降低溶膠的穩(wěn)定性。為溶膠的穩(wěn)定劑，但過多電解質(zhì)又會降低溶膠的穩(wěn)

7、定性。 得到純凈、穩(wěn)定的溶膠，必須將制得的溶膠加以凈化。得到純凈、穩(wěn)定的溶膠，必須將制得的溶膠加以凈化。 滲析：滲析： 利用羊皮紙或由火棉膠制成的半透膜，將溶膠與純分散介質(zhì)隔開，膜的孔利用羊皮紙或由火棉膠制成的半透膜，將溶膠與純分散介質(zhì)隔開，膜的孔 隙很小，僅能讓小分子或離子通過，而膠粒不能通過。隙很小，僅能讓小分子或離子通過，而膠粒不能通過。 5.7.4 溶膠的凈化溶膠的凈化 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B 1、滲析法：主要是利用羊皮紙或由火棉膠制成的半透膜，將溶膠與純分散介質(zhì)、滲析法：主要是利用羊皮紙或由火棉膠制成的半透膜，將溶膠與純分散介質(zhì) 隔開，膜的孔隙很小，僅能讓小分子或離子通過，

8、而膠粒不能通過。隔開，膜的孔隙很小，僅能讓小分子或離子通過，而膠粒不能通過。 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B 2、超過濾法、超過濾法 n用孔徑細(xì)小的半滲透膜用孔徑細(xì)小的半滲透膜(約約10-83 10-7m)在加在加 壓或過濾的情況下使膠粒與介質(zhì)分開，這種壓或過濾的情況下使膠粒與介質(zhì)分開，這種 方法稱為超過濾法?？扇苄噪s質(zhì)能透過濾板方法稱為超過濾法。可溶性雜質(zhì)能透過濾板 而被除去。而被除去。 n如果超過濾時在半透膜的兩邊安放電極，加如果超過濾時在半透膜的兩邊安放電極，加 上一定的電壓，則稱為電超過濾法。上一定的電壓，則稱為電超過濾法。 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B 5.8 分散體系分散體系

9、 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B n膠體分散體系是指分散相的大小在膠體分散體系是指分散相的大小在1.0nm(10-9)0.1m(10-7m)之間的分散體之間的分散體 系。具有特殊的物理化學(xué)性質(zhì)。系。具有特殊的物理化學(xué)性質(zhì)。 n分散相的粒子可以是氣體、固體或液體，比較重要的是固體分散在液體中分散相的粒子可以是氣體、固體或液體，比較重要的是固體分散在液體中 的溶膠的溶膠(sol)。溶膠分為親液溶膠和憎液溶膠。溶膠分為親液溶膠和憎液溶膠。 n親液溶膠：分散相和分散介質(zhì)之間有很好的親和能力和很強(qiáng)的溶劑化作用。親液溶膠：分散相和分散介質(zhì)之間有很好的親和能力和很強(qiáng)的溶劑

10、化作用。 將這類大塊分散相，放在分散介質(zhì)中往往會自動散開，成為親液溶膠。它將這類大塊分散相，放在分散介質(zhì)中往往會自動散開，成為親液溶膠。它 們的固們的固液間沒有明顯的相界面，例如蛋白質(zhì)、淀粉水溶液及其他高分子液間沒有明顯的相界面，例如蛋白質(zhì)、淀粉水溶液及其他高分子 溶液等。親液溶膠雖然具有某些溶膠特性，但本質(zhì)上與普通溶液一樣屬于溶液等。親液溶膠雖然具有某些溶膠特性，但本質(zhì)上與普通溶液一樣屬于 熱力學(xué)穩(wěn)定體系。熱力學(xué)穩(wěn)定體系。 n憎液溶膠：分散相與分散介質(zhì)之間親和力較弱，有明顯的相界面，屬于熱憎液溶膠：分散相與分散介質(zhì)之間親和力較弱，有明顯的相界面，屬于熱 力學(xué)不穩(wěn)定體系。力學(xué)不穩(wěn)定體系。 n憎

11、液溶膠是膠體化學(xué)所研究的主要內(nèi)容憎液溶膠是膠體化學(xué)所研究的主要內(nèi)容。 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B 溶膠的光學(xué)性質(zhì)是其高度分散性和不均勻性特點的反映。溶膠的光學(xué)性質(zhì)是其高度分散性和不均勻性特點的反映。 丁鐸爾效應(yīng)丁鐸爾效應(yīng) n一束會聚的光線通過溶膠時，從與光束垂直的側(cè)面方向觀察，可以看到一個發(fā)光的一束會聚的光線通過溶膠時，從與光束垂直的側(cè)面方向觀察，可以看到一個發(fā)光的 圓錐體，這種現(xiàn)象稱為丁鐸爾圓錐體，這種現(xiàn)象稱為丁鐸爾(Tyndall)效應(yīng)。是膠粒對光的散射的結(jié)果。效應(yīng)。是膠粒對光的散射的結(jié)果。 n入射光是白色時，光柱呈藍(lán)紫色，稱為乳光。入射光是白色時，光柱呈藍(lán)紫色，稱為乳光。 n光線射

