第9章-胶体体学课件.ppt
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- 胶体 课件
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1、 胶体化学是物理化学的一个重要分支。它所研究胶体化学是物理化学的一个重要分支。它所研究的领域是化学、物理学、材料科学、生物化学等诸多的领域是化学、物理学、材料科学、生物化学等诸多学科的交叉与重叠,它已成为这些学科的重要基础理学科的交叉与重叠,它已成为这些学科的重要基础理论。论。 胶体化学的理论和技术现在已广泛应用于化工、胶体化学的理论和技术现在已广泛应用于化工、石油开采、催化、涂料、造纸、农药、纺织、食品、石油开采、催化、涂料、造纸、农药、纺织、食品、化妆品、染料、医药和环境保护等工业部门和技术领化妆品、染料、医药和环境保护等工业部门和技术领域。域。 基本概念基本概念 分散系统:分散系统:一种
2、或几种物质分散在另一种物一种或几种物质分散在另一种物质之中所构成的系统;质之中所构成的系统;分分 散散 相:相:被分散的物质;被分散的物质;分散介质:分散介质:另一种连续分布的物质另一种连续分布的物质我们常说的溶液是不是分散系统?我们常说的溶液是不是分散系统?胶体是一种分散系统胶体是一种分散系统例:例:NaCl水溶液水溶液-分散系统的分类及其主要特征分散系统的分类及其主要特征 分子分散系统按分散相粒子的大小大小分:胶体分散系统粗分散系统分散系统的分类:分散系统的分类:分散相线度分散相线度d1000nm-分散系统的分类及其主要特征分散系统的分类及其主要特征 分子分散体系分子分散体系(d1000n
3、m)目测是混浊不均匀体系,放置后会沉淀或分层,如黄河水。多相、热力学不稳定系统。各种分散体系的特征:-分散系统的分类及其主要特征分散系统的分类及其主要特征 1)溶胶)溶胶 分散相不溶于分散介质,有很大的相界面,分散相不溶于分散介质,有很大的相界面,很高的界面能,因此是热力学不稳定系统;很高的界面能,因此是热力学不稳定系统;2)高分子溶液)高分子溶液 以分子形式溶于介质,没有相界面,为以分子形式溶于介质,没有相界面,为均相热力学稳定系统;均相热力学稳定系统;3)缔合胶体)缔合胶体 分散相为表面活性剂缔合形成的胶束,分分散相为表面活性剂缔合形成的胶束,分散相与分散介质间有很好的亲和性,也是均相热力
4、学散相与分散介质间有很好的亲和性,也是均相热力学稳定系统。稳定系统。胶体系统通常还可分为三类:胶体系统通常还可分为三类: 胶体系统的三个主要特点胶体系统的三个主要特点: :高度分散性、多相性、热力学不稳定性。高度分散性、多相性、热力学不稳定性。- -分散系统的分类及其主要特征分散系统的分类及其主要特征 2). 按分散相和介质的聚集状态分:- -分散系统的分类及其主要特征分散系统的分类及其主要特征 粗分散系统乳状液:液体分散在液体中泡沫:气体分散在液体中悬浮液:固体分散在液体中粗分散系统 d1000nm高度分散的;多相的;热力学不稳定 胶体的制备及性质胶体的制备及性质 9-2溶胶的制备与净化溶胶
5、的制备与净化粗分散系统粗分散系统(d1000nm)分子分散系统分子分散系统(d1nm)胶体系统胶体系统(1d1000nm)聚集分散 9-3胶体系统的光学性质胶体系统的光学性质 问题问题1 1、为什么晴天的天空呈蓝色?为什么日出、日落时、为什么晴天的天空呈蓝色?为什么日出、日落时云彩特别红?云彩特别红?2 2、为什么危险信号灯用红色?为什么车辆在雾天、为什么危险信号灯用红色?为什么车辆在雾天行驶时雾灯规定用黄色?行驶时雾灯规定用黄色?3 3、为什么在做旋光分析时,光源用的是钠光灯?、为什么在做旋光分析时,光源用的是钠光灯? 9-3-1 Tyndall(丁达尔)效应(丁达尔)效应丁达尔效应 :在暗
