胶体的结构和特性课件.ppt

1、2022-8-16胶粒的结构 胶粒的结构比较复杂，先有一定量的难溶物分子聚结形成胶粒的中心，称为胶核；然后胶核选择性的吸附稳定剂中的一种离子，形成紧密吸附层；由于正、负电荷相吸，在紧密层外形成反号离子的包围圈，从而形成了带与紧密层相同电荷的胶粒；胶粒与扩散层中的反号离子，形成一个电中性的胶团。2022-8-16胶粒的结构 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。若无相同离子，则首先吸附水化能力较弱的负离子，所以自然界中的胶粒大多带负电，如泥浆水、豆浆等都是负溶胶。2022-8-16胶粒的结构例1：AgNO3+KIKNO3 +AgI 过量的 KI 作

2、稳定剂 胶团的结构表达式：(AgI)m n I (n-x)K+x xK+|_|_|胶核胶粒（带负电）胶团（电中性）胶核胶粒胶团胶团的图示式2022-8-16胶粒的结构例2：AgNO3+KIKNO3 +AgI 过量的 AgNO3 作稳定剂 胶团的结构表达式：(AgI)m n Ag+(n-x)NO3x+x NO3|_|_|胶核胶粒（带正电）胶团（电中性）胶核胶粒胶团 胶团的图示式胶体的结构胶体的结构2022-8-16胶粒的扩散双电层结构胶粒表面带电（切动面为AB），则胶粒表面和溶液本体中(设为零电位点)的电位差，即吸附层和扩散层间的电位差，称做动电位，又称电位。胶核表面与溶液本体的电位差称做热力学

3、电位，即电位，主要取决于吸附层内电位离子的浓度。双电层和电位的存在使溶胶能够稳定存在，不易发生聚沉。胶体的结构2022-8-16 若溶液浓度（电位离子和反离子）增加，或反离子荷电数多，吸附力强，反离子会更多吸附，使双电层变厚，电位减小，甚至改变电位的符号，改变胶粒的带电性。2022-8-16胶粒的形状 作为憎液溶胶基本质点的胶粒并非都是球形，而胶粒的形状对胶体性质有重要影响。质点为球形的，流动性较好；若为带状的，则流动性较差，易产生触变现象。2022-8-16胶粒的形状例如：（1）聚苯乙烯胶乳是球形质点（2）V2O5 溶胶是带状的质点（3）Fe(OH)3 溶胶是丝状的质点2022-8-16溶胶

4、的光学性质 光散射现象 Tyndall效应 Rayleigh公式2022-8-16光散射现象 当光束通过分散体系时，一部分自由地通过，一部分被吸收、反射或散射。可见光的波长约在400700 nm之间。（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，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，可以看见乳白色的光柱。（3）当光束通过分子溶液，由于溶液十分均匀，散射光因相互干涉而完全抵消，看不见散射光。2022-8-16光散射的本质 光是一种电磁波，照射溶胶时，分子中的电子分布发生位移而产生偶极子，这种偶极子像小天线一样向各个方向发射与入射

5、光频率相同的光，这就是散射光。分子溶液十分均匀，这种散射光因相互干涉而完全抵消，看不到散射光。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，因而能观察到散射现象。2022-8-16Tyndall效应 Tyndall效应实际上已成为判别溶胶与分子溶液的最简便的方法。1869年Tyndall发现，若令一束会聚光通过溶胶，从侧面（即与光束垂直的方向）可以看到一个发光的圆锥体，这就是Tyndall效应。其他分散体系也会产生一点散射光，但远不如溶胶显著。2022-8-16Tyndall效应2022-8-16Rayleigh公式 1871年，Rayleigh研究了大量的光散射现象，对于

