第一章-膠體制備及性質(zhì)1課件

物理化學(xué)電子教案—第一章膠體分散系統(tǒng)粗分散系統(tǒng)與2023/7/2310.1膠體及其基本特性第一章 膠體分散體系與粗分散系統(tǒng)10.2溶膠的制備與凈化10.3溶膠的動(dòng)力性質(zhì)10.4溶膠的光學(xué)性質(zhì)10.5溶膠的電學(xué)性質(zhì)10.6溶膠的穩(wěn)定性和聚沉作用10.7大分子概說(shuō)10.8大分子的相對(duì)摩爾質(zhì)量10.9Donnan平衡2023/7/2310.1膠體及其基本特性膠粒的結(jié)構(gòu)分散相與分散介質(zhì)分散體系分類（1）按分散相粒子的大小分類（2）按分散相和介質(zhì)的聚集狀態(tài)分類（3）按膠體溶液的穩(wěn)定性分類憎液溶膠的特性膠粒的形狀2023/7/23分散相與分散介質(zhì)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2023/7/23分散體系分類分類體系通常有三種分類方法：分子分散體系膠體分散體系粗分散體系按分散相粒子的大小分類：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按膠體溶液的穩(wěn)定性分類：憎液溶膠親液溶膠2023/7/23（1）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(méi)有界面，是均勻的單相，分子半徑大小在10-9m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10－9m~10－6

nm之間的體系。目測(cè)是均勻的，但實(shí)際是多相不均勻體系。3.粗分散體系當(dāng)分散相粒子大于10－6

nm,目測(cè)是混濁不均勻體系，放置后會(huì)沉淀或分層，如黃河水。2023/7/23（2）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(shí)，則形成不同的液溶膠：.液-固溶膠如油漆，AgI溶膠.液-液溶膠如牛奶，石油原油等乳狀液.液-氣溶膠如泡沫2023/7/23（2）按分散相和介質(zhì)聚集狀態(tài)分類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(shí)，則形成不同的固溶膠：.固-固溶膠如有色玻璃，不完全互溶的合金.固-液溶膠如珍珠，某些寶石.固-氣溶膠如泡沫塑料，沸石分子篩2023/7/23（2）按分散相和介質(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(shí)，形成氣-固或氣-液溶膠，但沒(méi)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..氣-固溶膠如煙，含塵的空氣.氣-液溶膠如霧，云2023/7/23（3）按膠體溶液的穩(wěn)定性分類1.憎液溶膠

半徑在10－9

m~10－6m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(wú)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。2023/7/23（3）按膠體溶液的穩(wěn)定性分類2.親液溶膠半徑落在膠體粒子范圍內(nèi)（10－9

m~10－6m）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。2023/7/23憎液溶膠的特性（1）特有的分散程度

粒子的大小在10-9~10-6m之間，因而擴(kuò)散較慢，不能透過(guò)半透膜，滲透壓低但有較強(qiáng)的動(dòng)力穩(wěn)定性和乳光現(xiàn)象。（2）多相不均勻性

具有納米級(jí)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?yàn)榱Ｗ有?，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(shì)，即小粒子會(huì)自動(dòng)聚結(jié)成大粒子。2023/7/23膠粒的結(jié)構(gòu)形成憎液溶膠的必要條件是：（1）分散相的溶解度要??；

（2）還必須有穩(wěn)定劑存在，否則膠粒易聚結(jié)而聚沉。2023/7/23膠粒的結(jié)構(gòu)膠粒的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，先有一定量的難溶物分子聚結(jié)形成膠粒的中心，稱為膠核；然后膠核選擇性的吸附穩(wěn)定劑中的一種離子，形成緊密吸附層；由于正、負(fù)電荷相吸，在緊密層外形成反號(hào)離子的包圍圈，從而形成了帶與緊密層相同電荷的膠粒；膠粒與擴(kuò)散層中的反號(hào)離子，形成一個(gè)電中性的膠團(tuán)。2023/7/23膠粒的結(jié)構(gòu)膠核吸附離子是有選擇性的，首先吸附與膠核中相同的某種離子，用同離子效應(yīng)使膠核不易溶解。若無(wú)相同離子，則首先吸附水化能力較弱的負(fù)離子，所以自然界中的膠粒大多帶負(fù)電，如泥漿水、豆?jié){等都是負(fù)溶膠。2023/7/23膠粒的結(jié)構(gòu)例1：AgNO3+

