第十一章胶体化学

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第十一章 胶体化学

一、本章小结

1． 胶体系统及其特点

胶体：分散相粒子在某个方向上的线度在1~100 nm 范围的高分散系统称为胶体。憎液溶胶具有高分散性、多相性、以及热力学不稳定性的特点。

2． 胶体系统的光学性质

丁铎尔效应：由于胶体粒子大小，小于可见光的波长，而发生的光的散射之结果。散射光的强度可由瑞利公式计算：

22222200422209π()(1cos )2(2)

V C n n I I l n n αλ-=++ 适用条件：入射光为非偏振光，各粒子散射光之间相互干涉忽略，分散相粒子不导电。

单位体积散射光的强度I ⑴与胶体分散相粒子体积的平方成正比； ⑵ 与入射光波长的4次方成反比；⑶ 分散相与分散介质的折射率相差越大，散射光越强；⑷ 与粒子的数密度成正比。

3． 胶体系统的动力性质

(a) 布朗运动

(b) 扩散 菲克第一定律 d d d d s n c DA t x

=- D 称为扩散系数，单位：m 2· s -1

(c) 沉降与沉降平衡

02211ln (1)()C Mg h h C RT ρρ

=--- —— 贝林分布定律 4． 胶体系统的电学性质

⑴ Stern 双电层模型

⑵ ζ电势：滑动面与溶液本体之间的电势差称为ζ电势。ζ电势的正负取决于胶体所带电荷的符号，胶体带正电荷时ζ >0，胶体带负电荷时ζ < 0。

从电泳速度与电渗速度计算ζ电势的公式： /v E ζηε=

⑶ 溶胶的电动现象：电泳、电渗、流动电势、沉降电势

⑷ 憎液溶胶的胶团结构

5． 憎液溶胶的稳定与聚沉

⑴ 溶胶的稳定

分散相粒子的带电、溶剂化作用及布朗运动是溶胶的三个重要的稳定原因。

⑵ 溶胶的聚沉

舒尔策－哈迪价数规则：

(a)与胶粒带电相反的离子是主要起聚沉作用的离子；

(b)聚沉离子价数越高，聚沉作用越强。

聚沉能力Me+ :Me2+ :Me3+ = 16 :26 :36 = 1:64:729

(c)电解质所含聚沉离子个数及价数皆相同的不同离子，聚沉能力取决于感胶离子序；

(d)电解质所含离子价数及种类皆相同，但个数不同时，离子个数多的电解质聚沉能力强；

(e)若外加电解质中反离子的个数、价数、种类全相同时，则需看另外一种离子，此离子对带异号电荷的胶粒聚沉能力越强，对带同号电荷胶粒的聚沉能力越弱。

6．高分子溶液的渗透压与唐南平衡

在达到渗透平衡时，不仅半透膜两侧溶液成平衡，电解质也达到平衡，此即唐南平衡。

二、本章要求

1. 了解分散系统的分类，胶体的含义；

2. 了解胶体系统光学特性、动力学特性、电学特性；

3. 根据扩散双电层理论书写胶团结构，理解胶体稳定与破坏的因素；

4. 了解乳状液的类型及稳定性；

5. 了解高分子溶液的渗透压和唐南平衡。

三、思考题

1.如何从分散系统线度的大小定义粗分散系统、溶胶及真溶液? 胶体系统的主要特征是什么?

答：按分散系统线度的大小定义：粒子线度在1~100 nm(即10-9~10-7 m)的分散系统为胶体，小于1nm与大于100 nm的分散系统则分别为真溶液与粗分散系统。胶体系统的主要特征：高度分散性、多相性和热力学不稳定性。