12、入分散體系時，由于分散體系對光的吸收、反射和散射作用，只有一部分光光線射入分散體系時，由于分散體系對光的吸收、反射和散射作用，只有一部分光 能夠通過。其中，光的吸收主要取決于體系的化學(xué)組分，而散射和反射與體系的分能夠通過。其中，光的吸收主要取決于體系的化學(xué)組分，而散射和反射與體系的分 散度及入射光的波長有關(guān)。散度及入射光的波長有關(guān)。 n若分散相的粒子大于入射光的波長，則主要發(fā)生光的反射或折射現(xiàn)象，粗分散體系若分散相的粒子大于入射光的波長，則主要發(fā)生光的反射或折射現(xiàn)象，粗分散體系 屬于這種情況。屬于這種情況。 n若是分散相的粒子小于入射光的波長，則主要發(fā)生光的散射；此時光波繞過粒子而若是分散相的

13、粒子小于入射光的波長，則主要發(fā)生光的散射；此時光波繞過粒子而 向各個方向散射出去向各個方向散射出去(波長不發(fā)生變化波長不發(fā)生變化)，散射出來的光稱為乳光或散射光?？梢姽?，散射出來的光稱為乳光或散射光?？梢姽?的波長約在的波長約在400700nm之間，而溶膠粒子的半徑一般在之間，而溶膠粒子的半徑一般在1100mn之間，小于可見光之間，小于可見光 的波長，因此發(fā)生光散射作用而出現(xiàn)丁鐸爾效應(yīng)。的波長，因此發(fā)生光散射作用而出現(xiàn)丁鐸爾效應(yīng)。 5.9 溶膠的性質(zhì)溶膠的性質(zhì) 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B 瑞利瑞利(Rayleigh)公式公式 分散介質(zhì)與分散相之間折射率相差越顯著，則散射作用也越顯著。分散

14、介質(zhì)與分散相之間折射率相差越顯著，則散射作用也越顯著。 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B n超顯微鏡的測定原理就是用顯微鏡來觀察丁鐸爾效應(yīng)。超顯微鏡的測定原理就是用顯微鏡來觀察丁鐸爾效應(yīng)。 n用足夠強(qiáng)的入射光從側(cè)面照射溶膠，然后在黑暗的背景中進(jìn)行觀察。由用足夠強(qiáng)的入射光從側(cè)面照射溶膠，然后在黑暗的背景中進(jìn)行觀察。由 于散射作用，膠粒成為閃閃發(fā)光的光點，可以清楚地看到其布朗運(yùn)動。于散射作用，膠粒成為閃閃發(fā)光的光點，可以清楚地看到其布朗運(yùn)動。 M = 4/3 r3 NA 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B 布朗運(yùn)動和粒子的擴(kuò)散布朗運(yùn)動和粒子的擴(kuò)散 n在溶膠中膠體粒子

15、的運(yùn)動和稀溶液中的分子運(yùn)動相似，也是不斷熱運(yùn)動的在溶膠中膠體粒子的運(yùn)動和稀溶液中的分子運(yùn)動相似，也是不斷熱運(yùn)動的 液體分子對微粒沖擊的結(jié)果。溶膠中每個粒子的平均動能和液體分子一樣，液體分子對微粒沖擊的結(jié)果。溶膠中每個粒子的平均動能和液體分子一樣， 都等于都等于(3/2)kT。 n盡管膠體粒子非常微小，但卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液體介質(zhì)分子的微粒。由于膠粒不盡管膠體粒子非常微小，但卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液體介質(zhì)分子的微粒。由于膠粒不 斷受到不同方向，不同速率的液體分子的沖擊，受到的力不平衡，所以時斷受到不同方向，不同速率的液體分子的沖擊，受到的力不平衡，所以時 刻以不同的方向，不同的速率作不規(guī)則的運(yùn)動?？桃圆煌姆较?，不

16、同的速率作不規(guī)則的運(yùn)動。 n植物學(xué)家布朗植物學(xué)家布朗(Brown)早在早在1827年，就用顯微鏡觀察到懸浮在液面上的花粉年，就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，后來又發(fā)現(xiàn)許多其他物質(zhì)如煤、化石、金屬粉末不斷地作不規(guī)則的運(yùn)動，后來又發(fā)現(xiàn)許多其他物質(zhì)如煤、化石、金屬 等的粉末也都有類似的現(xiàn)象。等的粉末也都有類似的現(xiàn)象。 n人們稱微粒的這種不規(guī)則運(yùn)動為人們稱微粒的這種不規(guī)則運(yùn)動為。 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B n用超顯微鏡觀察溶膠粒子的運(yùn)動，還發(fā)現(xiàn)另一有趣的現(xiàn)象：用超顯微鏡觀察溶膠粒子的運(yùn)動，還發(fā)現(xiàn)另一有趣的現(xiàn)象： ：在一個較大的體積

