【正文】 2022/6/1 物理化學(xué)核心教程電子教案 第 10章 膠體分散系統(tǒng) 配有心形聚光器的顯微鏡 顯微鏡物鏡 膠體 2022/6/1 膠體分散系統(tǒng)概述 溶膠的動力和光學(xué)性質(zhì) 溶膠的電學(xué)性質(zhì) 溶膠的穩(wěn)定性和聚沉作用 大分子概說 Donnan平衡 凝膠 納米技術(shù)與應(yīng)用簡介 第 10章 膠體分散系統(tǒng) 2022/6/1 膠體分散系統(tǒng)概述 1. 分散系統(tǒng)的分類 2. 憎液溶膠的制備 3. 膠團(tuán)的結(jié)構(gòu) 4. 溶膠的凈化 把一種或幾種物質(zhì)分散在另一種物質(zhì)中就構(gòu)成散系統(tǒng)。 云： 水分散在空氣中 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) 膠體分散系統(tǒng)概述 牛奶： 乳脂分散在水中 珍珠： 水分散在蛋白質(zhì)中 分類系統(tǒng)通常有三種分類方法： ?分子分散系統(tǒng) 1. 按分散相粒子的大小分 2. 按分散介質(zhì)的物態(tài)分 ?液溶膠 3. 按膠體分散系統(tǒng)的性質(zhì)分 ?憎液溶膠 ?膠體分散系統(tǒng) ?粗分散系統(tǒng) ?固溶膠 ?氣溶膠 ?親液溶膠 ?締合溶膠 膠體分散系統(tǒng)概述 ｛ ｛ ｛ (1) 分子分散系統(tǒng) 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 109 m以下 。通常把這種系統(tǒng)稱為真溶液，如 CuSO4水溶液。 （ 2）膠體分散系統(tǒng) 分散相粒子的半徑在 1~100 nm的系統(tǒng)。目測是均勻的，但實(shí)際是多相不均勻系統(tǒng)。也有的將 1 ~ 1000 nm的粒子歸入膠體范疇。 （ 3）粗分散系統(tǒng) 當(dāng)分散相粒子大于 1000 nm，目測是混濁不均勻系統(tǒng)，放置后會沉淀或分層，如黃河水。 1. 按分散相粒子的大小分類 2. 按分散介質(zhì)的物態(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 C. 液 固溶膠 如油漆， AgI溶膠等 B. 液 液溶膠 如牛奶，石油原油等 A. 液 氣溶膠 如泡沫 2. 按分散介質(zhì)的物態(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，則形成不同的固溶膠 C. 固 固溶膠 有色玻璃，不完全互溶的合金 B. 固 液溶膠 珍珠，某些寶石 A. 固 氣溶膠 泡沫塑料，沸石分子篩 2. 按分散介質(zhì)的物態(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 B. 氣 固溶膠 如青煙，含細(xì)塵的空氣 A. 氣 液溶膠 如霧，某些云 沒有氣 氣溶膠 ，因?yàn)椴煌臍怏w混合后是單相均一系統(tǒng)，不屬于膠體范圍。 3. 按膠體分散系統(tǒng)的性質(zhì)分類 （ 1）憎液溶膠 半徑為 1 ~100 nm的難溶物固體粒子保持了原有的性質(zhì)，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)定系統(tǒng)。 一旦將介質(zhì)蒸發(fā)，再加入介質(zhì)就無法再形成溶膠，是 一個不可逆系統(tǒng)，如氫氧化鐵溶膠、碘化銀溶膠等。 這是膠體分散系統(tǒng)中主要研究的內(nèi)容。 由 ， 和 等難溶物質(zhì)分散在液體介質(zhì) (通常是水 )中形成的溶膠。 AgI(s) Au(s) 3F e ( OH ) ( s)3. 按膠體分散系統(tǒng)的性質(zhì)分類 （ 1）憎液溶膠 形成憎液溶膠的 必要條件 是： （ A）分散相的溶解度要小 。 （ B）還必須有穩(wěn)定劑存在，否則膠粒 容 易聚結(jié) ， 而 發(fā)生 聚沉 現(xiàn)象 。 