蘇花衛(wèi)界面現(xiàn)象與膠體

第六單元一界面現(xiàn)象二擴(kuò)散雙電層理論三膠體四膠體的性質(zhì)五溶液的穩(wěn)定與聚沉一界面現(xiàn)象（一）界面和表面surfaceandinterface

界面：兩相的接觸面。表面：固、液相與氣相的接觸面。

界面現(xiàn)象氣—液氣—固液—液固—液固—固表面現(xiàn)象（二）表面張力與表面自由能

體相內(nèi)部分子：所受四周鄰近相同分子的作用力是對(duì)稱的，各個(gè)方向的力彼此抵消（各向同性)；界面層的分子：一方面受到體相內(nèi)相同物質(zhì)分子的作用，另一方面受到性質(zhì)不同的另一相中物質(zhì)分子的作用，其作用力不能相互抵銷，因此，界面層分子由于其處在一不均勻?qū)ΨQ的力場(chǎng)會(huì)顯示出一些獨(dú)特的性質(zhì)。2表面自由能（表面吉布斯函數(shù)變）

表面層分子比體相內(nèi)部分子多具有的那部分能量。

表面自由能與表面張力的關(guān)系γ——表面張力表面張力與表面自由能會(huì)對(duì)液面產(chǎn)生什么影響？（三）表面現(xiàn)象

1彎曲液面的附加壓力

彎曲液面的內(nèi)外壓力差P=Pl-PgPl與Pg分別代表液體一側(cè)和氣體一側(cè)所承受的壓力.

（1）平面液體：表面張力的合力為零。

（2）凸面液體：表面張力的合力指向液體內(nèi)部。σ

l-gdAF=0σ

l-gσ

l-gσ

l-gdAΔp：緊壓力l

2潤(rùn)濕

潤(rùn)濕是指當(dāng)液體接替固體時(shí)，原有的氣固表面或氣液表面自動(dòng)地被液固表面所代替的現(xiàn)象。一部分被液固界面取代完全被液固界面取代液體自動(dòng)鋪開成一層薄膜

3毛細(xì)現(xiàn)象

毛細(xì)管插入液體中，管內(nèi)外液面形成高度差的現(xiàn)象——毛細(xì)現(xiàn)象。當(dāng)玻璃管插入汞中當(dāng)玻璃管插入水中

毛細(xì)管現(xiàn)象的原因是由于有表面張力的存在。4固體表面的吸附

一種物質(zhì)自動(dòng)附著在另一種物質(zhì)的表面上，從而導(dǎo)致在界面層中物質(zhì)的濃度或分壓與它在體相中不同濃度的現(xiàn)象稱為吸附。

被吸附的物質(zhì)稱為吸附質(zhì)，如甲烷、氯氣、氫氣等；具有吸附能力的固體物質(zhì)稱為吸附劑，如活性炭，分子篩，硅膠等。

二擴(kuò)散雙電層理論二擴(kuò)散雙電層理論

1879年，亥姆霍茲首先提出在固液兩相之間的界面上形成雙電層的概念：1正負(fù)電荷如平板電容器那樣分布；2兩層距離與離子半徑相當(dāng)；3在外加電場(chǎng)下，帶電質(zhì)點(diǎn)與溶液中

反電離子分別向相反方向移動(dòng)。(一)亥姆霍茲平板電容器模型

（Helmholtz）（一）概念三膠體Colloid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（dispersedphase），另一種物質(zhì)稱為分散介質(zhì)（dispersingmedium)。例如：云，牛奶，珍珠膠體是一種分散質(zhì)粒子直徑介于粗分散體系和溶液之間的一類分散體系，這是一種高度分散的多相不均勻體系。（二）分類1按分散相粒子的大小分類：

（1）分子分散體系：

分子分散體系膠體分散體系粗分散體系（3）粗分散體系：分散相粒子的半徑在1～100nm之間的體系。目測(cè)是均勻的，但實(shí)際是多相不均勻體系。也有的將1～1000nm之間的粒子歸入膠體范疇。（2）膠體分散體系：3按膠體溶液的穩(wěn)定性分類

