第二章(表面化学和胶体化学)PPT课件
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《界面及胶体化学》第二三章
用滴管将气体送入浸在液体中的固体表面下面，其结果如图所示。若固体是亲液 的，则液体的接触角θ ＜ 900；当然也可以将起补角θ作为气泡的接触角，此时θ ＞ 900 。若固体是憎液的θ ＞ 900，气泡接触角θ＜ 900 。
由此可以有如下规律(rule)
①气体对固体的“润湿性”与液体对固体的润湿性恰好相反； ②固体越憎液，就与越容易被气体“润湿” ，越容易附着在气泡上； ③固体越是亲液，就越容易为液体润湿，越难附着在气泡上。
Wa = （γl-g+ γs-g）- γs-l
(2-2)
④黏附功讨论
从上式2-1和2-2可以看出，γl-g越大，γs-l越小，则Wa越大，越有利于液体 沾湿固体。若Wa≥0，ΔG必为负值，沾湿过程将自发进行。通常情况下s-l界面 的自由能总小于s-g和l-g界面自由能，因而黏附功总大于零，沾湿过程总是能够 自发进行的。
Wa≥0可以作为液体沾湿固体的条件
若界面为两个相同l-g界面，转变为一个液体柱，此时，变化后的界面不存在 （ γs-l=0），但同样存在能量的变化——称之为内聚功（ WC ）
由Wa = （γl-g+ γs-g）- γs-l 推导
WC= 2γl-g
(2-3)
2. 浸湿 immersional wetting
测定，因此， Wa 、 Wi 、 S是可以进行准确计算，从而判断其变化趋势，以次 准确判断能否润湿及润湿情况。同时，从方程式也可以看出，利用接触角θ也可
以判断润湿情况。
3.液体在固体表面润湿判据((wweettttiinngg ccrriitteerriioonn))
Wa =γl-g（1+cosθ）≥0 θ≤18000
沾 湿
浸湿
Wi =γl-g cosθ ≥0 θ≤9000
由此可以有如下规律(rule)
①气体对固体的“润湿性”与液体对固体的润湿性恰好相反； ②固体越憎液，就与越容易被气体“润湿” ，越容易附着在气泡上； ③固体越是亲液，就越容易为液体润湿，越难附着在气泡上。
Wa = （γl-g+ γs-g）- γs-l
(2-2)
④黏附功讨论
从上式2-1和2-2可以看出，γl-g越大，γs-l越小，则Wa越大，越有利于液体 沾湿固体。若Wa≥0，ΔG必为负值，沾湿过程将自发进行。通常情况下s-l界面 的自由能总小于s-g和l-g界面自由能，因而黏附功总大于零，沾湿过程总是能够 自发进行的。
Wa≥0可以作为液体沾湿固体的条件
若界面为两个相同l-g界面，转变为一个液体柱，此时，变化后的界面不存在 （ γs-l=0），但同样存在能量的变化——称之为内聚功（ WC ）
由Wa = （γl-g+ γs-g）- γs-l 推导
WC= 2γl-g
(2-3)
2. 浸湿 immersional wetting
测定，因此， Wa 、 Wi 、 S是可以进行准确计算，从而判断其变化趋势，以次 准确判断能否润湿及润湿情况。同时，从方程式也可以看出，利用接触角θ也可
以判断润湿情况。
3.液体在固体表面润湿判据((wweettttiinngg ccrriitteerriioonn))
Wa =γl-g（1+cosθ）≥0 θ≤18000
沾 湿
浸湿
Wi =γl-g cosθ ≥0 θ≤9000
(推荐)《胶体与界面化学》PPT课件
Fx(2lx) 往下运动的距离。在此过程中，表面
积增量为（2表示液膜有两个表面）。
环境对体系做功为 Fx ，这个功为
等于表面能增量：
• 这样比表面能又有了新的定义——表 面张力，即垂直作用在单位边长且与 液面相切的力，这个力力图使液面收
γ= F 2l
缩。
• 由定义可知，其单位为N/m 。
9
需要注意的几点：
• 1. 务必区分表面张力与界面张力。 • 2. 务必注意温度的影响。
• 3. 压力和体系运动情况等其他因素对γ的影响。
• 4.任何界面和表面，包括固体表面，固—液界面均存在 界面张力。 由于固体中分子间作用力远大于液体分子间作用力，因 此固体的界面张力大得多。