2. Tyndall效应的实质及产生条件各是什么？

答：Tyndall效应的实质是分散粒子对光的散射作用，只有当入射光波长大于分散粒子的尺寸时，才会产生Tyndall效应。

3. 何谓胶体粒子的电动现象，它说明什么问题？

答：外电场作用下固、液两相的相对运动，以及外力作用下固、液两相发生相对移动时电势差的产生，称为胶体的电动现象；电动现象说明分散相和分散介质带不同性质的电荷。

4. 由双电层模型说明什么是热力学电势ψ0，什么是Stern电势ψδ，什么是ζ电势，如何确定ζ电势的正、负号？

答：固体表面与溶液本体之间的电势差称为热力学电势ψ0；紧密层与扩散层的分界处同溶液本体之间的电势差称为Stern电势ψδ；滑动面与溶液本体之间的电势差称为ζ电势，

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345 ζ电势的正负取决于胶体所带电荷的符号，胶体带正电荷时ζ > 0；胶体带负电荷时ζ < 0。

5. ζ电势数值为什么能衡量溶胶的稳定性？论述ζ电势受电解质影响的因素。

答：ζ电势大，说明异电粒子进入扩散层多，在紧密层少，胶体带电多，溶剂化层厚，溶胶就比较稳定。因此ζ电势的大小是衡量胶体稳定性的尺度。在溶胶中加入电解质后，与胶粒表面电荷符号相反的离子浓度增大，将压缩扩散层使之变薄，把更多的反离子挤进滑动面内，中和固体表面的电荷，使ζ电势下降。电解质浓度越大，异电离子价数越高，ζ电势下降的越快。当双电层被压缩到与溶剂化层叠合时，ζ电势等于0。当异电离子的价数高，吸附能力强，有较多的异电粒子进入溶剂化层时，可以改变ζ电势的符号。

6. 简述Stern 扩散双电层理论要点？

答：Stern 扩散双电层理论要点：⑴ 分散相粒子的表面上带有相同符号的电荷，⑵ 反离子在静电力和热运动作用下，呈扩散状态分散在分散相粒子的周围，⑶ 分散相粒子周围为二层：紧密层和扩散层，⑷ 紧密层和扩散层的分界面为被吸附的溶剂化反离子中心连线所形成的假想面，称为Stern 面，⑸ 当固、液两相相对移动时，滑动面在Stern 面外，可知，固液表面、Stern 面及滑动面与溶液本体之间的电势差分别称为热力学电势ψ0，Stern 电势ψδ，ζ电势。

7. 试解释在新生成的Fe(OH)3沉淀中加入少量FeCl 3溶液，沉淀会全溶解，如再加入一定量的硫酸盐溶液，又会析出沉淀?

答：在新生成的Fe(OH)3沉淀中，加入少量FeCl 3溶液，使之溶解，是一种胶溶作用，加入的FeCl 3是稳定剂。因Fe(OH)3吸附Fe 3+而形成双电层，使胶粒带电而形成溶胶，即Fe(OH)3溶解。当加入一定量的硫酸盐时，扩散层的异电离子被压缩而加入紧密层，使溶液电位减少而失去稳定性，致使溶胶聚结而沉淀。

8. 水与油不相溶，为何加入洗衣粉后即生成乳状液？

答：当油分散在水中时，表面吉布斯函数增加，分散度越高，表面吉布斯函数也越大，所以是热力学不稳定系统。洗衣粉主要成分是表面活性剂，加入洗衣粉能显著降低油－水界面的界面张力，而生成乳状液。其次，洗衣粉中的表面活性剂分子在油—水界面上定向排列，亲水基指向水相，憎水基指向油相，形成坚固的保护膜，防止液滴聚结。洗衣粉中的离子型表面活性剂还能离解成正负离子，形成双电层。这些作用都使乳状液稳定。

四、部分习题答案

T1. 某溶胶中粒子平均直径为4.2×10-9 m ，设25 o C 时其黏度η＝1.0×10-3Pa·s 。计算

(1) 25 o C 时，胶粒因布朗运动在1秒钟内沿x 轴方向的平均位移；(2)胶粒的扩散系数。 解：(1) 23RTt x rL ηπ=23923

8.3145298.151m 3 1.010 2.110 3.1416 6.0210--⨯⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯1022.08110m =⨯- 51.4410m x -=⨯ (2) 6RT D rL ηπ=2-139238.3145298.15m s 6 1.010 2.110 3.1416 6.0210

--⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