膠體化學(xué)第3章

1、第三章第三章 膠體分散體系的物理化學(xué)性質(zhì)膠體分散體系的物理化學(xué)性質(zhì)第一節(jié)第一節(jié) 溶膠的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)溶膠的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)一、布朗運(yùn)動(dòng)：一、布朗運(yùn)動(dòng)： 固體懸浮粒子在液體中不停地作無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。固體懸浮粒子在液體中不停地作無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。 布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的原因：布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的原因：懸浮在液體中的固體顆粒處在液體分子的懸浮在液體中的固體顆粒處在液體分子的包圍之中，而液體分子一直處于不停的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，撞擊著懸浮包圍之中，而液體分子一直處于不停的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，撞擊著懸浮粒子，粒子，當(dāng)粒子相當(dāng)小時(shí)（例如膠粒），當(dāng)粒子相當(dāng)小時(shí)（例如膠粒），此種撞擊可以是瞬間不均此種撞擊可以是瞬間不均衡的，這一撞擊力推動(dòng)粒子不停地作無(wú)規(guī)

2、則運(yùn)動(dòng)。衡的，這一撞擊力推動(dòng)粒子不停地作無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。 由于布朗運(yùn)動(dòng)是無(wú)規(guī)則的，因而就單個(gè)質(zhì)點(diǎn)而言，它由于布朗運(yùn)動(dòng)是無(wú)規(guī)則的，因而就單個(gè)質(zhì)點(diǎn)而言，它 們向各方向運(yùn)動(dòng)的幾率均等。但在濃度較高的區(qū)域，們向各方向運(yùn)動(dòng)的幾率均等。但在濃度較高的區(qū)域， 由于單位體積內(nèi)質(zhì)點(diǎn)數(shù)較周圍多，因而必定是由于單位體積內(nèi)質(zhì)點(diǎn)數(shù)較周圍多，因而必定是“出多出多進(jìn)進(jìn) 少少”，使?jié)舛冉档?。而低濃度區(qū)域則相反，這就表現(xiàn)，使?jié)舛冉档?。而低濃度區(qū)域則相反，這就表現(xiàn)為為 擴(kuò)散擴(kuò)散。v所以，所以，擴(kuò)散是布朗運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)，而布朗運(yùn)動(dòng)是擴(kuò)擴(kuò)散是布朗運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)，而布朗運(yùn)動(dòng)是擴(kuò) 散的微觀基礎(chǔ)。散的微觀基礎(chǔ)。 1905年，年，Einstei

3、n從理論上導(dǎo)出了半徑為從理論上導(dǎo)出了半徑為r的球形粒子的的球形粒子的平位移平位移X和擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)D的方程。的方程。 （ Einstein布朗運(yùn)動(dòng)公式）布朗運(yùn)動(dòng)公式）式中：式中：R為氣體常數(shù)；為氣體常數(shù)；NA為為Avogadro常數(shù)；常數(shù)；T為熱力學(xué)為熱力學(xué)溫度；溫度； t為位移時(shí)間；為位移時(shí)間；為介質(zhì)的黏度。為介質(zhì)的黏度。為波茲曼常數(shù)為波茲曼常數(shù)21)3(3rTtrNRTtXAvD = （Einstein第一擴(kuò)散公式）第一擴(kuò)散公式）v由于運(yùn)動(dòng)阻力系數(shù)由于運(yùn)動(dòng)阻力系數(shù) f = D = v = （Einstein第二擴(kuò)散公式）第二擴(kuò)散公式） ANRTr 61r 6fNRTAXDt2二、重力場(chǎng)

4、中的沉降作用二、重力場(chǎng)中的沉降作用v分散于氣體或液體介質(zhì)中的微粒，都受到兩種方向相分散于氣體或液體介質(zhì)中的微粒，都受到兩種方向相反的作用力。反的作用力。 （1 1）重力）重力F F1 1：如果微粒的密度比介質(zhì)的大，微粒就會(huì)：如果微粒的密度比介質(zhì)的大，微粒就會(huì)因重力而下沉，因重力而下沉，這種現(xiàn)象稱為沉降這種現(xiàn)象稱為沉降。 （2 2）擴(kuò)散力）擴(kuò)散力F F2 2（由布朗運(yùn)動(dòng)引起）：與沉降作用相反，（由布朗運(yùn)動(dòng)引起）：與沉降作用相反，擴(kuò)散擴(kuò)散力能促進(jìn)體系中粒子濃度趨于均勻。所以又稱粒力能促進(jìn)體系中粒子濃度趨于均勻。所以又稱粒子沉降時(shí)所受的運(yùn)動(dòng)阻力。子沉降時(shí)所受的運(yùn)動(dòng)阻力。v當(dāng)這兩種作用力相等時(shí)，就達(dá)到