• γ的两个物理概念即比表面能和表面张力是一个实质
• 图1－4示出一个用金属丝弯 成的矩形框架，其中一个边 是可滑动的，且认为滑动时 不存在任何阻力，并蘸取肥 皂液形成具有前后两个表面 的膜。
图1－3 图1－4
8
从力的角度分析其γ物理意义
• 图1-4去掉下面的力F时，滑动边就因
液膜的收缩拉回一个距离，（以减少
表面能）。这个回缩力与F大小相等而 方向相反。现在假定加上力F，滑动边
•
dGWR
表面积增加越多，所消耗功也越多，表面能增量越大，故：
dGW RdA
写成等式：
dGdA
∂G (∂A)T.P.n
γ的物理意义：在恒温、恒压和恒组成时,每增加单位表面
积所引起的表面能增量。其单位是J/m2或N/m。
称为比表面过剩自由能或比表面能。
7
（二）表面张力
• 图1－3示出在铁丝圆框之中 有松散的当中封闭的连线， 并蘸上肥皂膜，当用烧热的 铁丝，将线中的膜刺破时， 发现连线当中的封闭线立即 紧绷起来成为环形线，仿佛 四周有均匀的力拉动这个线 似的。
2 第二章 表面化学与胶体化学
W = －σ△S △
的物理意义： σ的物理意义：在恒温恒压下增加单位表面积 所引起的系统能量的增量。 所引起的系统能量的增量。 σ也就是单位表面积上的分子比相同数量的内 部分子多余的能量， 部分子多余的能量，称σ为比表面能或比表面自由 焓， 单位： 单位：J· m－2
2 表面张力
－W=F△x=σA=σ2l△x
气凝胶： 气凝胶：固体也能轻如烟
美国国家宇航局研制出的一种新型气凝胶， 美国国家宇航局研制出的一种新型气凝胶，由于 密度只有每立方厘米3毫克 日前已经作为“ 毫克， 密度只有每立方厘米 毫克，日前已经作为“世界上密 度最低的固体”正式入选《吉尼斯世界纪录》 度最低的固体”正式入选《吉尼斯世界纪录》。 这种气凝胶呈半透明淡蓝色，重量极轻( 这种气凝胶呈半透明淡蓝色 ， 重量极轻 (最轻的固 体)，因此人们也把它称为“固态烟”。 ，因此人们也把它称为“固态烟”
A
分子吸附： 分子吸附：是指固体吸附剂对溶液
中的非电解质或弱电解质分子的吸附。 中的非电解质或弱电解质分子的吸附。
这类吸附与溶质、 这类吸附与溶质、溶剂及固体吸附剂三者的 性质都有关。遵循的原则是所谓的“相似相吸 性质都有关。遵循的原则是所谓的“ 原 理”。即极性的吸附剂容易吸附极性的溶质或 溶剂； 溶剂；非极性的吸附剂容易吸附非极性的溶质 或溶剂。 或溶剂。
1g水滴分散成直径 水滴分散成直径2nm的小水滴 ， 的小水滴， 水滴分散成直径 的小水滴 总面积为原来的625万倍，增加的能量可 万倍， 总面积为原来的 万倍 将这1g水的温度升高 ℃ 将这 水的温度升高50℃。 水的温度升高 同一体系， 其分散度越大， 同一体系 ， 其分散度越大 ， 其表面 能越大。 能越大。
⊙ 胶体分散系统 分散相粒子直径在1 之间的体系。 分散相粒子直径在 nm~100 nm之间的体系。 之间的体系 目测是均匀的，但实际是多相不均匀体系。 目测是均匀的，但实际是多相不均匀体系。
天津大学胶体与表面化学课件第二章-2012-3
某一方向得到的冲量即可发生位移，此即布朗运动。
布朗运动是分子热运动的必然结果。
2019/12/14
25
1905年，Einstein-Brown曾研究过布朗运动，提出了 粒子的平均位移与粒子半径、介质粘度、温度和时间 之间的关系式：
1
x
RTt
3N A
r
2
x : t 时间间隔内粒子的平均位移
（c）熔点低，比如，块状金（Au）熔点为1063 oC，若粒径 为2-5 nm，熔点为300 oC左右。
（d）磁性强 （e）光吸收强（几乎为黑色） （f）热导性能好（超细粒子在低温和超低温下几乎没 有热阻）
2019/12/14
15
(2)超细粒子的应用
例如：化学工业、催化剂、电子工业、磁记录材 料、传感器、医药和机械工业。
(c 1
c 2
)x
(1)
2
2x
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27