KI→KNO3+AgI↓

過(guò)量的KI作穩(wěn)定劑膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)表達(dá)式：[(AgI)m

nI–(n-x)K+]x–xK+

|________________________||________________________________|膠核膠粒膠團(tuán)膠團(tuán)的圖示式：2023/7/23膠粒的結(jié)構(gòu)例2：AgNO3+

KI→KNO3+AgI↓

過(guò)量的AgNO3

作穩(wěn)定劑膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)表達(dá)式：膠核膠粒膠團(tuán)膠團(tuán)的圖示式：2023/7/23膠粒的形狀作為憎液溶膠基本質(zhì)點(diǎn)的膠粒并非都是球形，而膠粒的形狀對(duì)膠體性質(zhì)有重要影響。質(zhì)點(diǎn)為球形的，流動(dòng)性較好；若為帶狀的，則流動(dòng)性較差，易產(chǎn)生觸變現(xiàn)象。2023/7/23膠粒的形狀例如：（1）聚苯乙烯膠乳是球形質(zhì)點(diǎn)（2）V2O5

溶膠是帶狀的質(zhì)點(diǎn)（3）Fe(OH)3

溶膠是絲狀的質(zhì)點(diǎn)2023/7/231~100nm離子、分子凝聚（有新相生成）粗粒子分散（比表面增加）1.2

溶膠的制備與凈化溶膠的制備2023/7/231.2

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

（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(guò)濾法2023/7/23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2023/7/23用這兩種方法直接制出的粒子稱為原級(jí)粒子。

溶膠的制備視具體制備條件不同，這些粒子又可以聚集成較大的次級(jí)粒子。通常所制備的溶膠中粒子的大小不是均一的，是一個(gè)多級(jí)分散體系。2023/7/23溶膠的制備--研磨法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。2023/7/23溶膠的制備--研磨法盤式膠體磨2023/7/23溶膠的制備--研磨法轉(zhuǎn)速約每分鐘1萬(wàn)～2萬(wàn)轉(zhuǎn)。

A為空心轉(zhuǎn)軸，與C盤相連，向一個(gè)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1－7

m左右的粒子。

2023/7/23溶膠的制備--膠溶法

膠溶法又稱解膠法，僅僅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(shí)，為了將多余的電解質(zhì)離子去掉，先將膠粒過(guò)濾，洗滌，然后盡快分散在含有膠溶劑的介質(zhì)中，形成溶膠。2023/7/23例如：溶膠的制備--膠溶法AgCl(新鮮沉淀）AgCl(溶膠）

Fe(OH)3（新鮮沉淀）Fe(OH)3

(溶膠）2023/7/23溶膠的制備--超聲分散法

3.超聲分散法

這種方法目前只用來(lái)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。在兩個(gè)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(gè)液相均勻地混合成乳狀液。2023/7/23超聲分散法溶膠的制備--超聲分散法

2023/7/23溶膠的制備--凝聚法1.化學(xué)凝聚法

通過(guò)各種化學(xué)反應(yīng)使生成物呈過(guò)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(guò)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（稀）+3H2O（熱）→Fe(OH)3（溶膠）+3HCl2023/7/23

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（?。?/p>

→AgCl

(溶膠）+KNO3D.還原反應(yīng)制金溶膠2HAuCl4(?。?3HCHO+11KOH

2Au(溶膠）+3HCOOK+8KCl+8H2O溶膠的制備---凝聚法2023/7/23

2.物理凝聚法

A.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(lái)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。溶膠的制備--凝聚法2023/7/23例圖：溶膠的制備---凝聚法2023/7/23溶膠的凈化在制備溶膠的過(guò)程中，常生成一些多余的電解質(zhì)，如制備Fe(OH)3溶膠時(shí)生成的HCl。少量電解質(zhì)可以作為溶膠的穩(wěn)定劑，但是過(guò)多的電解質(zhì)存在會(huì)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(guò)濾法。