5、平衡狀態(tài)。在重力場(chǎng)當(dāng)這兩種作用力相等時(shí)，就達(dá)到平衡狀態(tài)。在重力場(chǎng)中，質(zhì)點(diǎn)將作勻速運(yùn)動(dòng)。對(duì)于半徑為中，質(zhì)點(diǎn)將作勻速運(yùn)動(dòng)。對(duì)于半徑為r r的球形粒子：的球形粒子： grF)(34031 v按按Stokes定律，粒子沉降時(shí)所受的阻力定律，粒子沉降時(shí)所受的阻力(擴(kuò)散力擴(kuò)散力)為為v當(dāng)當(dāng)F1 = F2時(shí)，粒子勻速下降。時(shí)，粒子勻速下降。 = v則：粒子半徑則：粒子半徑 沉降速度沉降速度 （沉降公式）（沉降公式）v因此，在其他條件相同時(shí)，因此，在其他條件相同時(shí)，v與與r2成正比，即粒子越大，沉降速成正比，即粒子越大，沉降速度顯著增加。粒子越小，沉降速度將很快降低。度顯著增加。粒子越小，沉降速度將很快降低。

6、vrvfF 62gr)(3403 rv6gvr)(290 9)(202grtHvv所以，許多溶膠往往需要幾天甚至幾年才能達(dá)到沉降平所以，許多溶膠往往需要幾天甚至幾年才能達(dá)到沉降平衡，這說(shuō)明了溶膠在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)能保持穩(wěn)定不沉降衡，這說(shuō)明了溶膠在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)能保持穩(wěn)定不沉降的原因，而且也說(shuō)明了的原因，而且也說(shuō)明了為什么溶膠是不平衡體系為什么溶膠是不平衡體系。v從上式還可以看出，沉降速度從上式還可以看出，沉降速度v v與介質(zhì)的黏度成反比。與介質(zhì)的黏度成反比。因此增加介質(zhì)的黏度，可以提高粗分散粒子在介質(zhì)中的因此增加介質(zhì)的黏度，可以提高粗分散粒子在介質(zhì)中的穩(wěn)定性。生產(chǎn)中常常利用這一道理，加入增稠劑，

7、以使穩(wěn)定性。生產(chǎn)中常常利用這一道理，加入增稠劑，以使粗分散體系穩(wěn)定。粗分散體系穩(wěn)定。v另外，沉降公式中各種物理量都是可以測(cè)定的，因此若另外，沉降公式中各種物理量都是可以測(cè)定的，因此若測(cè)出沉降速度測(cè)出沉降速度v v等的數(shù)據(jù)，便可求得粒子半徑等的數(shù)據(jù)，便可求得粒子半徑 r r。反之，。反之，若已知粒子的大小，則可以從測(cè)定一定時(shí)間內(nèi)沉降的距若已知粒子的大小，則可以從測(cè)定一定時(shí)間內(nèi)沉降的距離來(lái)計(jì)算離來(lái)計(jì)算。v三、離心力場(chǎng)中的沉降作用三、離心力場(chǎng)中的沉降作用 v對(duì)典型膠體溶液（其粒子大小在對(duì)典型膠體溶液（其粒子大小在1 1100nm100nm）來(lái)說(shuō)，在）來(lái)說(shuō)，在重力場(chǎng)下其沉降速度太小，完全可以忽略不計(jì)。

8、這意重力場(chǎng)下其沉降速度太小，完全可以忽略不計(jì)。這意味著溶膠具有動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)也說(shuō)明上述沉降公味著溶膠具有動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)也說(shuō)明上述沉降公式和沉降分析原理實(shí)際上不能應(yīng)用于溶膠。式和沉降分析原理實(shí)際上不能應(yīng)用于溶膠。溶膠中的溶膠中的膠粒只有在超離心力場(chǎng)中才能以顯著的速度沉降。膠粒只有在超離心力場(chǎng)中才能以顯著的速度沉降。v 1924年，瑞典科學(xué)家年，瑞典科學(xué)家Svedberg發(fā)明了超離心機(jī)，發(fā)明了超離心機(jī)，可使離心力為重力的可使離心力為重力的100倍以上，這就可使小粒子以倍以上，這就可使小粒子以較快的速度沉降。較快的速度沉降。v 在離心力場(chǎng)中，沉降公式仍可應(yīng)用，在離心力場(chǎng)中，沉降公式仍可應(yīng)用，

9、只是用離心加速只是用離心加速度度2 2x x代替重力加速度代替重力加速度g g。同時(shí)，粒子在沉降過(guò)程中，。同時(shí)，粒子在沉降過(guò)程中，x x會(huì)改變，速度會(huì)改變，速度v v也是個(gè)變值，須將也是個(gè)變值，須將v v改成改成dx/dtdx/dt。當(dāng)離。當(dāng)離心力與阻力相等時(shí)，則心力與阻力相等時(shí)，則dtdxrxr 6)(34203v對(duì)上式作定積分，則得對(duì)上式作定積分，則得v粒子半徑粒子半徑v式中，式中，x x1 1和和x x2 2分別為離心時(shí)間分別為離心時(shí)間t t1 1和和t t2 2時(shí)微粒和旋轉(zhuǎn)軸之時(shí)微粒和旋轉(zhuǎn)軸之間的距離。間的距離。v測(cè)出此種數(shù)據(jù)并取得其他有關(guān)數(shù)據(jù)，便可求得粒子的測(cè)出此種數(shù)據(jù)并取得其他有關(guān)

