河海大学 物理化学部分试题

1. 凝胶有哪些性质？简述这些性质。

1.触变作用

在浓Fe(OH)3溶胶中加入少量电解质时，溶胶的强度增加并转变为凝胶；将此凝胶稍加振动，便等温可逆地转变为溶胶；静置后又成凝胶。此种操作可重复多次，并且溶胶或凝胶的性质均没有明显的变化。这种现象就是触变作用(thixotropy ，又称切稀)。

触变作用实际上是从有结构的体系转变为“无结构”的体系，此种变化可表示为：

触变作用的相关解释：

1） 颗粒上有离子，因而有电性吸引和排斥作用．在某种距离时这两种力达到平衡而形成结构。

2）颗粒之间搭成架子，流动时架子被拆散。

2.老化特性（离浆特性）

大分子溶液或溶胶胶凝后，凝胶的性质并没有全部被固定下来。随着时间的延续，凝胶的性质仍在继续变化的现象通常称为老化(aging)。凝胶老化的表现形式之一是离浆，也叫脱水收缩。离浆就是水凝胶在基本上不改变外形的情况下，分离出其中所包含的一部分液体，此部分是大分子稀溶液或稀的凝胶。

水凝胶产生离浆作用的原因是由于溶胶在形成有网状结构的凝胶后，粒子之间的距离还不是最小的，粒子之间仍继续相互作用，使粒子进一步靠近和更完全地定向，从而使凝胶的骨架收缩，于是一部分液体被从粒子间挤压出来产生“出汗”离浆现象。

3.膨胀特性

凝胶的膨胀(亦称溶胀，swelling)作用，是指凝胶在液体或蒸气中吸收这些液体或蒸气时，使自身质量、体积增加的作用。膨胀作用是弹性凝胶所特有的性质。分为有限膨胀和无限膨胀。

膨胀分两个阶段：

第一阶段是形成溶剂化层。即溶剂分子很快钻入凝胶中，与凝胶大分子相互作用成溶剂化层。这个阶段时间短、速度快，显示有液体的蒸汽压很低、体积收缩、热效应和溶剂的熵值降低。

第二阶段是液体的渗透和吸收。在这个阶段中，液体的吸收量不是干胶质量的百分之几十(质量分数)，而是几倍、几十倍，同时也没有明显的热效应和体积收缩现象。

4.吸附特性

一般说非弹性凝胶的干胶都具有多孔性的毛细管结构，因而比表面积较大，从而表现出较强的吸附能力。而弹性凝胶干燥时由于高分子链段收缩，形成紧密堆积，故其干胶几乎无可测量的孔度。

弹性凝胶在低压下吸附量相当小，但在高的相对水蒸汽压力下吸附量迅速增加，这是因为在吸附过程中其结构逐渐被吸附质分子推开而远离了，使表面更多地被暴露出来。

2. 什么是溶胶－凝胶方法？简述溶胶－凝胶法的优势。

溶胶－凝胶法是制备材料的湿化学方法中一种崭新的方法。它是一种由金属有机化合物、金属无机化合物−−−−−−→

←−−−−−−摇动（触变作用）静置（胶凝作用）凝胶溶胶（等温）

或上述两者混合物经过水解缩聚过程，逐渐凝胶化及相应的后处理，而获得氧化物或其它化合物的新工艺。

优点：

（1）该方法的最大优点是制备过程温度低。

通过简单的工艺和低廉的设备，即可得到比表面积很大的凝胶或粉末，与通常的熔融法或化学气相沉积法相比，锻烧成型温度较低，并且材料的强度韧性较高。烧成温度比传统方法约低400~500℃，因为所需生成物在烧成前已部分形成，且凝胶的比表面积很大。利用Sol-Gel制备技术在玻璃和陶瓷方面可以制得一些传统方法难以得到或根本无法制备的材料，材料制备过程易于控制。在相图中用制备一般玻璃的熔融法将产生相分离的区域，用溶胶-凝胶法却可以制得多组分玻璃，不会产生液相分离现象。