2023/7/23（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?。溶膠的凈化利用濃差因素，多余的電解質(zhì)離子不斷向膜外滲透，經(jīng)常更換溶劑，就可以凈化半透膜容器內(nèi)的溶膠。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。2023/7/23簡(jiǎn)單滲析溶膠的凈化2023/7/23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。（1）滲析法溶膠的凈化2023/7/23用半透膜作過(guò)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。（2）超過(guò)濾法溶膠的凈化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。2023/7/232）電超過(guò)濾：溶膠的凈化有時(shí)為了加快過(guò)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(guò)濾合并使用，這樣可以降低超過(guò)濾壓力。2023/7/231.3

溶膠的動(dòng)力性質(zhì)

Brown運(yùn)動(dòng)膠粒的擴(kuò)散溶膠的滲透壓沉降平衡2023/7/23Brown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(lái)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)。但在很長(zhǎng)的一段時(shí)間里，這種現(xiàn)象的本質(zhì)沒(méi)有得到闡明。2023/7/23Brown運(yùn)動(dòng)(Brownianmotion)1903年發(fā)明了超顯微鏡，為研究布朗運(yùn)動(dòng)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(dòng)，從而能夠測(cè)出在一定時(shí)間內(nèi)粒子的平均位移。通過(guò)大量觀察，得出結(jié)論：粒子越小，布朗運(yùn)動(dòng)越激烈。其運(yùn)動(dòng)激烈的程度不隨時(shí)間而改變，但隨溫度的升高而增加。2023/7/23Brown運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)

1905年和1906年愛(ài)因斯坦（Einstein)和斯莫魯霍夫斯基（Smoluchowski)分別闡述了Brown運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)。認(rèn)為Brown運(yùn)動(dòng)是分散介質(zhì)分子以不同大小和不同方向的力對(duì)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(dòng)。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5m，Brown運(yùn)動(dòng)消失。2023/7/23Brown運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)2023/7/23Brown運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)

Einstein認(rèn)為，溶膠粒子的Brown運(yùn)動(dòng)與分子運(yùn)動(dòng)類似，平均動(dòng)能為。并假設(shè)粒子是球形的，運(yùn)用分子運(yùn)動(dòng)論的一些基本概念和公式，得到Brown運(yùn)動(dòng)的公式為：式中是在觀察時(shí)間t內(nèi)粒子沿x軸方向的平均位移；r為膠粒的半徑；為介質(zhì)的粘度；L為阿伏加德羅常數(shù)。這個(gè)公式把粒子的位移與粒子的大小、介質(zhì)粘度、溫度以及觀察時(shí)間等聯(lián)系起來(lái)。2023/7/23膠粒的擴(kuò)散膠粒也有熱運(yùn)動(dòng)，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。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。2023/7/23膠粒的擴(kuò)散2023/7/23設(shè)通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)AB面的擴(kuò)散粒子數(shù)為，它與體積粒子梯度和AB截面積A成正比。斐克第一定律（Fick’sfirstlaw）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體積粒子梯度為。2023/7/23斐克第一定律（Fick’sfirstlaw）這就是斐克第一定律。式中D為擴(kuò)散系數(shù)。式中負(fù)號(hào)表示擴(kuò)散發(fā)生在濃度降低的方向，

<0,而>0。用公式表示為：2023/7/23二、重力場(chǎng)中的沉降

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弧?/p>

當(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。2023/7/23

達(dá)到沉降平衡時(shí)，粒子隨高度分布的情況與氣體類似，可以用高度分布定律。

如圖所示，設(shè)容器截面積為A，粒子為球型，半徑為r，粒子與介質(zhì)的密度分別為和，在x1和x2處單位體積的粒子數(shù)分別n1，n2，

為滲透壓，g為重力加速度。

2023/7/23

當(dāng)分散相粒子大小為納米級(jí)時(shí)，在重力場(chǎng)中的沉降速度極慢，粒子的擴(kuò)散作用不可忽視，在離心力場(chǎng)中離心力比重力大很多（可達(dá)上百萬(wàn)倍，可使納米小粒子沉降速度加快）。

---離心力場(chǎng)中的沉降作用，可以用來(lái)測(cè)定聚合物的分子量。2023/7/23三、滲透壓半透膜——只允許某種混合物的一些物質(zhì)透過(guò)而不允許另一些物質(zhì)透過(guò)的薄膜。