10、數(shù)據(jù)，便可求得粒子的半徑半徑r r。v離心力場(chǎng)中粒子的沉降速度離心力場(chǎng)中粒子的沉降速度v v離離v 21122012)()()/(29ttxxInr 92202xrv）（離離 v在重力場(chǎng)或離心力場(chǎng)中，用沉降方法可以測(cè)定的在重力場(chǎng)或離心力場(chǎng)中，用沉降方法可以測(cè)定的最小最小質(zhì)點(diǎn)的極限值質(zhì)點(diǎn)的極限值，取決于布郎運(yùn)動(dòng)的速度（或平均位，取決于布郎運(yùn)動(dòng)的速度（或平均位移）。移）。v只有布朗運(yùn)動(dòng)的位移明顯小于質(zhì)點(diǎn)在重力場(chǎng)或離心力只有布朗運(yùn)動(dòng)的位移明顯小于質(zhì)點(diǎn)在重力場(chǎng)或離心力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的路程（至少小一個(gè)數(shù)量級(jí)）時(shí)，才能用沉場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的路程（至少小一個(gè)數(shù)量級(jí)）時(shí)，才能用沉降分析的方法測(cè)定膠體體系中粒子的大小和分布。

11、降分析的方法測(cè)定膠體體系中粒子的大小和分布。v一般，在重力場(chǎng)中，可對(duì)質(zhì)點(diǎn)半徑在一般，在重力場(chǎng)中，可對(duì)質(zhì)點(diǎn)半徑在10-510-6米的粗米的粗分散體系進(jìn)行分散分析；分散體系進(jìn)行分散分析；v在離心加速度為在離心加速度為200g的離心力場(chǎng)中，質(zhì)點(diǎn)半徑的下的離心力場(chǎng)中，質(zhì)點(diǎn)半徑的下限約為限約為10-7米；米；v在離心加速度為在離心加速度為1000g的離心力場(chǎng)中，則質(zhì)點(diǎn)半徑的離心力場(chǎng)中，則質(zhì)點(diǎn)半徑約為約為0.510-7米；米；v對(duì)于質(zhì)點(diǎn)很小的體系（對(duì)于質(zhì)點(diǎn)很小的體系（r0.510-7米）需用超離心米）需用超離心機(jī)進(jìn)行分散分析。超離心機(jī)的離心加速度可達(dá)機(jī)進(jìn)行分散分析。超離心機(jī)的離心加速度可達(dá)105106g。

12、四、擴(kuò)散四、擴(kuò)散 由于溶膠粒子處在不停的布郎運(yùn)動(dòng)中，粒子會(huì)從高濃由于溶膠粒子處在不停的布郎運(yùn)動(dòng)中，粒子會(huì)從高濃 度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散。如圖所示度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散。如圖所示 若只考慮沿若只考慮沿x x方向擴(kuò)散，并方向擴(kuò)散，并 設(shè)設(shè)m m為擴(kuò)散量，則通過(guò)平面為擴(kuò)散量，則通過(guò)平面 ABCDABCD的擴(kuò)散速度的擴(kuò)散速度dm/dtdm/dt與與 該處的濃度梯度該處的濃度梯度dc/dxdc/dx和平面和平面 的面積的面積A A成正比，即成正比，即dxAdcDdtdm 這個(gè)公式就是這個(gè)公式就是Fick第一擴(kuò)散定律第一擴(kuò)散定律。它的物理意義是：?jiǎn)挝粷狻Ｋ奈锢硪饬x是：?jiǎn)挝粷舛忍荻葧r(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)，擴(kuò)散通

13、過(guò)單位面積的質(zhì)量。度梯度時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)，擴(kuò)散通過(guò)單位面積的質(zhì)量。 Fick第一擴(kuò)散定律只適用于濃度梯度恒定的情況。實(shí)際上在第一擴(kuò)散定律只適用于濃度梯度恒定的情況。實(shí)際上在擴(kuò)散時(shí)，濃度梯度是不斷變化的。所以濃度隨時(shí)間的變化為：擴(kuò)散時(shí)，濃度梯度是不斷變化的。所以濃度隨時(shí)間的變化為： Fick第二擴(kuò)散定律第二擴(kuò)散定律 通過(guò)擴(kuò)散試驗(yàn)，并運(yùn)用通過(guò)擴(kuò)散試驗(yàn)，并運(yùn)用Fick擴(kuò)散定律，可求粒子的擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散定律，可求粒子的擴(kuò)散系數(shù)D；從；從D可求得粒子的大小和形狀?？汕蟮昧Ｗ拥拇笮『托螤睢?22dxcdDdtdc例題：例題： 1、在下述條件下計(jì)算和比較質(zhì)點(diǎn)在重力場(chǎng)中和離心力場(chǎng)中的、在下述條件下計(jì)算和比較質(zhì)點(diǎn)

