物化—胶体化学课件：12-04溶胶系统的电学性质.ppt

1、1. 电动现象电动现象电动现象电动现象: 在外电场作用下在外电场作用下, 溶胶中固液两相溶胶中固液两相可发生相对运动可发生相对运动; 或者在外力作用下迫使固或者在外力作用下迫使固液两相进行相对移动液两相进行相对移动, 可产生电势差可产生电势差. 胶体系统的电学性质胶体系统的电学性质(1)电泳电泳(2)电渗电渗(3)流动电势流动电势(4)沉降电势沉降电势NaCl溶液溶液Fe(OH)3 溶胶溶胶+电泳示意图电泳示意图(1)电泳电泳电泳电泳: 在外电场作用下在外电场作用下, 胶胶体粒子在分散介质中定向体粒子在分散介质中定向移动的现象移动的现象. 电泳现象表电泳现象表明明胶体粒子是带电的胶体粒子是带电

2、的.图中图中Fe(OH)3 溶胶在电场作用下向阴极方向溶胶在电场作用下向阴极方向移动移动, 证明证明Fe(OH)3的胶体粒子是带正电荷的的胶体粒子是带正电荷的.v电泳速度电泳速度, 及及 分别为分散介质的介电常数及粘度分别为分散介质的介电常数及粘度; E为电场为电场强度强度, u胶核的电迁移率胶核的电迁移率. 对于球形质点对于球形质点,当粒子半径当粒子半径r较大较大,而而 双电层厚度双电层厚度 -1较小时较小时,电泳速度与电泳速度与 电势的关系电势的关系. 对于球形质点对于球形质点,当粒子半径当粒子半径r较小较小,而而 双电层厚度双电层厚度 -1较大时较大时, 电泳速度与电泳速度与 电势的关系

3、电势的关系.电势梯度增大电势梯度增大, 粒子带电增多粒子带电增多, 粒子体积减小粒子体积减小, 介质粘度介质粘度减小减小, 都会使电泳速度增大都会使电泳速度增大.实验测出在一定时间间隔内界面移动的距离实验测出在一定时间间隔内界面移动的距离, 可求得粒可求得粒子的电泳速度子的电泳速度. 结果表明结果表明, 在相同电势梯度在相同电势梯度(如如100V m1)下下, 胶体粒子与一般离子定向移动的速度几乎具有相等的数量胶体粒子与一般离子定向移动的速度几乎具有相等的数量级级(106m s1). 而胶体粒子的质量约为一般离子的而胶体粒子的质量约为一般离子的1000倍倍, 可见胶体粒子所带电荷数也应是一般离

4、子所带电荷数的可见胶体粒子所带电荷数也应是一般离子所带电荷数的1000 倍倍.若在溶胶中逐渐加入电解质若在溶胶中逐渐加入电解质, 电泳速度将随之降低电泳速度将随之降低, 以以至于降为零至于降为零. 外加电解质外加电解质, 不仅可以改变胶体粒子带电的多不仅可以改变胶体粒子带电的多少少, 而且还可以改变胶体粒子的带电符号而且还可以改变胶体粒子的带电符号.(2)电渗电渗在多孔膜在多孔膜(或毛细管或毛细管)的两端施加一定电压的两端施加一定电压, 液体液体(分散介分散介质质)将通过多孔膜而定向移动的现象将通过多孔膜而定向移动的现象(带电的固相不动带电的固相不动).如图，通电后液体通过多孔塞而定向流动如图

5、，通电后液体通过多孔塞而定向流动, 可从可从水平毛细管中小气泡的移动来观察循环流动的方向水平毛细管中小气泡的移动来观察循环流动的方向.导线管导线管多孔塞多孔塞+电极电极毛细管毛细管气泡气泡吹入吹入一个一个气泡气泡水或溶液水或溶液电渗测定装置电渗测定装置(3)流动电势流动电势流动电势流动电势: 在外力在外力作用下作用下, 迫使液体迫使液体通过多孔隔膜通过多孔隔膜(或或毛细管毛细管)定向流动定向流动, 多孔隔膜两端所多孔隔膜两端所产生的电势差产生的电势差.它它是电渗的逆现象是电渗的逆现象.N2加压加压电位差计电位差计电极电极多孔塞多孔塞 流动电势测量示意图流动电势测量示意图(4)沉降电势沉降电势沉