17、范圍內(nèi)溶膠粒子的分布是均勻的，但觀察一個有限的：在一個較大的體積范圍內(nèi)溶膠粒子的分布是均勻的，但觀察一個有限的 小體積元會發(fā)現(xiàn)，由于粒子的布朗運(yùn)動，小體積內(nèi)粒子的數(shù)目時多時少，這種粒子小體積元會發(fā)現(xiàn)，由于粒子的布朗運(yùn)動，小體積內(nèi)粒子的數(shù)目時多時少，這種粒子 數(shù)的變動現(xiàn)象稱為數(shù)的變動現(xiàn)象稱為漲落現(xiàn)象漲落現(xiàn)象。 n漲落現(xiàn)象是研究溶膠的光散射等現(xiàn)象及高分子溶液的某些物理化學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)。漲落現(xiàn)象是研究溶膠的光散射等現(xiàn)象及高分子溶液的某些物理化學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)。 n膠體布朗運(yùn)動的本質(zhì)是質(zhì)點的熱運(yùn)動。膠體布朗運(yùn)動的本質(zhì)是質(zhì)點的熱運(yùn)動。 膠體粒子越小，則布朗運(yùn)動越激烈，其運(yùn)動的激烈程度不隨時間而改變，膠體粒子越

18、小，則布朗運(yùn)動越激烈，其運(yùn)動的激烈程度不隨時間而改變， 但隨溫度的升高而增加。但隨溫度的升高而增加。 膠體粒于處于不均勻分布狀態(tài)時，布朗運(yùn)動會促使膠體粒子從高濃度區(qū)膠體粒于處于不均勻分布狀態(tài)時，布朗運(yùn)動會促使膠體粒子從高濃度區(qū) 向低濃度區(qū)運(yùn)動，這就是擴(kuò)散。向低濃度區(qū)運(yùn)動，這就是擴(kuò)散。 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B 溶膠的滲透壓溶膠的滲透壓()可以借用稀溶液的滲透壓可以借用稀溶液的滲透壓 公式來計算，即公式來計算，即 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B 膠體粒子的沉降膠體粒子的沉降 = 2r2 (-0)g/9 要滿足上式，必須符合以下幾個條件：要滿足上式，必須符合以下幾個條件： 1) 球形粒子

19、的運(yùn)動要十分緩慢，周圍液體呈層流分布。球形粒子的運(yùn)動要十分緩慢，周圍液體呈層流分布。 2) 粒子是剛性球，沒有溶劑化作用。粒子是剛性球，沒有溶劑化作用。 3) 粒子間沒有相互作用，粒子與器壁也無作用。粒子間沒有相互作用，粒子與器壁也無作用。 4) 液相是連續(xù)介質(zhì)。液相是連續(xù)介質(zhì)。 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B 是一個非常有用的公式。是一個非常有用的公式。 沉降速率沉降速率 與與r2成正比，所以離子的大小對沉降速率影響很大。成正比，所以離子的大小對沉降速率影響很大。 小粒子的溶膠，能自動擴(kuò)散，使整個體系均勻分布，稱為動力穩(wěn)定性。小粒子的溶膠，能自動擴(kuò)散，使整個體系均勻分布，稱為動力穩(wěn)定性。

20、粗粒子的溶膠，由于布朗運(yùn)動微弱，沉降成為主要特征，稱為動力不穩(wěn)定性粗粒子的溶膠，由于布朗運(yùn)動微弱，沉降成為主要特征，稱為動力不穩(wěn)定性。 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B n分散相粒子在與極性介質(zhì)分散相粒子在與極性介質(zhì)(H2O)接觸的界面上，由于發(fā)生電離、接觸的界面上，由于發(fā)生電離、 離子吸附或離子溶解等作用，因而使得分散相粒子的表面或者離子吸附或離子溶解等作用，因而使得分散相粒子的表面或者 帶正電，或者帶負(fù)電。帶正電，或者帶負(fù)電。 n凡是與溶膠粒子中某一組成相同的離子，則優(yōu)先被吸附。在沒有與溶膠粒凡是與溶膠粒子中某一組成相同的離子，則優(yōu)先被吸附。在沒有與溶膠粒 子組成相同的離子存在時，則膠粒一

21、般先吸附水化能力較弱的陰離子，而子組成相同的離子存在時，則膠粒一般先吸附水化能力較弱的陰離子，而 使水化能力較強(qiáng)的陽離子留在溶液中，所以通常帶負(fù)電荷的膠粒居多。使水化能力較強(qiáng)的陽離子留在溶液中，所以通常帶負(fù)電荷的膠粒居多。 n由于膠粒表面帶某種電荷，則介質(zhì)必然帶有數(shù)量相等而符號相反的電荷由于膠粒表面帶某種電荷，則介質(zhì)必然帶有數(shù)量相等而符號相反的電荷(因因 為整個膠體溶液總是電中性的為整個膠體溶液總是電中性的)，因而使溶膠表現(xiàn)出各種電學(xué)性質(zhì)。，因而使溶膠表現(xiàn)出各種電學(xué)性質(zhì)。 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B n電泳：在外加電場下，膠體粒子在分散介質(zhì)中作定向移動的現(xiàn)電泳：在外加電場下，膠體粒子在分

