材料表面分析方法

第五章 材料表面化学与胶体化学
5.7 胶体化学

胶体化学：研究微小颗粒分散体系的科学。通常规定胶体 颗粒的大小为(l~100nm)。

小于1nm 为分子或离子分散体系

大于 100 nm为粗分散体系
5.7.1 胶体的制备和性质
1、胶体制备的一般条件
⑴ 分散相在介质中的溶解度须极小

三氯化铁在水中溶解为真溶液，但水解成氢氧化铁后则不溶于水。适当条

分散的粒子越小，则称分散程度越高，体系内的界面积也越大。热力学 分析此类体系也就越不稳定。

Байду номын сангаас
表明粒子的大小直接影响到体系的物理化学性质。
分散体系也可以按分散相和分散介质的聚集状态不同来分类。 对材料化学具有重要意义的是固—液溶胶、固—固凝胶体系等。
5.8.2 胶体分散体系及分类

胶体分散体系是指分散相的大小在 1.0nm(10-9)−0.1μm(10-7m)之间的分散体

第一个阶段是形成晶核
第二个阶段是晶体的成长

晶核的生成速度，与晶体的溶解度和溶液的过饱和度有关。 析出物质的浓度越大，溶解度越小，则生成晶核的速度越大。

由于体系中物质数量一定，要成大量晶核，就只能得到极小的粒子。
Haber 认为：主要取决于凝结速度和定向速度。
★ 若前者大于后者，则生成无定形沉淀；
2、超过滤法 用孔径细小的半渗透膜 ( 约 10-8 ～ 310-7m) 在加 压或过滤的情况下使胶粒与介质分开，这种 方法称为超过滤法。可溶性杂质能透过滤板 而被除去。


超过滤时，在半透膜的两边安放电极，加上 一定的电压，则称为电超过滤法。
5.8 分散体系
5.8.1 分散体系

至少由两相组成的体系称为分散体系，其中形成粒子的相称为分散相， 是不连续相；分散粒子所处的介质称为分散介质，即连续相。


憎液溶胶是胶体化学所研究的主要内容。
5.9 溶胶的性质
5.9.1 光学性质
溶胶的光学性质是其高度分散性和不均匀性特点的反映。
⑴ 丁铎尔效应

一束会聚的光线通过溶胶时，从与光束垂直的侧面方向观察，可以看到一个发光的 圆锥体，这种现象称为丁铎尔(Tyndall)效应。是胶粒对光的散射的结果。 入射光是白色时，光柱呈蓝紫色，称为乳光。 光线射入分散体系时，由于分散体系对光的吸收、反射和散射作用，只有一部分光 能够通过。其中，光的吸收主要取决于体系的化学组分，而散射和反射与体系的分 散度及入射光的波长有关。
▲渗析： 利用羊皮纸或由火棉胶制成的半透膜，将溶胶与纯分散介质隔开，膜的孔 隙很小，仅能让小分子或离子通过，而胶粒不能通过。
1、渗析法：主要是利用羊皮纸或由火棉胶制成的半透膜，将溶胶与纯分散介质
隔开，膜的孔隙很小，仅能让小分子或离子通过，而胶粒不能通过。
在外加电场下进行渗析可以增加离子迁移的 速率，通常称为电渗析法。此法特别适于 用普通渗析法难以除去的少量电解质。使用 时所用的电流密度不宜太高，以免发生因受 热使溶胶变质。
系。具有特殊的物理化学性质。

分散相的粒子可以是气体、固体或液体，比较重要的是固体分散在液体中 的溶胶(sol)。溶胶分为亲液溶胶和憎液溶胶。

亲液溶胶：分散相和分散介质之间有很好的亲和能力和很强的溶剂化作用。
将这类大块分散相，放在分散介质中往往会自动散开，成为亲液溶胶。 固—液间没有明显的相界面，例如蛋白质、淀粉水溶液及其他高分子溶液 等。亲液溶胶虽然具有某些溶胶特性，但本质上与普通溶液一样属于热力 学稳定体系。 憎液溶胶：分散相与分散介质之间亲和力较弱，有明显的相界面，属于热 力学不稳定体系。
件下使三氯化铁水解可以制得氢氧化铁水溶胶。

分散相在介质中有极小的溶解度，是形成溶胶的必要条件之一。 还要具备反应物浓度很稀、生成的难溶物晶粒很小、而且又无长大条件时
才能得到胶体。

如果反应物浓度很大，细小的难溶物颗粒突然生成很多，则可能生成凝胶。
⑵ 必须有稳定剂存在

将大块物体分散成胶体时，由于分散过程中颗粒的比表面积增大，体系

⑵ 瑞利(Rayleigh)公式
研究了散射作用得出，对于单位体积的体系，散射出的光能总量：
散射光的总能量与入射光波长的四次方成反比，入射光波长越短，散射越多。 分散介质与分散相之间折射率相差越显著，则散射作用也越显著。 散射光强度与单位体积中的质点数c成正比。 散射光强度与粒子体积的平方正比。
2、超显微镜的原理和粒子大小的测定
无定形结构的凝胶状沉淀。
5.7.4 溶胶的净化
▲ 用凝聚法制得的溶胶都具有多分散性，即体系中含有大小不等的各类粒子， 其中有一些可能会超出胶体颗粒的范围。 ▲ 用化学法制得的溶胶通常都含有较多的电解质，虽然适量的电解质可以作 为溶胶的稳定剂，但过多电解质又会降低溶胶的稳定性。
▲ 得到纯净、稳定的溶胶，必须将制得的溶胶加以净化。
的表面能增大，这意味着此体系是热力学不稳定的。

如欲制得稳定的溶胶，必须加入第三种物质，即稳定剂。
5.7.2 胶体制备的方法
分散法

分散法有机械分散、电分散、超声波分散和胶溶等各种方法。
凝聚法

用物理或化学方法使分子或离子聚集成胶体粒子的方法叫凝聚法。
5.7.3 凝聚法原理
由溶液中析出胶粒的过程，与结晶过程相似，可以分为两个阶段：


若分散相的粒子大于入射光的波长，则主要发生光的反射或折射现象，粗分散体系
属于这种情况。 若是分散相的粒子小于入射光的波长，则主要发生光的散射；此时光波绕过粒子而 向各个方向散射出去(波长不发生变化)，散射出来的光称为乳光或散射光。可见光 的波长约在400~700nm之间，而溶胶粒子的半径一般在 1~100mn之间，小于可见光 的波长，因此发生光散射作用而出现丁铎尔效应。
若后者大于前者，则得结晶状沉淀。
★ 凝结速度和饱和度成正比，而定向速度是指分子或离子以一定的方式在晶
格中排列的速度，主要取决于物质的极性大小。 ★ AgCl、ZnS、HgS等分子小、极性大，故定向速度快，能生成结晶状沉淀，
或具有晶体结构的胶粒。
★ Al(OH)3、Fe(OH)3或硅酸等含轻基多，还有水分子结合，结构复杂，分子 极性较小，且溶解度极微，故其凝结速度远大于定向速度，因而极易生成