胶体化学

胶体化学

一、主要概念

均相分散系统(溶液)，胶体系统(亲液溶胶，憎液溶胶)，粗分散系统，胶体的光学、动力和电性质，胶团结构，双电层DLVO理论，乳状液，纳米材料

二、主要性质与公式

1．胶体的性质：高度分散性、多相性和热力学不稳定性。体现如下：

(1)光学性质-丁达尔效应：胶体对光的散射现象。

散射光强度-雷利公式： (定性记忆)

式中：I0及l分别为入射光强度和波长，V为每个分散相粒子的体积，c为单位体积中的粒子数，n及n0分别为分散相及介质的折射率，a为散射角，l

为观察者与散射中心的距离。此公式适用于粒子的尺寸远小于入射光的波长，把粒子看成点光源；不考虑粒子散射光之间的相互干涉；粒子不导电。

应用解释：浊度计原理；超显微镜原理；早上、下午太阳红色，中午天空蓝色。

(2)动力性质

i. 布郎运动：在超显微镜下，观察到胶粒不断地作不规则的运动，称为布郎运动。

ii. 扩散：在有浓度梯度存在时，物质粒子因热运动而发生宏观上的定向迁移的现象。

iii. 沉降与沉降平衡：当扩散速率等于沉降速率时，粒子浓度c随高度h的分布。

(3) 电学性质

i. 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。

ii. 电渗：在多孔膜(或毛细管)的两端施加一定电压，液体通过多孔膜而定向流动的现象

iii. 流动电势：在外力的作用下，液体通过多孔膜(或毛细管)定向流动时在多孔膜两端产生的电势差。

iv. 沉降电势：分散相粒子在重力场或离心力的作用下迅速移动时，在移动方向的两端所产生的电势差。

v．从电泳速率或电渗速率计算z 电势 (准确记忆)

式中e为分散介质的介电常数，e=e r e

0，e r为相对介电常数，e

为真空介

电常数。E为电势梯度，h为介质粘度。

2．憎液溶胶的胶团结构

根据扩散双电层理论，胶团结构由胶核、胶粒和滑动部分三个层次组成。双电层由紧密层和扩散层组成，它们之间存在一个滑动面。具体如下：

(1)胶核由固体微粒和选择性吸附的离子组成，该离子通常为构成固体微粒的离子，并且决定着胶粒所带的电荷，一般为溶液中过量物质(起着稳定剂的作用)的成核离子。

(2)紧密层和扩散层的离子其电荷与胶粒吸附的离子电荷相反，称为反离子，通常为稳定剂中的非成核的离子。

(3)写胶团结构的关键是确定稳定剂，稳定剂一旦确定，吸附的离子便确定。

注意:

(1) 在胶团结构中， m， n， x均为不定数。

(2) 胶粒虽带电，但整个胶团结构是电中性。

(3) 对于固体分散成的溶胶，胶团结构要具体分析。

3．扩散双电层理论

双电层由紧密层和扩散层组成。双电层结构可用下图模型表示。

ψ热力学电势：固体表面与溶液本体之间的电势差。

yδ斯特恩电势：斯特恩层与溶液本体之间的电势差。

z电势(或电动电势)：滑动面与溶液本体之间的电势差，只有在固液两相发生相对移动时，才能呈现出来。z电势在数值上小于热力学电势。

图1 斯特恩双电层模型

例如：10ml 0.1 mol×dm-3 KI + 9 ml 0.1 mol×dm-3 AgNO3制备AgI溶胶，由于KI稍过量，起着稳定剂作用，固体微粒优先吸附与其自身有相同元素的离子，即I-，反离子为稳定剂的另一个离子K+，故AgI溶胶的胶团结构可表示为图12-1，胶粒带负电，电泳时朝正极移动。若AgNO3稍过量则为稳定剂，胶团结构变为图12-2，胶粒带正电，电泳时朝负极移动。