22、散介質(zhì)中作定向移動的現(xiàn) 象。象。 n膠體的電泳：證明膠粒是帶電的。膠體的電泳：證明膠粒是帶電的。 n溶膠中加入電解質(zhì)，對電泳會有顯著影響。隨外加電解質(zhì)的增溶膠中加入電解質(zhì)，對電泳會有顯著影響。隨外加電解質(zhì)的增 加，電泳速率常會降低以至變成零，外加電解質(zhì)還能夠改變膠加，電泳速率常會降低以至變成零，外加電解質(zhì)還能夠改變膠 粒帶電的符號。粒帶電的符號。 n影響電泳的因素有：帶電粒子的大小、形狀，粒子表面的電荷影響電泳的因素有：帶電粒子的大小、形狀，粒子表面的電荷 數(shù)目，溶劑中電解質(zhì)的種類，離子強(qiáng)度以及數(shù)目，溶劑中電解質(zhì)的種類，離子強(qiáng)度以及pH、溫度和所加的、溫度和所加的 電壓等電壓等。 電泳現(xiàn)象電泳

23、現(xiàn)象 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B 在外力作用下在外力作用下(例如加壓例如加壓)使液體在毛細(xì)管中流經(jīng)多孔膜時，在膜使液體在毛細(xì)管中流經(jīng)多孔膜時，在膜 的兩邊會產(chǎn)生電勢差，稱之為流動電勢，的兩邊會產(chǎn)生電勢差，稱之為流動電勢，是電滲作用的反面現(xiàn)象。是電滲作用的反面現(xiàn)象。 毛細(xì)管的表面是帶電的，如果外力迫使液體流動，出于擴(kuò)散層的移動，與固體表面產(chǎn)毛細(xì)管的表面是帶電的，如果外力迫使液體流動，出于擴(kuò)散層的移動，與固體表面產(chǎn) 生電勢差，從而產(chǎn)生了流動電勢。用泵輸送碳?xì)浠衔铮诹鲃舆^程中產(chǎn)生流動電勢，生電勢差，從而產(chǎn)生了流動電勢。用泵輸送碳?xì)浠衔?，在流動過程中產(chǎn)生流動電勢， 高壓下易于產(chǎn)生火花。由于

24、此類液體易燃，故應(yīng)采取相應(yīng)的防護(hù)措施。如油管接地或高壓下易于產(chǎn)生火花。由于此類液體易燃，故應(yīng)采取相應(yīng)的防護(hù)措施。如油管接地或 加入油溶性電解質(zhì)，增加介質(zhì)的電導(dǎo)，減小流動電勢。加入油溶性電解質(zhì)，增加介質(zhì)的電導(dǎo)，減小流動電勢。 在外加電場下，可以觀察到分散介質(zhì)會通過多孔膜或極細(xì)的毛細(xì)在外加電場下，可以觀察到分散介質(zhì)會通過多孔膜或極細(xì)的毛細(xì) 管管(半徑為半徑為1l0nm)而移動，即固相不動而液相移動，這種現(xiàn)象稱而移動，即固相不動而液相移動，這種現(xiàn)象稱 為電滲。為電滲。 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B n若使分散相粒子在分散介質(zhì)中迅速沉降，則在液體的表面層與底層之間會若使分散相粒子在分散介質(zhì)中迅速沉

25、降，則在液體的表面層與底層之間會 產(chǎn)生電勢差，稱之為沉降電勢。是電泳作用的反面現(xiàn)象。產(chǎn)生電勢差，稱之為沉降電勢。是電泳作用的反面現(xiàn)象。 n貯油罐中的油內(nèi)常含有水滴，水滴的沉降常形成很高的沉降電勢，甚至達(dá)貯油罐中的油內(nèi)常含有水滴，水滴的沉降常形成很高的沉降電勢，甚至達(dá) 到危險的程度。通常解決的辦法是加入有機(jī)電解質(zhì)，以增加介質(zhì)的電導(dǎo)。到危險的程度。通常解決的辦法是加入有機(jī)電解質(zhì)，以增加介質(zhì)的電導(dǎo)。 由外加電勢差而引起固、液相之間的相對移動引起的電泳、電滲以及流動電勢、由固液由外加電勢差而引起固、液相之間的相對移動引起的電泳、電滲以及流動電勢、由固液 相之間的相對移動而產(chǎn)生的沉降電勢差，其電學(xué)性質(zhì)都