6、室中,将一束聚集的光线投射到胶体系统上,在与入射光垂直的方向上,可观察到一个发亮的光锥,此现象称为丁达尔效应。溶胶透镜光源丁达尔效应 入射光波长入射光波长 分散粒子尺寸分散粒子尺寸散射散射(可见光波长(可见光波长 400 -760 nm400 -760 nm; 胶粒胶粒 1-1000nm)1-1000nm) 入射光频率入射光频率 = = 分子固有频率分子固有频率 吸收吸收 无作用无作用 透过透过光照射到微粒表面时光照射到微粒表面时可见光的波长约在400-700 nm之间。 9-3-1 Tyndall(丁铎尔)效应(丁铎尔)效应 (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
7、,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,可以看见光柱,溶胶是多相不均匀体系,在胶粒和介质分子上产生的散射光不能完全抵消。(3)当光束通过分子溶液,因溶液均匀,散射光因相互干涉而完全抵消,或散射光太弱,看不见散射光。 9-3-1 Tyndall(丁铎尔)效应(丁铎尔)效应 9-3-2 瑞利(瑞利(Rayleigh) 公式公式 I :单位体积散射光强度:单位体积散射光强度 ; I0 0 :入射光强度;:入射光强度; :入射光波长;入射光波长;V :每个分散相粒子的体积;:每个分散相粒子的体积;C :单位体积中的粒子数;:单位体积中的粒子数;n2 2 :
8、分散相的折射率;:分散相的折射率; n1 1:分散介质的折射率;:分散介质的折射率; :散射角(观察方向与入射方向夹角);:散射角(观察方向与入射方向夹角);r : 观测距离(观察者与散射中心的距离)。观测距离(观察者与散射中心的距离)。 用丁达尔效应可鉴别真溶液、高分子溶液、和溶胶。溶胶-丁达尔效应显著散色光称为乳光,乳光的强度又称为浊度。 真溶液-无丁达尔效应(V太小)高分子溶液-丁达尔效应微弱(n和n0相差太小)粗分散系统-由于分散相粒子的尺寸,无散射9-3-2 瑞利(瑞利(Rayleigh) 公式公式 问题答案问题答案答:太阳光由七色光组成。空气中有灰层微粒和小水滴,当阳光照射地球时,
9、其中,波长较短的蓝光、紫光被微粒散射后的散射光较强,所以,看到的天空呈蓝色,实际上看到的是这种散射光。而在日出、日落时,太阳接近地平线,阳光要穿过厚厚的大气层我们才能看到。阳光中短波长的青色、蓝色、紫色光被大气层中的微粒散射掉了,我们看到的是散射较弱的红色、橙色的透射光,所以特别绚丽多彩。1、为什么晴天的天空呈蓝色?为什么日出、日落时云彩特别红? 答:因为红色光波长很长,不容易散射,传得远,可以让人在很远时看到危险信号。 雾天,如果用白色雾灯,其中一部分短波长的光被雾滴散射,光线就会变弱。而黄色光波长较长,不容易散射。所以雾天在高速公路上,必须把后雾灯打开,黄色的雾灯很远就能看见,可以防止汽车
10、追尾相撞。2、为什么危险信号灯用红色?为什么车辆在雾天行驶时雾灯规定用黄色? 答:因为在蔗糖水解时,主要测定其旋光度的变化,而不希望有散射因素干扰。钠光灯放出的是单一的、波长较长的黄色光,不容易发生散射。3、为什么在做旋光分析时,光源用的是钠光灯? 1、Brown 运动运动2、扩散、扩散3、沉降与沉降平衡、沉降与沉降平衡 1827年年,植物学家布朗植物学家布朗( Brown)在显微镜下在显微镜下,看到悬浮看到悬浮在水中的花粉粒子处于不停息的无规则运动状态。在水中的花粉粒子处于不停息的无规则运动状态。以后发现,线度以后发现,线度C2。胶粒从。胶粒从C1区向区向C2区迁移的现象区迁移的现象A BC
