2.3 溶胶的光学性质
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溶胶的制备及性质——实验报告
溶胶的制备及性质【实验目的】1. 学习溶胶的多种制备方法。
2. 学习溶胶的光学性质，观察溶胶的丁达尔现象。
3. 了解电解质对溶胶稳定性的影响。
【实验原理】一.溶胶的制备溶胶的制备方法有分散法和凝聚法两大类。
分散法是把大颗粒的物质用适当的方法粉碎为胶体大小的质点而获得胶体；凝聚法是把小分子或离子聚集成胶体大小的质点而制得溶胶。
例如，Fe(OH) 溶胶就是采用凝聚法制备的：通过水解 FeCl 溶液生成难溶于水的 Fe(OH) ，3 3 3然后在适当的条件下，过饱和的 Fe(OH) 溶液析出小的颗粒而形成 Fe(OH) 溶胶。
3 3一般制备的溶胶中会含有过多的电解质，会影响溶胶的稳定性。
为除去过多的电解质纯化溶胶，通常采用的方法有半透膜渗析、电渗析和超过滤法。
二.溶胶的光学性质当把一束可见光投射到分散系统上时，如果分散系统的粒径大于入射光的波长，粒子对光主要起反射作用；胶体分散系统对可见光主要起散射作用。
粗分散系统对可见光主要起反射作用，胶体分散系统对可见光主要起散射作用。
当一束可见光通过胶体时，在光线的垂直方向观察，可以看到胶体中有一明亮的光柱，这就是丁达尔现象。
三.溶胶的稳定性和电解质对溶胶的聚沉作用溶胶是热力学不稳定系统，胶粒粒子可相互接近产生凝聚作用，颗粒逐渐增大而聚沉。
适量的电解质可以作为溶胶的稳定剂，过量的电解质可以使溶胶聚沉。
电解质使溶胶聚沉的能力通常用沉聚值表示。
沉聚值是使溶胶发生沉聚时需要电解质的最小浓度，单位为 mol·L-1。
聚沉值与溶胶电荷相反的离子价数 6 次方成反比，即+ 2+ 3+ 6 6 6M :M :M =(1/1) ：(1/2) ：(1/3) =100:1.6:0.14这就是舒尔茨-哈代规则。
由此可知，电解质中与溶胶电荷相反的离子价数越高，它的聚沉能力就越强。
【仪器和试剂】1. 仪器25ml 和 100ml 量筒，50ml、200ml 和 1000ml 烧杯，250ml 三角烧瓶，电炉，温度计（100℃），试管，移液管。
溶胶的物理化学性质
28
三、 溶胶的电学性质
(一) 电动现象 (1) 电泳
在外加电场作用下，带电 在外加电场作用下， 的分散相粒子在分散介质 中向相反符号电极移动的 现象叫电泳。 现象叫电泳。
29
外加电势梯度越大，胶粒带电越多，胶粒越小， 介质的粘度越小，则电泳速度越大。 通过电泳试验可以确定胶粒的电荷符号。 溶胶的电泳现象证明了胶粒是带电的，实验证明， 若在溶胶中加入电解质，则对电泳会有显著影响。 随溶胶中外加电解质的增加，电泳速度常会降低 以致变为零(等电点)，甚至改变胶粒的电泳方向， 外加电解质可以改变胶粒带电的符号。 研究胶粒电泳的仪器称为电泳仪。
11
12
13
沉降速率公式的应用： 沉降速率公式的应用：
2 2 g υ = r ( ρ ρ0 ) 9 η
粘度测定
在被测液体中让一定半径一定密度的小球降落， 在被测液体中让一定半径一定密度的小球降落， 测定通过一定距离的时间求得沉降速度， 测定通过一定距离的时间求得沉降速度，由沉降 速率公式计算粘度η 速率公式计算粘度
沉降分析装置图
15
一、 溶胶的运动性质
(2) 在离心力场中的沉降
胶粒很小，在重力场中的沉降速度极为缓慢，有时无法测 定其沉降速度。 1924年，瑞典人Svedberg发明了超离心机，转速10～16 万 r/min，离心力约为地心引力的106倍。 （普通离心机转速一般为3000～5000 r/min） 利用超离心机加快沉降速率，大大扩大了测定沉降速率的 范围。可把它应用于胶团的摩尔质量或高聚物的摩尔质量 的测定上。
5
一、 溶胶的运动性质
1905年，Einstein研究了布朗运动中，粒子的平均位移与 粒子半径、介质粘度、温度和位移时间之间的关系，得到 著名的“Einstein布朗运动”公式。
胶体与表面化学-胶体的光学性质
胶体与表面化学
2.3 溶胶的光学性质
胶体系统的光学性质， 胶体系统的光学性质，是其高度的分散性和多相的不均匀性 特点的反映。 特点的反映。
2.3.1 光散射现象
光束通过粗分散系统，粒子直径 入射光波长 主要发生反射 入射光波长, 反射, 光束通过粗分散系统，粒子直径>入射光波长,主要发生反射,系统呈现 粗分散系统 混浊。 混浊。 光束通过胶体溶液，胶粒直径 可见光波长 主要发生散射 可见光波长， 散射， 光束通过胶体溶液，胶粒直径<可见光波长，主要发生散射，可以看见 胶体溶液 乳白色的光柱。 乳白色的光柱。 光束通过小分子溶液，溶液均匀，散射光相互干涉而完全抵消，看不见 光束通过小分子溶液，溶液均匀，散射光相互干涉而完全抵消， 小分子溶液 散射光。 散射光。
动态光散射仪
散射光强度的影响因素
散射光的强度 与入射光波长 的四次方成反 比。
不同波长光的散射强度
天空为什么是蓝色的？ 天空为什么是蓝色的？
解释蓝天的色彩
自然界的瑞利散射
石头里的瑞利散射现象
作业：朝霞不出门，晚霞行千里。 作业 朝霞不出门，晚霞行千里。 朝霞不出门
丁达尔现象的自然之美
丁达尔现象的自然之美
汽车灯光的丁达尔现象
教堂里的丁达尔现象
交通指示灯颜色选择中的科学
Байду номын сангаас
2.3.3 瑞利公式
2.3.3 瑞利公式
• 1871年，Rayleigh研究了大量的光散射现象，对于粒子半 研究了大量的光散射现象， 年 研究了大量的光散射现象 的溶胶， 计算公式， 径<47nm的溶胶，导出了散射光的强度 I 计算公式，称为 的溶胶 Rayleigh公式 公式
2 24π cv n2 − n0 I= × 2 4 n + 2n2 × I0 λ 0 3 2 2
2.3 溶胶的光学性质
胶体系统的光学性质， 胶体系统的光学性质，是其高度的分散性和多相的不均匀性 特点的反映。 特点的反映。
2.3.1 光散射现象
光束通过粗分散系统，粒子直径 入射光波长 主要发生反射 入射光波长, 反射, 光束通过粗分散系统，粒子直径>入射光波长,主要发生反射,系统呈现 粗分散系统 混浊。 混浊。 光束通过胶体溶液，胶粒直径 可见光波长 主要发生散射 可见光波长， 散射， 光束通过胶体溶液，胶粒直径<可见光波长，主要发生散射，可以看见 胶体溶液 乳白色的光柱。 乳白色的光柱。 光束通过小分子溶液，溶液均匀，散射光相互干涉而完全抵消，看不见 光束通过小分子溶液，溶液均匀，散射光相互干涉而完全抵消， 小分子溶液 散射光。 散射光。
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不同波长光的散射强度
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2.3.3 瑞利公式
2.3.3 瑞利公式
• 1871年，Rayleigh研究了大量的光散射现象，对于粒子半 研究了大量的光散射现象， 年 研究了大量的光散射现象 的溶胶， 计算公式， 径<47nm的溶胶，导出了散射光的强度 I 计算公式，称为 的溶胶 Rayleigh公式 公式
2 24π cv n2 − n0 I= × 2 4 n + 2n2 × I0 λ 0 3 2 2
药剂学知识点归纳：溶胶剂的概念、构造及性质
药剂学知识点归纳：溶胶剂的概念、构造及性质
药剂学虽然是基础学科，但是很多学员都觉得药剂学知识点特别多，不好复习。
今天就带着大家总结归纳一下药剂学各章节的重点内容，以便大家更好地记忆。
溶胶剂的概念
系指由多分子聚集体作为分散相的质点，分散在液体分散介质中组成的胶体分散体系，微粒大小一般在1-100nm之间，属于非均相分散体系。
溶胶的构造与性质
1.溶胶的双电层构造
溶胶剂中的固体微粒具有双电层结构，双电层之间的电位差称作电位，溶胶剂电位越大，其物理稳定性越好。
电位降低至25mv 以下时，胶粒间产生聚结，稳定性下降。
2.溶胶剂的性质
(1)光学性质
具有丁达尔效应，即对光的散射作用。
(2)电学性质
具有电动(电泳)现象与动电(流动电位)现象，其根本原因是微粒因吸附带电，具有双电层结构。
(3)动力学性质
因溶胶剂微粒粒径小(纳米级)，因而表现出激烈的布朗运动，溶胶粒子的扩散速度、沉降速度与介质的黏度都与溶胶的动力学性质有关。
(4)稳定性
溶胶剂属于热力学不稳定体系，对电解质非常敏感，少量电解质可供其产生聚沉，其原因是电解质的加入破坏或降低溶胶微粒的电位。
例题：
下列关于溶胶剂的正确叙述是?
