2胶体分散系统与粗分散系统

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光源 透镜 溶胶 丁达尔效应
图1
丁达尔现象
散射光的强度可用瑞利(Rayleigh)公式表示:
2 9v 2n n2 n 2 2 0 I 42 1 cos I 0 2 2 20l n2 2n 0
式中,I0为入射光强度,0为入射光波长,n为体积粒子数, v为粒子体积,n2、n0为折射率,l为观察者至散射中心的距离, 为散射角。 上式表明,散射光强度与4成反比,且n2 n0 差值愈大,则I 愈强,此外与粒子的体积平方v2及体积粒子数均成正比。
x- b'') P P 2- ( (b /2)
Na + (b'+bx)
Na+ (b - bx)
P 2- (b'/2)
-( Cl(b b) )
Cl- (bx) ClNa +
Cl- (b- bx)
P 2(a) 开始时
(b) 平衡时
图 10
膜平衡示意图
当渗透达到平衡时,可以推得,左右两侧NaCl的浓度为
+ + + + + + + + +
固体表面 斯特恩面 滑动面
e
+ +
+
-
+
-
+
-
-
+
-
-
+ -
-
+


-
-
(a)
扩散层 斯特恩层(紧密层)
+
(b)
图4斯特恩模型
(ii)胶团的结构 以KI溶液滴加至AgNO3溶液中形成的AgI溶胶为例, 其胶团结构可用下图表示:
固相
[(AgI)mnAg+ 胶核 胶粒 滑动面
紧密层
(n-x)NO3-]x+
扩散层 xNO3-
溶液
本体
胶团
(iii)
由于胶粒是带电的,所以在电场作用下,或在外加压力、 自身重力下流动、沉降时产生电动现象,表现出溶胶的电学性质。
电泳——在外加电场作用下,带电的分散相粒子在分散介 质中向相反符号电极移动的现象,如图5; 电渗——在外加电场作用下,分散介质(由过剩反离子所携 带)通过多孔膜或极细的毛细管移动的现象(此时带电的固相不 动),如图6所示。
高度分散的(分散相在1nm~1000nm)、微不均匀的(多相 的)、热力学不稳定系统。 (2)溶胶的性质 ①溶胶的光学性质
由于溶胶的光学不均匀性,当一束波长大于溶胶分散相粒子尺 寸的入射光照射到溶胶系统,可发生散射现象——丁达尔 (Tyndall)现象。
丁达尔现象的实质是溶胶对光的散射作用(散射是指除入射 光方向外,四面八方都能看到发光的现象),它是溶胶的重要性 质之一,如图1所示。
式中, 为单位时间内通过截面积A扩散的粒子数, 下体积粒子数梯度,D为扩散系数。 溶胶中的分散相粒子的扩散遵守费克定律。
dN dt
(
n )T x
为定温
溶胶中分散相粒子的扩散作用是由布朗(Brown)运动引起的。 溶胶中的分散相粒子由于受到来自四面八方的做热运动的分散 介质的撞击而引起的无规则的运动叫布朗运动。布朗运动及其 引起的扩散作用是溶胶的重要动力性质之一,如图2所示。
+ + + + + +++
压力
V
毛细管
气体
V
+ + + + + +++
图7流动电势
图8 沉降电势
3.溶胶的稳定性 (1)
由于溶胶中分散相粒子的布朗运动在分散介质中不停地做无序 迁移而能在一段时间内保持溶胶稳定存在称为溶胶的动力稳定性。 (2)溶胶的稳定理论——DLVO理论 理论要点如下: 在胶粒之间,存在着两种相反作用力所产生的势能。一是由 扩散双电层相互重叠时而产生的斥力势能UR;另一是由分子间 存在的远程v· d· ∝1/x2)或∝1/x)而产生的吸力势能UA 。此两种势能之和U=UR+UA即系统的总势能,U的变化决定着 系统的稳定性。UR,UA均是胶粒之间的距离x的函数,如图9所 示。
组长:李小刚
成员:王志坚 柯元锴 聂烨 廖康 彭念 邵圣聪
胶体分散系统与粗分散系统 1.分散系统及其分类 (1)分散系统的定义
一种或几种物质分散在另一种物质中所构成的系统叫分散系 统。
被分散的物质叫分散质或分散相,起分散作用的物质叫分散介 质。 (2)分散系统的分类 分散系统可分为:
小分子及大分子溶液