14、在重力場(chǎng)中和離心力場(chǎng)中的沉降速度：質(zhì)點(diǎn)半徑沉降速度：質(zhì)點(diǎn)半徑 r = 1x10-7m；分散相密度；分散相密度=2x103Kg/m3；分散介質(zhì)密度分散介質(zhì)密度0=1x103 Kg/m3；黏度；黏度=1x10-3Pas；離心加速；離心加速度度2x=200g.2、計(jì)算和比較上題中的質(zhì)點(diǎn)在重力場(chǎng)和離心力場(chǎng)中沉降高度、計(jì)算和比較上題中的質(zhì)點(diǎn)在重力場(chǎng)和離心力場(chǎng)中沉降高度H=0.1m時(shí)的沉降時(shí)間。時(shí)的沉降時(shí)間。3、在、在300K為使半徑為為使半徑為5x10-8m的質(zhì)點(diǎn)發(fā)生沉降需用多大離心的質(zhì)點(diǎn)發(fā)生沉降需用多大離心加速度的離心機(jī)？已知質(zhì)點(diǎn)密度加速度的離心機(jī)？已知質(zhì)點(diǎn)密度=3x103Kg/m3；分散介質(zhì)密；分散

15、介質(zhì)密度度0=1x103 Kg/m3；黏度；黏度=1x10-3 Pas。作業(yè)：作業(yè)：1、設(shè)微粒半徑為、設(shè)微粒半徑為10-3 cm，粒子密度為，粒子密度為10g/cm3，介質(zhì)水的密度為介質(zhì)水的密度為1g/cm3，水的黏度為，水的黏度為1.15mPas,試計(jì)算沉降速度試計(jì)算沉降速度v. 第二節(jié)第二節(jié) 溶膠的光學(xué)性質(zhì)溶膠的光學(xué)性質(zhì) 一、丁達(dá)爾效應(yīng)一、丁達(dá)爾效應(yīng) 許多溶膠外觀常是有色透明的。以一束強(qiáng)烈的光線射入溶膠許多溶膠外觀常是有色透明的。以一束強(qiáng)烈的光線射入溶膠后，在入射光的垂直方向可以看到一道明亮的光帶。這個(gè)現(xiàn)后，在入射光的垂直方向可以看到一道明亮的光帶。這個(gè)現(xiàn)象首先被象首先被Tyndall發(fā)現(xiàn)

16、，故稱為發(fā)現(xiàn)，故稱為丁達(dá)爾效應(yīng)或丁達(dá)爾現(xiàn)象。丁達(dá)爾效應(yīng)或丁達(dá)爾現(xiàn)象。 用純水或真溶液做試驗(yàn)，用肉眼觀察不到此種現(xiàn)象。用純水或真溶液做試驗(yàn)，用肉眼觀察不到此種現(xiàn)象。v丁達(dá)爾現(xiàn)象是溶膠的特征丁達(dá)爾現(xiàn)象是溶膠的特征。 丁達(dá)爾現(xiàn)象在日常生活中能經(jīng)常見(jiàn)到。丁達(dá)爾現(xiàn)象在日常生活中能經(jīng)常見(jiàn)到。v產(chǎn)生的原因產(chǎn)生的原因膠粒對(duì)光的散射的結(jié)果。（膠粒對(duì)光的散射的結(jié)果。（散射，就散射，就是在光的前進(jìn)方向之外也能觀察到光的現(xiàn)象是在光的前進(jìn)方向之外也能觀察到光的現(xiàn)象）v光本質(zhì)上是電磁波。當(dāng)光波作用在介質(zhì)中粒子尺寸光本質(zhì)上是電磁波。當(dāng)光波作用在介質(zhì)中粒子尺寸小小于光波波長(zhǎng)的粒子上于光波波長(zhǎng)的粒子上時(shí)，粒子中的電子被迫振動(dòng)，

17、成時(shí)，粒子中的電子被迫振動(dòng)，成為二次波源，向各個(gè)方向發(fā)射電磁波，這就是散射光為二次波源，向各個(gè)方向發(fā)射電磁波，這就是散射光波，也就是我們所觀察到的散射光。因此，波，也就是我們所觀察到的散射光。因此，丁達(dá)爾效丁達(dá)爾效應(yīng)是膠粒對(duì)光的散射作用的宏觀表現(xiàn)。應(yīng)是膠粒對(duì)光的散射作用的宏觀表現(xiàn)。二、二、Rayleigh散射散射產(chǎn)生光散射的因素很多，這里只介紹產(chǎn)生光散射的因素很多，這里只介紹Rayleigh散射。散射。（1）光散射的基本原理）光散射的基本原理v在極高頻率的電場(chǎng)中，粒子本身也將以極高頻率在極高頻率的電場(chǎng)中，粒子本身也將以極高頻率振蕩振蕩。 一個(gè)帶有電荷一個(gè)帶有電荷q q的粒子放在電場(chǎng)的粒子放在電

18、場(chǎng)E E中，它就會(huì)受到電場(chǎng)中，它就會(huì)受到電場(chǎng)力力F F，如果粒子的質(zhì)量為，如果粒子的質(zhì)量為m m，力，力F F將使它產(chǎn)生一個(gè)加速將使它產(chǎn)生一個(gè)加速度度a a， v由電磁理論可知，任何帶電粒子發(fā)生振蕩時(shí)都可由電磁理論可知，任何帶電粒子發(fā)生振蕩時(shí)都可以成為電磁輻射源。因此，一個(gè)振動(dòng)的偶極子就成為以成為電磁輻射源。因此，一個(gè)振動(dòng)的偶極子就成為一個(gè)輻射源，向空間發(fā)射電磁波。散射波強(qiáng)度一個(gè)輻射源，向空間發(fā)射電磁波。散射波強(qiáng)度IaIa2 2(q/m)(q/m)2 2E E2 2qEF maF Emqa v散射主要是電子的散射作用。散射主要是電子的散射作用。 光波對(duì)原子的作用，實(shí)際上是對(duì)原子中的電子、質(zhì)光波