若 x 很小： 如 C1 > C2
c (c c )
dc
1
2
(2)
x
x
dx
所以：
m 1 ( dc ) x 2
(3)
2 dx
2019/12/14
28
m
1
(
dc 2 )x
(3)
2 dx
由：
m D dc t dx
dm m m1 t dt
t 对m微分：
dm dt
dm1 dt
dm dt
t
d 2m dt 2
所以：
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dm1 dt
t
布朗运动是分子热运动的必然结果。
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1905年，Einstein-Brown曾研究过布朗运动，提出了 粒子的平均位移与粒子半径、介质粘度、温度和时间 之间的关系式：
1
x
RTt
3N A
r
2
x : t 时间间隔内粒子的平均位移
（c）熔点低，比如，块状金（Au）熔点为1063 oC，若粒径 为2-5 nm，熔点为300 oC左右。
（d）磁性强 （e）光吸收强（几乎为黑色） （f）热导性能好（超细粒子在低温和超低温下几乎没 有热阻）
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(2)超细粒子的应用
例如：化学工业、催化剂、电子工业、磁记录材 料、传感器、医药和机械工业。
(c 1
c 2
)x
(1)
2
2x
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若 x 很小： 如 C1 > C2
c (c c )
dc
1
2
(2)
x
x
dx
所以：
m 1 ( dc ) x 2
(3)
2 dx
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28
m
1
(
dc 2 )x
(3)
2 dx
由：
m D dc t dx
dm m m1 t dt
t 对m微分：
dm dt
dm1 dt
dm dt
t
d 2m dt 2
所以：
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dm1 dt
t
表面现象与胶体化学
符号也用γ表示，单位为J·m-2。表面能，若一
个系统的表面积为A，其整个表面所多出的能
量为γA，这部分能量称表面能。应该注意的是， γA并非系统表面上的能量，而是表面上的分子
比同量的内部分子所额外超出的能量。
表面现象与胶体化学
表面自由能的热力学定义为 表面自由能的广义定义可理解为相应的特征变 量和组成不变的情况下，每增加单位面积时其 热力学函数的增值；狭义的定义是指在等温、 等压和组成不变时，每增加单位面积时体积吉 布斯自由能的增值。 表面张力和表面自由能意 义不同，单位不同，但两者数值相同，量纲相 同，因此从符号上不再区别。实际上两者只不 过是表面性质的两种不同描述方式，近代表面 化学家倾向于同时接受γ的上面两种解释。
表面现象与胶体化学
这部分的重点在于：从表面张力出发， 理离解和掌握一些基本概念，如YoungLaplace方程及其应用，Kelvien公式及其 对一些压稳平衡的解释，溶液吸附的 Gibbs方程，表面活性物质的结构特征及 其作用。胶体的光学性质、动力性质和 电学性质，ζ电位及胶体的稳定与聚沉。 大分子的一些基本知识和唐南平衡等。 至于固气吸附和多相催化另外专门成章
(2.6.3) 对于液膜构成的气泡，因为有两个表面，所以 泡内的附加压力应为
（2.6.4)
表面现象与胶体化学
根 据 Young-Laplace 方 程 可 知 ， 当 液 体 或 固 体 高度分散成极微小的颗粒之后，颗粒内部的压 力将明显增加，例如在常压下，杯子中水的压
力约为p0，而半径为10-8m的小雾滴的压力高 达144.7 p0，这就是为什么在水溶液体系中不
表面现象与胶体化学