6、降电势沉降电势: 分散相分散相粒子在重力场或离粒子在重力场或离心力场的作用下迅心力场的作用下迅速移动时速移动时, 在移动在移动方向的两端所产生方向的两端所产生的电势差的电势差. 它是电它是电泳的逆现象泳的逆现象. 沉降电势测量示意图沉降电势测量示意图2. 扩散双电层理论扩散双电层理论溶胶粒子带电的原因溶胶粒子带电的原因: 固体表面从溶液中有选择地吸附某种离子固体表面从溶液中有选择地吸附某种离子而带电而带电. 固体表面上的物质粒子固体表面上的物质粒子, 在溶液中发生电离在溶液中发生电离. 溶液中的带电固体溶液中的带电固体 与异电离子与异电离子(或反离子或反离子) 在在固液两相之间形成固液两相之间

7、形成双电层双电层. 双电层电容器模型双电层电容器模型(1879年亥姆霍兹提年亥姆霍兹提出出): 正负离子整齐地正负离子整齐地排列于界面层的两侧排列于界面层的两侧, 电荷分布情况就如同电荷分布情况就如同平行板电容器平行板电容器. x0 亥姆霍兹双电层模型亥姆霍兹双电层模型 这种模型能解释一些电动现象这种模型能解释一些电动现象,但它不能解释带电但它不能解释带电质点的表面电势质点的表面电势 0与与流动电势流动电势或或 电势电势的区别的区别;也不能也不能解释电解质对解释电解质对 电势的影响电势的影响. 扩散双电层模型扩散双电层模型(1909年古依提出年古依提出): 溶液中的反离子因为热运动应呈扩散状溶

8、液中的反离子因为热运动应呈扩散状态分布在溶液中态分布在溶液中, 而不是整齐地排列在而不是整齐地排列在一个平面上一个平面上. 如图，固体表面上的电势为热力学如图，固体表面上的电势为热力学电势电势 0，紧靠固体表面紧靠固体表面, 过剩负离子浓度过剩负离子浓度最大最大. 随着离开固体表面愈远随着离开固体表面愈远,过剩负离过剩负离子浓度愈小，电势逐渐减小子浓度愈小，电势逐渐减小, 过剩负离过剩负离子浓度降低子浓度降低, 直到过剩负离子浓度为零直到过剩负离子浓度为零, 电势也为零电势也为零.xe 0 的倒数的倒数 -1具有双电层厚度的意义具有双电层厚度的意义. 古依的扩散双电层模型古依的扩散双电层模型

9、x0 0 扩散双电层模型扩散双电层模型(1909年古依提出年古依提出): 溶液中溶液中的反离子因为热运动应呈扩散状态分布在溶液中的反离子因为热运动应呈扩散状态分布在溶液中, 而不是整齐地排列在一个平面上而不是整齐地排列在一个平面上. 0、带电质点的表面电势带电质点的表面电势紧靠固体表面紧靠固体表面离开固体表面离开固体表面电势为零电势为零xe 0 的倒数的倒数 -1具有双电层厚度的意义具有双电层厚度的意义. 古依的扩散双电层模型古依的扩散双电层模型x0 0 斯特恩双电层模型斯特恩双电层模型(1924年年Stern 提出提出): 该模型认为溶液一侧的带电该模型认为溶液一侧的带电层应分为紧密层和扩散