26、與固相和液相間的相對移動有關(guān)，相之間的相對移動而產(chǎn)生的沉降電勢差，其電學(xué)性質(zhì)都與固相和液相間的相對移動有關(guān)， 統(tǒng)稱之為電動現(xiàn)象，其中以電泳和電滲最為重要。統(tǒng)稱之為電動現(xiàn)象，其中以電泳和電滲最為重要。 研究電動現(xiàn)象可以了解膠體粒子的結(jié)構(gòu)以及外加電解質(zhì)對溶膠穩(wěn)定性的影響規(guī)律。 應(yīng)用電泳方法可以使橡膠的乳狀液汁凝結(jié)而使其濃縮，可以使橡膠沉積在金屬、布匹或 木材上，這樣沉積的橡膠容易硫化，可以得到拉力很強(qiáng)的產(chǎn)品。 電泳涂漆、陶器工業(yè)中高嶺土的精煉、石油工業(yè)中天然石油乳狀液中油水的分離，以及 不同蛋白質(zhì)的分離等都應(yīng)用到電泳作用。 工業(yè)和工程中泥土和泥炭的脫水則是電滲實際應(yīng)用的另一個例子。 北京化工大學(xué)材

27、料化學(xué)講稿第5章B 2、 n固體與液體接觸時，可以是固體從溶液中選擇性吸附某固體與液體接觸時，可以是固體從溶液中選擇性吸附某 種離子，也可以是由于固體分子本身的電離作用使離子種離子，也可以是由于固體分子本身的電離作用使離子 進(jìn)入溶液，以致固液兩相分別帶有不同符號的電荷，在進(jìn)入溶液，以致固液兩相分別帶有不同符號的電荷，在 界面上形成了雙電層的結(jié)構(gòu)。界面上形成了雙電層的結(jié)構(gòu)。 n亥姆霍茲于亥姆霍茲于1879年提出平板型模型，認(rèn)為帶電質(zhì)點的表面電荷年提出平板型模型，認(rèn)為帶電質(zhì)點的表面電荷(即固體的表面即固體的表面 電荷電荷)與帶相反電荷的離子與帶相反電荷的離子(也稱為反離子也稱為反離子)構(gòu)成平行的兩

28、層，稱為雙電層，其構(gòu)成平行的兩層，稱為雙電層，其 距離約等于離子半徑，如同一個平板電容器。表面與液體內(nèi)部的電位差稱為距離約等于離子半徑，如同一個平板電容器。表面與液體內(nèi)部的電位差稱為 質(zhì)點的表面電勢質(zhì)點的表面電勢 0(即熱力學(xué)電勢即熱力學(xué)電勢)。 n在電場作用下，帶電質(zhì)點和溶液中的反離子在電場作用下，帶電質(zhì)點和溶液中的反離子 n分別向相反的方向運(yùn)動。這種模型雖然說明分別向相反的方向運(yùn)動。這種模型雖然說明 n了電動現(xiàn)象，但顯然是極簡單的。了電動現(xiàn)象，但顯然是極簡單的。 n例如，由于離子的熱運(yùn)動，它不可能形成平例如，由于離子的熱運(yùn)動，它不可能形成平 n板式的電容器。板式的電容器。 北京化工大學(xué)材料

29、化學(xué)講稿第5章B n古埃古埃(Gouy)和查普曼和查普曼(Chapman)修正了上述模型，提出了擴(kuò)散雙電層的模型。修正了上述模型，提出了擴(kuò)散雙電層的模型。 n認(rèn)為由于靜電吸引作用和熱運(yùn)動兩種效應(yīng)的結(jié)果，在溶液中與固體表面離子電荷相認(rèn)為由于靜電吸引作用和熱運(yùn)動兩種效應(yīng)的結(jié)果，在溶液中與固體表面離子電荷相 反的離子只有一部分緊密地排列在固體表面上反的離子只有一部分緊密地排列在固體表面上(距離約一、二個離子的厚度距離約一、二個離子的厚度)，另一，另一 部分離子與固體表面的距離則可以從緊密層一直分散到本體溶液之中。因此雙電層部分離子與固體表面的距離則可以從緊密層一直分散到本體溶液之中。因此雙電層 實際

30、上包括了緊密層和擴(kuò)散層兩部分。實際上包括了緊密層和擴(kuò)散層兩部分。 n在電場作用下，固液之間發(fā)生電動現(xiàn)象時，移動的切動面。相對運(yùn)動邊界處于液體在電場作用下，固液之間發(fā)生電動現(xiàn)象時，移動的切動面。相對運(yùn)動邊界處于液體 內(nèi)部的電位差稱為內(nèi)部的電位差稱為電動電勢或電動電勢或 電勢電勢(zeta-potential)。 n隨著電解質(zhì)濃度的增加，或電解質(zhì)價型增加，雙電層厚度減小、隨著電解質(zhì)濃度的增加，或電解質(zhì)價型增加，雙電層厚度減小、 電勢也減小。電勢也減小。 古埃和查普曼的模型雖然克服了亥姆霍古埃和查普曼的模型雖然克服了亥姆霍 茲模型的缺陷，但也有許多不能解釋的茲模型的缺陷，但也有許多不能解釋的 實驗事