大分子体系只是在粒子大小上与胶体一 致，但它是一种热力学稳定体系，只是 在渗透压等依数性上与胶体相仿，所以 它更有一些不同于胶体的特殊性质。由 于固体表面不平衡力场的存在，固体表 面具有自发地吸附其它物质以降低表面 自由能的倾向，这是多相催化研究的出 发点。因此表面和胶体化学的基础知识 是许多学科发展的基石。
个系统的表面积为A，其整个表面所多出的能
量为γA，这部分能量称表面能。应该注意的是， γA并非系统表面上的能量，而是表面上的分子
比同量的内部分子所额外超出的能量。
表面现象与胶体化学
表面自由能的热力学定义为 表面自由能的广义定义可理解为相应的特征变 量和组成不变的情况下，每增加单位面积时其 热力学函数的增值；狭义的定义是指在等温、 等压和组成不变时，每增加单位面积时体积吉 布斯自由能的增值。 表面张力和表面自由能意 义不同，单位不同，但两者数值相同，量纲相 同，因此从符号上不再区别。实际上两者只不 过是表面性质的两种不同描述方式，近代表面 化学家倾向于同时接受γ的上面两种解释。
表面现象与胶体化学
这部分的重点在于：从表面张力出发， 理离解和掌握一些基本概念，如YoungLaplace方程及其应用，Kelvien公式及其 对一些压稳平衡的解释，溶液吸附的 Gibbs方程，表面活性物质的结构特征及 其作用。胶体的光学性质、动力性质和 电学性质，ζ电位及胶体的稳定与聚沉。 大分子的一些基本知识和唐南平衡等。 至于固气吸附和多相催化另外专门成章
(2.6.3) 对于液膜构成的气泡，因为有两个表面，所以 泡内的附加压力应为
（2.6.4)
表面现象与胶体化学
根 据 Young-Laplace 方 程 可 知 ， 当 液 体 或 固 体 高度分散成极微小的颗粒之后，颗粒内部的压 力将明显增加，例如在常压下，杯子中水的压
力约为p0，而半径为10-8m的小雾滴的压力高 达144.7 p0，这就是为什么在水溶液体系中不
表面现象与胶体化学
大分子体系只是在粒子大小上与胶体一 致，但它是一种热力学稳定体系，只是 在渗透压等依数性上与胶体相仿，所以 它更有一些不同于胶体的特殊性质。由 于固体表面不平衡力场的存在，固体表 面具有自发地吸附其它物质以降低表面 自由能的倾向，这是多相催化研究的出 发点。因此表面和胶体化学的基础知识 是许多学科发展的基石。
表面与胶体化学—第二章_胶体的基本性质1
在上述两种方法中，沉降平衡法要求离心力 场比较小（约104g），达到平衡时间长； 不能求得分子量分布，只能得到平均值。 沉降速度法要求离心力场强（≥105g）； 可求出分子量分布；相对完成测定需时较 短。故速度法比平衡法应用广。
四.渗透压与Donnan平衡 1.渗透压 将溶液和溶剂（或两不同浓度的溶液）用 只容许溶剂分子透过的半透膜分开，为使 膜两侧的化学势趋于平衡（或使不同浓度 趋于相等），溶剂将透过半透膜扩散。为 阻止这种溶剂扩散的反向压力成为渗透压。 渗透压通常以π表示，单位为Pa。
当阻力与离心力相等时，由式（4）和（5）， 并设粒子为球形，可得离心沉降速度u离。
dx 2 r 2 2 x( 0 ) u离 dt 9
（8）
设时间为0和t时，相应x值为x1和x2,，以此条件积分上式， 得
x2 2 r 2 2 ( 0 )t ln x1 9
由上述三式，
p1
产生渗透压装置示意图
V dp
（V为溶剂的偏摩尔体积）
p1
RT ln x1 V
由于x1=1-x2,(x2为溶液中溶质的摩尔分数），且对 于稀溶液有
ln x1 ln(1 x2 ) x2 n2 /(n1 n2 )
n2
n1
n1和n2分别是溶液中溶质和溶剂的物质的量，由上述两 式可得
由于大离子存在，使两侧小离子浓度不等而产生 的附加渗透压用下式计算
1000 2 c大 Z 1 RT ( ) 2 c M 4M y
Ｃ大为大离子质量浓度，ｋｇ· －１ Ｌ
Ｃ大＝ｍ大Ｍ／１０００，Ｍ为大离子分子量
ｍ大为摩尔浓度，ｍｏｌ· －１ Ｌ ｙ为膜内侧正或负的小离子活度
《胶体化学》课件
胶体稳定性受多种因素影响，包括电荷平衡、添加剂浓度、温度和离子浓度等。了解这些因素对 稳定性的影响对于控制胶体性质非常重要。
