物理化學(xué)：9-1 分散體系分類及其基本特性VIP

1、第九章 膠體分散體系 把一種或幾種物質(zhì)分散在另一種物質(zhì)中就構(gòu)成分散體系。其中，被分散的物質(zhì)稱為分散相（dispersed phase），另一種物質(zhì)稱為分散介質(zhì)（dispersing medium)。例如：云，牛奶，珍珠分散系統(tǒng)：一些物質(zhì)被分散到另一種物質(zhì)中所形成的系統(tǒng)分散系統(tǒng)：一些物質(zhì)被分散到另一種物質(zhì)中所形成的系統(tǒng) 分散相：分散相： 非連續(xù)形式存在的被分散的物質(zhì)非連續(xù)形式存在的被分散的物質(zhì)分散介質(zhì)：連續(xù)相形式存在的物質(zhì)分散介質(zhì)：連續(xù)相形式存在的物質(zhì)分類：分類：分散系統(tǒng)分散系統(tǒng)分散相半徑分散相半徑/n/nm均相系統(tǒng)均相系統(tǒng)（真溶液）（真溶液）小分子溶液小分子溶液 100膠體：分散度為膠體：分散

2、度為1100 nm的分散系統(tǒng)的分散系統(tǒng)第一節(jié) 分散體系分類及其基本特性分散體系通常的分類方法：分子分散體系膠體分散體系粗分散體系（一）按分散相粒子的大小分類：（二）按分散相和介質(zhì)的聚集狀態(tài)分類：液溶膠固溶膠氣溶膠一、分散體系的分類（一）按分散相粒子的大小分類 1.分子分散體系 分散相與分散介質(zhì)以分子或離子形式彼此混溶，沒有界面，是均勻的單相，分子半徑大小在10-9 m以下 。通常把這種體系稱為真溶液，如CuSO4溶液。2.膠體分散體系 分散相粒子的半徑在1 nm100 nm之間的體系。目測是均勻的，但實(shí)際是多相不均勻體系。粒子比普通單個分子大得多，是眾多分子或離子的聚合體。分散相與分散介質(zhì)已不

3、是一相，存在相界面，屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定系統(tǒng)。3.粗分散體系 當(dāng)分散相粒子大于100 nm,目測是混濁不均勻體系，放置后會沉淀或分層，如黃河水。用普通顯微鏡可分辨出是多相系統(tǒng)。（二）按分散相和介質(zhì)聚集狀態(tài)分類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，則形成不同的液溶膠：A.液-固溶膠 如油漆，AgI溶膠B.液-液溶膠 如牛奶，石油原油等乳狀液C.液-氣溶膠 如泡沫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，則形成不同的固溶膠：A.固-固溶膠 如有色玻璃，不完全互溶的合金B(yǎng).固-液溶膠 如珍珠，某些寶石C.固-氣溶膠 如泡沫塑料，沸石分子篩（二）按分散相

4、和介質(zhì)聚集狀態(tài)分類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，形成氣-固或氣-液溶膠，但沒有氣-氣溶膠，因?yàn)椴煌臍怏w混合后是單相均一體系，不屬于膠體范圍.A.氣-固溶膠 如煙，含塵的空氣B.氣-液溶膠 如霧，云（二）按分散相和介質(zhì)聚集狀態(tài)分類二、溶膠的基本特性（1）特有的分散程度 粒子的大小在10-910-7 m之間，因而擴(kuò)散較慢，不能透過半透膜，滲透壓低但有較強(qiáng)的動力穩(wěn)定性 和乳光現(xiàn)象。（2）多相性 具有納米級的粒子是由許多離子或分子聚結(jié)而成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有的保持了該難溶鹽的原有晶體結(jié)構(gòu)，而且粒子大小不一，與介質(zhì)之間有明顯的相界面，比表面很大。（3）熱力學(xué)不穩(wěn)定性 因