31、實。實驗事實。 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B n斯特恩斯特恩(stern)作了進(jìn)一步修正。作了進(jìn)一步修正。 n認(rèn)為：緊密層認(rèn)為：緊密層(后來又稱為后來又稱為Stern層層)約有一、二個分子層厚，緊密吸附在表約有一、二個分子層厚，緊密吸附在表 面上；在緊密層中，反離子的電性中心構(gòu)成面上；在緊密層中，反離子的電性中心構(gòu)成Stern平面；在平面；在Stern層內(nèi)電勢層內(nèi)電勢 的變化情形與亥姆霍茲的平板模型一樣，的變化情形與亥姆霍茲的平板模型一樣， 0直線下降到直線下降到Stern平面的平面的 。 n由于離子的溶劑化作用，緊密層結(jié)合有一定數(shù)量的溶劑分子，在電場作用由于離子的溶劑化作用，緊密層結(jié)合有

32、一定數(shù)量的溶劑分子，在電場作用 下，和固體質(zhì)點作為一個整體一起移動。因此切動面的位置略比下，和固體質(zhì)點作為一個整體一起移動。因此切動面的位置略比Stern層層 靠右；電勢也相應(yīng)略低于靠右；電勢也相應(yīng)略低于 。 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B n膠體是一種高度分散的超微多相體系，溶膠中粒子的大小在膠體是一種高度分散的超微多相體系，溶膠中粒子的大小在10-910-7m之間。之間。 n擴(kuò)散作用慢、不能透過半透膜、滲透壓低、動力穩(wěn)定性強(qiáng)、乳光亮度強(qiáng)等都與其特擴(kuò)散作用慢、不能透過半透膜、滲透壓低、動力穩(wěn)定性強(qiáng)、乳光亮度強(qiáng)等都與其特 有的分散程度有關(guān)。有的分散程度有關(guān)。 n分散相的小顆粒形成高度分散的體

33、系，勢必導(dǎo)致表面積增大，其表面能也分散相的小顆粒形成高度分散的體系，勢必導(dǎo)致表面積增大，其表面能也 高，促使得膠粒處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，具有相互聚集起來變成較大的粒子而高，促使得膠粒處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，具有相互聚集起來變成較大的粒子而 聚沉的傾向。從熱力學(xué)的角度來說是不穩(wěn)定的。聚沉的傾向。從熱力學(xué)的角度來說是不穩(wěn)定的。 n可是，膠體又具有很高的穩(wěn)定性，這和膠體粒子的結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系。溶可是，膠體又具有很高的穩(wěn)定性，這和膠體粒子的結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系。溶 膠與其他分散體系的差異不僅只是粒子大小不同，還表現(xiàn)在溶膠中粒子構(gòu)膠與其他分散體系的差異不僅只是粒子大小不同，還表現(xiàn)在溶膠中粒子構(gòu) 造的復(fù)雜性。造的復(fù)雜性

34、。 n從真溶液到溶膠是從均相到開始具有相界面的超微不均勻相，因此膠體溶液中除了從真溶液到溶膠是從均相到開始具有相界面的超微不均勻相，因此膠體溶液中除了 分散相和分散介質(zhì)外，還需要少量電解質(zhì)穩(wěn)定劑的存在，以起到保護(hù)粒子的作用。分散相和分散介質(zhì)外，還需要少量電解質(zhì)穩(wěn)定劑的存在，以起到保護(hù)粒子的作用。 n離子吸附在膠核表面上形成雙電層結(jié)構(gòu)，由于帶電和溶劑化作用，膠體粒子才能夠離子吸附在膠核表面上形成雙電層結(jié)構(gòu)，由于帶電和溶劑化作用，膠體粒子才能夠 相對穩(wěn)定地存在于溶液中。相對穩(wěn)定地存在于溶液中。 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B 根據(jù)膠體的電動現(xiàn)象和擴(kuò)散雙電層模型，推測出膠體顆粒結(jié)構(gòu)。根據(jù)膠體的電動

35、現(xiàn)象和擴(kuò)散雙電層模型，推測出膠體顆粒結(jié)構(gòu)。 (AgI)m nI (n-x)K+x xK+ 膠核膠核 膠粒膠粒 核團(tuán)核團(tuán) 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B 1 1、 溶膠的穩(wěn)定性溶膠的穩(wěn)定性 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B n溶劑化的穩(wěn)定作用：保持溶膠穩(wěn)定性的另一因素是溶劑化作用。溶劑化的穩(wěn)定作用：保持溶膠穩(wěn)定性的另一因素是溶劑化作用。 n水為介質(zhì)，膠?？梢园l(fā)生水化作用，而憎液溶膠的膠粒不親水，緊密層和水為介質(zhì)，膠粒可以發(fā)生水化作用，而憎液溶膠的膠粒不親水，緊密層和 擴(kuò)散層中的粒子水化，必然導(dǎo)致膠粒比表面能降低。擴(kuò)散層中的粒子水化，必然導(dǎo)致膠粒比表面能降低。