A.溶胶剂属于热力学不稳定体系
B.溶胶剂中加入电解质会产生盐析作用
C.溶胶粒子具有双电层结构
D. 电位越大，溶胶剂的稳定性越差
E.溶胶粒子越小，布朗运动越激烈，因而沉降速度越小正确答案:ACE。
第三节 溶 胶
例如， 例如， NaCI 、 CaCI 、 AICI 三种电解质对 As 2S3溶胶（带负电荷）的聚沉能力 溶胶（带负电荷） 的比例为： 的比例为：
2 3
Na : Ca
+
2+
: AI3 + = 1 : 80 : 500
2. 加入带相反电荷的溶胶 相互聚沉现象： 相互聚沉现象：两种带相反电荷 的溶胶按适当比例混合， 的溶胶按适当比例混合，也能引起 溶胶聚沉 。 用明矾净水就是溶胶相互聚沉的 实际应用。 实际应用。
3. 加热 很多溶胶加热发生聚沉。 很多溶胶加热发生聚沉。 例如， 溶胶加热至沸， 例如，将 As 2S3溶胶加热至沸， 就折出黄色的硫化砷沉淀。 就折出黄色的硫化砷沉淀。
应用： 应用： 蛋白质、 蛋白质、氨基酸和核酸等物质 的分离和鉴定方面有重要的应 例如在临床检验中， 用。例如在临床检验中，应用 电泳法分离血清中各种蛋白质， 电泳法分离血清中各种蛋白质， 为疾病的诊断提供依据。 为疾病的诊断提供依据。
(二) 胶粒带电的原因 二 1. 选择性吸附 胶核总是选择性的 吸附与其组成相类似的离子。例如， 吸附与其组成相类似的离子。例如， 用水解法制备Fe(OH)3溶胶时，反 溶胶时， 用水解法制备 应式为： 应式为：
mmoI ⋅ L
−1
聚沉能力是聚沉值的倒数， 聚沉能力是聚沉值的倒数，聚沉值 越小，聚沉能力越大。 越小，聚沉能力越大。
使溶胶聚沉的电解质有效部分是与 胶粒带相反电荷的离子。实验表明， 胶粒带相反电荷的离子。实验表明， 与胶粒带相反电荷的同价离子聚沉 能力几乎相等； 能力几乎相等；当反离子的价数增 高时，聚沉能力急剧增加。 高时，聚沉能力急剧增加。
达到沉降平衡所需的时间与胶粒的 大小有密切关系， 大小有密切关系，为了加速沉降平衡 的建立，使用超速离心机， 的建立，使用超速离心机，可使溶胶 或蛋白质溶液迅速达到沉降平衡。 或蛋白质溶液迅速达到沉降平衡。目 前超速离心机广泛用于医学研究中， 前超速离心机广泛用于医学研究中， 以测定各种蛋白质的分子量及病毒的 分离提纯。 分离提纯。
溶胶的制备和性质实验操作方法
溶胶的制备及性质一．实验目的1.熟悉用凝聚法制备溶胶的操作；2.了解溶胶的光学性质和电学性质；3.了解电解质对溶胶的凝结作用及高分子溶液对溶胶的保护作用等。
二．实验原理1.溶胶的定义及其特征胶粒直径为1~100 nm，扩散慢，不能透过半透膜，动力学稳定性强，具高度分散性，多相性和聚结不稳定性等特征。
2.溶胶的制备方法溶胶的制备方法有分散法和凝聚法。
以氢氧化铁溶胶的制备为例：取150 mL 蒸馏水，置于300 mL烧杯中，先煮沸2 min，用刻度吸管移去10%FeCl3溶液30 mL，逐滴加入沸水中，并不断搅拌，继续煮沸3 min，得到棕红色Fe(OH)3溶胶，其结构式为：{m[Fe(OH)3]•nFeO+•(n-x)Cl-}x+•xCl-。
3.溶胶的净化制成的溶胶常含有其他杂质，影响胶体的性质，故必须净化。
溶胶的净化是根据离子或分子可以通过半透膜而胶粒不能透过半透膜的特性进行的。
本实验采用的透析袋。
4.溶胶的电学性质以电泳现象为例，在外加电场作用下，溶胶粒子在分散介质中定向移动的现象称为电泳。
通过电泳可以测知溶胶粒子所带电荷的符号，亦可以测定溶胶的ζ电位。
其原理是：式中K为与胶粒形状有关的常数（球形为5.4×1010 V2•S2•kg-1•m-1，棒状粒子为3.6×1010 V2•S2•kg-1•m-1，η为分散介质的粘度（Pa•s），ε为分散介质的相对介电常数，E为加于电泳测定管二端的电压（V），l为两电极之间的距离（m），d 为电泳管中胶体溶液界面在t时间（s）内移动的距离（m），E/l表示两电极间场强，d/t表示电泳速度（m•s-1）。
式中d、t、E和l均可由实验测得。
5.溶胶的光学性质用一束会聚光线通过溶胶，在光前进方向的侧面可看到光柱，这一现象称为丁达尔现象，可用于鉴别胶体。
6.电解质的聚沉作用和高分子溶液的保护作用电解质中与胶粒所带相反电荷的离子可引起溶胶的聚沉。
胶体的制备和性质
AgCl (新鲜沉淀） 加AgNO3或KCl AgCl(溶胶）
二、溶胶的制备--凝聚法
1.化学凝聚法
通过各种化学反应使生成物呈过饱和状态，使初 生成的难溶物微粒结合成胶粒，在少量稳定剂存在下 形成溶胶，这种稳定剂一般是某一过量的反应物。例 如：
A.复分解法 2H3AsO3（稀）+ 3H2S →As2S3（溶胶）+6H2O
蒸气骤冷法
3、凝聚法原理
凝聚法的核心问题：粒子大小即分散度
晶核与结晶生长动力学研究认为，溶液中 析出胶粒的过程与结晶过程相似，分为形成 晶核和晶体生长两个阶段
1）形成晶核阶段
晶核形成速度 ： v1=dn/dt=k1（C-S）/S
n：产生晶核的数目；C：析出物质的浓度；S：溶解 度；（C-S）：过饱和度
（1）渗析法
A、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。
利用浓差因素，多余 的电解质离子不断向膜外 渗透，经常更换溶剂，就 可以净化半透膜容器内的 溶胶。
如将装有胶的半透膜容器不断旋转，可 以加快渗析速度。
B、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。
4、溶液浓度对晶核生长过程的影响
Weimarn实验：在乙醇-水介质中， B与a反(C应NS物)2浓+M度g的SO关4 →系B，a结SO论4，：研究颗粒大小
①浓度对r的影响： A、浓度很小（10-5~10-4 mol/L），因晶体生长
速度受到限制，形成溶胶。
B、浓度较大（10-2~10-1 mol/L），有利于晶体 生长，生成结晶状沉淀
胶体与表面化学2-3讲解
每毫升胶粒质量 m 胶粒密度ρ
m nV V m 4 r3 r n 3
摩尔质量：
M
4 3
r
3
N
A
3
3m
4 n
4、超显微镜的应用
（2） 间接推测胶粒的形状和不对称性。例如， 球状粒子不闪光，不对称的粒子在向光面变化时 有闪光现象。
（3） 判断粒子分散均匀的程度。粒子大小不同， 散射光的强度也不同。
LOGO