胶体的表面现象及表面电荷
胶体的表面现象和表面电荷是胶体特性的重要方面。表面张力、表面活性剂 和双电层理论等是解释胶体表面现象和电荷行为的基本概念。
胶体溶液的流变性质和黏度
胶体溶液的流变性质决定了其在应用中的性能。黏度是评估胶体流动性的重 要指标，它受到浓度、温度和剪切速率等因素的影响。
胶体的分类及特点
分类多样
胶体可以根据颗粒的组成、形状和大小来进行分类，如溶胶、凝胶和乳胶等。
特点独特
胶体具有较大的比表面积、光学散射特性、颗粒间作用力以及流变性质等特点。
广泛应用
胶体在许多行业中有重要的应用，如医药、食品、化妆品和环境工程等。
胶体的制备方法及应用
1
物理方法
如凝胶法、胶体溶胶法和机械法等，用于制备各种类型的液法等，用于合成特定结构和性质的胶体。
3
应用广泛
胶体在纳米材料制备、催化剂合成、石油开发和医药领域等具有广泛的应用。
胶体的粒径测定方法
粒径测定是胶体研究中的重要任务，常用的方法包括光散射、动态光散射和 电子显微镜等。这些方法能够准确测量颗粒的尺寸和分布。
胶体稳定性的影响因素
《胶体化学》PPT课件
欢迎来到《胶体化学》PPT课件！本课程将深入探讨胶体化学的基本概念、特 点、制备方法以及在各个领域的应用。让我们一起展开这个神奇而有趣的化 学世界吧！
胶体化学的基本概念和定义
胶体是一种特殊的物质状态，它由微小的颗粒悬浮在连续介质中而形成。胶体化学研究这些颗粒 的性质、行为和相互作用。
胶体与表面化学
英国：1829年Brown发现了Brown运动
四、胶体化学的发展史
❖ 1861年，英国科学家Graham系统研究。
1861年 溶 液
半透 膜
水 Thomas Graham 实验
I:一些物质，如氯化钠等无 机盐，可以透过半透膜，溶 液蒸干后，溶质以晶体形式 析出。 晶体
II：如氢氧化铁、蛋白质等， 其溶液不能透过半透膜，蒸 干后，以粘稠形式出现。
胶体
Thomas Graham 实验
实验现象
1）糖、无机盐、尿素等溶液，扩散快，易从羊皮纸渗 析出来； 2）明胶、氢氧化铝、硅酸等，扩散慢，不能或难以渗 析出来。
Thomas Graham 实验
若将待测溶液蒸去水分后：
• 前者 (扩散快者)：易于成晶体析出； • 后者 (扩散慢者)：大多成无定型的胶状物；Graham首先 提出这种胶状物为 “胶体”，其溶液叫作 “溶胶” 。
光学性能 流变学性能 纳米材料 润湿、摩擦、粘附 吸附现象 界面电动现象 界面层结构
溶液中的有序分子组合 体、生物膜与仿生膜、 有机无机混合膜、有序 组合体中的理论化学反 应
体系
理论
气溶胶、憎液溶胶、亲液溶胶、 成核理论，DLVO 与 HVO
粗分散体系(悬浮液)、智能流 稳定理论、高分子溶液
体，电磁流变学、单分散溶胶、 理论、胶束理论、光散
六、胶体与表面化学的发展
❖ 1、自然科学带动胶体与表面化学的提高：
☆现代物理化学理论，解决胶体化学中的基本理论问题； ☆现代精密仪器和方法解决胶体化学许多悬而未决的问题； ☆胶体知识应用广泛，丰富了科学内容，促进了对知识的探索。
❖ 2、工农业飞跃发展对胶体表面化学提出新要求：
❖ 5、油水井的正常维护
胶体与固体表面化学
1961年，Quincke发现：在一定压力下将液体 挤过毛细管时，则在毛细管两端产生电势差
电动现象：在外电场作用下使分散相-分散介质固 液两相发生相对运动或在外力作用下使固-液两相 发生相对运动而产生电场的现象。
外力包括水力发电、风力发电、磁力发电、核力 发电等等
1 电泳（ 分散相）
在外加电场作用下，分散相胶粒相对于分散介质做定向移动的现象。 在电子显微镜下，恰像小蝌蚪在水中游动的景象。
§1.2
胶体的光学性质
胶体的光学性质是高度分散性和不均匀性的反映，可借以 确定胶粒的大小和形状。
1.2.1 光散射现象
胶体的光学性质 Tyndall现象
当一束光线通过胶体时，
在入射光的垂直方向可 以看到一个混浊发亮的 光柱，称为Tyndall现象， 是胶粒对光散射的结果。
吸收：取决于化学组分
(1.36)
其中
1 P
1
16
2
R
2
2
3
sin
2
2