3. 按膠體分散系統(tǒng)的性質(zhì)分類 （ 2）親液溶膠 半徑落在膠體粒子范圍內(nèi)的大分子物質(zhì)，溶解在合適的溶劑中形成的溶膠。 親液溶膠是熱力學(xué)上穩(wěn)定、可逆的系統(tǒng)。 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。 分散相分子本身的大小已達(dá)到膠粒范圍，它的擴(kuò)散速率小、不能透過半透膜等性質(zhì)與膠體系統(tǒng)相似。 3. 按膠體分散系統(tǒng)的性質(zhì)分類 （ 3）締合膠體 由表面活性物質(zhì)締合 形成膠束 ，分散在介質(zhì)中，膠束半徑已落在膠體粒子范圍內(nèi)。 或由締合表面活性物質(zhì)保護(hù)的一種微小液滴，均勻地分散在另一種液體介質(zhì)中，形成半徑落在膠體粒子范圍內(nèi)的 微乳狀液 。 對球形顆粒，是指直徑，俗稱為納米粒子或超細(xì)微粒；對片狀物質(zhì)，是指厚度，俗稱納米膜；對線狀物質(zhì)，指線徑或管徑，俗稱納米線或納米管。 憎液溶膠的制備 制備溶膠必須使分散相粒子的大小落在膠體分散系 統(tǒng) 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 2. 凝聚法 用機(jī)械 設(shè)備 、 電能或熱能 等 將粗分散的難溶物質(zhì)分散成微小顆 粒。 用化學(xué)或物理方法，將分子或離子凝聚成一定粒度的膠粒。 憎液溶膠的制備 1. 分散法 這種磨的轉(zhuǎn)速極快，每分鐘高達(dá) 1萬轉(zhuǎn)以上。兩個磨盤之間的距離極小，使從頂部加入的粗分散粒子在強(qiáng)大的應(yīng)切力下被粉碎。 （ 1） 膠體磨 這方法適用于 脆而易碎的物質(zhì) ，對柔韌性的物質(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。 干法只加入粗分散的粒子，而濕法是將粗分散粒子、穩(wěn)定劑和介質(zhì)一起加入，這樣得到的膠體系統(tǒng)比較穩(wěn)定。 憎液溶膠的制備 盤式膠體磨 憎液溶膠的制備 轉(zhuǎn)速約每分鐘 1萬 ～2萬轉(zhuǎn)。 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。 這種方法可制備 1000 nm左右的粒子。 憎液溶膠的制備 （ 2） 噴射磨 在裝有兩個高壓噴嘴的粉碎室中，一個噴高壓空氣，一個噴物料，兩束超音速物流以一定角度相交，形成渦流，將粒子粉碎。 （ 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過程。 可制備粒徑小于 1000 nm的粒子。 憎液溶膠的制備 將金屬做成兩個電極，浸在水中，盛水的盤子放在冰浴中。 制備時在兩電極上施加 直流電，調(diào)節(jié)電極之間的距離，使之形成電弧。 在水中加入少量 NaOH 作為穩(wěn)定劑。 這時表面金屬蒸發(fā)，是 分散過程 接著金屬蒸氣立即被水冷卻而 凝聚為膠粒 。 憎液溶膠的制備 2. 凝聚 法 通過各種化學(xué)反應(yīng)，使生成物 呈過飽和狀態(tài) ， （ 1） 化學(xué)凝聚法 通過各種化學(xué)反應(yīng)或物理方法，使分子或離子凝聚成一定粒度的膠粒 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 憎液溶膠的制備 例如，硫化砷溶膠的制備 又如，用水解反應(yīng)制氫氧化鐵溶膠 穩(wěn)定劑是略過量的反應(yīng)物硫化氫 FeCl3 (稀 )+3H2O (熱 ) = Fe(OH)3 (溶膠 )+3HCl 穩(wěn)定劑是反應(yīng)過程中產(chǎn)生的 FeO+ 2 3 2 3 3A s O ( s) 3 H O ( l ) 2 H A sO? ??? 3 3 2 2 3 22 H A sO 3 H S A s S ( ) 6 H O ( l )? ??? ?