溶劑分子通過(guò)半透膜進(jìn)入溶液的現(xiàn)象簡(jiǎn)稱滲透。2023/7/23滲透現(xiàn)象需要具備的條件

一、有半透膜存在二、半透膜兩側(cè)液體要具有濃度差（單位體積液體中溶劑粒子數(shù)不相等）。2023/7/23滲透壓－－

如果要阻止?jié)B透現(xiàn)象的發(fā)生，可在溶液液面上施加一額外的壓力，這一壓力就是溶液所具有的滲透壓。滲透壓用P表示，其單位為Pa或kPa

2023/7/23滲透壓與溶液濃度和溫度的關(guān)系

范特荷甫（VantHoff,

荷蘭）非電解質(zhì)稀溶液的滲透壓與濃度、溫度的關(guān)系

PV=nRT式中

P

溶液的滲透壓（kPa）

V

溶液的體積（L）

n

溶液中溶質(zhì)的物質(zhì)的量(mol)R

氣體常數(shù)（8.31kPa·L·K-1·mol-1）

T

熱力學(xué)溫度（T/K=t/oC+273.15）

CB

物質(zhì)的量濃度（mol·L-1）

P=CBRT2023/7/23滲透壓的應(yīng)用（1）滲透壓是溶液依數(shù)性之一，可以測(cè)定物質(zhì)的分子量；（2）在生物學(xué)和醫(yī)藥學(xué)中應(yīng)用廣泛；（3）海水淡化，廢水處理等。2023/7/23正常人血漿總滲透壓正常人血漿總滲透壓為720kPa~800kPa相當(dāng)于血漿中能產(chǎn)生滲透效應(yīng)的各種溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的總濃度（滲透濃度）為280mmol?L-1~310mmol?L-1所產(chǎn)生的滲透壓。2023/7/23等滲溶液一定溫度下，滲透壓相等的兩種溶液稱為等滲溶液。

醫(yī)學(xué)上等滲、低滲、高滲溶液是以正常人體血漿總滲透壓為標(biāo)準(zhǔn)的。與人體血漿總滲透壓相等的溶液稱為等滲溶液。

臨床上常用的等滲溶液有：0.278mol?L-1(50g?L-1)葡萄糖溶液0.154mol?L-1(9g?L-1)NaCl溶液（生理鹽水）0.149mol?L-1(12.5g?L-1)NaHCO3溶液1/6mol?L-1(18.7g?L-1)乳酸鈉（NaC3H5O3）溶液2023/7/23低滲溶液

滲透壓不等的兩種溶液，滲透壓相對(duì)較低的溶液稱為低滲溶液

醫(yī)學(xué)上：滲透壓低于正常人體血漿總滲透壓的溶液稱為低滲溶液。2023/7/23高滲溶液

滲透壓不等的兩種溶液，滲透壓相對(duì)較高的溶液稱為高滲溶液

醫(yī)學(xué)上：滲透壓高于正常人體血漿總滲透壓的溶液稱為高滲溶液

臨床上常用的高滲溶液有：

2.78mol.L-1(500g.L-1)葡萄糖溶液

50g.L-1葡萄糖氯化鈉溶液（生理鹽水中含有50g.L-1葡萄糖）2023/7/23臨床上大量輸液應(yīng)注意

臨床上大量輸液時(shí)應(yīng)使用等滲溶液，以維持正常的血漿滲透壓。在等滲條件下,紅細(xì)胞能維持其正常的形態(tài)和生理活性。若輸入大量的低滲溶液，會(huì)降低血漿滲透壓，導(dǎo)致紅細(xì)胞漲大乃至破裂而出現(xiàn)溶血現(xiàn)象當(dāng)輸入大量的高滲溶液時(shí)，又會(huì)使血漿滲透壓過(guò)高，使紅細(xì)胞皺縮而出現(xiàn)胞漿分離的現(xiàn)象。皺縮的紅細(xì)胞易粘在一起形成“團(tuán)塊”，它能堵塞小血管而形成血栓。2023/7/23

地球表面的70.8％被水覆蓋著，總水量達(dá)13.56億立方千米。但是被水覆蓋的地球表面中97.2％是浩翰的海洋，而陸地水面只占2.8％，其中淡水更是少得可憐，只占0.64％。我們遇到的是一個(gè)非常矛盾的現(xiàn)象：一方面，地球上的水并不少，但絕大多數(shù)是又苦又咸的海水；另一方面，人類生存所必需的淡水卻越來(lái)越少。怎么辦？人類早已有了改造大自然的能力，我們不能看著水而大喊沒(méi)有水。向海水要淡水，這是從根本上解決水危機(jī)的唯一出路。海水淡化