5、為粒子小，比表面大，表面自由能高，是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，有自發(fā)降低表面自由能的趨勢，即小粒子會自動聚結(jié)成大粒子。第二節(jié) 溶膠的制備與凈化溶膠的制備 （1）分散法 1.研磨法 2.膠溶法 3.超聲波分散法 4.電弧法（2）凝聚法 1.化學(xué)凝聚法 2.物理凝聚法溶膠的凈化 （1）滲析法（2）超過濾法一、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體系的范圍之內(nèi)，并加入適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定劑。制備方法大致可分為兩類： （1）分散法 用機(jī)械、化學(xué)等方法使固體的粒子變小。 （2）凝聚法 使分子或離子聚結(jié)成膠粒。二種途徑：二種途徑： 溶膠溶膠1100 nm 小分子真溶液小分子真溶液 100 nm 分散分散

6、凝聚凝聚 1.研磨法 用機(jī)械粉碎的方法將固體磨細(xì)。 這種方法適用于脆而易碎的物質(zhì)，對于柔韌性的物質(zhì)必須先硬化后再粉碎。溶膠的制備分散法 A為空心轉(zhuǎn)軸，與C盤相連，向一個方向旋轉(zhuǎn)，B盤向另一方向旋轉(zhuǎn)。 分散相、分散介質(zhì)和穩(wěn)定劑從空心軸A處加入，從C盤與B盤的狹縫中飛出，用兩盤之間的應(yīng)切力將固體粉碎，可得1000 nm左右的粒子。 2.膠溶法又稱解膠法，是將新鮮的凝聚膠粒重新分散在介質(zhì)中形成溶膠，并加入適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定劑。 這種穩(wěn)定劑又稱膠溶劑。根據(jù)膠核所能吸附的離子而選用合適的電解質(zhì)作膠溶劑。 這種方法一般用在化學(xué)凝聚法制溶膠時，為了將多余的電解質(zhì)離子去掉，先將膠粒過濾，洗滌，然后盡快分散在含有膠溶劑

7、的介質(zhì)中，形成溶膠。 例如：AgCl (新鮮沉淀） AgCl(溶膠）AgNOKCl3加或 Fe(OH)3（新鮮沉淀） Fe(OH)3 (溶膠）3FeCl加 3.超聲分散法 如圖所示，將分散相和分散介質(zhì)兩種不混溶的液體放在樣品管4中。樣品管固定在變壓器油浴中。 在兩個電極上通入高頻電流，使電極中間的石英片發(fā)生機(jī)械振蕩，使管中的兩個液相均勻地混合成乳狀液。 溶膠的制備-凝聚法凝聚法是將分子、離子等凝聚而形成溶膠粒子的方法。 1.化學(xué)凝聚法 通過各種化學(xué)反應(yīng)使生成物呈過飽和狀態(tài)，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)定劑一般是某一過量的反應(yīng)物。例如：A.復(fù)分解反應(yīng)制硫化砷

8、溶膠 2H3AsO3（?。? 3H2S As2S3（溶膠）+6H2OB.水解反應(yīng)制氫氧化鐵溶膠 FeCl3 （稀）+3H2O （熱） Fe(OH)3 （溶膠）+3HCl C.氧化還原反應(yīng)制備硫溶膠 2H2S(?。? SO2(g) 2H2O +3S (溶膠） Na2S2O3 +2HCl 2NaCl +H2O +SO2 +S (溶膠） E.離子反應(yīng)制氯化銀溶膠 AgNO3（稀）+ KCl（?。?AgCl (溶膠） +KNO3D.還原反應(yīng)制金溶膠 2HAuCl4(稀）+ 3HCHO +11KOH 2Au(溶膠）+3HCOOK + 8KCl + 8H2O 2.物理凝聚法 A. 更換溶劑法 利用物質(zhì)在不