19、對(duì)原子的作用，實(shí)際上是對(duì)原子中的電子、質(zhì) 子和中子凈作用結(jié)果。子和中子凈作用結(jié)果。 由于中子不帶電荷，它對(duì)光不起散射作用；由于中子不帶電荷，它對(duì)光不起散射作用； 質(zhì)子具有基本電荷質(zhì)子具有基本電荷 e，質(zhì)量為，質(zhì)量為mp，電子具有基本電，電子具有基本電 荷荷 e，質(zhì)量為，質(zhì)量為me， mp=1837me，則光波強(qiáng)度，則光波強(qiáng)度 （而（而 IaIa2 2(q/m)(q/m)2 2E E2 2）所以）所以 Ie/Ip=18372 電子的散射波強(qiáng)度電子的散射波強(qiáng)度Ie遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于質(zhì)子的散射波強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于質(zhì)子的散射波強(qiáng)度Ip。（2） Rayleigh散射光強(qiáng)度散射光強(qiáng)度 RayleighRayleigh曾詳

20、細(xì)研究過(guò)丁達(dá)爾現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)粒子的曾詳細(xì)研究過(guò)丁達(dá)爾現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)粒子的散散射光強(qiáng)度射光強(qiáng)度I I與與入射光強(qiáng)度入射光強(qiáng)度I I0 0之間有如下關(guān)系：之間有如下關(guān)系：v v式中，式中，c c 為單位體積中的質(zhì)點(diǎn)數(shù)；為單位體積中的質(zhì)點(diǎn)數(shù)；v v為單個(gè)粒子的為單個(gè)粒子的體積體積( (其線性大小應(yīng)遠(yuǎn)小于入射光波長(zhǎng)其線性大小應(yīng)遠(yuǎn)小于入射光波長(zhǎng)) )；為入射為入射光波長(zhǎng)；光波長(zhǎng)；n n1 1和和n n2 2分別為分散介質(zhì)和分散相的折射率。分別為分散介質(zhì)和分散相的折射率。 0221222122423)224InnnncvI （ 上式稱為上式稱為Rayleigh散射定律。由此定律可知：散射定律。由此定律可知：v散射

21、光的強(qiáng)度與入射光波長(zhǎng)的散射光的強(qiáng)度與入射光波長(zhǎng)的4 4次方成反比，即波長(zhǎng)越次方成反比，即波長(zhǎng)越短的光越易被散射。短的光越易被散射。v散射光的強(qiáng)度與單位體積中的質(zhì)點(diǎn)數(shù)成正比。散射光的強(qiáng)度與單位體積中的質(zhì)點(diǎn)數(shù)成正比。v散射光的強(qiáng)度與粒子體積的平方成正比。散射光的強(qiáng)度與粒子體積的平方成正比。v(利用丁達(dá)爾現(xiàn)象可以鑒別溶膠和真溶液利用丁達(dá)爾現(xiàn)象可以鑒別溶膠和真溶液)v散射光的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度散射光的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度I0成正比。成正比。v粒子的折射率與周圍介質(zhì)的折射率相差越大，粒子的散粒子的折射率與周圍介質(zhì)的折射率相差越大，粒子的散 射光越強(qiáng)。射光越強(qiáng)。0221222122423)224Innnnc

22、vI （ 第三節(jié)第三節(jié) 電電 學(xué)學(xué) 性性 質(zhì)質(zhì) 一、溶膠粒子表面上電荷的來(lái)源一、溶膠粒子表面上電荷的來(lái)源 任何溶膠粒子表面上總是帶有電荷的。任何溶膠粒子表面上總是帶有電荷的。v溶膠粒子表面電荷的主要來(lái)源有以下溶膠粒子表面電荷的主要來(lái)源有以下5個(gè)方面：個(gè)方面：v電離作用電離作用 有些溶膠粒子是電解質(zhì)，它在水中可離解成帶正電荷有些溶膠粒子是電解質(zhì)，它在水中可離解成帶正電荷的離子或帶負(fù)電荷的離子，從而使整個(gè)大分子帶電。的離子或帶負(fù)電荷的離子，從而使整個(gè)大分子帶電。v固體（溶膠粒子）表面對(duì)離子的吸附固體（溶膠粒子）表面對(duì)離子的吸附 固體表面對(duì)電解質(zhì)正負(fù)離子的不等量吸附可獲得電荷。固體表面對(duì)電解質(zhì)正負(fù)離

23、子的不等量吸附可獲得電荷。 影響吸附的因素主要有兩個(gè)。影響吸附的因素主要有兩個(gè)。 一、水化能力強(qiáng)的離子往往留在溶液中，水化一、水化能力強(qiáng)的離子往往留在溶液中，水化 能力弱的離子則容易被吸附于固體表面。由于陽(yáng)能力弱的離子則容易被吸附于固體表面。由于陽(yáng)離子的水化能力一般強(qiáng)于陰離子，所以固體表面帶離子的水化能力一般強(qiáng)于陰離子，所以固體表面帶負(fù)電荷的可能性比帶正電荷的來(lái)得大。負(fù)電荷的可能性比帶正電荷的來(lái)得大。v二、凡是與溶膠粒子的組成相同的離子最容易被吸二、凡是與溶膠粒子的組成相同的離子最容易被吸 附，這是因?yàn)榫Я１砻嫔先菀孜嚼^續(xù)形成結(jié)晶附，這是因?yàn)榫Я１砻嫔先菀孜嚼^續(xù)形成結(jié)晶 格子的離子。格子的