2023/7/23其實(shí)，海水淡化早就是人們重視的一項(xiàng)技術(shù)，如今已有多種海水淡化的方法，如多級(jí)閃蒸法、電滲析法、溶劑萃取法、冷凍法、反滲透法等。其中，反滲透法是耗能最少的一種方法，而且用它可直接得到清潔的淡水。反滲透海水淡化裝置包括去除混濁物質(zhì)的前處理設(shè)備、高壓泵、反滲透裝置、后處理設(shè)備、濃縮水能量回收器等。其中最核心的裝置就是反滲透裝置，而這個(gè)裝置中最核心的部件就是反滲透膜。

海水淡化

2023/7/23海水濃的海水淡水半透膜（醋酸纖維素膜）海水淡化原理(反滲透）

海水淡化，目前已成為一些海島、遠(yuǎn)洋客輪、某些缺少飲用淡水的國(guó)家獲得淡水的主要方法。2023/7/23半透膜材料

1.醋酸纖維素

2.芳香聚酰胺

3.復(fù)合膜

4.無(wú)機(jī)膜

反滲透技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展十分迅速，應(yīng)用越來(lái)越廣泛：(1)應(yīng)用于海水淡化，污水處理及飲用水的凈化；

(2)利用超濾膜對(duì)特殊分子量的大分子物質(zhì)截留的原理而應(yīng)用于保健藥品和保健食品的提純以及血液透析等；(3)有人根據(jù)反滲透的原理提出了在海水中建立淡水井的設(shè)想。

2023/7/23新型應(yīng)用：利用滲透壓發(fā)電

利用滲透壓作用在河水入?？谔幗ㄔ旄咚l(fā)電的設(shè)想更是引入注目。由于海水滲透壓可達(dá)25atm，只要有適宜的半透膜，河水便會(huì)通過(guò)半透膜不斷進(jìn)入塔內(nèi)與海水混合，只要水塔高度小于250米，水會(huì)從塔頂順管路流下形成世界最高的瀑布，并沖擊發(fā)電機(jī)發(fā)電，還將海水不斷泵入塔中維持滲透壓值。

2023/7/231.4溶膠的光學(xué)性質(zhì)光散射現(xiàn)象

Tyndall效應(yīng)

Rayleigh公式2023/7/23物質(zhì)的顏色與光的關(guān)系完全吸收完全透過(guò)吸收黃色光光譜示意表觀現(xiàn)象示意復(fù)合光§2.2膠體的光學(xué)性質(zhì)2023/7/23光散射現(xiàn)象當(dāng)光束通過(guò)分散體系時(shí)，一部分自由地通過(guò)，一部分被吸收、反射或散射?？梢?jiàn)光的波長(zhǎng)約在400~700nm之間。（1）當(dāng)光束通過(guò)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(guò)膠體溶液，由于膠粒直徑小于可見(jiàn)光波長(zhǎng)，主要發(fā)生散射，可以看見(jiàn)乳白色的光柱。（3）當(dāng)光束通過(guò)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(jiàn)散射光。2023/7/23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。2023/7/23Tyndall效應(yīng)

Tyndall效應(yīng)實(shí)際上已成為判別溶膠與分子溶液的最簡(jiǎn)便的方法。

1869年Tyndall發(fā)現(xiàn)，若令一束會(huì)聚光通過(guò)溶膠，從側(cè)面（即與光束垂直的方向）可以看到一個(gè)發(fā)光的圓錐體，這就是Tyndall效應(yīng)。其他分散體系也會(huì)產(chǎn)生一點(diǎn)散射光，但遠(yuǎn)不如溶膠顯著。2023/7/23Tyndall效應(yīng)2023/7/23Rayleigh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，單位體積中粒子數(shù)入射光波長(zhǎng)，每個(gè)粒子的體積分散相折射率，分散介質(zhì)的折射率2023/7/23Rayleigh公式從Rayleigh公式可得出如下結(jié)論：1.散射光總能量與入射光波長(zhǎng)的四次方成反比。入射光波長(zhǎng)愈短，散射愈顯著。所以可見(jiàn)光中，藍(lán)、紫色光散射作用強(qiáng)。2.分散相與分散介質(zhì)的折射率相差愈顯著，則散射作用亦愈顯著。3.散射光強(qiáng)度與單位體積中的粒子數(shù)成正比。2023/7/2310.5