图2 KI稍过量时的胶团结构

稍过量时的胶团

图3 AgNO

3

4．电解质对溶胶的聚沉作用

使溶胶发生明显的聚沉所需电解质的最小浓度，称为该电解质的聚沉值，聚沉值的倒数定义为聚沉能力。

（1）起聚沉作用的是与胶粒带相反电荷的离子(即反离子)；

（2）反离子价数越高，聚沉能力愈大，聚沉值愈小。

（3）与溶胶具有同样电荷的离子能削弱反离子的聚沉能力，且价数愈高，削弱作用愈强。

（4）有机化合物的离子都具有很强的聚沉能力。

5．DLVO理论：能较好解释带电溶胶稳定的原因。

除胶粒带电是溶胶稳定的主要因素外，溶剂化作用和布郎运动也是溶胶稳定的原因。

6. 乳状液：稳定，加入稳定剂；去乳化手段。

三、典型题型

计算胶体的性质(主要是z电势)，写出胶团结构，比较电解质对胶体稳定性的大小，及DLVO理论的理解是本章的主要内容。粗分散系统的性质仅需了解。

例题1：混合等体积的0.1 mo1·dm－3 KI和0.09 mo1·dm－3 AgNO3溶液所得的溶胶。

(1) 试写出胶团结构式；

(2) 指明电泳方向；

(3) 比较MgSO4，Na2SO4，CaCl2电解质对溶胶的聚沉能力并简述原因。(6分)

解：（1） [ (AgI)m n I－ · (n－x)K+]x－·x K+

（2）胶粒带负电，往正极移动

（3）聚沉能力为: Na2SO4 < MgSO4< CaCl2

因为胶粒带负电，反离子起聚沉作用，其价数越高，聚沉能力越大，故Ca2+、Mg2+ > Na+。又因与胶粒带同种电荷的离子能削弱反离子作用，高价强于低价，即聚沉能力有SO42－< Cl－，因此可得到上面的聚沉能力次序。简述热力学三个定律及其应用。

例题2：在浓度为10 mol·m-3的20cm3 AgNO3溶液中，缓慢滴加浓度为15 mol·m-3的KBr溶液10cm3 ，以制备AgBr溶胶。

(1) 写出AgBr溶胶的胶团结构表达式，指出电泳方向。

(2) 在三个分别盛10cm3 AgBr溶胶的烧杯中，各加入KNO3、K2SO4、

K3PO4溶液使其聚沉，最少需加电解质的数量为：1.0 mol·m-3的KNO3 5.8 cm3 ；

0.01 mol·m-3的K2SO4；8.8 cm3 ；1.5×10－3 mol·m-3的K3PO48.0 cm3 ；计算各电解质的聚沉值以及它们的聚沉能力之比。

(3) 293K时，在两极距离为35cm的电泳池中施加的电压为188V，通电40min 15s，测得AgBr溶胶粒子移动了3.8cm。问该溶胶的ξ电势为多大？已知293K时分散介质的相对介电常数εr＝80，粘度η＝1.03×10-3 Pa·s ，真空介电常数ε0＝8.854×10-12F·m-1。(10分)

解：(1) AgNO3过量，为稳定剂，胶团结构为

[(AgBr)m n Ag＋·(n－x)NO3－]x+ ·x NO3－

胶粒带正电，电泳时向负极移动。

(2) KNO3的聚沉值： 1.0mol·dm-3×5.8cm3 / (10+5.8) cm3 = 0.367 mol·dm-3

K2SO4的聚沉值： 0.01 mol·dm-3×8.8cm3 / (10+8.8) cm3 =

4.68×10-3 mol·dm-3

K3PO4的聚沉值；0.0015 mol·dm-3×8.0cm3 / (10+8.0) cm3 =

6.67×10-4 mol·dm-3

聚沉能力之比KNO3：K2SO4：K3PO4

= (1/0.357)：(1/4.48×10-3)：(1/6.67×10-4) =1：79.7：535

(3) 由公式u =εEζ/η=ε(V/l) ζ/ η得

ζ = u lη /εV = u lη /εrε0 V

= (0.038m/2415s) ×0.35m ×1.03×10-3Pa·s/ (80×8.854×10-12F·m-1×188V)

= 0.0426V