24、離子。離子晶體的溶解離子晶體的溶解 由離子型的固體物質(zhì)所形成的溶膠具有兩種電荷相反由離子型的固體物質(zhì)所形成的溶膠具有兩種電荷相反的離子，如果這兩種離子的溶解是不等量的，那么溶膠的離子，如果這兩種離子的溶解是不等量的，那么溶膠表面上也可以獲得電荷。表面上也可以獲得電荷。晶格取代晶格取代 晶格取代是黏土粒子帶電的一種特殊情況，在其它溶晶格取代是黏土粒子帶電的一種特殊情況，在其它溶膠中很少見(jiàn)到。膠中很少見(jiàn)到。摩擦帶電摩擦帶電由于兩相在接觸時(shí)對(duì)電子有不同親和力，這就使電子由由于兩相在接觸時(shí)對(duì)電子有不同親和力，這就使電子由一相流入另一相。一般，介電常數(shù)較大的相將帶正電，一相流入另一相。一般，介電常數(shù)較大

25、的相將帶正電，另一相則帶負(fù)電。另一相則帶負(fù)電。二、擴(kuò)散雙電層理論二、擴(kuò)散雙電層理論 當(dāng)固體表面帶電以后，由于靜電吸引，固體表面的電當(dāng)固體表面帶電以后，由于靜電吸引，固體表面的電荷吸引溶液中帶相反電荷的離子（反離子），使其向固荷吸引溶液中帶相反電荷的離子（反離子），使其向固體表面靠攏，構(gòu)成了體表面靠攏，構(gòu)成了所謂雙電層。所謂雙電層。（1）Helmholdz 平行板電容器模型平行板電容器模型 固體表面為一個(gè)帶電層，離開(kāi)固體固體表面為一個(gè)帶電層，離開(kāi)固體表面一定距離的溶液是另一個(gè)帶相反表面一定距離的溶液是另一個(gè)帶相反電荷的電層（反離子電層）。電荷的電層（反離子電層）。兩平面間的電位為兩平面間的電位為

26、0，可用，可用Helmholdz公式來(lái)計(jì)算：公式來(lái)計(jì)算： 式中，式中，為介質(zhì)的介電常數(shù)；為介質(zhì)的介電常數(shù)； 為固體表面的電荷密度；為固體表面的電荷密度； 為兩平面距離。為兩平面距離。 40（2）Gouy-Chapman擴(kuò)散雙電層模型擴(kuò)散雙電層模型 由于由于Helmholdz忽略了溶液中離子的熱運(yùn)動(dòng)，所以忽略了溶液中離子的熱運(yùn)動(dòng)，所以 Helmholdz模型不能解釋模型不能解釋溶膠的實(shí)際電性質(zhì)溶膠的實(shí)際電性質(zhì)。實(shí)際上。實(shí)際上 溶液中溶液中 與固體表面電荷相反的離子同時(shí)受到兩種相反力的作用，即固與固體表面電荷相反的離子同時(shí)受到兩種相反力的作用，即固 體表面電荷的靜電吸引和離子本身無(wú)體表面電荷的靜電

27、吸引和離子本身無(wú) 規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。在這兩在這兩 種力的作用下，溶液中的反離子不可能像平板電容器那樣完全種力的作用下，溶液中的反離子不可能像平板電容器那樣完全 整齊地排列。整齊地排列。為此，為此， Gouy- Chapman提出了提出了擴(kuò)散雙電層模型擴(kuò)散雙電層模型.為了研究雙電層內(nèi)的電荷與電位的分布，為了研究雙電層內(nèi)的電荷與電位的分布，Gouy- Chapman作作了如下假設(shè)：了如下假設(shè)：(P(P5151) ) 其中有其中有 擴(kuò)散層中的反離子視為點(diǎn)電擴(kuò)散層中的反離子視為點(diǎn)電荷（不考慮離子大小），其分布服從荷（不考慮離子大?。浞植挤腂oltzman能量定律。能量定律。 Gouy-

28、 Chapman認(rèn)為：離子的分布規(guī)律取決于熱運(yùn)動(dòng)和靜電認(rèn)為：離子的分布規(guī)律取決于熱運(yùn)動(dòng)和靜電引力的相對(duì)大小。引力的相對(duì)大小。 Gouy- Chapman擴(kuò)散雙電層模型擴(kuò)散雙電層模型.v應(yīng)用擴(kuò)散雙電層理論，可得到雙電層內(nèi)的電荷與電位的分布：應(yīng)用擴(kuò)散雙電層理論，可得到雙電層內(nèi)的電荷與電位的分布：xe021220)8(kTezn上式表明擴(kuò)散層內(nèi)的電位隨離表面的距離上式表明擴(kuò)散層內(nèi)的電位隨離表面的距離x的增加而指數(shù)下降。的增加而指數(shù)下降。下降的快慢由下降的快慢由的大小決定。的大小決定。由于指數(shù)由于指數(shù)xx 無(wú)量綱，而無(wú)量綱，而x x為長(zhǎng)度單位，所以為長(zhǎng)度單位，所以“1/”1/”具有長(zhǎng)度單位，通常用它代