溶膠的電學(xué)性質(zhì)膠粒帶電的本質(zhì)電動(dòng)現(xiàn)象（2）電滲（3）流動(dòng)電勢(shì)（4）沉降電勢(shì)雙電層(1)電泳2023/7/23膠粒帶電的本質(zhì)

（1）膠粒在形成過(guò)程中，膠核優(yōu)先吸附某種離子，使膠粒帶電。（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，使膠粒帶電。例如：將AgI制備溶膠時(shí)，由于Ag+較小，活動(dòng)能力強(qiáng)，比I-容易脫離晶格而進(jìn)入溶液，使膠粒帶負(fù)電。例如：在AgI溶膠的制備過(guò)程中，如果AgNO3過(guò)量，則膠核優(yōu)先吸附Ag+離子，使膠粒帶正電；如果KI過(guò)量，則優(yōu)先吸附I-離子，膠粒帶負(fù)電。2023/7/23（3）可電離的大分子溶膠，由于大分子本身發(fā)生電離，而使膠粒帶電。膠粒帶電的本質(zhì)

例如蛋白質(zhì)分子，有許多羧基和胺基，在pH較高的溶液中，離解生成P–COO-離子而負(fù)帶電；在pH較低的溶液中，生成P-NH3+離子而帶正電。在某一特定的pH條件下，生成的-COO-和-NH3+數(shù)量相等，蛋白質(zhì)分子的凈電荷為零，這pH稱為蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)

。2023/7/23電動(dòng)現(xiàn)象

膠粒在重力場(chǎng)作用下發(fā)生沉降，而產(chǎn)生沉降電勢(shì)；帶電的介質(zhì)發(fā)生流動(dòng)，則產(chǎn)生流動(dòng)電勢(shì)。這是因動(dòng)而產(chǎn)生電。以上四種現(xiàn)象都稱為電動(dòng)現(xiàn)象。由于膠粒帶電，而溶膠是電中性的，則介質(zhì)帶與膠粒相反的電荷。在外電場(chǎng)作用下，膠粒和介質(zhì)分別向帶相反電荷的電極移動(dòng)，就產(chǎn)生了電泳和電滲的電動(dòng)現(xiàn)象，這是因電而動(dòng)。2023/7/23電泳（electrophoresis）影響電泳的因素有：帶電粒子的大小、形狀；粒子表面電荷的數(shù)目；介質(zhì)中電解質(zhì)的種類、離子強(qiáng)度，pH值和粘度；電泳的溫度和外加電壓等。

帶電膠?；虼蠓肿釉谕饧与妶?chǎng)的作用下向帶相反電荷的電極作定向移動(dòng)的現(xiàn)象稱為電泳。

從電泳現(xiàn)象可以獲得膠?；虼蠓肿拥慕Y(jié)構(gòu)、大小和形狀等有關(guān)信息。2023/7/23在外加電場(chǎng)作用下，帶電的介質(zhì)通過(guò)多孔膜或半徑為1~10nm的毛細(xì)管作定向移動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為電滲。外加電解質(zhì)對(duì)電滲速度影響顯著，隨著電解質(zhì)濃度的增加，電滲速度降低，甚至?xí)淖冸姖B的方向。電滲方法有許多實(shí)際應(yīng)用，如溶膠凈化、海水淡化、泥炭和染料的干燥等。（2）電滲（electro-osmosis)2023/7/23含有離子的液體在加壓或重力等外力的作用下，流經(jīng)多孔膜或毛細(xì)管時(shí)會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差。（3）流動(dòng)電勢(shì)（streamingpotential)這種因流動(dòng)而產(chǎn)生的電勢(shì)稱為流動(dòng)電勢(shì)。2023/7/23（3）流動(dòng)電勢(shì)（streamingpotential)2023/7/23因?yàn)楣鼙跁?huì)吸附某種離子，使固體表面帶電，電荷從固體到液體有個(gè)分布梯度。在用泵輸送原油或易燃化工原料時(shí)，要使管道接地或加入油溶性電解質(zhì)，增加介質(zhì)電導(dǎo)，防止流動(dòng)電勢(shì)可能引發(fā)的事故。（3）流動(dòng)電勢(shì)（streamingpotential)當(dāng)外力迫使擴(kuò)散層移動(dòng)時(shí)，流動(dòng)層與固體表面之間會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，當(dāng)流速很快時(shí)，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生電火花。2023/7/23（3）流動(dòng)電勢(shì)（streamingpotential)2023/7/23