（1.37） （1.38）
则
Kc R
2 2 16 R 1 2 2 A2 c 1 sin 2 M 2 3
式中： R 为高分子的均方回转半径，表征散射粒子大小的 参数,与粒子大小有关： 3 2 2 球： R r r是球半径 （1.39）
9
2
c V (1.31)
可测胶体浓度，也是浊度分析法理论基础 可测粒子体积，进而确定粒子的大小。 散射光的强度与散射角有关：θ=00 、1800时，Iθ最大;θ=900 时，Iθ最小。I90为I0、I180的一半。
《胶体与表面化学》课件
展望
展望胶体与表面化学的未来发展趋势和潜在应用。
2 不稳定性现象
探讨胶体不稳定性的原因和影响，如聚集、沉淀和相分离。
胶体凝聚和稳定性机制
1
稳定性机制
2
介绍胶体稳定性的不同机制，如扩散、电化学和ຫໍສະໝຸດ 面改性。3胶体凝聚
描述胶体凝聚的过程和机制，如吸附、 糖胶体和复合胶体。
应用案例
通过实际应用案例展示胶体凝聚和稳定 性机制的重要性。
界面化学概述
1 界面定义
解释界面化学中界面的定义和特性。
2 界面分析
介绍界面分析的各种技术和方法。
界面化学的重要性和应用
1 应用领域
探讨界面化学在实际应用领域的重要性，如 材料科学和生物医学。
2 界面控制
解释如何利用界面化学来控制物质的性质和 相互作用。
总结与展望
结论
总结胶体与表面化学的关键概念和应用领域，并强 调其重要性。
《胶体与表面化学》PPT 课件
本课程将介绍胶体和表面化学的关键概念和应用，从概述到实际应用领域， 帮助您深入了解这个令人着迷的领域。
胶体和表面化学概述
1 胶体
介绍胶体的定义和特性，以及胶体与其他化 学领域的关联。
2 表面化学
介绍表面化学的基本概念和研究领域。
参与者和机制
1 溶剂、溶质和溶剂剂量
讨论溶剂、溶质和溶剂剂量在胶体和表面化学中的作用。
2 表面张力和界面张力
展示表面张力和界面张力的关系，以及它们对界面性质的影响。
胶体状态和特性
1 分散系统
探讨各种胶体分散系统，如溶液、凝胶和乳液等。
2 分散相和连续相
解释分散相和连续相对胶体稳定性和性质的影响。
稳定性和不稳定性
胶体与表面化学 第2章 胶体分散体系的物理化学性质
2011-4-21
8
2.1.3 扩散
1、定义：在有浓度梯度存在时，物质粒子因热运动而 定义：在有浓度梯度存在时， 扩散。 发生宏观上的定向迁移，称为扩散 发生宏观上的定向迁移，称为扩散。 浓度梯度的存在，是扩散的推动力 浓度梯度的存在，
2011-4-21
9
2、 Fick定律 、 Fick定律
胶体系统的扩散与溶液中溶质扩散一样，可用 胶体系统的扩散与溶液中溶质扩散一样， 扩散第一定律来描述： Fick 扩散第一定律来描述：
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22
2011-4-21
23
分散粒子尺寸——反射 入射光波长 < 分散粒子尺寸 反射
分子固有频率—— 吸收 入射光频率 = 分子固有频率 分散粒子尺寸——散射 入射光波长 > 分散粒子尺寸 散射 （可见光波长 400~ 760 nm；胶粒 1~ 1000nm) ；
无作用 ——— 透过
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2.1.4 沉降与沉降平衡
1、定义 、 多相分散系统中的粒子，因受重力作用而下沉的 多相分散系统中的粒子，因受重力作用而下沉的 重力作用 过程，称为沉降。 过程，称为沉降。 沉降与布朗运动所产生的扩散为一对矛盾的两个 沉降与布朗运动所产生的扩散为一对矛盾的两个 与布朗运动所产生的扩散 方面。 方面。
第2章 胶体分散体系的物理化学性质
2011-4-21
1
§2.1 动力性质 §2.2 光学性质 §2.3 电学性质
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2
§2.1
2.1.1 Brown 运动
动力性质