36、n在膠粒相互碰撞時，膠粒周圍的水化層在膠粒相互碰撞時，膠粒周圍的水化層(或水化外殼或水化外殼)具有一定的彈性，成具有一定的彈性，成 為膠粒接近時的機(jī)械阻力，這兩者都增加了膠粒的穩(wěn)定性。為膠粒接近時的機(jī)械阻力，這兩者都增加了膠粒的穩(wěn)定性。 n溶劑化作用在親液溶膠中也表現(xiàn)的更加顯著。溶劑化作用在親液溶膠中也表現(xiàn)的更加顯著。 n膠粒帶電多少和溶劑化層厚度是決定電勢值的重要因素。膠粒帶電多少和溶劑化層厚度是決定電勢值的重要因素。 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B 電勢的高低表明反離子在吸附層和擴(kuò)散層中的分布情況。電勢的高低表明反離子在吸附層和擴(kuò)散層中的分布情況。 電勢高，表明反離子在吸附層少而在擴(kuò)散層

37、多，反之亦然。膠粒帶電越多，電勢高，表明反離子在吸附層少而在擴(kuò)散層多，反之亦然。膠粒帶電越多， 溶劑化層也越厚，溶膠就越穩(wěn)定。溶劑化層也越厚，溶膠就越穩(wěn)定。 不論從電學(xué)穩(wěn)定性還是從溶劑穩(wěn)定性來看，不論從電學(xué)穩(wěn)定性還是從溶劑穩(wěn)定性來看， 對大多數(shù)憎液溶膠來說，其對大多數(shù)憎液溶膠來說，其 電勢降至電勢降至112113mV以下時，膠粒即開始聚沉。以下時，膠粒即開始聚沉。 溶膠穩(wěn)定性的原因：由于溶膠的動力學(xué)穩(wěn)定性反抗重力作用、膠溶膠穩(wěn)定性的原因：由于溶膠的動力學(xué)穩(wěn)定性反抗重力作用、膠 粒荷電產(chǎn)生的斥力粒荷電產(chǎn)生的斥力(主要因素主要因素)和溶劑化所引起的機(jī)械阻力所致。三和溶劑化所引起的機(jī)械阻力所致。三

38、種因素均可視為斥力因素，所以溶膠的穩(wěn)定和聚沉，可以說是斥種因素均可視為斥力因素，所以溶膠的穩(wěn)定和聚沉，可以說是斥 力與引力的相互轉(zhuǎn)化。力與引力的相互轉(zhuǎn)化。 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B 2、 溶膠的聚沉溶膠的聚沉 憎液溶膠的聚沉憎液溶膠的聚沉 電解質(zhì)對溶膠聚沉的影響電解質(zhì)對溶膠聚沉的影響 由雙電層結(jié)構(gòu)可知，加入少量電解質(zhì)，擴(kuò)散雙電層厚度增大，因而斥力大，溶膠穩(wěn)定。由雙電層結(jié)構(gòu)可知，加入少量電解質(zhì)，擴(kuò)散雙電層厚度增大，因而斥力大，溶膠穩(wěn)定。 但是，外加電解質(zhì)濃度足夠大時，反離子進(jìn)入緊密層較多，致使擴(kuò)散層變小，但是，外加電解質(zhì)濃度足夠大時，反離子進(jìn)入緊密層較多，致使擴(kuò)散層變小， 電勢下電勢下

39、降，因而能使溶膠聚沉。降，因而能使溶膠聚沉。 此外，加入被吸附的離子，這些離子將存在于亥姆霍茲平面內(nèi)，溶膠中本體溶液濃度此外，加入被吸附的離子，這些離子將存在于亥姆霍茲平面內(nèi)，溶膠中本體溶液濃度 并沒有顯著改變，但并沒有顯著改變，但 電勢值將降低，同樣也使溶膠聚沉。電勢值將降低，同樣也使溶膠聚沉。 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B 1) 聚沉能力主要決定于與溶膠帶相反電荷的離子價數(shù)：在指定條件下，引起溶膠明聚沉能力主要決定于與溶膠帶相反電荷的離子價數(shù)：在指定條件下，引起溶膠明 顯聚沉所需電解質(zhì)的最小濃度，稱為該電解質(zhì)的聚沉值。顯聚沉所需電解質(zhì)的最小濃度，稱為該電解質(zhì)的聚沉值。 3) 與溶膠同電

40、性離子的價數(shù)越高，則聚沉能力越低：在相同反離子的情況下，與溶與溶膠同電性離子的價數(shù)越高，則聚沉能力越低：在相同反離子的情況下，與溶 膠帶有相同電荷的同離子對溶膠的聚沉能力也略有影響，其規(guī)律為同電性離子的價數(shù)膠帶有相同電荷的同離子對溶膠的聚沉能力也略有影響，其規(guī)律為同電性離子的價數(shù) 越高，則聚沉能力越低。越高，則聚沉能力越低。 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B 溶膠的相互聚沉溶膠的相互聚沉 。 n與電解質(zhì)的聚沉作用不同之處在于相互聚沉現(xiàn)象對兩種溶膠用量的要求比與電解質(zhì)的聚沉作用不同之處在于相互聚沉現(xiàn)象對兩種溶膠用量的要求比 較嚴(yán)格。較嚴(yán)格。 n只有兩種溶膠電荷相反電量相同時，才能發(fā)生完全聚沉，否