第三节溶胶的光学性质
东北石油大学石油工程学院
溶胶的光学性质
• 一、光散射现象 • 二、Tyndall效应 • 三、Rayleigh公式 • 四、胶体的颜色 • 五、超显微镜
一、光散射现象
（1）溶胶光学性质的实质：其高度分散性和不均 匀性的反映透溶胶 Nhomakorabea镜
光 源
• 丁铎尔效应
一、光散射现象
思考题
2．超显微镜为何要用强的光源？ 答：因为根据 Raylligh 公式，对一个体系，其散
射光的强度与入射光的强度成正比。超显微镜是观察胶粒 的散射光，因此使用超显微镜，强光源能有效地提高超显 微镜的观测能力。
LOGO
（4） 观察胶粒的布朗运动 、电泳、沉降和凝聚 等 现象。
思考题
1、纯液体有无散射光? 为什么? 一般溶液如何?
(1) 对于纯液体或纯气体，其n1＝n2，便应无散射现
象，但实际上它们也都有微弱的乳光，这是由于密度的涨 落致使其折射率变化而引起的。
(2) 对一般真溶液的散射光是很微弱的，一般低分 子溶液，其分子体积很小，乳光很微弱，远不如溶胶明显 ，因此丁铎尔效应是判别溶胶与真溶液的简单方法。
CuSO4溶液
溶胶的光学性质
ห้องสมุดไป่ตู้1/ 3
m: 单个溶胶粒子的质量
ρ： 单个溶胶粒子的密度 ρB：单位体积溶胶中分散相的质量
C：单位体积溶胶中所含溶胶粒子的个数
3．超显微镜与粒子大小的近似测定 ●一般显微镜：在入射光的反方向上观察，散射光受透射光强烈 干扰，不能看到胶体粒子的存在； ●超显微镜：在与入射光垂直的方向及黑暗视野条件下观察，用 强光源（常用弧光）照射，可看到闪闪发亮、不断移动的光点。 注：在超显微 镜下看到的并 非粒子本身的 大小，而是其 散射光，散射 光的影像比胶 粒的投影大数 倍之多
2 2
即通过光散射测定溶胶和粗分散系统浊度计的原理。
一束会聚光通过溶胶时，站在与光线垂直的方向, 看到的 光柱的颜色是淡蓝色，站在入射光180度的方向, 看到的是橙红 色，为什么？
在入射光侧面，看到的是胶粒的散射光，据瑞利公式，入射光波长越 短，散射光越强，故蓝色紫色光易散射，散射光呈淡蓝色。 对着入射光，看到的是透射光，在白光中，波长较短的蓝色紫色光已 散射，剩下的透射光主要是波长较长的光，故看到的透射光是橙红色的。
§12.2
溶胶的光学性质
2．瑞利公式 非导电性球性粒子，单位体积液溶胶的散射光强度I与入 射光的强度I0近似满足：
9π V C I= 2 λ4 l 2
2
2
⎛ n −n ⎞ 2 ⎜ ⎟ 1 cos α I0 + ⎜ n 2 + 2n ⎟ ⎝ ⎠
2 2 0 2 0
2
(
)
I0 ：入射光的强度；V ：每个分散相粒子的体积； C ：单位体积中的粒子数（数密度）； ：入射光的波长 l ：观察者与散射中心的距离； n :分散相的折射率 ；n0：介质的折射率 a : 散射角，即观察的方向与入射光方向间的夹角
溶胶的光学性质
一.丁铎尔效应
• 当一束强烈的光线射 入溶胶后，在入射光 的垂直方向或溶胶的 侧面可以看到一发光 的圆锥体（如图13-13 所示）。这种被丁铎 尔(Tyndall)首先发现的 现象称为"丁铎尔效应"。
• 光束投射到分散系统上，可以发生光的吸收、反 射、散射或折射。当入射光的频率与分子的固有 频率相同时，则分生光的吸收；但光束与系统不 发生任何相互作用时，则透过；当入射光的波长 小于分散相粒子的尺寸时，则发生光的反射；若 入射光的波长分散相的尺寸时，则发生光的散射 现象。
实例：树林中的丁铎尔现象
光柱，类似这种自然 界的现象，也是丁铎 尔现象。这是因为云， 雾，烟尘也是胶体， 只是这些胶体的分散 剂是空气，分散质是 微小的尘埃或液滴。
二.瑞利公式
• 假设粒子的尺寸远小于入射光的波长时，可把粒 子视为点光源，可以不考虑各个粒子散射光之间 的相互作用。当入射光为非偏振光时单位体积夜 溶胶的散射光强度I可近似地用下列公式表示：
三.超显微镜与粒子大小的近似值测定
• 超显微镜是根据丁铎 尔效应，用来观察溶 胶粒子的存在和运动 的一种显微镜。它可 以观察普通显微镜观 察不到的溶胶粒子， 其结构和光路示意图 如图所示。
• 与普通显微镜不同，超显微镜是在垂直于入射光 的方向上进行观察，因此可以看到黑暗背景中因 胶粒光散射作用而呈现的发光点。应当指出，在 超显微镜下看到的不是粒子本身的大小，而是其 散射光。
本次演讲到此结束 谢谢！
• 可利用超显微镜来估算胶体粒子的平均大小。通 过缝隙的调节可得到光束的高度计宽度，结合样 品的厚度，即可算出产生光散射的溶胶的体积。
• 在超显微镜下直接数 出该体积中含有的粒 子数，即可得到粒子 的数浓度。再设粒子 半径为r，密度为ρ的 圆球，则每个粒子的 质量m可用右式表示：
• 当一束强烈的光线射 入溶胶后，在入射光 的垂直方向或溶胶的 侧面可以看到一发光 的圆锥体（如图13-13 所示）。这种被丁铎 尔(Tyndall)首先发现的 现象称为"丁铎尔效应"。
• 光束投射到分散系统上，可以发生光的吸收、反 射、散射或折射。当入射光的频率与分子的固有 频率相同时，则分生光的吸收；但光束与系统不 发生任何相互作用时，则透过；当入射光的波长 小于分散相粒子的尺寸时，则发生光的反射；若 入射光的波长分散相的尺寸时，则发生光的散射 现象。
实例：树林中的丁铎尔现象
光柱，类似这种自然 界的现象，也是丁铎 尔现象。这是因为云， 雾，烟尘也是胶体， 只是这些胶体的分散 剂是空气，分散质是 微小的尘埃或液滴。
二.瑞利公式
• 假设粒子的尺寸远小于入射光的波长时，可把粒 子视为点光源，可以不考虑各个粒子散射光之间 的相互作用。当入射光为非偏振光时单位体积夜 溶胶的散射光强度I可近似地用下列公式表示：
三.超显微镜与粒子大小的近似值测定
• 超显微镜是根据丁铎 尔效应，用来观察溶 胶粒子的存在和运动 的一种显微镜。它可 以观察普通显微镜观 察不到的溶胶粒子， 其结构和光路示意图 如图所示。
• 与普通显微镜不同，超显微镜是在垂直于入射光 的方向上进行观察，因此可以看到黑暗背景中因 胶粒光散射作用而呈现的发光点。应当指出，在 超显微镜下看到的不是粒子本身的大小，而是其 散射光。
本次演讲到此结束 谢谢！
• 可利用超显微镜来估算胶体粒子的平均大小。通 过缝隙的调节可得到光束的高度计宽度，结合样 品的厚度，即可算出产生光散射的溶胶的体积。