1827年,植物学家布朗 Brown)在显微镜下,看到悬浮 年 植物学家布朗 植物学家布朗( 在显微镜下, 在显微镜下 在水中的花粉粒子处于不停息的无规则运动状态。 在水中的花粉粒子处于不停息的无规则运动状态。
表面化学和胶体化学
注意：表面自由能与表面张力的代表符相同，均 为σ，量纲相通，但两者的概念不同！！ 表面自由能是单位表面积的能量，标量；
表面张力是单位长度上的力，矢量。 讨论：dU =TdS – pdV +σdAs+Σidni dH =TdS + Vdp +σdAs+Σidni
dA =-SdT –pdV +σdAs+Σidni
s
σ= 58.85×10-3N.m-1， ps= 2 /r =11.77×103kPa
h = 0.02m，ρ=958.1kg· m-3
p静=gh = 958.1×9.8×0.02=0.1878kPa p大气=100kPa
p =100 + 0.1878 + 11.77×103 = 11.87×103kPa pr 2M 1 007127 根据开尔文公式 ln 得： p0 RT r
◆ 过饱和蒸气
降温过程：
p
微小
pB
A：不能凝出微小液滴 pA B：凝出微小液滴 AB：过饱和蒸气 pB＞ pA
l
B 大块
A
g TA T
消除：如人工降雨，加AgI颗粒
◆ 过冷液体
原因：凝固点下降。如纯净水可到-40℃不结冰。
◆过热液体 液体在正常沸腾温度不沸腾，要温度超过正 常沸腾温度才沸腾。 原因：液体表面气化，液体内部的极微小气泡 （新相）不能长大逸出（气泡内为凹液面）。 小气泡受到的压力为： p大气 p = p大气+ ps+ p静 p静=ρgh ps = 2σ/r h 如 r =-10-8m，T = 373.15K时， p
dG =-SdT +Vdp +σdAs+Σidni
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可见光波长：
400 ～ 700 nm
在真溶液中，溶质颗粒太小（<10-9 m）,
光的散射极弱，看不到丁达尔效应。阳光从狭
缝射进室内形成光柱也是丁达尔效应。
（2） 动力学性质（布朗运动）
在超显微镜下观察胶体溶液，可以看到胶体
粒子的发光点在介质中间不停地作不规则的运
动，称布朗运动。
-
24
布朗运动产生的原因： 分散质粒子本身处于不断的热运动中。 分散剂分子对分散质粒子的不断撞击。
① 离子选择性吸附 ② 离子交换吸附：
吸附和解吸的关系： 动态平衡
-
17
制备As2S3溶胶
2H3AsO3 + 3H2S = As2S3 + 6H2O
H2S发生电离：H 2 S
H ++H S -
As2S3 选择吸附HS- 而带负电荷。
-
18
如：去离子水的制备（阴、阳离子交换树脂）
2 R -S O 3 H +C a 2 + (R -S O 3 )2 C a +2 H + 2 R -N (C H 3)3 O H + S O 4 2 - [R -N (C H 3)3 ]2S O 4 + 2 O H -
9
一克水分散成半径 1 × 10-9 m的小水 滴，需要做功220J，增加的能量可将这 一克水的温度升高50℃。
同一体系，其分散度越大，其表面 能越大。
-
10
表面能
W•S
σ: 恒温恒压下增加单位表面
积所引起的系统能量增量
表面张力
σ: 与表面相切，垂直作用
于单位长度边界线上的力。
-
11
润湿和润湿角
电泳是介质不动，胶粒运动。
-
29
生产和科研中的 某些应用
▲ 根据不同蛋白质分子、核酸分子电泳速度 的不同对它们进行分离，已成为生物化学中的一 项重要实验技术。
▲ 利用电泳的方法使橡胶的乳状液凝结而浓
缩。
-
30
B 电渗： 胶粒设法固定不动，分散介质在电场中作 定向移动的现象称为电渗。
负极
—
正极
+
多孔性固体
V （总体积）
-
3
表面现象
水滴为什么是圆 形而不是方形
-
4
Question：
-
5
表面现象
它们为什么可以 漂在水面上
-
6
ps
水
水在毛细管中为 什么会上升
-
7
1.3 表面能和表面张力
相界面与相内的分子受力情况
-
8
表面能