10、层两部分层应分为紧密层和扩散层两部分. 紧密层紧密层: 当溶液中某些离子受到当溶液中某些离子受到足够大的静电吸引力足够大的静电吸引力, 范德华力范德华力或特性吸附力或特性吸附力, 就会使这些离子就会使这些离子紧密吸附在固体表面上紧密吸附在固体表面上, 以至在以至在外电场作用下外电场作用下, 吸附层也随固体吸附层也随固体粒子一齐运动粒子一齐运动. 斯特恩面斯特恩面: 离子不再视为点电荷离子不再视为点电荷而考虑其体积而考虑其体积, 当它们被吸附时当它们被吸附时, 离子中心距固体表面的距离约为离子中心距固体表面的距离约为水化离子的半径水化离子的半径, 这些水化离子这些水化离子的中心线所连成的假想面称

11、为斯的中心线所连成的假想面称为斯特恩面特恩面. 斯特恩双电层模型斯特恩双电层模型(1924年年Stern 提出提出): 该模型认为溶液一侧的该模型认为溶液一侧的带电层应分为带电层应分为紧密层紧密层和和扩散层扩散层两部分两部分.紧密层紧密层: 静电吸引力静电吸引力, 范德华力或特性吸范德华力或特性吸附力附力, 会使某些离子会使某些离子紧密吸附在固体表紧密吸附在固体表面上面上, 在外电场作用在外电场作用下下, 吸附层也随固体吸附层也随固体粒子一齐运动粒子一齐运动.斯特恩面斯特恩面: 当离子被吸当离子被吸附时附时, 离子中心距固体离子中心距固体表面的距离约为水化离表面的距离约为水化离子的半径子的半径

12、, 这些水化离这些水化离子的中心线所连成的假子的中心线所连成的假想 面 称 为 斯 特 恩 面想 面 称 为 斯 特 恩 面 . 紧密层和扩散层紧密层和扩散层: 斯特恩面与固体表斯特恩面与固体表面之间的空间为斯特恩层面之间的空间为斯特恩层(即紧密层即紧密层), 斯特恩面至溶液本体电势为零处之斯特恩面至溶液本体电势为零处之间的空间称为扩散层间的空间称为扩散层. 滑动面滑动面: 指固液两相发生相对移动的指固液两相发生相对移动的界面界面, 在斯特恩面之外在斯特恩面之外, 与固体表面与固体表面距离约为分子大小的数量级距离约为分子大小的数量级, 一旦固一旦固液两相发生相对移动时便显露出来液两相发生相对移

13、动时便显露出来. 滑动面是凹凸不平的曲面滑动面是凹凸不平的曲面. 滑动面两滑动面两侧离子达到吸附和解吸的动态平衡侧离子达到吸附和解吸的动态平衡. 热力学电势热力学电势固体表面与溶液本体固体表面与溶液本体间的电势差间的电势差 0 . 斯特恩电势斯特恩电势紧密层与扩散层之间紧密层与扩散层之间的界面和溶液本体间的电势差的界面和溶液本体间的电势差 . 电势电势(电动电势电动电势)滑动面与溶液本滑动面与溶液本体间的电势差体间的电势差.紧密层和扩散层紧密层和扩散层: 斯特恩面斯特恩面与固体表面之间的空间为与固体表面之间的空间为斯特恩层斯特恩层(即紧密层即紧密层), 斯特斯特恩面至溶液本体电势为零恩面至溶液

14、本体电势为零处之间的空间称为扩散层处之间的空间称为扩散层.滑动面滑动面: 指固液两相发生相指固液两相发生相对移动的界面。一旦固液对移动的界面。一旦固液两相发生相对移动时便显两相发生相对移动时便显露出来露出来. 滑动面两侧离子达滑动面两侧离子达到吸附和解吸的动态平衡到吸附和解吸的动态平衡.热力学电势热力学电势固体表面与固体表面与溶液本体间的电势差溶液本体间的电势差 0 .斯特恩电势斯特恩电势斯特恩面和斯特恩面和溶液本体间的电势差溶液本体间的电势差 . 电势电势(电动电势电动电势)滑动滑动面与溶液本体间的电势差面与溶液本体间的电势差. 电势只有在固液两相发生相电势只有在固液两相发生相对移动时才能呈