（1）憎液溶膠：

半徑在1～100nm之間的難溶物固體粒子分散在液體介質(zhì)中，有很大的相界面，易聚沉，是熱力學(xué)上的不穩(wěn)定體系。一旦將介質(zhì)蒸發(fā)掉，再加入介質(zhì)就無法再形成溶膠，是一個(gè)不可逆體系，如氫氧化鐵溶膠、碘化銀溶膠等。這是膠體分散體系中主要研究的內(nèi)容。

半徑落在膠體粒子范圍內(nèi)的大分子,溶解在合適的溶劑中，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，親液溶膠是熱力學(xué)上穩(wěn)定、可逆的體系。（2）親液溶膠：（三）制備

1分散法：大粒子變?。?）研磨法（2）膠溶法（3）超聲波分散法（4）電弧法2凝聚法：分子或粒子聚合成膠粒

（1）化學(xué)凝聚法（2）物理凝聚法

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(duì)于柔韌性的物質(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。膠體磨的形式很多，其分散能力因構(gòu)造和轉(zhuǎn)速的不同而不同。

2膠溶法又稱解膠法加入膠溶劑（電解質(zhì)），使新產(chǎn)生的沉淀重新分散成膠體。

如：氫氧化鐵、氫氧化鋁由于制備時(shí)缺少穩(wěn)定劑，因此會(huì)產(chǎn)生沉淀，此時(shí)，加入一些膠溶劑（如鹽酸或氯化鐵）經(jīng)攪拌后，沉淀就會(huì)轉(zhuǎn)化為溶膠。Fe(OH)3（新鮮沉淀）Fe(OH)3

(溶膠）3超聲分散法

用大于16000Hz的超聲波將物料粉碎。這種方法目前只用來制備乳狀液。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。氣流粉碎類

將壓縮空氣經(jīng)噴嘴以

超音速射入粉碎去

進(jìn)行粉碎。

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)制硫化砷溶膠2H3AsO3（?。?3H2S→As2S3（溶膠）+6H2OB.水解反應(yīng)制氫氧化鐵溶膠

FeCl3（?。?3H2O（熱）→Fe(OH)3（溶膠）+3HCl2.物理凝聚法(1)更換溶劑法

利用物質(zhì)在不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1.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。例2.將硫的丙酮溶液滴入90℃左右的熱水中，丙酮蒸發(fā)后，可得硫的水溶膠。

(2)蒸氣驟冷法將汞的蒸氣通入冷水中就可以得到汞的水溶膠。羅金斯基等人利用下列裝置，制備堿金屬的苯溶膠。

4—金屬鈉，2—苯,5—液氮。先將體系抽真空，然后適當(dāng)加熱管2和管4，使鈉和苯的蒸氣同時(shí)在管5外壁凝聚。除去管5中的液氮，凝聚在外壁的混合蒸氣融化，在管3中獲得鈉的苯溶膠。3

電弧法電弧法主要用于制備金、銀、鉑等金屬溶膠制備過程包括先分散后凝聚兩個(gè)過程。將金屬做成兩個(gè)電極，浸在水中，盛水的盤子放在冷浴中。在水中加入少量NaOH作為穩(wěn)定劑。制備時(shí)在兩電極上施加100V左右的直流電，調(diào)節(jié)電極之間的距離，使之發(fā)生電火花，這時(shí)表面金屬蒸發(fā)，是分散過程，接著金屬蒸氣立即被水冷卻而凝聚為膠粒。4包膜法采用適當(dāng)包膜材料，在一定條件下，將水溶性或脂溶性的物質(zhì)進(jìn)行包裹，形成微囊，將其分離純化，再分散在液體介質(zhì)中。

（1）滲析法簡(jiǎn)單滲析將需要凈化的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?nèi)軇?/p>