均相分散系统 电解质溶液及缔合胶体 非均相分散系统 溶胶 粗分散系统
(3)胶体分散系统及粗分散系统
胶体分散系统(粒子大小在1nm~1000nm之间)
溶胶(憎液胶体) 大分子溶液(亲液胶体) 胶束溶液(胶体电解质)
粗分散系统(粒子大小大于 1000nm ) 乳状液
悬浮液及悬浮体
泡沫
2.溶胶的性质
(1)溶胶的主要特征是:
+
+
图5 电泳
+++++++++++++++ –––––––––––––––
+ + + + + + ++
+ + + + + + ++
+++++++++++++++ –––––––––––––––


图6 电渗
流动电势——在外加压力下,迫使液体流经相对静止的固体 表面(如多孔膜)而产生的电势叫流动电势(它是电渗的逆现象),如 图7所示。 沉降电势——由于固体粒子或液滴在分散介质中沉降使流体 的表面层与底层之间产生的电势差叫沉降电势(它是电泳的逆现 象),如图8所示。
2 2
用丁达尔效应可鉴别小分子溶液、大分子溶液和溶胶。小 分子溶液无丁达尔效应,大分子溶液丁达尔效应微弱,而溶胶 丁达尔效应强烈。
②溶胶的动力性质
由于溶胶中体积粒子数梯度的存在引起的粒子从体积粒子数 高区域向低区域的定向迁移现象叫扩散。
扩散遵从费克(Fick)(第一)扩散定律:
dN n DA ( ) T dt x
水内相(不连续相) 油外相(连续相) (b) 油包水型(W / O)
乳状液类型示意图
(2)
气体分散在液体或固体中所形成的分散系统称之为泡沫。 前者为液体泡沫;后者为固体泡沫。 要得到比较稳定的液体泡沫,必须加入起泡剂,起泡剂一般 为表面活性剂物质。
谢谢观看!
bx b(NaCl)L b b(NaCl)R b bx b'b
表明,由于大分子不能透过膜,平衡时影响到小离子在两侧分布 不均匀,就会产生额外的渗透压,这叫唐南效应。
唐南效应影响利用渗透压法测定大分子的摩尔质量的准确性, 必须设法消除。 (4)盐析作用和胶凝作用
溶胶(憎液胶体)对电解质的存在是十分敏感的,而大分子溶 液(亲液胶体)对电解质却不敏感,直到加入大量的电解质,才能 使大分子溶液产生聚沉现象,我们称之盐析作用。这是由于所加 大量电解质对大分子的去水化作用而引起的。
大分子溶液在一定外界条件下可以转变为凝胶称为胶凝作用。
7.粗分散系统 (1)
一种或几种液体以液珠形式分散于另一种与其不互溶 (或部 分互溶)液体中所形成的分散系统称之为乳状液。
乳状液分为油包水型以符号W/O表示,水包油型以符号 O/W表示,如图11所示。
水 油 油 水
油内相(不连续相) 水外相(连续相) (a)水包油型(O/W) 图11
反离子对溶胶的聚沉起主要作用,聚沉值与反离子价数有关: 聚沉值比例 100 : 1.6 : 0.14
1 1 1 : 6 : 6 , 即聚沉值与反离子价数的 6 1 2 3
6次方成反比。这叫舒尔采(Schulze)-哈迪(Hardy)规则。
离子起聚沉作用的机理是: (i)反离子价数愈高,则扩散层的厚度愈薄,降低扩散层重叠 时产生的斥力越显著 (ii)反离子浓度愈高,则进入Stern层的反离子愈多,从而降低 了δ,而δ≈ζ电势,即降低扩散层重叠时的斥力 同号离子对聚沉亦有影响,这是由于同号离子与胶粒的强烈 的v· d· W力而吸附,从而改变了胶粒的表面性能,降低了反离子的 聚沉能力。
{U}
Born排斥 Umax
UR ∝exp{-x} —德拜参量
0 C
势垒
U F {x}
1 xn
UA∝
图 9胶粒间斥力势能、吸力 势能及总势能曲线
4.电解质及高聚物分子对溶胶聚沉的影响
(1)电解质对溶胶聚沉的影响
少量电解质的存在对溶胶起稳定作用;过量电解质的存在 对溶胶起破坏作用(聚沉)。
使一定量溶胶在一定时间内完全聚沉所需最小电解质的物 质的量浓度,称为电解质对溶胶的聚沉值。
图2
布朗运动(a)
溶胶中的分散相由于受自身的重力作用而下沉的过程称为沉降。
dx 分散相在分散介质中的沉降速度 dt 由下式表示:
dx 2r 2 B 0 g dt 9
