【文章內容簡介】 質和化學性質都完全相同的均勻部分。體系中有兩 個 或兩個以上的相，稱為多相體系 . 2. 相界面：相與相之間的接觸面稱為相界面 . 在多相分散體系中，被分散的物質 . ：在多相分散體系中，包圍分散相的另一相 . 例如 : 水基鉆井液中，粘土分散在水中，粘土為分散相，水為分散介質 . 分散度 D：分散程度的量度，通常用分散相顆粒平均直徑 或長度 a的倒數(shù)來表示。 D=1／ a 比表面 S比 ：物質分散度的另一種量度，其數(shù)值等于全部分 散相顆粒 的總面積 S與總質量 m(或總體積 v)之比 S比 ＝ S／ v m1 S比 ＝ S／ m m2／ kg 細分散體系： S比 ≥104m2／ kg； a=1nm1um 分散體系 粗分散體系。 S比 ≤104m2／ kg； a=140um ?上一內容 ?下一內容 ?回主目錄 ?返回 第三節(jié) 粘土膠體化學基礎 二 、 膠體的基本性質 擴散和布朗運動 （ 1） 擴散 擴散是物質由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域自發(fā)運移的過程 ， 它是熱力學第二定律的必然結果 ， 即均勻分布時體系的熵值最大 。 擴散作用不僅存在于膠體體系中 ， 在其他領域如工程 、 物理 、 生理等很多領域也具有很大的重要性 。 擴散定律： Fick第一定律和第二定律 Fick 第一定律：擴散與熱傳導相似 ， 沿著某一方向 （ x方向 ） 發(fā)生擴散時 ， 在 dt時間內經(jīng)過截面積 A的物質量 dm可以表達為 dtdxdcDAdm ???上一內容 ?下一內容 ?回主目錄 ?返回 第三節(jié) 粘土膠體化學基礎 其中： D稱為擴散系數(shù)，其物理意義是：單位濃度梯度下，在單位時間內流經(jīng)單位截面積的溶質量，表示物質的擴散能力，單位 m2s1，式中右方符號為負，表示物質自高濃度向低濃度移動。 Fick第一擴散定律指出 濃度的存在是發(fā)生擴散作用的前提 。 Fick 第二定律則是討論擴散方向上一定位置處的濃度隨時間的變化情況 ， 表達式 它可以在第一定律的基礎上 ， 根據(jù)物料平衡 （ 質量守恒定律 ） 推導出來 ， 但對于大多數(shù)體系來說 ， 擴散系數(shù) D， 特別是線型大分子溶液的 D是濃度的函數(shù) ， 因此 ， 上式應該寫成 22xcDtc??????????????????xcDxtc（ 2） 布朗運動 膠體粒子在溶液中的不規(guī)則運動 ， 1826年英國植物學家 Brown將 花粉懸浮于水中 ， 并在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)的 。 膠體顆粒的運動看似不規(guī)則 ， 實際上與擴散存在著內在的聯(lián)系 ，可以通過著名的愛因斯坦 （ Einstein） 布朗運動公式看出 或 可以看出 ， 布朗運動的平均位移與時間 1/2次方 （ t1/2） 成正比 ， 還和擴散系數(shù) D1/2成正比 ， 該式說明擴散是布朗運動的宏觀表現(xiàn) ， 而布朗運動是擴散的微觀基礎 。 根據(jù)上式 ， 我們可以求出質點在某一位置向另一位置移動的平均速率 （ ） ： 擴散的應用，例如可以計算球形質點的半徑、非球形質點的軸比值（橢球體長短軸之比）等，在此不再詳細展開。 ? ? Dt22 ??? ? ? ? 2/12/12 2 Dtx ?t/? ??? /2/ Dt 沉降與沉降平衡 膠體質點在外力場 （ 重力場 ） 中的定向運動 ， 稱為沉降運動 。如鉆井液中的粘土顆粒在重力場的作用下 ， 粒子沉降 ， 下部粒子濃度增加 ， 上部濃度降低 ， 破壞了膠體體系的均勻性 ， 又引起擴散作用 ， 即下部較濃粒子向上運動 ， 使體系濃度趨于均勻 ， 因此 ， 沉降作用和擴散作用是一對矛盾體的兩個方面 。 質點與介質之間存在密度差時 ， 懸浮在介質中的質點在重力場的作用下將受到一凈力 （ 即介質的浮力作用 ） V(ρρ0)g的作用 ， 其中， V質點體積 ， ρ和 ρ0分別表示質點和介質的密度 ， g為中力加速度 。在該力的作用下 ， 視質點與介質密度的相對大小 ， 將作下沉或上浮加速運動 ， 質點在介質中的運動又會受到介質的阻力 ， 當其運動速度不太大時 （ 膠體質點的沉降屬于該情形 ） ， 阻力與速度成正比 ，比例系數(shù) f稱為阻力系數(shù) 。 