第12章_胶体化学2
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
8
2. 扩散双电层理论
溶胶粒子带电原因：
①离子吸附：固体表面从溶液中有选择性地吸附某种离 子而带电。如AgI溶胶： 溶液中I－ 过量时，可吸附 I－ 而带负电，
溶液中Ag+ 过量时，可吸附 Ag+ 而带正电。
②电离：固体表面上的分子在溶液中发生电离而带电 如蛋白质中的氨基酸分子: 在 pH 低时氨基形成－ NH3+ 而带正电；
1. 电动现象
介绍四种电动现象：电泳、电渗、流动电势、沉降电势。 （1）电泳 在外电场的作用下，胶体粒子 在分散介质 中定向移动的现象， 称为电泳——说明溶胶粒子带电 界面法移动法电泳装置 实验测出在一定时间内界面 移动的距离，可求得粒子的电 泳速度
Fe(OH)3溶胶粒子带正电
1
电势梯度 时溶胶粒子与普通离子的运动速度 100V m1
古依和查普曼给出距表面x处的电势与表面电
j = j 0 ekx
式中 的倒数 -1 具有双电层厚度的意义
古依－查普曼模型正确反映了反离子在扩散层中分布的 情况及相应电势的变化，这些观点在今天看来仍是正确的
缺点： 1)把离子视为点电荷，没有考虑离子的溶剂化； 2)没有考虑胶粒表面上的固定吸附层
= 0 时，为等电点，胶粒间无静电斥力，溶胶极易聚沉
16
斯特恩模型:
给出了 电势明确的物理意义， 解释了溶胶的电动现象， 定性地解释了电解质浓度对溶胶稳定性的影响， 使人们对双电层的结构有了更深入的认识。
在 pH 高时羧基形成－ COO－ 而带负电。
9
处在溶液中的带电固体表面，在静电力作用，必然要吸 引等电量的、与固体表面上带有相反电荷的离子（即反 离子或异电离子）环绕在固体粒子的周围，这样便在固
液两相之间形成了双电层。
下面简单介绍几个有代表性的关于双电层的理论。
10
(1) 亥姆霍兹平板电容器模型 双电层：质点表面电荷与周围介质中的反离子构成的电层； 表面电势0 ：带电质点表面与液体的电位差： 电势：固、液两相发生相对运动的边界处与液体内部的电位差
电泳
外加电场引 起相对运动 （液体静止，固体粒子运动）
沉降电势
相对运动产 生电位差
电渗
（固相不动，液体移动）
流动电势
说明：溶胶粒子和分散介质带有不同性质的电荷 溶胶粒子为什么带电？ 溶胶粒子周围的分散介质中，反离子（与胶粒所带电荷 符号相反的离子）是如何分布的？ 电解质是如何影响电动现象的？ ——双电层理论
+
-
+
-
+
-
+
-
+ -
表面电势φ0 （热力学电势）
斯特恩电势φ
+ -
斯特恩面 滑动面
-
+
-
电势（滑动面
与溶液本体之间 的电位差）
扩散层 斯特恩层(紧密层)
φo
φδ
15
电势的大小，反映了胶粒带电的程度， 电势越大，表明：
胶粒带电 ， 滑动面与溶液本体之间的电势差 扩散层厚度 电解质的影响： 溶液中电解质浓度增加时，介质中反 离子的浓度加大，将压缩扩散层使其 变薄，把更多的反离子挤进滑动面以 内，使 电势在数值上变小直至为0
1879年，亥姆霍兹首先提出在固液两相之间的界面上形成类似于 平行板电容器那样的双电层： 正负离子整齐地排列于界面层的两侧 δ与离子半径相当
外加电场下：带电质点和溶 液中的反离子 0
分别向相反电 极移动，产生电动现象。 缺点：
1)不能解释表面电势 0 与 电势的区别：
2)不能解释电解质对 电势的影响
13
（3）斯特恩(Stern)双电层模型
更加接近实际的双 电层模型: 固定吸附层（Stern层）：由于静电作 用，反离子会牢固地结合在固体表面 ，形成一个紧密的吸附层，其厚度约1-2 个分子厚。此固定层与胶体质点一起 运动，层中有一个显著的电位降 扩散层：固定层外，其余反离子呈 Boltzmann分布，分散在溶液中，形成扩 散层。
在陶瓷工业中，利用电泳将粘土与杂质分离，得到高纯度的
粘土等等。
4
（2）电渗 外电场作用下，溶胶粒子不动(如将其吸附固定于棉花或凝胶 等多孔性物质中)，而液体介质做定向流动的现象称为电渗
若没有溶胶存在，液体（如水）与多孔性固体物质或毛 细管接触后，固、液两相多会带上符号相反的电荷，此 时，若在多孔材料或毛细管两端施加一定电压，液体也 将通过多孔材料或毛细管而定向流动，这也是一种电渗 电渗可用于纸浆脱水、陶坯脱水等
溶胶粒子与一般离子定向移动的速度数量级接近 而溶胶粒子的质量约为一般离子的1000倍 胶粒所带电荷的数量应是一般离子所带电荷的1000倍
电泳速率与加入的电解质有关：随着加入电解质的增多， 电泳速率变慢。
?