式中,r为粒子半径,B,0分别为粒子及介质的体积质量,为介 质粘度,g为重力加速度。 分散相粒子本身的重力使粒子沉降;而介质的粘度及布朗运 动引起的扩散作用阻止粒子下沉;两种作用相当时达到平衡,称 之为沉降平衡。
6.大分子溶Βιβλιοθήκη Baidu的性质
(1)大分子溶液的主要特征 大分子溶液也叫亲液胶体,其主要特征是:高度分散的(分 散质即大分子的线尺寸在1nm~1000nm之间)、均相的、热力学 稳定系统。 (2) 小分子稀溶液产生的渗透压Π=cBRT,由于大分子溶液的非理 想性,它所产生的渗透压可表示为:
1 2 Π B RT B2 B B3 B MB
④溶胶的电学性质 (i)带电界面的双电层结构
大多数固体物质与极性介质接触后,在界面上会带电,从而形 成双电层。
关于双电层结构,按照斯特恩(Stern)模型,表示为图4(a)。
若固体表面带正电荷,则双电层的溶液一侧由两层组成,第 一层为吸附在固体表面的水化反离子层(与固体表面所带电荷相 反),称为斯特恩层(stern),因水化反离子与固体表面紧密靠近, 又称为紧密层;第二层为扩散层。由固体表面至溶液本体间的电 势差e叫热力学电势;由斯特恩面至溶液本体间的电势差δ叫斯 特恩电势;而由滑动面至溶液本体间的电势差叫ζ电势,亦叫动电 电势。
(2)高聚物分子对聚沉的影响
在溶胶中加入适量高聚物分子可使溶胶稳定(见空间稳定理 论及空缺稳定理论),但也可使溶胶聚沉。 其聚沉作用如下: (i)搭桥效应——高聚物分子通过“搭桥”把胶粒拉扯在一起,引 起聚沉;
(ii)脱水效应——高聚物分子由于亲水,其水化作用较胶粒水化作 用强 ( 胶粒憎水 ) ,从而高聚物的加入夺去胶粒的水化外壳的保护 作用。 (iii)电中和效应——离子型高聚物加入后吸附在带电的胶粒上而 中和了胶粒的表面电荷。
5 胶束溶液及增溶作用 (1)胶束溶液的特征 少量表面活性剂在水中可在表面定向排列形成单分子表面 膜,继续溶解则在体相中形成胶束,胶束可以是球状、层状和棒 状。胶束溶液是均相的热力学稳定系统。胶束溶液属于胶体分散 系统。 (2)胶束的增溶作用 通过胶束容纳有机物使之在水中溶解度增加的现象称增溶作 用。
式中,η为比例系数,称为牛顿粘度,单位为N· s· m-2或
kg· s-1· m-1,A为液层接触面积,D为切变梯度。 y x
y 图3 流体在管道中呈层流流动时速度的径向分布
溶胶的净化
净化的方法主要有渗 析法和超过滤法。
(1)渗析法 简单渗析 将需要净化的溶胶放在羊 皮纸或动物膀胱等半透膜 制成的容器内,膜外放纯 溶剂
(2)电渗析: 为了加快渗析 速度,在装有 溶胶的半透膜 两侧外加一个 电场,使多余 的电解质离子 向相应的电极 作定向移动。 溶剂水不断自 动更换,这样 可以提高净化 速度。这种方 法称为电渗析 法。
符合该式的流体叫牛顿流体。许多大分子溶液及溶胶常为 非牛顿流体。 对刚性的球形质点构成的稀溶胶,其粘度可由下式计算: η=η0(1+2.5) 式中, 为粒子的体积总和与溶胶系统总体积之比, η0为介质粘度。 该式称为爱因斯坦(Einstein)公式。
可应用沉降平衡原理,计算系统中体积粒子数的高度分布:
ln n2 M B g B 1 (h2 h1 ) n1 RT 0
式中,n2、n1分别为高度h2及h1处的体积粒子数。
Brown 运动

流变性质是指物质(液体或固体)在外力作用下流动与变形 的性质。 以液体在管道中进行层流时的情况为例(见图3),两液层 间产生的摩擦阻力F为: F=ηAD
(3) 以大分子电解质Na2P(蛋白质钠盐)为例,说明膜平衡与唐 南(Donnan)效应。
今将Na2P的水溶液及NaCl的水溶液分别置于膜的两侧(见图 10)。图中的b′及b分别为开始时,左右两侧Na+离子的浓度。bx为 Na+或Cl-从半透膜右侧渗透到左侧的质量摩尔浓度。
Na+ (b)
Na + (b'') )
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