• 在超显微镜下直接数 出该体积中含有的粒 子数，即可得到粒子 的数浓度。再设粒子 半径为r，密度为ρ的 圆球，则每个粒子的 质量m可用右式表示：
溶胶的动力学性质和光学性质
第二节溶胶的动力学性质和光学性质
胶体系统是介于真溶液和粗分散系统之间的一种特殊分散系统。
由于胶体系统中粒子分散程度很高，具有很大的比表面积，表现出显著的表面特性，如胶体具有特殊的力学性质、光学性质和电学性质。
1.溶胶的力学性质
1827年，英国植物学家布朗（Brow）在显微镜下，观察悬浮在液体中的花粉颗粒时，发现这些粒子永不停息地做无规则运动。
后来还发现所有足够小的颗粒，如煤、化石、矿石、金属等无机物粉粒，也有同样的现象。
这种现象是布朗发现的，故称布朗运动，但在很长一段时间中，这种现象的本质没有得到阐明。
1903年，齐格蒙德（Zsigmondy）发明了超显微镜，用超显微镜观察溶胶，可以发现溶胶粒子在介质中不停地做无规则的运动。
对于一个粒子，每隔一定时间纪录其位置，可得到类似图9-13所示的完全不规则的运动轨迹，这种运动称为溶胶粒子的布朗运动。
图9-13 布朗运动示意图
粒子做布朗运动无需消耗能量，而是系统中分子固有的热运动的体现。
固体颗粒处于液体分子包围之中，而液体分子一直处于不停的、无序的热运动状态，撞击着固体粒子。
如果浮于液体介质中的固体远较溶胶粒子大（直径约大于5μm），一方面由于不同方向的撞击力大体已互相抵消，另一方面由于粒子质量大，其运动极不显著或根本不动。
但对于胶体分散程度的粒子（直径小于5μm）来说，每一时刻受到周围分子的撞击次数要少得多，那么在某一瞬间粒子各方向所受力不能相互抵消，就会向某一方向运动，在另一瞬间又向另一方向运动，因此形成了不停的无规则运动。
布朗运动的速率取决于粒子的大小、温度及介质黏度等，粒子越小、温度越高、黏度越小则运动速率越快。
胶体化学第3章-胶体的基本性质
1）当光束通过粗分散体系，由于粒子大于入射光的波 长，主要发生反射，使体系呈现混浊。 2）当光束通过胶体溶液，由于胶粒直径小于可见光波 长，主要发生散射，可以看见乳白色的光柱。 3）当光束通过分子溶液，由于溶液十分均匀，散射光 因相互干涉而完全抵消，看不见散射光。
区别溶胶、真溶液 和悬浮体最简单而 灵敏的方法。
Brown运动产生的本质
分散介质分子以大小不同和方向不同的力对胶体粒 子不断撞击而产生的。由于受到的力不平衡，连续地以 不同方向、不同速度作不规则运动。随着粒子增大，撞 击的次数增多，而作用力抵消的可能性也变大。
Brown运动的特点
★粒子越小，布朗运动越激烈。 ★运动激烈的程度不随时间而改变，但随温度 的升高而增加。 ★粒子半径大于5μm后，Brown运动就会消失。
物理吸附 如吸附表面活性剂，极性基团吸附到极性( 亲水)表面，非极性基团吸附到非极性（疏水）表面 。当非极性基团吸附到疏水表面时，疏水表面变为 亲水，而且带电。
（2）电离 对于可能发生电离的大分子的 溶胶而言，则胶粒带电主要是其本身发生电离 引起的。
例如蛋白质分子，当它的羧基或胺基在水中解离时， 整个大分子就带负电或正电荷。当介质的pH较低时， 蛋白质分子带正电，pH较高时，则带负电荷。
当蛋白质分子所带的净电荷为零时，这时介 质的pH称为蛋白质的等电点。在等电点时蛋 白质分子的移动已不受电场影响，它不稳定且 易发生凝聚。
(3)离子的不等量溶解
对离子型的固体物质有两种电荷相反的离子，可获得 离子。对于金属氧化物和氢氧化物的溶胶，决定胶粒电 性的主要离子是H+和OH-的浓度。
4)晶格取代
R－观测距离
θ－观测角度
I 1
4
I
大气密度的涨落引起太阳光的散射， 散射光呈淡蓝色
溶胶的性质 (1)
电泳实验 证实了溶胶的胶粒带电胶粒带电 是溶胶稳定的主要因素
胶粒带电原因？
氢氧化铁溶胶的电泳实验
溶胶粒子的 + 3H2O == Fe(OH)3 + 3HCl Fe(OH)3 + H+ == FeO+ + 2H2O
反离子
胶粒
电势离子 氢氧化铁胶团的结构示意图
胶核
溶胶粒子的结构
负溶胶
扩散层 反离子
胶粒
胶团
AgNO3 + KCl == AgCl + KNO3
电势离子 胶核
氯化银胶团的结构示意图
二、溶胶及其性质
3.溶胶的性质
4）溶胶的稳定性和聚沉
溶胶的稳定性 ① 动力学稳定性
② 胶粒带电(主要因素）
③ 胶粒表面水化膜的保护作用
溶胶的聚沉 ①电解质的聚沉作用
②溶胶的相互聚沉
3、使溶胶聚沉常用的方法有哪些？
溶胶中分散质的颗粒在不断地做无规则的运动，这种运动叫做布朗
。 （Brown）运动
布朗运动是大量分子做无规则运动对悬浮的固体微粒各个方向撞击作用 的不均衡性造成的，所以布朗运动是大量液体分子集体行为的结果。 是溶胶稳定的重要因素
二、溶胶及其性质
3.溶胶的性质 3）电学性质
电泳现象 电泳现象说明溶胶粒子是带电的， 根据电泳实验测定溶胶粒子的带电性。
溶胶及其性质
药学院教师 朱勇
二、溶胶及其性质
1.溶胶的概述：溶胶的胶粒是由大量分子（或原子、离子） 形成的聚集体。直径为l-100 nm的胶粒分散在分散介质中形 成的多相系统，具有很大的界面和界面能，能否长时间存在 取决于胶体的性质。
硅溶胶
二、溶胶及其性质
2.溶胶的分类：习惯上，把分散介质（分散剂）为液体的胶体 分散体系称为液溶胶或溶胶（sol）；分散介质为气体的分散体 系成为气溶胶，介质为固体时，称为固溶胶。
胶粒带电原因？
氢氧化铁溶胶的电泳实验
溶胶粒子的 + 3H2O == Fe(OH)3 + 3HCl Fe(OH)3 + H+ == FeO+ + 2H2O
反离子
胶粒
电势离子 氢氧化铁胶团的结构示意图
胶核
溶胶粒子的结构
负溶胶
扩散层 反离子
胶粒
胶团
AgNO3 + KCl == AgCl + KNO3
电势离子 胶核
氯化银胶团的结构示意图
二、溶胶及其性质
3.溶胶的性质
4）溶胶的稳定性和聚沉
溶胶的稳定性 ① 动力学稳定性
② 胶粒带电(主要因素）
③ 胶粒表面水化膜的保护作用
溶胶的聚沉 ①电解质的聚沉作用
②溶胶的相互聚沉
3、使溶胶聚沉常用的方法有哪些？
溶胶中分散质的颗粒在不断地做无规则的运动，这种运动叫做布朗
。 （Brown）运动
布朗运动是大量分子做无规则运动对悬浮的固体微粒各个方向撞击作用 的不均衡性造成的，所以布朗运动是大量液体分子集体行为的结果。 是溶胶稳定的重要因素
二、溶胶及其性质
3.溶胶的性质 3）电学性质