即： F阻力 =fv 隨著質點運動速度增加 ， 受到的阻力增大 ， 由于沉降的驅動力一定 （ 重力與浮力的差值 ） ， 故在某一速度值二者達到平衡 。 V(ρρ0)g= fv 此時 ， 質點受到的凈力為零 ， 因此保持恒速運動 ， 即 沉降速度 。 事實上 ， 質點達到恒定運動狀態(tài)的時間非常短 ， 一般只需要幾個 us到幾個 ms之間 。 對于球形質點 ， 下沉的重力為 F1=(4/3)πr3(ρρ0)g 由 Stokes定律知 ,球形質點下沉時受的阻力為 F2=6πηrv 當 F1=F2， 粒子勻速下沉 所以 v=(2r2/9η) (ρρ0)g 球形質點在重力場作用下介質中的沉降速度公式 。 沉降公式具有以下幾個規(guī)律 a. v∝ r2 即沉降速度與質點大小有顯著依賴關系 b. v∝ Δρ 說明調節(jié)密度差可以控制沉降速度 c. v∝ 1/η 說明沉降速度與介質粘度有關 ， 因此可以改變介質的粘度控制質點的沉降速度 。 注：由于我們研究的對象主要針對鉆井液 ， 且受力場也主要為重力場 ， 所以氣溶膠的沉降和擴散現(xiàn)象 ， 質點在離心場中的沉降等內容我們不再展開 。 膠體質點周圍的雙電層和電動電位 （ 1） 電泳 、 電滲 、 電動電位和沉降電位 質點表面帶電是膠體的重要性質 ， 電動現(xiàn)象則是膠體質點表面帶電的直接表現(xiàn) 。 粘土顆粒表面帶負電 。 膠體表面帶電是憎液膠體 ， 它是特別是以水為分散介質的憎液膠體得以穩(wěn)定的重要原因之一 。 膠體穩(wěn)定性的實驗規(guī)律主要基于雙電層相互作用的 DLVO理論和大分子保護層的空間穩(wěn)定理論 。 膠體的電動現(xiàn)象包括電泳 、 電滲 、 電動電位與沉降電位的產生 。 電泳是在外加電場的作用下 ， 帶電的膠體粒子在分散介質中 ， 向與其本身電性相反的電極移動的現(xiàn)象 。 電滲是在外加電場的作用下 ， 液體對固定的帶電粒子的固體表面作相對運動的現(xiàn)象 。 電泳觀察到的是質點的運動 ， 而電滲則是固體不動液體運動 。 由此 ， 在外力作用下使固液兩相發(fā)生相對移動時 ， 由于正負電荷的分布不均 ， 兩相間就會產生電位 ， 稱之為電動電位 （ 電勢 ） 。 而膠體顆粒由于重力作用而在介質中下沉所產生的電位 ， 稱為 沉降電位 （ 電勢 ） 。 （ 2） 擴散雙電層 1924年 ， Stern 提出了較為完善的擴散雙電層理論：從能量最低原則考慮 ， 質點表面的電荷不會聚在一起 ， 而是分布在整個質點表面 ， 質點和介質作為一個整體是電中性的 ， 因此 質點周圍的介質中勢必分布著與質點粒子電荷數(shù)相等的反離子 ， 于是在質點表面電荷與周圍介質的反離子的固液界面之間就形成了雙電層 。 雙電層中的反離子一方面受到 固體表面電荷的吸引 ， 靠近固體邊面 ， 另一方面 ， 由于 反離子的熱運動 ， 又有擴散到液體內部去的能力 ， 這 兩種相反作用的結果 ， 使得反離子擴散地分布在質點顆粒的周圍 ， 形成擴散雙電層 。 在擴散雙電層中反離子的分布是不均勻的 ，靠近固體表面處密度高 ， 形成緊密層 （ 吸附層 ） 。 擴散雙電層的距離有多大：帶電質點表面吸附的反離子，隨著與固體界面的距離增加分布逐漸減少，到了質點電荷電力線所不能及的距離處，反離子電荷分布為零（此時，溶液是均勻的）， 從固體表面到反離子為零處的這一層稱為擴散雙電層 。比如說，粘土顆粒表面帶負電，則周圍吸附的反離子為正離子，靠近粘土表面的這一層，成為吸附層，從粘土顆粒表面到正離子分布為零處，成為擴散雙電層。 因為反離子在溶劑中被溶劑化（如離子的水化），固體表面緊密連接著的部分反離子構成的緊密層也叫吸附溶劑化層，其與反離子連同其溶劑化殼擴散的分布在介質中，構成擴散層。當膠粒運動時，界面上的吸附溶劑化層隨著一起運動，與外層分開。吸附溶劑化層與外層錯開的界面稱為滑動面。從吸附溶劑化層界面（滑動面）到均勻液相內的電位，稱為電動電位（或 ζ 電位）；從固體表面到均勻液相內的電位，稱為熱力學電位（表面電位）。熱力學電位取決于固體表面所帶的總電荷，而 ζ 電位則取決于固體表面電荷與吸附溶劑化層內反離子電荷之差。 （ 3） 粘土溶膠 、 懸浮體雙電層的特點 由于粘土顆粒在水中成片狀