【文章內(nèi)容簡介】 質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)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(zhì) . ：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(zhì) . 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(zhì)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(zhì)量 m(或總體積 v)之比 S比 ＝ S／ v m1 S比 ＝ S／ m m2／ kg 細(xì)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(nèi)容 ?下一內(nèi)容 ?回主目錄 ?返回 第三節(jié) 粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ) 二 、 膠體的基本性質(zhì) 擴散和布朗運動 （ 1） 擴散 擴散是物質(zhì)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(xué)第二定律的必然結(jié)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(lǐng)域如工程 、 物理 、 生理等很多領(lǐng)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(dǎo)相似 ， 沿著某一方向 （ x方向 ） 發(fā)生擴散時 ， 在 dt時間內(nèi)經(jīng)過截面積 A的物質(zhì)量 dm可以表達為 dtdxdcDAdm ???上一內(nèi)容 ?下一內(nèi)容 ?回主目錄 ?返回 第三節(jié) 粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ) 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(nèi)流經(jīng)單位截面積的溶質(zhì)量，表示物質(zhì)的擴散能力，單位 m2s1，式中右方符號為負(fù)，表示物質(zhì)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(chǔ)上 ， 根據(jù)物料平衡 （ 質(zhì)量守恒定律 ） 推導(dǎo)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(yīng)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(xué)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(nèi)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(chǔ) 。 根據(jù)上式 ， 我們可以求出質(zhì)點在某一位置向另一位置移動的平均速率 （ ） ： 擴散的應(yīng)用，例如可以計算球形質(zhì)點的半徑、非球形質(zhì)點的軸比值（橢球體長短軸之比）等，在此不再詳細(xì)展開。 ? ? Dt22 ??? ? ? ? 2/12/12 2 Dtx ?t/? ??? /2/ Dt 沉降與沉降平衡 膠體質(zhì)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(zhì)點與介質(zhì)之間存在密度差時 ， 懸浮在介質(zhì)中的質(zhì)點在重力場的作用下將受到一凈力 （ 即介質(zhì)的浮力作用 ） V(ρρ0)g的作用 ， 其中， V質(zhì)點體積 ， ρ和 ρ0分別表示質(zhì)點和介質(zhì)的密度 ， g為中力加速度 。在該力的作用下 ， 視質(zhì)點與介質(zhì)密度的相對大小 ， 將作下沉或上浮加速運動 ， 質(zhì)點在介質(zhì)中的運動又會受到介質(zhì)的阻力 ， 當(dāng)其運動速度不太大時 （ 膠體質(zhì)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(zhì)點運動速度增加 ， 受到的阻力增大 ， 由于沉降的驅(qū)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(zhì)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(zhì)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(zhì)點 ， 下沉的重力為 F1=(4/3)πr3(ρρ0)g 由 Stokes定律知 ,球形質(zhì)點下沉?xí)r受的阻力為 F2=6πηrv 當(dāng) F1=F2， 粒子勻速下沉 所以 v=(2r2/9η) (ρρ0)g 球形質(zhì)點在重力場作用下介質(zhì)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(zhì)點大小有顯著依賴關(guān)系 b. v∝ Δρ 說明調(diào)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(zhì)粘度有關(guān) ， 因此可以改變介質(zhì)的粘度控制質(zhì)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(zhì)點在離心場中的沉降等內(nèi)容我們不再展開 。 膠體質(zhì)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(zhì)點表面帶電是膠體的重要性質(zhì) ， 電動現(xiàn)象則是膠體質(zhì)點表面帶電的直接表現(xiàn) 。 粘土顆粒表面帶負(fù)電 。 膠體表面帶電是憎液膠體 ， 它是特別是以水為分散介質(zhì)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(chǎn)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(zhì)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(zhì)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(fù)電荷的分布不均 ， 兩相間就會產(chǎn)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(zhì)中下沉所產(chǎn)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(zhì)點表面的電荷不會聚在一起 ， 而是分布在整個質(zhì)點表面 ， 質(zhì)點和介質(zhì)作為一個整體是電中性的 ， 因此 質(zhì)點周圍的介質(zhì)中勢必分布著與質(zhì)點粒子電荷數(shù)相等的反離子 ， 于是在質(zhì)點表面電荷與周圍介質(zhì)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(nèi)部去的能力 ， 這 兩種相反作用的結(jié)果 ， 使得反離子擴散地分布在質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(fù)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(gòu)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(zhì)中，構(gòu)成擴散層。當(dāng)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(nèi)的電位，稱為電動電位（或 ζ 電位）；從固體表面到均勻液相內(nèi)的電位，稱為熱力學(xué)電位（表面電位）。熱力學(xué)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(nèi)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