电泳现象 电泳现象说明溶胶粒子是带电的， 根据电泳实验测定溶胶粒子的带电性。
溶胶及其性质
药学院教师 朱勇
二、溶胶及其性质
1.溶胶的概述：溶胶的胶粒是由大量分子（或原子、离子） 形成的聚集体。直径为l-100 nm的胶粒分散在分散介质中形 成的多相系统，具有很大的界面和界面能，能否长时间存在 取决于胶体的性质。
硅溶胶
二、溶胶及其性质
2.溶胶的分类：习惯上，把分散介质（分散剂）为液体的胶体 分散体系称为液溶胶或溶胶（sol）；分散介质为气体的分散体 系成为气溶胶，介质为固体时，称为固溶胶。
溶胶的光学性质
以上是Tyndail的发现，称为Tyndail效应。其他分 散体系也会产生这种现象，但远不如溶胶显著。 Tyndail效应是判别溶胶与真溶液的最简便方法。
2 、 Tyndail效应原理 当光线射入分散体系时能发生两种情况： ①分散相粒子直径>入射光时,主要发生 反射或折射现象。粗分散体系就属于这 种情况 ②分散相粒子直径<入射光时，主要发生
§2-2 溶胶的光学性质
溶胶的光学性质是其高度分散性
和不均匀性特点的反映.
一 、光散射特性 １、ＴYndall效应（T铎尔） ①晴朗的早晨站在户外，可以看到天空总是蔚蓝 的，这是由于从一个方向射入大气层的阳光，被 空气（气溶胶）分子 散射到各个方向。
② 一束会聚的光通过溶液
从侧面（与光束垂直的方向） 看到一个发光的圆锥体
粒子直径 nm １０－２０ 银胶体的颜色 透射光 黄 侧面光 兰 小 粒径 Ｓ胶体的颜色 透射光 黄 橙 红橙 红 浅红 侧面光 青
２５－３５
３５－４５
红
红紫
暗绿
绿
青
绿青
５０－６０
７０－８０
兰紫
兰
黄
棕红 大 绿黄
紫
青紫 浅青 绿
黄红
橙红 红
１２０－１３０ 绿
分散高度（粒子小）的胶体呈现黄或橙， 是因为他吸收了紫光和青光，分散度降 低，变成红、紫、青、绿等色。
式中：A
24 A V
2 2
2
4
n n ( ) n 2n
2 1 2 1
2 2 2 2 2
n1
入射光振幅， 入射光波长， 分散相折射率，
单位体积中粒子数 V 每个粒子的体积 n2 分散介质的折射率
溶胶的光学性质
瑞利散射
瑞利散射 关于光散射的科学观察约从19世纪 中叶开始,其中J.廷德耳(1869)的工作有重要作用, 因此也常把光的散射现象称为廷德耳效应。这之 后，瑞利于1871年假设物质中存在着远小于波长 的微粒而导出了散射现象的规律，可以很好地解 释天空的蓝色和落日的红色。这种散射光的频率 与入射光相同，散射光的光强度与入射光的波长 四次方成反比, 且各方向的散射光强是不一样的 称为瑞利散射。
分散相可以是气相、液相或固相。
光学性质
• Tyndall（丁达尔）效应 • 光散射现象 • Rayleigh（瑞利）公式 • 乳光计原理 • 浊度 • 超显微镜
丁达尔效应
1869年Tyndall发现，若令一束会聚光通 过溶胶，从侧面（即与光束垂直的方向） 可以看到一个发光的圆锥体，这就是 Tyndall效应。其他分散体系也会产生一点 散射光，但远不如溶胶显著。
保持粒子大小相 同
I1 I2
c1 c2
如果已知一种溶液的散射光强度和粒子半径（或浓 度），测定未知溶液的散射光强度，就可以知道其 粒径（或浓度），这就是乳光计。
浊度（turbidity ）
超显微镜的特点
普通显微镜分辨率不高，只能分辨出半径 在200 nm以上的粒子，所以看不到胶体粒子。
超显微镜分辨率高，可以研究半径为 5~150 nm的粒子。但是， 超显微镜观察 的不是胶粒本身，而是观察胶粒发出的 散射光。是目前研究憎液溶胶非常有用 的手段之一。
（2）当光束通过胶体溶液，由于胶粒直径小 于可见光波长，主要发生散射，可以看见乳白色 的光柱
（3）当光束通过分子溶液，由于溶液十分均 匀，散射光因相互干涉而完全抵消，看不见散射 光。
光散射现象
左：胶体 丁达尔效应
12章_溶胶
3. 溶胶的光学性质-Tyndall效应
溶液
溶胶 云锁高山,哪个尖峰得出 日照漏壁,这条光棍难拿
2020/7/26
4. 溶胶的动力学性质-Brown运动
布朗用显微镜观察到悬浮在液面上的花粉不断地 作不规则的运动。 Brown运动的宏观效果使胶粒从高浓度区扩散到低 浓度区。
2020/7/26
4. 溶胶的动力学性质-沉降平衡
2020/7/26
3. 溶胶的光学性质-光散射
可见光的波长在400~700 nm。胶粒尺寸1~100nm （1）当光束通过粗分散体系，由于粒子尺寸大于入 射光的波长，主要发生反射，体系呈现混浊。
（2）当光束通过胶体溶液，由于胶粒直径小于可见 光波长，主要发生散射，即Tyndall效应。
（3）当光束通过溶液，由于溶液十分均匀，散射光因 相互干涉而完全抵消。 令一束光通过溶胶，从侧面可以看到一条光柱，这就是 Tyndall效应，是判别溶胶与溶液的最简便的方法。
结构表达式
[(AgI)m nI- (n-x)K+ ]x- xK+
胶核
紧密层
扩散层
胶粒
胶团
胶团的图示式 由内到外分别是胶 核，胶粒，胶团。
2020/7/26
5. 溶胶的电性质-胶粒的结构
若AgNO3过量，则AgI胶核吸附Ag+而带正电。反离子 NO3-一部分进入紧密层(stern层)，一部分进入扩散层。 若KI过量，则AgI胶核吸附I-而带负电。反离子K+一部 分进入紧密层(stern层)，一部分进入扩散层。 胶核、吸附的离子和紧密层共同组成胶粒，胶粒与扩 散层一起组成胶团，整个胶团显电中性。
2. 电离，分散相电离，一部分离子进入介质中。
2020/7/26
2.3 溶胶的光学性质
乳光计原理
当分散相和分散介质等条件都相同时，Rayleigh 公式可改写成： 2
νV IK 4 λ
c 当入射光波长不变， V
设粒子为球形，代入上式可得： 若有两个浓度相同的溶胶
4 V r3 3
I K'cr
I1 r I2 r
3 1 3 2
3
乳光计原理
若胶体粒子大小相同，而浓度不同
普通显微镜分辨率不高，只能分辨出半径在
200 nm以上的粒子，所以看不到胶体粒子。
超显微镜分辨率高，可以研究半径为5~150 nm的粒子。
超显微镜观察的不是胶粒本身，而是观察胶粒发
出的散射光。是用普通显微镜来观察Tyndall效应。
超显微镜是目前研究憎液溶胶非常有用的手段之一
超显微镜的类型
1. 狭缝式
2 2
2
4
n n ( ) n 2n
2 1 2 1