29、表具有長(zhǎng)度單位，通常用它代表擴(kuò)散雙電層的厚度擴(kuò)散雙電層的厚度。所。所以不同的電解質(zhì)濃度或離子價(jià)數(shù)有不同的擴(kuò)散雙電層以不同的電解質(zhì)濃度或離子價(jià)數(shù)有不同的擴(kuò)散雙電層厚度。厚度。v下圖為不同電解質(zhì)濃度或離子價(jià)數(shù)的溶液的電位分布曲線。下圖為不同電解質(zhì)濃度或離子價(jià)數(shù)的溶液的電位分布曲線。v從圖中可看出電位從圖中可看出電位隨距離隨距離x x的變化，以及雙電層厚度的變的變化，以及雙電層厚度的變化。化。v固體表面電荷密度固體表面電荷密度與表面電位與表面電位0的關(guān)系：的關(guān)系：v 0)(4xdxd將電位分布方程帶入，求導(dǎo)，則得：將電位分布方程帶入，求導(dǎo)，則得：0000)exp(lim)(xdxdxx)/1 (40

30、式中式中1/1/與平行電容器兩板間距與平行電容器兩板間距相當(dāng)。這就是為什么通常將相當(dāng)。這就是為什么通常將1/1/稱稱為雙電層厚度的原因。為雙電層厚度的原因。v（3）斯特恩（）斯特恩（Stern)雙電層模型雙電層模型v由于由于GouyGouy- Chapman- Chapman的雙電層理論存在點(diǎn)電荷的假設(shè)，與實(shí)際的雙電層理論存在點(diǎn)電荷的假設(shè)，與實(shí)際溶液中的離子存在形式不附，致使電荷密度溶液中的離子存在形式不附，致使電荷密度的計(jì)算值出現(xiàn)的計(jì)算值出現(xiàn)問(wèn)題。所以必須修正。問(wèn)題。所以必須修正。v斯特恩發(fā)展了擴(kuò)散雙電層理論。斯特恩發(fā)展了擴(kuò)散雙電層理論。v三、分散體系的動(dòng)電現(xiàn)象三、分散體系的動(dòng)電現(xiàn)象v 在外

31、加電場(chǎng)作用下帶電的分散相與分散介質(zhì)可產(chǎn)生相在外加電場(chǎng)作用下帶電的分散相與分散介質(zhì)可產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)或電位差，這就是分散體系的動(dòng)電現(xiàn)象。對(duì)運(yùn)動(dòng)或電位差，這就是分散體系的動(dòng)電現(xiàn)象。v 四種動(dòng)電現(xiàn)象四種動(dòng)電現(xiàn)象v（1 1）電泳：）電泳：在外加電場(chǎng)作用下，帶電粒子相對(duì)于靜止不動(dòng)在外加電場(chǎng)作用下，帶電粒子相對(duì)于靜止不動(dòng)的液體做相對(duì)運(yùn)動(dòng)；的液體做相對(duì)運(yùn)動(dòng)；v（2 2）電滲：）電滲：在外加電場(chǎng)作用下，液相相對(duì)于靜止不動(dòng)的帶在外加電場(chǎng)作用下，液相相對(duì)于靜止不動(dòng)的帶電電表面（毛細(xì)管或多孔塞）運(yùn)動(dòng)；電電表面（毛細(xì)管或多孔塞）運(yùn)動(dòng)；v（3 3）層流電位（流動(dòng)電位）：）層流電位（流動(dòng)電位）：在外力作用下，液相相對(duì)于在外力

32、作用下，液相相對(duì)于靜止不動(dòng)的帶電表面流動(dòng)而誘導(dǎo)產(chǎn)生電場(chǎng)（電勢(shì)差）；靜止不動(dòng)的帶電表面流動(dòng)而誘導(dǎo)產(chǎn)生電場(chǎng)（電勢(shì)差）；v（4 4）沉降電位：）沉降電位：在外力作用下，帶電粒子相對(duì)于靜止不動(dòng)在外力作用下，帶電粒子相對(duì)于靜止不動(dòng)的液體流動(dòng)而誘導(dǎo)產(chǎn)生電場(chǎng)；的液體流動(dòng)而誘導(dǎo)產(chǎn)生電場(chǎng)； 四種動(dòng)電現(xiàn)象的關(guān)系可用下表說(shuō)明四種動(dòng)電現(xiàn)象的關(guān)系可用下表說(shuō)明四種動(dòng)電現(xiàn)象中，電泳的實(shí)用意義最大，對(duì)它的研究也最廣四種動(dòng)電現(xiàn)象中，電泳的實(shí)用意義最大，對(duì)它的研究也最廣泛，電滲和流動(dòng)電位次之，沉降電位研究較少。泛，電滲和流動(dòng)電位次之，沉降電位研究較少。在每種動(dòng)電現(xiàn)象中所涉及到的電位都是剪切面上的電位，稱在每種動(dòng)電現(xiàn)象中所涉及到的