41、則只能發(fā)生部只有兩種溶膠電荷相反電量相同時，才能發(fā)生完全聚沉，否則只能發(fā)生部 分聚沉，甚至不聚沉。分聚沉，甚至不聚沉。 n產(chǎn)生相互聚沉的原因是可以把溶膠粒子看成一個巨大的離子，兩種電荷相產(chǎn)生相互聚沉的原因是可以把溶膠粒子看成一個巨大的離子，兩種電荷相 反的膠粒彼此吸附以至電性中和，使反的膠粒彼此吸附以至電性中和，使 電勢降低所產(chǎn)生的結(jié)果。電勢降低所產(chǎn)生的結(jié)果。 在自然界中因電解質(zhì)引起的膠體聚沉，廣泛地發(fā)生在河流的出口處。在這里河流所攜在自然界中因電解質(zhì)引起的膠體聚沉，廣泛地發(fā)生在河流的出口處。在這里河流所攜 帶的膠體和懸浮物在含鹽的海水作用下便聚沉下來。帶的膠體和懸浮物在含鹽的海水作用下便聚沉

42、下來。 利用相反電荷的膠體相互聚沉給生產(chǎn)和生活帶來很大方便。例如，用明礬凈水，就是利用相反電荷的膠體相互聚沉給生產(chǎn)和生活帶來很大方便。例如，用明礬凈水，就是 利用明礬在水中水解出帶正電的膠體來除去水中帶負(fù)電的膠體污物。利用明礬在水中水解出帶正電的膠體來除去水中帶負(fù)電的膠體污物。 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B 親液溶膠的聚沉親液溶膠的聚沉 鹽析作用鹽析作用 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B n溶劑置換溶劑置換 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B 高分子溶液對僧液溶膠的影響高分子溶液對僧液溶膠的影響 高分子化合物對憎液溶膠有兩重影響：一是絮凝作用，另一是穩(wěn)定作用。高分子化合物對憎液溶膠有兩重影響

43、：一是絮凝作用，另一是穩(wěn)定作用。 高分子化合物的絮凝作用高分子化合物的絮凝作用 在溶膠或懸浮體內(nèi)加入極少量的可溶性高分子化合物，可導(dǎo)致溶膠迅速沉淀，沉在溶膠或懸浮體內(nèi)加入極少量的可溶性高分子化合物，可導(dǎo)致溶膠迅速沉淀，沉 淀呈疏松的棉絮狀，這種現(xiàn)象稱為絮凝作用。能產(chǎn)生絮凝作用的高分子稱為絮凝劑。淀呈疏松的棉絮狀，這種現(xiàn)象稱為絮凝作用。能產(chǎn)生絮凝作用的高分子稱為絮凝劑。 絮凝劑分子一般為鏈狀結(jié)構(gòu)，大多含有能吸附于固體表面的基團(tuán)，同時基團(tuán)還能絮凝劑分子一般為鏈狀結(jié)構(gòu)，大多含有能吸附于固體表面的基團(tuán)，同時基團(tuán)還能 溶于水中，常見基團(tuán)有溶于水中，常見基團(tuán)有COOH、CONH2、SO3Na等，其相對分子

44、質(zhì)量至少需等，其相對分子質(zhì)量至少需 在在106左右，但也不能無限增大，在一定范圍內(nèi)，相對分子質(zhì)量越大，則其絮凝效果左右，但也不能無限增大，在一定范圍內(nèi)，相對分子質(zhì)量越大，則其絮凝效果 越高，但絮凝劑的加入量有一最佳值。越高，但絮凝劑的加入量有一最佳值。 在工藝要求上，一般要求混合均勻，攪拌緩慢，絮凝劑濃度要低，投放速率以在工藝要求上，一般要求混合均勻，攪拌緩慢，絮凝劑濃度要低，投放速率以 慢為好。慢為好。 北京化工大學(xué)材料化學(xué)講稿第5章B n電解質(zhì)的聚沉作用與高分子的絮凝作用完全不同，電解質(zhì)所引起的聚沉作電解質(zhì)的聚沉作用與高分子的絮凝作用完全不同，電解質(zhì)所引起的聚沉作 用是由于其壓縮了溶膠粒子的擴(kuò)散雙電層而導(dǎo)致的。用是由于其壓縮了溶膠粒子的擴(kuò)散雙電層而導(dǎo)致的。 n高分子的絮凝作用是由于吸附了溶膠粒子后，高分子化合物本身的鏈段旋高分子的絮凝作用是由于吸附了溶膠粒子后，高分子化合物本身的鏈段旋 轉(zhuǎn)和運(yùn)動相當(dāng)于本身的轉(zhuǎn)和運(yùn)動相當(dāng)于本身的“痙攣痙攣”作用，直接導(dǎo)致絮凝。因為高分子化合物作用，直接導(dǎo)致絮凝。因為高分子化合物 在離子間起著一種架橋作用，所以稱為在離子間起著一種架橋作用，所以稱為“架橋效應(yīng)架橋效應(yīng)”。 n絮凝作用具有迅速、徹底、沉淀疏松、用量少等特點，有很大的實用價值，絮凝作用具有迅速、徹底、沉淀疏松、用量少