2 2 2 2 2
n1
入射光振幅， 入射光波长， 分散相折射率，
单位体积中粒子数 V 每个粒子的体积 n2 分散介质的折射率
Rayleigh公式
从Rayleigh公式可得出如下结论： 1. 散射光总能量与入射光波长的四次方成反比。入
射光波长愈短，散射愈显著。所以可见光中，蓝、
显微镜
胶体
心形聚光器 配有心形聚光器的显微镜
目镜在黑暗的背景上看到的是胶粒发出的的散射光
从超显微镜可以获得哪些有用信息？ （1） 可以测定球状胶粒的平均半径。 （2） 间接推测胶粒的形状和不对称性。例如，球状 粒子不闪光，不对称的粒子在向光面变化时有
闪光现象。
（3） 判断粒子分散均匀的程度。粒子大小不同，散 射光的强度也不同。
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§2.3 溶胶的光学性质
光散射
超显微镜的基本原理和粒子大小的测定
光散射现象
当光束通过分散系统时，一部分自由地通过，
一部分被吸收、反射或散射。可见光的波长约在
400~700 nm之间。 （1）当光束通过粗分散系统，由于粒子大于入射 光的波长，主要发生反射，使系统呈现混浊。 （2）当光束通过胶体溶液，由于胶粒直径小于可 见光波长，主要发生散射，可以看见乳白色的光柱。
Tyndall效应和Rayleigh公式
1869年Tyndall发现，若令一束会聚光通过溶胶，从
侧面可以看到一个发光的圆锥体，这就是Tyndall效应。
其他分散体系也会产生一点散射光，但远不如溶 胶显著。 Tyndall效应已成为判别溶胶与分 子溶液的最简便的方法。 Tyndall效应的另一特点是，不同 方向观察到的光柱有不同的颜色
• 丁达尔散射和瑞利散射的规律不同，是能不能看到蓝天白 云的根本原因。 • 我们知道可见光的光波长范围是400纳米（蓝紫色） 到700纳米（红色）。红光端波长是蓝紫光波长的1.75倍。 其四次方大约是9.38倍。也就是说，在可见光的范围内， 短波长的蓝紫光散射强度接近十倍于长波长的红光散射强 度。 • 在空气条件好的情况下，即空气比较洁净，悬浮尘埃较少 时，主要的散射是瑞利散射，散射光中蓝色成份较多。这 就是我们所期望看到的蓝天白云。而在一些城市里，特别 是大气污染较严重的大城市里，由于空气中充满了线度较 大的悬浮尘埃粒子，此时的散射光有很大一部分是丁达尔 散射产生的，呈白色。因此，天空就是白茫茫的。下图拍 摄时天气很好，天空是蔚蓝色的，但是在靠近地面的地方 还是有太多的尘埃，远不如高空那样清澈。
I1 c1 I 2 c2
如果已知一种溶液的散射光强度和粒子半径(或
浓度)，测定未知溶液的散射光强度，就可以知道其
粒径(或浓度)，这就是乳光计。
乳光计的原理与比色计相似，所不同者在于乳
光计中光源是从侧面照射溶胶，因此观察到的是散
射光的强度。
浊度（turbidity ）
浊度的定义为：
I t /I 0 e
普通显微镜分辨率不高，只能分辨出半径在
200 nm以上的粒子，所以看不到胶体粒子。
超显微镜分辨率高，可以研究半径为5~150 nm的粒子。
超显微镜观察的不是胶粒本身，而是观察胶粒发
出的散射光。是用普通显微镜来观察Tyndall效应。
超显微镜是目前研究憎液溶胶非常有用的手段之一
超显微镜的类型
1. 狭缝式
（4） 观察胶粒的Brown运动 、电泳、沉降和凝聚等
现象。
作业：
• 请思考与回答下列问题： • （1）为什么会存在胶体的动力性质、光学 性质？人们如何利用这些性质对胶体体系 进行研究？
光散射的本质
光是一种电磁波，照射溶胶时，分子中的电子
分布发生位移而产生偶极子，这种偶极子向各个方
向发射与入射光频率相同的光，这就是散射光。 分子溶液十分均匀，这种散射光因相互干涉而完
全抵消，看不到散射光。
溶胶是多相不均匀系统，在胶粒和介质分子上产 生的散射光不能完全抵消，因而能观察到散射现象。 如果溶胶对可见光中某一波长的光有较强的选择 性吸收，则透过光中该波长段将变弱，这时透射光将 呈该波长光的补色光。
乳光计原理
当分散相和分散介质等条件都相同时，Rayleigh 公式可改写成： 2
νV IK 4 λ
c 当入射光波长不变， V
设粒子为球形，代入上式可得： 若有两个浓度相同的溶胶
4 V r3 3
I K'cr
I1 r I2 r
3 1 3 2
3
乳光计原理
若胶体粒子大小相同，而浓度不同
显微镜
胶体
心形聚光器 配有心形聚光器的显微镜
目镜在黑暗的背景上看到的是胶粒发出的的散射光
从超显微镜可以获得哪些有用信息？ （1） 可以测定球状胶粒的平均半径。 （2） 间接推测胶粒的形状和不对称性。例如，球状 粒子不闪光，不对称的粒子在向光面变化时有
闪光现象。
（3） 判断粒子分散均匀的程度。粒子大小不同，散 射光的强度也不同。
2 2 2 2
2
当散射粒子的尺度与入射光波长可比拟 时(例如飘尘粒子对可见光的散射)，散 射 光的强度分布不对称而是分布复杂， 称为米散射。
有趣的自然现象
• 在月球上看天空，能否看到晴朗、兰色的 天空？美丽的朝霞和落日的余辉？ • 1913年的一场“虚惊” • 1913年地球上曾通过一个巨大的彗星尾， 彗星为绵延数百里，当时预言地球即将毁 灭……! • 如何解释晴朗的天空呈兰色？旭日和夕阳 呈红色？
Rayleigh公式
当散射粒子的尺度远小于入射光的波长时(例如大气分子对可 见光的散射)，称为分子散 射或瑞利散射，散射光分布均匀且
对称。 Rayleigh研究了大量的光散射现象，对于粒子
半径在47 nm以下的溶胶，导出了散射光总能量的计
算公式，称为Rayleigh公式：
I
式中：A
24 A V
2 2
2
4
n n ( ) n 2n
2 1 2 1
2 2 2 2 2
n1
入射光振幅， 入射光波长， 分散相折射率，
单位体积中粒子数 V 每个粒子的体积 n2 分散介质的折射率
Rayleigh公式
从Rayleigh公式可得出如下结论： 1. 散射光总能量与入射光波长的四次方成反比。入
射光波长愈短，散射愈显著。所以可见光中，蓝、
• 。
•
Tyndall效应
光源
光源
CuSO4 溶液
Fe(OH)3溶胶