33、電位都是剪切面上的電位，稱電位電位。而固體表面電位。而固體表面電位0 0則稱為則稱為熱力學(xué)電位熱力學(xué)電位。 第四節(jié)第四節(jié) 膠體的穩(wěn)定性膠體的穩(wěn)定性 膠體體系因其高分散性，具有很大的比表面和高的表面能，所膠體體系因其高分散性，具有很大的比表面和高的表面能，所以膠體粒子有自動(dòng)聚結(jié)的趨勢(shì)。以膠體粒子有自動(dòng)聚結(jié)的趨勢(shì)。由多個(gè)粒子聚結(jié)而成的大粒子叫由多個(gè)粒子聚結(jié)而成的大粒子叫聚集體聚集體。若聚集的結(jié)果最終使粒子自溶液中沉淀析出，這一過(guò)程稱若聚集的結(jié)果最終使粒子自溶液中沉淀析出，這一過(guò)程稱聚聚沉沉。 一、電解質(zhì)對(duì)溶膠的聚沉作用一、電解質(zhì)對(duì)溶膠的聚沉作用溶膠體系對(duì)電解質(zhì)十分敏感，在體系中加入少量的無(wú)機(jī)鹽類就

34、能溶膠體系對(duì)電解質(zhì)十分敏感，在體系中加入少量的無(wú)機(jī)鹽類就能使溶膠聚沉。使溶膠聚沉。 使溶膠聚沉的電解質(zhì)的最少濃度叫做使溶膠聚沉的電解質(zhì)的最少濃度叫做聚沉值（聚沉值（mmol/dm3）聚沉率是聚沉率是電解質(zhì)的聚沉能力的另一種表示，即聚沉值的倒數(shù)。電解質(zhì)的聚沉能力的另一種表示，即聚沉值的倒數(shù)。研究表明，電解質(zhì)中起聚沉作用的是與膠體粒子所帶電荷相反的研究表明，電解質(zhì)中起聚沉作用的是與膠體粒子所帶電荷相反的異號(hào)離子，異號(hào)離子價(jià)數(shù)愈高，聚沉率也愈高。如下表。異號(hào)離子，異號(hào)離子價(jià)數(shù)愈高，聚沉率也愈高。如下表。由表中數(shù)據(jù)可看出：一價(jià)離子的聚沉值約在由表中數(shù)據(jù)可看出：一價(jià)離子的聚沉值約在5050150150；

35、二價(jià)離子的；二價(jià)離子的聚沉值在聚沉值在0.50.52 2；三價(jià)離子的聚沉值在；三價(jià)離子的聚沉值在0.050.050.10.1之間。之間。 v電解質(zhì)的聚沉能力不但取決于反離子的價(jià)數(shù)，還取決于以下電解質(zhì)的聚沉能力不但取決于反離子的價(jià)數(shù)，還取決于以下因素：離子的大小；同號(hào)離子的影響；不規(guī)則聚沉；相互聚因素：離子的大??；同號(hào)離子的影響；不規(guī)則聚沉；相互聚沉作用等。沉作用等。v離子的大小離子的大小：同價(jià)離子的聚沉率雖然很接近，但仍有差同價(jià)離子的聚沉率雖然很接近，但仍有差別，一般水合離子半徑越小，其聚沉能力越強(qiáng)。別，一般水合離子半徑越小，其聚沉能力越強(qiáng)。v同號(hào)離子的影響：同號(hào)離子的影響：一般同號(hào)離子對(duì)膠體

36、有一定的穩(wěn)定作一般同號(hào)離子對(duì)膠體有一定的穩(wěn)定作用，會(huì)降低反離子的聚沉能力。用，會(huì)降低反離子的聚沉能力。v不規(guī)則聚沉：不規(guī)則聚沉：由高價(jià)異號(hào)離子引起的。由高價(jià)異號(hào)離子引起的。v相互聚沉作用：相互聚沉作用：若將兩種帶相反電荷的溶膠相互混合，若將兩種帶相反電荷的溶膠相互混合，則會(huì)產(chǎn)生溶膠的聚沉。則會(huì)產(chǎn)生溶膠的聚沉。v課堂作業(yè)：課堂作業(yè)：v1、請(qǐng)應(yīng)用、請(qǐng)應(yīng)用Rayleigh散射定律解釋下列現(xiàn)象：散射定律解釋下列現(xiàn)象：v當(dāng)用白光照射溶膠時(shí)，從不同的方向當(dāng)用白光照射溶膠時(shí)，從不同的方向(垂直于光的入射方垂直于光的入射方向和對(duì)著光的入射方向）觀察向和對(duì)著光的入射方向）觀察AgCl溶膠，會(huì)看到不同的顏溶膠，會(huì)看到不同的顏色。色。v利用丁達(dá)爾現(xiàn)象可以鑒別溶膠和真溶液（低分子溶液）。利用丁達(dá)爾現(xiàn)象可以鑒別溶膠和真溶液（低分子溶液）。v用強(qiáng)光通過(guò)膠體溶液，在垂直于入射光束的方向上可觀察用強(qiáng)光通過(guò)膠體溶液，在垂直于入射光束的