11、DFFC1C2 9-4-3 沉降与沉降平衡沉降与沉降平衡 多相分散系统中的粒子,因受多相分散系统中的粒子,因受重力作用重力作用而下沉而下沉的过程,称为的过程,称为沉降沉降。 沉降沉降与布朗运动所产生的与布朗运动所产生的扩散扩散为一对矛盾的两个方面。为一对矛盾的两个方面。当扩散力和重力相等时达沉降平衡当扩散力和重力相等时达沉降平衡 沉降平衡:分散相粒子本身的重力使粒子沉降;而介质的粘度及布朗运动引起的扩散作用阻止粒子下沉;当扩散速率等于沉降速率时,体系达到沉降平衡。达沉降平衡时,粒子的浓度随高度不同有一定的梯度,且这种浓度梯度不随时间而变。h1h2dh 9-4-3 沉降与沉降平衡沉降与沉降平衡
12、1 1、电动现象、电动现象 2 2、胶体的带电的原因胶体的带电的原因4 4、溶胶的胶团结构、溶胶的胶团结构 3 3、双电层理论双电层理论 1、贮油罐中通常要加入少量有机电解质,否则有爆炸的危险,这是为什么?为什么输油管要接地?2、在一个U型管中间,放用AgCl晶体组成的多孔塞,管中放浓度为0.001mol.dm-3的 KCl溶液。多孔塞两边放接直流电源的电极。通电时溶液将向哪一极方向移动? 溶胶是一个高度分散的、多相、具有较高的表面自由焓的热力学不稳定系统,粒子有自动聚结变大的趋势,但事实上很多溶胶可以在相当长的时间内稳定存在而不聚结,有时竟可长达几年甚至几十年。像法拉第于1858年制成的红色
13、金溶胶,一直保存到20世纪20年代才沉淀下来。 经研究表明与胶粒带电有直接关系,粒子带电是溶胶稳定的主要原因。9-5-1电动现象电动现象 电泳 在外加电场作用下,带电的分散相粒子在分散介质中向相反符号电极移动的现象。 影响电泳的因素有:带电粒子的大小、形状;粒子表面电荷的数目;介质中电解质的种类、离子强度,pH值和粘度;电泳的温度和外加电压等。图图10-7 10-7 电泳电泳+ + + + + + + + + + + + + + + + + + 由于胶粒带电,而溶胶是电中性的,则介质带与胶粒相反的电荷。电动现象分四类 电渗电渗 在外加电场作用在外加电场作用下,分散介质下,分散介质( (由过剩反
14、离由过剩反离子所携带子所携带) )通过多孔膜或极通过多孔膜或极细的毛细管移动的现象细的毛细管移动的现象( (此此时带电的固相不动时带电的固相不动) )+ + + + + + + + + + + + + + + +图10-8 电渗 流动电势流动电势在外加压力下,在外加压力下,迫使液体流经相对静止的固迫使液体流经相对静止的固体表面体表面( (如毛细管如毛细管) )而产生的而产生的电势叫流动电势电势叫流动电势( (它是电渗的它是电渗的逆现象逆现象) )。气体V压力毛细管图10-9流动电势9-5-1电动现象电动现象 沉降电势沉降电势 由于固体粒子或液滴在分散介质由于固体粒子或液滴在分散介质中沉降使流体
15、的表面层与底层之间产生的电势差叫中沉降使流体的表面层与底层之间产生的电势差叫沉降电势沉降电势( (它是电泳的逆现象它是电泳的逆现象) )。图沉降电势+V9-5-1电动现象电动现象 胶粒在重力场作用下发生沉降,产生沉降电势;带电的介质发生流动,产生流动电势。因动而产生电。 以上四种现象都称为电动现象。故电动现象证明胶体粒子是带电的。在外电场作用下,胶粒和介质分别向带相反电荷的电极移动,产生了电泳和电渗的电动现象,因电而动。9-5-1电动现象电动现象 答:因为油中常含有小水滴,形成油包水的乳状液,答:因为油中常含有小水滴,形成油包水的乳状液,水滴带有电荷。进入贮油罐后,由于重力的作用,水滴带有电荷
16、。进入贮油罐后,由于重力的作用,小水滴下沉,会产生一定的沉降电势,给油罐带来小水滴下沉,会产生一定的沉降电势,给油罐带来危险。所以加入一定量的有机电解质,增加油的电危险。所以加入一定量的有机电解质,增加油的电导,减小沉降电势,防止事故的发生。在用泵输送导,减小沉降电势,防止事故的发生。在用泵输送石油或其它碳氢化合物时,由于压差迫使液体流动,石油或其它碳氢化合物时,由于压差迫使液体流动,在扩散层和管道表面会产生电势差,这是流动电势,在扩散层和管道表面会产生电势差,这是流动电势,在高压下会产生火花。为了防止事故发生,都将这在高压下会产生火花。为了防止事故发生,都将这种管道接地或加入有机电解质。种管