在重力場(chǎng)的作用下，帶電的分散相粒子，在分散介質(zhì)中迅速沉降時(shí)，使底層與表面層的粒子濃度懸殊，從而產(chǎn)生電勢(shì)差，這就是沉降電勢(shì)。

貯油罐中的油內(nèi)常會(huì)有水滴，水滴的沉降會(huì)形成很高的電勢(shì)差，有時(shí)會(huì)引發(fā)事故。通常在油中加入有機(jī)電解質(zhì)，增加介質(zhì)電導(dǎo)，降低沉降電勢(shì)。(4)沉降電勢(shì)(sedimentationpotential)2023/7/23當(dāng)固體與液體接觸時(shí)，可以是固體從溶液中選擇性吸附某種離子，也可以是固體分子本身發(fā)生電離作用而使離子進(jìn)入溶液，以致使固液兩相分別帶有不同符號(hào)的電荷，在界面上形成了雙電層的結(jié)構(gòu)。

對(duì)于雙電層的具體結(jié)構(gòu)，一百多年來(lái)不同學(xué)者提出了不同的看法。最早于1879年Helmholz提出平板型模型；雙電層（doublelayer)1910年Gouy和1913年Chapman修正了平板型模型，提出了擴(kuò)散雙電層模型；后來(lái)Stern又提出了Stern模型。2023/7/23平板型模型亥姆霍茲認(rèn)為固體的表面電荷與溶液中帶相反電荷的（即反離子）構(gòu)成平行的兩層，如同一個(gè)平板電容器。整個(gè)雙電層厚度為0

。

固體表面與液體內(nèi)部的總的電位差即等于熱力學(xué)電勢(shì)0，在雙電層內(nèi)，熱力學(xué)電勢(shì)呈直線下降。在電場(chǎng)作用下，帶電質(zhì)點(diǎn)和溶液中的反離子分別向相反方向運(yùn)動(dòng)。

這模型過(guò)于簡(jiǎn)單，由于離子熱運(yùn)動(dòng)，不可能形成平板電容器。2023/7/23擴(kuò)散雙電層模型

Gouy和Chapman認(rèn)為，由于正、負(fù)離子靜電吸引

和熱運(yùn)動(dòng)兩種效應(yīng)的結(jié)果，溶液中的反離子只有一部

分緊密地排在固體表面附近，相距約一、二個(gè)離子厚

度稱為緊密層；另一部分離子按一定的濃度梯度擴(kuò)散到本體溶液中，離子的分布可用玻茲曼公式表示，稱為擴(kuò)散層。雙電層由緊密層和擴(kuò)散層構(gòu)成。移動(dòng)的切動(dòng)面為AB面。2023/7/23擴(kuò)散雙電層模型2023/7/23Stern模型

Stern對(duì)擴(kuò)散雙電層模型作進(jìn)一步修正。他認(rèn)為吸附在固體表面的緊密層約有一、二個(gè)分子層的厚度，后被稱為Stern層；由反號(hào)離子電性中心構(gòu)成的平面稱為Stern平面。2023/7/23由于離子的溶劑化作用，膠粒在移動(dòng)時(shí)，緊密層會(huì)結(jié)合一定數(shù)量的溶劑分子一起移動(dòng)，所以滑移的切動(dòng)面由比Stern層略右的曲線表示。Stern模型從固體表面到Stern平面，電位從0直線下降為

。2023/7/23電動(dòng)電勢(shì)（electrokineticpotential）在Stern模型中，帶有溶劑化層的滑移界面與溶液之間的電位差稱為電位。電動(dòng)電勢(shì)亦稱為