利用膠體質(zhì)點(diǎn)不能透過半透膜而離子或小分子能透過半透膜的性質(zhì)，將多余的電解質(zhì)或低分子雜質(zhì)從溶膠中除去。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。五、溶膠的凈化（純化）

（1）滲析法（2）超過濾法電滲析

為了加快滲析速度，在裝有溶膠的半透膜兩側(cè)外加一個(gè)電場(chǎng)，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。這種方法稱為電滲析法。（3）超過濾法

用半透膜作過濾膜，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。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。

(4)電超過濾

有時(shí)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。根據(jù)膠粒的雙電層結(jié)構(gòu)模型，膠體粒子的中心稱為膠核，由許多原子或分子聚集而成。在膠核周圍是由吸附在膠核表面上的離子（稱為定位離子）和部分反離子以及溶劑分子組成的緊密層。膠核和緊密層稱為膠粒；緊密層以外是擴(kuò)散層，包括膠核、緊密層和擴(kuò)散層，總稱為膠團(tuán)。（六）膠體結(jié)構(gòu)AgNO3(稀aq)

+KI(稀aq)AgI+KNO3KI為少量：AgI溶膠吸附Ag＋帶正電，NO3－為反離子，AgNO3為穩(wěn)定劑。膠團(tuán)結(jié)構(gòu)表示：

例：I－少量，生成帶正電的膠粒，NO3－為反離子膠粒{[AgI]mnAg+(n-x)NO3-}x+

x

NO3-

膠核

膠團(tuán)可滑動(dòng)面（六）膠體結(jié)構(gòu)（一）溶膠的動(dòng)力性質(zhì)

1Brown運(yùn)動(dòng)(Brownianmotion)

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(dòng)為布朗運(yùn)動(dòng)。七膠體的性質(zhì)2膠粒的擴(kuò)散微粒的熱運(yùn)動(dòng)（布朗運(yùn)動(dòng)）在有濃度差時(shí)發(fā)生的物質(zhì)遷移現(xiàn)象，是個(gè)自發(fā)過程。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，C1>C2。

由于分子的熱運(yùn)動(dòng)和膠粒的布朗運(yùn)動(dòng)，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。3沉降平衡（sedimentationequilibrium）

溶膠是高度分散體系，膠粒一方面受到重力吸引而下降，另一方面由于布朗運(yùn)動(dòng)促使?jié)舛融呌诰?。?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。這種平衡稱為沉降平衡。（二）溶膠的光學(xué)性質(zhì)1光散射現(xiàn)象當(dāng)光束通過分散體系時(shí)，一部分自由地通過，一部分被吸收、反射或散射?？梢姽獾牟ㄩL(zhǎng)約在400～700nm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(zhǎng)，主要發(fā)生反射，使體系呈現(xiàn)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(zhǎng)，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。

光散射的本質(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。分子溶液十分均勻，這種散射光因相互干涉而完全抵消，看不到散射光。

溶膠是多相不均勻體系，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。3Rayleigh散射公式

1871年，Rayleigh研究了大量的光散射現(xiàn)象，對(duì)于粒子半徑在47nm以下的溶膠，導(dǎo)出了散射光總能量的計(jì)算公式，稱為Rayleigh公式：式中：A入射光振幅；v單位體積中粒子數(shù)；λ入射光波長(zhǎng)；V每個(gè)粒子的體積；n1分散相折射率；n2分散介質(zhì)的折射率。（三）溶膠的電學(xué)性質(zhì)膠粒帶電的本質(zhì)（1）膠粒在形成過程中，膠核優(yōu)先吸附某種離子，使膠粒帶電。eg:在AgI溶膠的制備過程中，如果AgNO3過量，則膠核優(yōu)先吸附Ag+離子，使膠粒帶正電；如果KI過量，則優(yōu)先吸附I-離子，膠粒帶負(fù)電。（2）離子型固體電解質(zhì)形成溶膠時(shí)，由于正、負(fù)離子溶解量不同，使膠