17、道接地或加入有机电解质。1 1、贮油罐中通常要加入少量有机电解质,否则有爆、贮油罐中通常要加入少量有机电解质,否则有爆炸的危险,这是为什么?为什么输油管要接地?炸的危险,这是为什么?为什么输油管要接地?问题解答问题解答 2、在一个、在一个U型管中间,放用型管中间,放用AgCl晶体组成的多孔塞晶体组成的多孔塞,管管中放浓度为中放浓度为0.001mol.dm-3的的 KCl溶液。多孔塞两边放溶液。多孔塞两边放接直流电源的电极。通电时溶液将向哪一极方向移动接直流电源的电极。通电时溶液将向哪一极方向移动?答:答:开始通电时,溶液将向负极移动。因为开始通电时,溶液将向负极移动。因为AgCl晶体晶体优先吸
18、附优先吸附Cl- 离子,多孔塞带负电,介质带正电,所离子,多孔塞带负电,介质带正电,所以电渗时液体向负极移动。以电渗时液体向负极移动。KCl浓度增加,浓度增加, 电位下电位下降,电渗速度变慢。当用降,电渗速度变慢。当用AgNO3代替代替KCl,AgCl优先优先吸附吸附Ag+离子,介质带负电,电渗方向与刚才相反。离子,介质带负电,电渗方向与刚才相反。问题解答问题解答 溶胶是高度分散的多相系统,有很高的表面自由溶胶是高度分散的多相系统,有很高的表面自由焓,所以胶体粒子表面会自动地,有选择的吸附溶液中焓,所以胶体粒子表面会自动地,有选择的吸附溶液中的某种离子以降低系统的自由焓,使系统趋于稳定。的某种
19、离子以降低系统的自由焓,使系统趋于稳定。(1 1)吸附吸附吸附正离子吸附正离子-带正电带正电 吸附负离子吸附负离子-带负电带负电 胶核吸附离子是有选择性的,首先吸附与胶核中胶核吸附离子是有选择性的,首先吸附与胶核中相同的某种离子,用同离子效应使胶核不易溶解。相同的某种离子,用同离子效应使胶核不易溶解。法扬斯规则:法扬斯规则:与胶体具有相同化学元素的离子优先与胶体具有相同化学元素的离子优先 被吸附。被吸附。9-5-29-5-2胶粒带电的原因胶粒带电的原因 稳定剂:稳定剂:含有被吸附离子的物质对溶胶起稳定作用,称含有被吸附离子的物质对溶胶起稳定作用,称例;以例;以KI溶液滴加至溶液滴加至AgNO3
20、溶液中形成的溶液中形成的AgI溶胶溶胶 若若KI过量过量-吸附吸附I-带负电、若带负电、若AgNO3过量过量-吸附吸附Ag+带正电带正电 (2 2)电离)电离: :可电离的大分子溶胶,由于大分子本身可电离的大分子溶胶,由于大分子本身发生电离,而使胶粒带电。发生电离,而使胶粒带电。 例如硅胶是许多硅酸分子的聚集体例如硅胶是许多硅酸分子的聚集体3+2-23H SiO2HSiO氢离子进入液相氢离子进入液相, ,硅酸要留在固体表面硅酸要留在固体表面, ,使硅胶带使硅胶带负电负电. .9-5-2胶粒带电的原因胶粒带电的原因 当固体与液体接触时当固体与液体接触时,由于吸附或电离,由于吸附或电离,使固液两相
21、带使固液两相带有不同符号的电荷,有不同符号的电荷,在界面上形成了双电层的结构。在界面上形成了双电层的结构。 对于双电层的具体结构,一百多年来不同学者提出对于双电层的具体结构,一百多年来不同学者提出了不同的看法。了不同的看法。 1910年年Gouy和和1913年年Chapman古依古依-查普曼查普曼,修正修正了平板型模型,提出了了平板型模型,提出了扩散双电层模型扩散双电层模型;后来后来Stern斯特恩又提出了斯特恩又提出了Stern模型模型。最早于最早于1879年年Helmholz亥姆霍兹提出亥姆霍兹提出平板型模型;平板型模型;9-5-9-5-3 3双电层理论双电层理论由于胶体粒子表面带电由于胶
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