3
电泳应用广泛，例如： 利用电泳速度不同，可将蛋白质分子、核酸分子分离； 在医学上可利用血清的纸上电泳，分离各种氨基酸和蛋白质；
5
（3）流动电势
在外力作用下，迫使液体 通过多孔隔膜（或毛细管）定
向流动，在多孔隔膜两端所产
生的电势差，称为流动电势 ——电渗的逆过程 P：电位差计
6
（4）沉降电势
分散相粒子在重力场或 离心力场的作用下迅速移动 时，在移动方向的两端所产
生的电势差，称为沉降电势
——电泳的逆过程
7
四种电现象的相互关系
粒子的种类 H+ OH－ Na+ K+ Cl－ C3H7COO－ C8H17COO－ 运动速度 v 106
m s 1
32.6 18.0 4.5 6.7 6.8 3.1wenku.baidu.com2.0 2~4
溶胶粒子
电泳现象说明胶体粒子是带电的 溶胶粒子与一般离子定向移动的速度数量级接近
2
胶体粒子的电泳速率影响因素： 电势梯度越大、粒子带电越多、离子体积越小、介质粘度 越小，电泳速度越大
11
（2）古依－查普曼扩散双电层模型 静电力：使反离子趋向表面 热运动：使反离子均匀分布
溶 液中的反离子只有一部 分紧密地排在固体表面附近， 相距 约一、二个离子厚称为紧 密层； 另一部分离子按一定的浓度梯 度扩散到本体溶液中，离子的 分
布可用玻兹曼公式表示，称 为扩散层
12
势为0的关系：
+ + + + + + + + +
固体表面 斯特恩面 滑动面
+
-
+
-
+
-
-
+
-
+ -
+ + -
-
-
扩散层 斯特恩层(紧密层) φo
扩散双电层= 固定层+ 扩散层 其范围= 从固体质点表面至反 离子过剩为零
φδ
+
14
+
固体表面 斯特恩面 滑动面
固体表面
+ + -
+ + + + + + + + +
-
2. 扩散双电层理论
溶胶粒子带电原因：
①离子吸附：固体表面从溶液中有选择性地吸附某种离 子而带电。如AgI溶胶： 溶液中I－ 过量时，可吸附 I－ 而带负电，
溶液中Ag+ 过量时，可吸附 Ag+ 而带正电。
②电离：固体表面上的分子在溶液中发生电离而带电 如蛋白质中的氨基酸分子: 在 pH 低时氨基形成－ NH3+ 而带正电；
1. 电动现象
介绍四种电动现象：电泳、电渗、流动电势、沉降电势。 （1）电泳 在外电场的作用下，胶体粒子 在分散介质 中定向移动的现象， 称为电泳——说明溶胶粒子带电 界面法移动法电泳装置 实验测出在一定时间内界面 移动的距离，可求得粒子的电 泳速度
Fe(OH)3溶胶粒子带正电
1
电势梯度 时溶胶粒子与普通离子的运动速度 100V m1
古依和查普曼给出距表面x处的电势与表面电
j = j 0 ekx
式中 的倒数 -1 具有双电层厚度的意义
古依－查普曼模型正确反映了反离子在扩散层中分布的 情况及相应电势的变化，这些观点在今天看来仍是正确的
缺点： 1)把离子视为点电荷，没有考虑离子的溶剂化； 2)没有考虑胶粒表面上的固定吸附层
= 0 时，为等电点，胶粒间无静电斥力，溶胶极易聚沉
16
斯特恩模型:
给出了 电势明确的物理意义， 解释了溶胶的电动现象， 定性地解释了电解质浓度对溶胶稳定性的影响， 使人们对双电层的结构有了更深入的认识。
在 pH 高时羧基形成－ COO－ 而带负电。
9
处在溶液中的带电固体表面，在静电力作用，必然要吸 引等电量的、与固体表面上带有相反电荷的离子（即反 离子或异电离子）环绕在固体粒子的周围，这样便在固
液两相之间形成了双电层。
下面简单介绍几个有代表性的关于双电层的理论。
10
(1) 亥姆霍兹平板电容器模型 双电层：质点表面电荷与周围介质中的反离子构成的电层； 表面电势0 ：带电质点表面与液体的电位差： 电势：固、液两相发生相对运动的边界处与液体内部的电位差
电泳
外加电场引 起相对运动 （液体静止，固体粒子运动）
沉降电势
相对运动产 生电位差
电渗
（固相不动，液体移动）
流动电势