電勢(shì)。在擴(kuò)散雙電層模型中，切動(dòng)面AB與溶液本體之間的電位差為電位；電位總是比熱力學(xué)電位低，外加電解質(zhì)會(huì)使電位變小甚至改變符號(hào)。只有在質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)才顯示出電位，所以又稱電動(dòng)電勢(shì)。帶電的固體或膠粒在移動(dòng)時(shí)，移動(dòng)的切動(dòng)面與液體本體之間的電位差稱為電動(dòng)電勢(shì)。2023/7/2310.6 溶膠的穩(wěn)定性和聚沉作用溶膠的穩(wěn)定性影響溶膠穩(wěn)定性的因素聚沉值與聚沉能力

Schulze-Hardy規(guī)則電解質(zhì)對(duì)溶膠穩(wěn)定性的影響不同膠體的相互作用

2023/7/23溶膠的穩(wěn)定性抗聚結(jié)穩(wěn)定性膠粒之間有相互吸引的能量Va和相互排斥的能量Vr，總作用能為Va+Vr。如圖所示：動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性

由于溶膠粒子小，布朗運(yùn)動(dòng)激烈，在重力場(chǎng)中不易沉降，使溶膠具有動(dòng)力穩(wěn)定性。當(dāng)粒子相距較大時(shí)，主要為吸力，總勢(shì)能為負(fù)值；當(dāng)靠近到一定距離，雙電層重疊，排斥力起主要作用，勢(shì)能升高。要使粒子聚結(jié)必須克服這個(gè)勢(shì)壘。2023/7/23溶膠的穩(wěn)定性2023/7/23影響溶膠穩(wěn)定性的因素2. 濃度的影響。

濃度增加，粒子碰撞機(jī)會(huì)增多。3. 溫度的影響。

溫度升高，粒子碰撞機(jī)會(huì)增多，碰撞強(qiáng)度增加。4. 膠體體系的相互作用。 帶不同電荷的膠?；ノ鄢痢?. 外加電解質(zhì)的影響。 這影響最大，主要影響膠粒的帶電情況，使電位下降，促使膠粒聚結(jié)。2023/7/23聚沉值與聚沉能力聚沉值 使一定量的溶膠在一定時(shí)間內(nèi)完全聚沉

所需電解質(zhì)的最小濃度。從已知的表值 可見(jiàn)，對(duì)同一溶膠，外加電解質(zhì)的離子 價(jià)數(shù)越低，其聚沉值越大。聚沉能力 是聚沉值的倒數(shù)。聚沉值越大的電解質(zhì)， 聚沉能力越??；反之，聚沉值越小的 電解質(zhì)，其聚沉能力越強(qiáng)。2023/7/23Schulze-Hardy規(guī)則聚沉能力主要決定于膠粒帶相反電荷的離子的價(jià)數(shù)。聚沉值與異電性離子價(jià)數(shù)的六次方成反比，這就是Schulze-Hardy規(guī)則。例如，對(duì)于給定的溶膠，異電性離子分別為一、二、三價(jià)，則聚沉值的比例為： 1001.60.14

即為：2023/7/23（1） 與膠粒帶相反電荷的離子的價(jià)數(shù)影響最大，價(jià)數(shù)越高，聚沉能力越強(qiáng)。（2）與膠粒帶相反電荷的離子就是價(jià)數(shù)相同，其聚沉能力也有差異。電解質(zhì)對(duì)溶膠穩(wěn)定性的影響例如，對(duì)膠粒帶負(fù)電的溶膠，一價(jià)陽(yáng)離子硝酸鹽的聚沉能力次序?yàn)椋篐+>Cs+>Rb+>NH4+>K+>Na+>Li+

對(duì)帶正電的膠粒，一價(jià)陰離子的鉀鹽的聚沉能力次序?yàn)椋篎->Cl->Br->NO3->I-

這種次序稱為感膠離子序（lyotropicseries)。2023/7/23（3）有機(jī)化合物的離子都有很強(qiáng)的聚沉能力，這可

能與其具有強(qiáng)吸附能力有關(guān)。（4）當(dāng)與膠體帶相反電荷的離子相同時(shí)，則另一同

性離子的價(jià)數(shù)也會(huì)影響聚沉值，價(jià)數(shù)愈高，聚沉能力

愈低。這可能與這些同性離子的吸附作用有關(guān)。電解質(zhì)對(duì)溶膠穩(wěn)定性的影響例如，對(duì)亞鐵氰化銅溶膠的聚沉值：KBr

為27.5。而K4[Fe(CN)6]為260.0