液体或固体表面粒子比内部粒子能量高， 多出的这部分能量称为体系的表面能。
-
cos(s/g)(s/l) (l/g)
< 90—润湿；
习惯上
> 90—不润湿； =0—完全润湿；
=180—完全不润湿；
-
13
1.4润湿 液体粘附在固体表面的过程称为润湿。润湿过程
固-液界面和气-液界面取代固-气界面的过程。
当σs-l ≤σs-g 时，发生浸没润湿；
σs-l +σl-g ≤σs-g 时，液体可以在固体表面完全铺展；
均使界面能量降低。
-
22
2 溶胶的性质
（1）光学性质（丁铎尔效应）
光源 凸透镜
Fe(OH)3胶体
光锥 丁达尔效应示意图
光学原理：强光照到分散质粒子上，若粒子直
径大于入射光 波长，则发 生反射或折射。若粒子
直径略小于入 射光波长时，则发生散射。 散射光
称为乳光。
-
23
溶胶中分散质粒子直径： 1 ～ 100 nm
第二章 表面化学和胶体化学
-
1
第一节 表面化学
1.1 界面和表面
密切接触的两相之间的过渡区
称为界面，如果其中一相为气体，
这种界面常称为表面。
-
2
1.2 分散度与比表面
分散度：即物质的分散程度，分散质粒子 越小，分散程度越大。
比表面：单位体积物质的表面积，用符号 S。表示。
S（总表面积） S。= ———————
σs-l ≤σs-g +σl-g时，液体可以在固体表面发生粘附润湿。
-
14
1.5 弯曲液面下的附加压力
附加压力的气泡模型
P 2lg
R
-
15
毛细管现象
r R
h
h 2 cos Bgr
l-s
——液体表面张力； B——液体体积质量；
g——重力加速度。
-
16
2 固体表面的吸附作用
A 分子吸附： B 离子吸附：
电动现象分为电泳和电渗。
-
27
A 电泳：在电场中，分散质粒子作定向移动。
直流电 电泳管示意图
电泳管中:
Fe(OH)3溶胶向 负极移动，说明
Fe(OH)3溶胶带正电
荷。As2S3向正极移
动，说明As2S3溶胶
带负电荷。
-
28
胶体微粒的移动，说明胶粒是带电 的，且有正负之分。由于胶体溶液是电 中性的，所以，胶粒带正电荷（或负电 荷），则分散介质必带负电荷（或正电 荷）。
液体分子对溶胶பைடு நூலகம்子的撞击
-
粗分散系
25
胶体粒子的布朗运动必然导致溶胶具 有扩散作用，一定程度上可以抵消胶粒 受重力作用而引起的沉降，使溶胶具有 一定的稳定性，称为溶胶的动力学稳定 性。
-
26
（3）溶胶的电学性质 Ⅰ 电动现象： 在外电场的作用下，分散相和分散介质发 生相对位移的现象称为胶体的电动现象。
2H+ + 2OH- ＝ H2O 离子交换能力：
Al3+ > Ca2+ > Cs+ > Rb+ > K+ > Na+ > Li+
I- > Br- > Cl-
-
19
第二节胶体化学
1 分散系统
把一种或几种物质分散在另一种 物质中就构成分散系统。被分散的物质 称为分散相，另一种物质称为分散质。
-
20
胶体的特性
● 润湿与粘附 润湿是固液界面的重要行为。 机械润滑、注水采油、油漆涂 布、金属焊接、搪瓷坯釉、陶 瓷/金属的封接等工艺和理论 都与润湿过程有关。 润湿的热力学定义：固体与液 体接触后能使体系的吉布斯自 由能降低，称为润湿。 润湿形式：
-
12
润湿角
P
(l/g)
M
(s/g) O
O
N
(s/l)
A 特有的分散程度
粒子的大小在10-9 ~ 10-7 m之间，因而扩散较慢，不能透过 半透膜，渗透压低但有较强的动力稳定性和乳光现象。
B 多相不均匀性
C 热力学不稳定性
-
21
胶体是一种高度分散的多相体系，具有很 大的比表面，因此表面能很大。能量越高，体 系越不稳定，因此，表现出一系列特殊的表面 现象：如水滴会自动呈球形；放置较长时间， 溶液中的晶粒会慢慢长大；液体对固体的润湿 及固体表面的吸附。
电渗管示意图
-
工程上利用 电渗使泥土脱水。
31
Ⅱ 胶体粒子带电的主要原因
① 电离作用
H 2 S iO 3
H ++H S iO 3 -
② 吸附作用
固体吸附剂常常是优先选择吸附固体晶格 上的同名离子或化学成分相近、结晶结构相 似的物质的离子。
-
32