说明：溶胶粒子和分散介质带有不同性质的电荷 溶胶粒子为什么带电？ 溶胶粒子周围的分散介质中，反离子（与胶粒所带电荷 符号相反的离子）是如何分布的？ 电解质是如何影响电动现象的？ ——双电层理论
+
-
+
-
+
-
+
-
+ -
表面电势φ0 （热力学电势）
斯特恩电势φ
+ -
斯特恩面 滑动面
-
+
-
电势（滑动面
与溶液本体之间 的电位差）
扩散层 斯特恩层(紧密层)
φo
φδ
15
电势的大小，反映了胶粒带电的程度， 电势越大，表明：
胶粒带电 ， 滑动面与溶液本体之间的电势差 扩散层厚度 电解质的影响： 溶液中电解质浓度增加时，介质中反 离子的浓度加大，将压缩扩散层使其 变薄，把更多的反离子挤进滑动面以 内，使 电势在数值上变小直至为0
1879年，亥姆霍兹首先提出在固液两相之间的界面上形成类似于 平行板电容器那样的双电层： 正负离子整齐地排列于界面层的两侧 δ与离子半径相当
外加电场下：带电质点和溶 液中的反离子 0
分别向相反电 极移动，产生电动现象。 缺点：
1)不能解释表面电势 0 与 电势的区别：
2)不能解释电解质对 电势的影响
13
（3）斯特恩(Stern)双电层模型
更加接近实际的双 电层模型: 固定吸附层（Stern层）：由于静电作 用，反离子会牢固地结合在固体表面 ，形成一个紧密的吸附层，其厚度约1-2 个分子厚。此固定层与胶体质点一起 运动，层中有一个显著的电位降 扩散层：固定层外，其余反离子呈 Boltzmann分布，分散在溶液中，形成扩 散层。
在陶瓷工业中，利用电泳将粘土与杂质分离，得到高纯度的
粘土等等。
4
（2）电渗 外电场作用下，溶胶粒子不动(如将其吸附固定于棉花或凝胶 等多孔性物质中)，而液体介质做定向流动的现象称为电渗
若没有溶胶存在，液体（如水）与多孔性固体物质或毛 细管接触后，固、液两相多会带上符号相反的电荷，此 时，若在多孔材料或毛细管两端施加一定电压，液体也 将通过多孔材料或毛细管而定向流动，这也是一种电渗 电渗可用于纸浆脱水、陶坯脱水等
溶胶粒子与一般离子定向移动的速度数量级接近 而溶胶粒子的质量约为一般离子的1000倍 胶粒所带电荷的数量应是一般离子所带电荷的1000倍
电泳速率与加入的电解质有关：随着加入电解质的增多， 电泳速率变慢。
?
3
电泳应用广泛，例如： 利用电泳速度不同，可将蛋白质分子、核酸分子分离； 在医学上可利用血清的纸上电泳，分离各种氨基酸和蛋白质；
5
（3）流动电势
在外力作用下，迫使液体 通过多孔隔膜（或毛细管）定
向流动，在多孔隔膜两端所产
生的电势差，称为流动电势 ——电渗的逆过程 P：电位差计
6
（4）沉降电势
分散相粒子在重力场或 离心力场的作用下迅速移动 时，在移动方向的两端所产
生的电势差，称为沉降电势
——电泳的逆过程
7
四种电现象的相互关系
粒子的种类 H+ OH－ Na+ K+ Cl－ C3H7COO－ C8H17COO－ 运动速度 v 106
m s 1
32.6 18.0 4.5 6.7 6.8 3.1wenku.baidu.com2.0 2~4
溶胶粒子
电泳现象说明胶体粒子是带电的 溶胶粒子与一般离子定向移动的速度数量级接近
2
胶体粒子的电泳速率影响因素： 电势梯度越大、粒子带电越多、离子体积越小、介质粘度 越小，电泳速度越大
11
（2）古依－查普曼扩散双电层模型 静电力：使反离子趋向表面 热运动：使反离子均匀分布
溶 液中的反离子只有一部 分紧密地排在固体表面附近， 相距 约一、二个离子厚称为紧 密层； 另一部分离子按一定的浓度梯 度扩散到本体溶液中，离子的 分
布可用玻兹曼公式表示，称 为扩散层
12
势为0的关系：
+ + + + + + + + +
固体表面 斯特恩面 滑动面
+
-
+
-
+
-
-
+
-
+ -
+ + -
-
-
扩散层 斯特恩层(紧密层) φo
扩散双电层= 固定层+ 扩散层 其范围= 从固体质点表面至反 离子过剩为零
φδ
+
14
+
固体表面 斯特恩面 滑动面
固体表面
+ + -
+ + + + + + + + +
-