9、同溶劑中溶解度的顯著差別來制備溶膠，而且兩種溶劑要能完全互溶。 例.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 。 將汞的蒸氣通入冷水中就可以得到汞的水溶膠。 B.蒸氣驟冷法蒸氣冷凝法典型的例子是霧的形成。二、溶膠的凈化 在制備溶膠的過程中，常生成一些多余的電解質(zhì)，如制備 Fe(OH)3溶膠時生成的HCl。 少量電解質(zhì)可以作為溶膠的穩(wěn)定劑，但是過多的電解質(zhì)存在會使溶膠不穩(wěn)定，容易聚沉，所以必須除去。 凈化的方法主要有滲析法和超過濾法。目前凈化溶膠的方法都利用了溶膠粒子不能透過半透膜而一般低分子雜質(zhì)及電解質(zhì)能透過半透膜的性質(zhì)。 溶溶膠膠溶膠溶膠化學(xué)法制備的溶膠，往往含有

10、過多的電解質(zhì)化學(xué)法制備的溶膠，往往含有過多的電解質(zhì) 一定量電解質(zhì)是溶膠穩(wěn)定的必要條件一定量電解質(zhì)是溶膠穩(wěn)定的必要條件 過量電解質(zhì)使溶膠不穩(wěn)定過量電解質(zhì)使溶膠不穩(wěn)定普通滲析普通滲析 半透膜半透膜電滲析電滲析 水水+半透膜半透膜水水水水（1）滲析法（2）超過濾法它是將一定孔徑 的半透膜貼于布氏漏斗底部，漏斗內(nèi)盛膠體溶液。通過減壓抽濾，將膠粒與分散介質(zhì)和小分子雜質(zhì)分開。經(jīng)超濾得到的膠粒重新分散到合適的介質(zhì)中，就得到凈化的溶膠。電超過濾： 有時為了加快過濾速度，在半透膜兩邊安放電極，施以一定電壓，使電滲析和超過濾合并使用，這樣可以降低超過濾壓力。熱運(yùn)動熱運(yùn)動擴(kuò)散，布朗運(yùn)動擴(kuò)散，布朗運(yùn)動 重力場重力場重

11、力降沉和平衡重力降沉和平衡 離心力場離心力場離心降沉和平衡離心降沉和平衡 電學(xué)性質(zhì)電學(xué)性質(zhì) 光學(xué)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì) 動力性質(zhì)動力性質(zhì)溶膠性質(zhì)溶膠性質(zhì) 一、Brown運(yùn)動(Brownian motion) 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。 后來又發(fā)現(xiàn)許多其它物質(zhì)如煤、 化石、金屬等的粉末也都有類似的現(xiàn)象。人們稱微粒的這種運(yùn)動為布朗運(yùn)動。 但在很長的一段時間里，這種現(xiàn)象的本質(zhì)沒有得到闡明。 第三節(jié) 溶膠的動力性質(zhì) 1903年發(fā)明了超顯微鏡，為研究布朗運(yùn)動提供了物質(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，從而能夠測

12、出在一定時間內(nèi)粒子的平均位移。 通過大量觀察，得出結(jié)論：粒子越小，布朗運(yùn)動越激烈。其運(yùn)動激烈的程度不隨時間而改變，但隨溫度的升高而增加。 1905年和1906年愛因斯坦（Einstein)和斯莫魯霍夫斯基（Smoluchowski)分別闡述了Brown運(yùn)動的本質(zhì)。 他們認(rèn)為Brown運(yùn)動是分散介質(zhì)分子以不同大小和不同方向的力對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。隨著粒子增大，撞擊的次數(shù)增多，而作用力抵消的可能性亦大。當(dāng)半徑大于5 m，Brown運(yùn)動消失。二、擴(kuò)散 膠粒也有熱運(yùn)動，因此也具有擴(kuò)散和滲透壓。只是溶膠的濃度較稀，這種現(xiàn)象很不顯著。

13、如圖所示，在CDFE的桶內(nèi)盛溶膠，在某一截面AB的兩側(cè)溶膠的濃度不同，C1C2。 由于分子的熱運(yùn)動和膠粒的布朗運(yùn)動，可以觀察到膠粒從C1區(qū)向C2區(qū)遷移的現(xiàn)象，這就是膠粒的擴(kuò)散作用。從宏觀上看，溶膠粒子在介質(zhì)中由高濃度區(qū)自發(fā)地向低濃度遷移的現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。設(shè)通過AB面的擴(kuò)散質(zhì)量為m，則擴(kuò)散速度為 ，它與濃度梯度和AB截面積A成正比。ddmt斐克第一定律（Ficks first law） 如圖所示，設(shè)任一平行于AB面的截面上濃度是均勻的，但水平方向自左至右濃度變稀，梯度為 。ddcx這就是斐克第一定律。 式中D為擴(kuò)散系數(shù)，其物理意義為：單位濃度梯度、單位時間內(nèi)通過單位截面積的質(zhì)量。 式中負(fù)號表示擴(kuò)散