• 另外，即使仔细清除所有的杂质，即在非常纯粹的气体或 液体中，由于分子的热运动引起了介质密度的涨落而造成 折射率不均匀，也会有散射现象发生。虽然它们的散射强 度远远小于丁达尔散射，但这种现象还是普遍存在的。我 们称光在这种纯粹物质中的散射为分子散射。 • 实验证明，极微小异质体（异质体线度比入射光波长 小很多）产生的散射和分子散射的散射规律与大颗粒异质 体散射（丁达尔散射）不同，其散射强度是与入射光的波 长有关的，即散射强度与光波波长的四次方成反比，这就 是瑞利散射定律。这类散射也称为瑞利散射。瑞利散射时， 由于蓝光波长较短，其散射强度就比波长较长的红光强， 因此散射光中蓝光的成份较多。
浊度的物理意义： 当
l
It I0 l
透射光强度 入射光强度 样品池长度 浊度
I t /I 0 1 /e
1 τ l
浊度计的用处：
当光源、波长、粒子大小相同时，溶胶的浓度
不同，其透射光的强度亦不同，由浊度计算浓度。
3 溶胶颜色
• 光吸收,与观察方向无关
• 散射，与观察方向有关
超显微镜的基本原理和粒子大小的测定
• 当光通过各种浑浊介质时都会发生散射。我们平时说，光 是直线传播的（这里不考虑光的衍射），但是实际上光波 只有在真空或均匀介质中传播时，才有确定的传播方向。 • 如果介质不均匀，即有异质体存在，就会有散射现象。实 验发现，这里的关键是折射率的不同，如果两种物质的折 射率相同，把它们混在一起时就和只有一种介质一样，并 没有散射光。浑浊介质中的异质体的线度要比光的波长大 时，散射作用是很强的，这种散射也称丁达尔散射或者丁 达尔效应。丁达尔散射的强度是与光波波长无关的，因此， 当入射光是白光时，我们看到的散射光也是白光。
紫色光散射作用强。 2.分散相与分散介质的折射率相差愈显著，则散射作
用亦愈显著。
3.散射光强度与单位体积中的粒子数成正比。
某方向散射光的强度
9cv n n I (1 cos ) 4 2 I 0 2 R n 2 n
2
2
2 1 2 1
照射光从碳弧光
源射出，经可调狭缝 由透镜会聚，从侧面 射到盛胶体溶液的样 品池中 超显微镜的目镜看 到的是胶粒的散射光。
碳弧电源
显微镜
可调狭缝
胶体
狭缝式超显微镜
如果溶液中没有胶粒，视野将是一片黑暗。
超显微镜的类型
2. 有心形聚光器 这种超显微镜有 一个心形腔，上部视 野涂黑，强烈的照射 光通入心形腔后不能 直接射入目镜，而是 在腔壁上几经反射， 改变方向，最后从侧 面会聚在试样上
• 白色的太阳光包含着从红到蓝紫各色的光，在太阳光经过 大气层时，会发生散射，而且主要是与光波长有关的瑞利 散射。在这种散射的作用下，短波长（蓝光）的成份被散 射掉了，透射的光中长波长（红光）的成份就较多。透射 光中的红光成份比例是与光线穿过大气层的行程长短有关 的。从下图我们可以看出早晨和黄昏时的太阳光穿过大气 层的行程比中午时长得多（一般来说要长6-10倍），被散 射掉的蓝光也要多得多。因此，早晚的太阳看上去就是偏 红色的。 • 另外，我们在生活在地球上，有白天和晚上之分的原因也 是大气层的散射。如果没有散射，我们在白天看到的天空 将与晚上一样，满天星斗在黑色的背景上闪烁，唯一不同 的是有一个十分明亮的太阳在黑色的背景上发出耀眼的光 芒。这不是幻想，事实上宇航员从太空已经看到了这样的 现象。而且正因为地球被大气层包围着，宇航员从太空看 地球，看到的是一个美丽的“蓝色的星球”。
（3）当光束通过分子溶液，由于溶液十分均匀，散
射光因相互干涉而完全抵消，看不见散射光。
• 散射是一种普遍存在的光学现象。在光通过各种浑浊介质 时，有一部分光会向四方散射，沿原来的入射或折射方向 传播的光束减弱了，即使不迎着入射光束的方向，人们也 能够清楚地看到这些介质散射的光。这种现象就是光的散 射。 • 在光学中的定义，散射就是由于介质中存在的微小粒子 （异四周传播的现象。
光散射
超显微镜的基本原理和粒子大小的测定
光散射现象
当光束通过分散系统时，一部分自由地通过，
一部分被吸收、反射或散射。可见光的波长约在
400~700 nm之间。 （1）当光束通过粗分散系统，由于粒子大于入射 光的波长，主要发生反射，使系统呈现混浊。 （2）当光束通过胶体溶液，由于胶粒直径小于可 见光波长，主要发生散射，可以看见乳白色的光柱。
Tyndall效应和Rayleigh公式
1869年Tyndall发现，若令一束会聚光通过溶胶，从
侧面可以看到一个发光的圆锥体，这就是Tyndall效应。
其他分散体系也会产生一点散射光，但远不如溶 胶显著。 Tyndall效应已成为判别溶胶与分 子溶液的最简便的方法。 Tyndall效应的另一特点是，不同 方向观察到的光柱有不同的颜色
• 丁达尔散射和瑞利散射的规律不同，是能不能看到蓝天白 云的根本原因。 • 我们知道可见光的光波长范围是400纳米（蓝紫色） 到700纳米（红色）。红光端波长是蓝紫光波长的1.75倍。 其四次方大约是9.38倍。也就是说，在可见光的范围内， 短波长的蓝紫光散射强度接近十倍于长波长的红光散射强 度。 • 在空气条件好的情况下，即空气比较洁净，悬浮尘埃较少 时，主要的散射是瑞利散射，散射光中蓝色成份较多。这 就是我们所期望看到的蓝天白云。而在一些城市里，特别 是大气污染较严重的大城市里，由于空气中充满了线度较 大的悬浮尘埃粒子，此时的散射光有很大一部分是丁达尔 散射产生的，呈白色。因此，天空就是白茫茫的。下图拍 摄时天气很好，天空是蔚蓝色的，但是在靠近地面的地方 还是有太多的尘埃，远不如高空那样清澈。
I1 c1 I 2 c2
如果已知一种溶液的散射光强度和粒子半径(或
浓度)，测定未知溶液的散射光强度，就可以知道其
粒径(或浓度)，这就是乳光计。
乳光计的原理与比色计相似，所不同者在于乳
光计中光源是从侧面照射溶胶，因此观察到的是散
射光的强度。
浊度（turbidity ）
浊度的定义为：
I t /I 0 e
普通显微镜分辨率不高，只能分辨出半径在
200 nm以上的粒子，所以看不到胶体粒子。
超显微镜分辨率高，可以研究半径为5~150 nm的粒子。
超显微镜观察的不是胶粒本身，而是观察胶粒发
出的散射光。是用普通显微镜来观察Tyndall效应。
超显微镜是目前研究憎液溶胶非常有用的手段之一
超显微镜的类型
1. 狭缝式
（4） 观察胶粒的Brown运动 、电泳、沉降和凝聚等
现象。
作业：
• 请思考与回答下列问题： • （1）为什么会存在胶体的动力性质、光学 性质？人们如何利用这些性质对胶体体系 进行研究？
光散射的本质
光是一种电磁波，照射溶胶时，分子中的电子
分布发生位移而产生偶极子，这种偶极子向各个方