15、现出来对移动时才能呈现出来. 电势在电势在滑动面内急剧下降滑动面内急剧下降, 故故 电势在电势在数值上小于热力学电势数值上小于热力学电势.电势电势距离距离滑动面滑动面 c1 c2 c3 c4c1c2c3c4 电解质浓度对电解质浓度对 电势的影响电势的影响等电点等电点: 电解质浓度增大时电解质浓度增大时,会会使扩散层变薄使扩散层变薄, 电势在数值电势在数值上变小上变小. 当电解质的浓度足够当电解质的浓度足够大时大时, 可使可使 电势为零电势为零. 此时的此时的状态称为等电点状态称为等电点. 处于等电点处于等电点的粒子是不带电的的粒子是不带电的, 电泳电泳, 电电渗的速度也必然为零渗的速度也必然为

16、零, 溶胶非溶胶非常易于聚沉常易于聚沉.胶核胶核: 由分子由分子, 原子或离子形成的固态微粒及原子或离子形成的固态微粒及其吸附的离子所组成的部分其吸附的离子所组成的部分. 胶核因含有吸胶核因含有吸附离子而带电附离子而带电. 一般说来一般说来, 固态微粒更易于吸固态微粒更易于吸附那些构成该固态微粒的元素的离子附那些构成该固态微粒的元素的离子, 这样这样有利于胶核的进一步长大有利于胶核的进一步长大.胶粒胶粒: 滑动面所包围的带电体滑动面所包围的带电体, 包括胶核及一包括胶核及一部分被吸附的反离子部分被吸附的反离子. 胶团胶团: 整个扩散层及其所包围的电中性体整个扩散层及其所包围的电中性体, 包包括

17、胶体粒子和扩散层中的那部分过剩反离子括胶体粒子和扩散层中的那部分过剩反离子. 3.3.憎液溶胶的胶团结构憎液溶胶的胶团结构如在稀如在稀AgNO3溶液中缓慢加入少量溶液中缓慢加入少量KI稀溶稀溶液液, 得到得到AgI溶胶溶胶(正溶胶正溶胶), 过剩的过剩的AgNO3则起则起稳定剂的作用稳定剂的作用. 胶团结构式为胶团结构式为:(AgI)mnAg+(nx)NO3x+ xNO3胶核胶核胶粒胶粒滑动面滑动面胶团胶团NO3NO3NO3NO3NO3NO3NO3NO3NO3NO3NO3NO3(AgI)mAg +Ag +Ag +Ag +Ag +Ag +Ag +Ag +Ag +Ag +Ag +Ag + AgI

18、胶团示意图胶团示意图如在稀如在稀KI溶液中缓慢加入少量溶液中缓慢加入少量AgNO3稀稀溶液溶液, 得到得到AgI溶胶溶胶(负溶胶负溶胶), 过剩的过剩的KI则起则起稳定剂的作用稳定剂的作用. 胶团结构式为胶团结构式为:(AgI)m nI (nx)K+ x xK+胶核胶核胶粒胶粒胶团胶团整个胶团是电中性的整个胶团是电中性的, 总电荷数应为零总电荷数应为零, 书书写胶团结构时要注意这一点写胶团结构时要注意这一点.再如再如SiO2溶胶溶胶, SiO2微粒与水生成弱酸微粒与水生成弱酸H2SiO3, 电电离出的离出的 SiO32有一部分吸附在有一部分吸附在SiO2微粒表面上微粒表面上, 形成形成带负电的胶核带负电的胶核, H+为反离子为反离子. 反应过程可表示为反应过程可表示为胶团结构可表示为胶团结构可表示为 (SiO2)m nSiO32 2(nx) H + 2x 2xH+ 23 3222SiO2HSiOHOHSiO例2