14、發(fā)生在濃度降低的方向， 0。ddcxddmtdd= -ddmcDAtx 用公式表示為：溶膠粒子在外力場定向移動稱沉降溶膠粒子在外力場定向移動稱沉降 沉降沉降粒子濃集粒子濃集 擴(kuò)散擴(kuò)散粒子分散粒子分散 粒子小，力場小粒子小，力場小擴(kuò)散擴(kuò)散 粒子大或力場大粒子大或力場大沉降沉降 擴(kuò)散沉降相當(dāng)擴(kuò)散沉降相當(dāng)平衡平衡 沉降與擴(kuò)散是兩個相對抗的運(yùn)動沉降與擴(kuò)散是兩個相對抗的運(yùn)動 兩者對抗有三種形態(tài)兩者對抗有三種形態(tài) 重力場：不強(qiáng)的力場，粗分散系（重力場：不強(qiáng)的力場，粗分散系（104m）可有明顯沉降可有明顯沉降 平衡平衡力力： F沉沉 = F阻阻 F沉沉 = F重重 F浮浮= V g V 0g F沉沉 F阻阻

15、 gr0334 F阻阻= 6 r v 6 r v gr0334 沉降速度沉降速度 grv0292（一）重力沉降（二）重力沉降平衡 如果溶膠粒子的密度比分散介質(zhì)的密度大，那么在重力場作用下粒子就有向下沉降的趨勢。沉降的結(jié)果將使底部粒子濃度大于上部，即造成上下濃度差，而擴(kuò)散將促使?jié)舛融呌诰弧．?dāng)這兩種效果相反的作用相等時粒子隨高度的分布形成穩(wěn)定的濃度梯度，達(dá)到平衡狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為沉降平衡。第四節(jié) 溶膠的光學(xué)性質(zhì) 當(dāng)光束通過分散體系時，一部分自由地通過，一部分被吸收、反射或散射。可見光的波長約在400700 nm之間。 （1）當(dāng)光束通過粗分散體系，由于粒子大于入射光的波長，主要發(fā)生反射，使體系呈現(xiàn)

16、混濁。 （2）當(dāng)光束通過膠體溶液，由于膠粒直徑小于可見光波長，主要發(fā)生散射，可以看見乳白色的光柱。 （3）當(dāng)光束通過分子溶液，由于溶液十分均勻，散射光因相互干涉而完全抵消，看不見散射光。一、一、Tyndall現(xiàn)象現(xiàn)象 Tyndall效應(yīng)實(shí)際上已成為判別溶膠與分子溶液的最簡便的方法。 1869年Tyndall發(fā)現(xiàn)，若令一束會聚光通過溶膠，從側(cè)面（即與光束垂直的方向）可以看到一個發(fā)光的圓柱體，這就是Tyndall效應(yīng)。其他分散體系也會產(chǎn)生一點(diǎn)散射光，但遠(yuǎn)不如溶膠顯著。 分散相粒子的體積越大，散射光越強(qiáng)；分分散相粒子的體積越大，散射光越強(qiáng)；分散相與分散介質(zhì)對光的折射率差越大，散射光散相與分散介質(zhì)對光的折射率差越大，散射光亦越強(qiáng)。亦越強(qiáng)。Rayleigh 研究了非導(dǎo)體、不吸收光的研究了非導(dǎo)體、不吸收光的球形粒子散射光的規(guī)律性，導(dǎo)出了散射公式：球形粒子散射光的規(guī)律性，導(dǎo)出了散射公式： 22022024230224nnnnVII二、二、Rayleigh公式公式 從Rayleigh公式可得