（2）溶胶-凝胶法增进了多元组分体系的化学均匀性。

若在醇溶胶体系中，液态金属醇盐的水解速度与缩合速度基本上相当，则其化学均匀性可达分子水平。在水溶胶的多元组分体系中，若不同金属离子在水解中共沉积，其化学均匀性可达到原子水平。由于Sol-Gel 工艺是由溶液反应开始的，从而得到的材料可达到原子级、分子级均匀。这对于控制材料的物理性能及化学性能至关重要。通过计算反应物的成分可以严格控制最终合成材料的成分，这对于精细电子陶瓷材料来说是非常关键的。

（3）溶胶-凝胶反应过程易于控制，可以实现过程的完全而精确的控制，可以调控凝胶的微观结构。

影响溶胶-凝胶材料结构的因素很多，包括前驱体、溶剂、水量、反应条件、后处理条件等等．通过对这些因素的调节，可以得到一定微观结构和不同性质的凝胶。

（4）该法制备材料掺杂的范围宽(包括掺杂的量和种类)，化学计量准确且易于改性。

（5）Sol-Gel制备技术制备的材料组分均匀、产物的纯度很高。

因为所用的原料的纯度高，而且溶剂在处理过程中易被除去。人们己采用Sol-Gel方法制备出各种形状的材料，包括块状、圆棒状、空心管状、纤维、薄膜等。

（6）在薄膜制备方面，Sol-Gel工艺更显出了独特的优越性。

与其它薄膜制备工艺(溅射、激光闪蒸等)不同，Sol-Gel工艺不需要任何真空条件和太高的温度，且可在大面积或任意形状的基片上成膜。

用溶胶采取浸涂、喷涂和流延的方法制备薄膜也非常方便，厚度在几十埃到微米量级可调，所得产物的纯度高。

（7）在一定条件下，溶胶液的成纤性能很好，因此可以用以生产氧化物，特别是难熔氧化物纤维。

（8）可以得到一些用传统方法无法获得的材料。

有机-无机复合材料兼具有机材料和无机材料的特点，如能在纳米大小或分子水平进行复合，增添一些纳米材料的特性，特别是无机与有机界面的特性特使其有更广泛的应用。但无机材料的制备大多要经过高温处理，而有机物一般在高温下都会分解，通过溶胶-凝胶法较低的反应温度将阻止相转变和分解的发生，采用这种方法可以得到有机-无机纳米复合材料。

（9）溶胶-凝胶法从溶胶出发，从同一种原料出发，通过简单反应过程，改变工艺即可获得不同的制品。最终

产物的形式多样制，可得到纤维、粉末、涂层、块状物等。可见，溶胶-凝胶法是一种宽范围、亚结构、大跨度的全维材料制备的湿化学方法。

3.溶胶－凝胶法采用的原料分为几类？各有什么作用？

溶胶-凝胶法中的原料分为五种：金属化合物、水、溶剂、催化剂和其他添加剂。

金属醇盐：溶胶-凝胶法最合适的原料，提供金属元素；金属乙酰丙酮盐：金属醇盐的替代物；

金属有机盐：金属醇盐的替代物；水：水解反应的必须原料；溶剂：溶解金属化合物，调制均匀溶胶；

催化剂及螯合剂：金属化合物的水解催化或螯合作用；水解控制剂：控制水解速度；分散剂：溶胶分散作用；干燥开裂控制剂：防止凝胶开裂；

4.简述电化学阻抗谱测试方法的原理及其优势。

电化学阻抗法是电化学测量的重要方法之一。以小振幅的正弦波电势（或电流）为扰动信号，使电极系统产生近似线性关系的响应，测量电极系统在很宽频率范围的阻抗谱，以此来研究电极系统的方法就是电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy），又称交流阻抗法（AC Impedance）。

将电化学系统看作是一个等效电路，这个等效电路是由电阻、电容、电感等基本元件按串联或并联等不同方式组合而成，通过EIS，可以测定不同频率ω（f）的扰动信号X和响应信号Y 的比值，得到不同频率下阻抗的实部Z‘、虚部Z’‘、模值|Z|和相位角φ，然后将这些量绘制成各种形式的曲线，就得到EIS抗谱。