向发射与入射光频率相同的光，这就是散射光。 分子溶液十分均匀，这种散射光因相互干涉而完
全抵消，看不到散射光。
溶胶是多相不均匀系统，在胶粒和介质分子上产 生的散射光不能完全抵消，因而能观察到散射现象。 如果溶胶对可见光中某一波长的光有较强的选择 性吸收，则透过光中该波长段将变弱，这时透射光将 呈该波长光的补色光。
乳光计原理
当分散相和分散介质等条件都相同时，Rayleigh 公式可改写成： 2
νV IK 4 λ
c 当入射光波长不变， V
设粒子为球形，代入上式可得： 若有两个浓度相同的溶胶
4 V r3 3
I K'cr
I1 r I2 r
3 1 3 2
3
乳光计原理
若胶体粒子大小相同，而浓度不同
显微镜
胶体
心形聚光器 配有心形聚光器的显微镜
目镜在黑暗的背景上看到的是胶粒发出的的散射光
从超显微镜可以获得哪些有用信息？ （1） 可以测定球状胶粒的平均半径。 （2） 间接推测胶粒的形状和不对称性。例如，球状 粒子不闪光，不对称的粒子在向光面变化时有
闪光现象。
（3） 判断粒子分散均匀的程度。粒子大小不同，散 射光的强度也不同。
2 2 2 2
2
当散射粒子的尺度与入射光波长可比拟 时(例如飘尘粒子对可见光的散射)，散 射 光的强度分布不对称而是分布复杂， 称为米散射。
有趣的自然现象
• 在月球上看天空，能否看到晴朗、兰色的 天空？美丽的朝霞和落日的余辉？ • 1913年的一场“虚惊” • 1913年地球上曾通过一个巨大的彗星尾， 彗星为绵延数百里，当时预言地球即将毁 灭……! • 如何解释晴朗的天空呈兰色？旭日和夕阳 呈红色？
Rayleigh公式
当散射粒子的尺度远小于入射光的波长时(例如大气分子对可 见光的散射)，称为分子散 射或瑞利散射，散射光分布均匀且
对称。 Rayleigh研究了大量的光散射现象，对于粒子
半径在47 nm以下的溶胶，导出了散射光总能量的计
算公式，称为Rayleigh公式：
I
式中：A
24 A V
2 2
2
4
n n ( ) n 2n
2 1 2 1
2 2 2 2 2
n1
入射光振幅， 入射光波长， 分散相折射率，
单位体积中粒子数 V 每个粒子的体积 n2 分散介质的折射率
Rayleigh公式
从Rayleigh公式可得出如下结论： 1. 散射光总能量与入射光波长的四次方成反比。入
射光波长愈短，散射愈显著。所以可见光中，蓝、
• 。
•
Tyndall效应
光源
光源
CuSO4 溶液
Fe(OH)3溶胶
• 另外，即使仔细清除所有的杂质，即在非常纯粹的气体或 液体中，由于分子的热运动引起了介质密度的涨落而造成 折射率不均匀，也会有散射现象发生。虽然它们的散射强 度远远小于丁达尔散射，但这种现象还是普遍存在的。我 们称光在这种纯粹物质中的散射为分子散射。 • 实验证明，极微小异质体（异质体线度比入射光波长 小很多）产生的散射和分子散射的散射规律与大颗粒异质 体散射（丁达尔散射）不同，其散射强度是与入射光的波 长有关的，即散射强度与光波波长的四次方成反比，这就 是瑞利散射定律。这类散射也称为瑞利散射。瑞利散射时， 由于蓝光波长较短，其散射强度就比波长较长的红光强， 因此散射光中蓝光的成份较多。
浊度的物理意义： 当
l
It I0 l
透射光强度 入射光强度 样品池长度 浊度
I t /I 0 1 /e
1 τ l
浊度计的用处：
当光源、波长、粒子大小相同时，溶胶的浓度
不同，其透射光的强度亦不同，由浊度计算浓度。
3 溶胶颜色
• 光吸收,与观察方向无关
• 散射，与观察方向有关
超显微镜的基本原理和粒子大小的测定
• 当光通过各种浑浊介质时都会发生散射。我们平时说，光 是直线传播的（这里不考虑光的衍射），但是实际上光波 只有在真空或均匀介质中传播时，才有确定的传播方向。 • 如果介质不均匀，即有异质体存在，就会有散射现象。实 验发现，这里的关键是折射率的不同，如果两种物质的折 射率相同，把它们混在一起时就和只有一种介质一样，并 没有散射光。浑浊介质中的异质体的线度要比光的波长大 时，散射作用是很强的，这种散射也称丁达尔散射或者丁 达尔效应。丁达尔散射的强度是与光波波长无关的，因此， 当入射光是白光时，我们看到的散射光也是白光。
紫色光散射作用强。 2.分散相与分散介质的折射率相差愈显著，则散射作
用亦愈显著。
3.散射光强度与单位体积中的粒子数成正比。
某方向散射光的强度
9cv n n I (1 cos ) 4 2 I 0 2 R n 2 n
2
2
2 1 2 1
照射光从碳弧光
源射出，经可调狭缝 由透镜会聚，从侧面 射到盛胶体溶液的样 品池中 超显微镜的目镜看 到的是胶粒的散射光。
碳弧电源
显微镜
可调狭缝
胶体
狭缝式超显微镜
如果溶液中没有胶粒，视野将是一片黑暗。
超显微镜的类型
2. 有心形聚光器 这种超显微镜有 一个心形腔，上部视 野涂黑，强烈的照射 光通入心形腔后不能 直接射入目镜，而是 在腔壁上几经反射， 改变方向，最后从侧 面会聚在试样上
• 白色的太阳光包含着从红到蓝紫各色的光，在太阳光经过 大气层时，会发生散射，而且主要是与光波长有关的瑞利 散射。在这种散射的作用下，短波长（蓝光）的成份被散 射掉了，透射的光中长波长（红光）的成份就较多。透射 光中的红光成份比例是与光线穿过大气层的行程长短有关 的。从下图我们可以看出早晨和黄昏时的太阳光穿过大气 层的行程比中午时长得多（一般来说要长6-10倍），被散 射掉的蓝光也要多得多。因此，早晚的太阳看上去就是偏 红色的。 • 另外，我们在生活在地球上，有白天和晚上之分的原因也 是大气层的散射。如果没有散射，我们在白天看到的天空 将与晚上一样，满天星斗在黑色的背景上闪烁，唯一不同 的是有一个十分明亮的太阳在黑色的背景上发出耀眼的光 芒。这不是幻想，事实上宇航员从太空已经看到了这样的 现象。而且正因为地球被大气层包围着，宇航员从太空看 地球，看到的是一个美丽的“蓝色的星球”。
（3）当光束通过分子溶液，由于溶液十分均匀，散
射光因相互干涉而完全抵消，看不见散射光。
• 散射是一种普遍存在的光学现象。在光通过各种浑浊介质 时，有一部分光会向四方散射，沿原来的入射或折射方向 传播的光束减弱了，即使不迎着入射光束的方向，人们也 能够清楚地看到这些介质散射的光。这种现象就是光的散 射。 • 在光学中的定义，散射就是由于介质中存在的微小粒子 （异四周传播的现象。