溶膠 憎液溶膠的制備 （ 2） 物理凝聚法 蒸氣凝聚法 例如，將汞蒸氣通入冷水中，可獲得汞的水溶膠 在加熱汞時生成的少量氧化物作為穩(wěn)定劑 更換溶劑法 例如 , 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 。 實(shí)際是利用物質(zhì)在不同溶劑中的溶解度不同 ,把普通溶液突然變成過飽和溶液，使溶質(zhì)凝聚成膠粒 膠團(tuán)的結(jié)構(gòu) 膠 團(tuán) 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； 膠粒與擴(kuò)散層中的反號離子，形成一個電中性的膠團(tuán) 。 由于正、負(fù)電荷相吸，在緊密層外形成反號離子的包圍圈，從而形成了帶與緊密層相同電荷的 膠粒 ； 膠團(tuán)的結(jié)構(gòu) 現(xiàn)以制備碘化銀溶膠為例 過量的 KI 作穩(wěn)定劑 膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)表達(dá)式 ： 膠核 膠粒 (帶負(fù)電 ) 膠團(tuán) (電中性 ) [(AgI)m 膠核 膠粒 膠團(tuán) 膠團(tuán)的圖示式： n I – (nx)K+]x– xK+ 33A g N O ( a q ) K I ( a q ) K N O ( a q ) A g I ( )? ??? ? 溶膠 膠團(tuán)的結(jié)構(gòu) [(AgI)m n Ag+ (nx)NO3–]x+ x NO3– 膠核 膠粒 膠團(tuán) 膠團(tuán)的圖示式： 膠核 膠粒 (帶正電 ) 膠團(tuán) (電中性 ) 膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)表達(dá)式： 過量的 AgNO3 作穩(wěn)定劑 33A g N O ( a q ) K I ( a q ) K N O ( a q ) A g I ( )? ??? ? 溶膠 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。 凈化的方法主要有 滲析法 和 超過濾法 。 3 2 3F e Cl 3 H O F e ( O H ) ( ) 3 H Cl??（熱） 溶膠32F e ( O H ) H C l F e O C l 2 H O? ??? ? F e O Cl F e O Cl??? 少量電解質(zhì) 可以作為溶膠的穩(wěn)定劑 FeO? 過多的電解質(zhì) 的存在會使溶膠不穩(wěn)定，容易聚沉，所以必須除去。 HCl1. 滲析法 簡單滲析 利用濃差，多余的電解質(zhì)離子不斷向膜外滲透 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。 將溶膠放在羊皮紙或動物膀胱等半透膜制成的容器內(nèi)，膜外放純水。 經(jīng)常更換溶劑，就可以凈化半透膜容器內(nèi)的溶膠。 溶膠的凈化 2HO2HO溶膠 溶膠的凈化 電滲析 為了加快滲析速度，在半透膜的兩側(cè)外 加電場 溶膠的凈化 使多余的電解質(zhì)離子向相應(yīng)的電極作定向移動 溶劑水不斷自動更換，這樣可以提高凈化速度 2HO2HO2HO2HO? ?溶膠 用 半透膜作濾紙 ，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. 超過濾法 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。 溶膠的凈化 在生物化學(xué)中常用超過濾法 測定蛋白質(zhì)分子、酶分子、病毒和細(xì)菌分子的大小 。 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， 將電滲析和超過濾合并使用，這樣可以降低超過濾壓力。 溶膠的凈化 溶膠的動力和光學(xué)性質(zhì) 1. 動力性質(zhì) 2. 光學(xué)性質(zhì)