6、粒子半径在47nm以下的溶胶，导出了散射光总能量的计算公式，称为Rayleigh公式：222222122212424()2A VnnInn式中：A 入射光振幅，单位体积中粒子数 入射光波长，每个粒子的体积 分散相折射率，分散介质的折射率1n2nV2022-8-16Rayleigh公式 从Rayleigh公式可得出如下结论：2.散射光强度与入射光波长的四次方成反比。入射光波长愈短，散射愈显著。所以可见光中，蓝、紫色光散射作用强。晴朗的天空呈蔚蓝色，是由于短波长的蓝色光被大气溶胶散射所造成的。1.散射光强度与每个粒子体积的平方成正比，即在胶粒粒径范围内，颗粒越大，对光的散射作用越强，丁达尔效应越明

7、显。Rayleigh公式2022-8-163.分散质与分散介质的折射率相差愈显著，则散射作 用亦愈显著。4.散射光强度与单位体积中的粒子数成正比。当水中胶体含量比较高的时候，水呈现浑浊，常用浊度这个指标反映水中胶体对光的散射程度。散射光又称乳光，根据胶体浓度和散射光强成正比的特点，可以制备乳光计（即浊度计），用于测水的浊度，从而初步判断水体的被污染程度。2022-8-16乳光计原理 当分散相和分散介质等条件都相同时，Rayleigh公式可改写成：42VKI 当入射光波长不变，)/(Vc334rV323121rrII 保持浓度相同，2121ccII 保持粒子大小相同3IKcr代入上式可得：如果已

8、知一种溶液的散射光强度和粒子半径（或浓度），测定未知溶液的散射光强度，就可以知道其粒径（或浓度），这就是乳光计。2022-8-16浊度（turbidity）浊度的物理意义：l1浊度计的用处：当光源、波长、粒子大小相同时，溶胶的浓度不同，其透射光的强度亦不同。浊度的定义为：0ltI/IetI0Il 透射光强度 入射光强度 样品池长度 浊度/e/IIt10当2022-8-16超显微镜的特点 普通显微镜分辨率不高，只能分辨出半径在200 nm以上的粒子，所以看不到胶体粒子。超显微镜分辨率高，可以研究半径为5150 nm的粒子。但是，超显微镜观察的不是胶粒本身，而是观察胶粒发出的散射光。是目前研究憎液

9、溶胶非常有用的手段之一。2022-8-16溶胶的动力性质 Brown 运动 胶粒的扩散 溶胶的渗透压 沉降平衡2022-8-16Brown运动(Brownian motion)1827 年植物学家布朗（Brown)用显微镜观察到悬浮在液面上的花粉粉末不断地作不规则的运动。后来又发现许多其它物质如煤、化石、金属等的粉末也都有类似的现象。人们称微粒的这种运动为布朗运动。但在很长的一段时间里，这种现象的本质没有得到阐明。2022-8-16Brown运动(Brownian motion)1903年发明了超显微镜，为研究布朗运动提供了物质条件。用超显微镜可以观察到溶胶粒子不断地作不规则“之”字形的运动，

10、从而能够测出在一定时间内粒子的平均位移。通过大量观察，得出结论：粒子越小，布朗运动越激烈。其运动激烈的程度不随时间而改变，但随温度的升高而增加。2022-8-16Brown运动的本质 1905年和1906年爱因斯坦（Einstein)和斯莫鲁霍夫斯基（Smoluchowski)分别阐述了Brown运动的本质。认为Brown运动是分散介质分子以不同大小和不同方向的力对胶体粒子不断撞击而产生的，由于受到的力不平衡，所以连续以不同方向、不同速度作不规则运动。随着粒子增大，撞击的次数增多，而作用力抵消的可能性亦大。当半径大于5 m，Brown运动消失。2022-8-16Brown运动的本质2022-8

11、-16Brown运动的本质 Einstein认为，溶胶粒子的Brown运动与分子运动类似，平均动能为 。并假设粒子是球形的，运用分子运动论的一些基本概念和公式，得到Brown运动的公式为：32kT式中 是在观察时间t内粒子沿x轴方向的平均位移；xr为胶粒的半径；为介质的粘度；L为阿伏加德罗常数。213rtLRTx 这个公式把粒子的位移与粒子的大小、介质粘度、温度以及观察时间等联系起来。2022-8-16胶粒的扩散 胶粒也有热运动，因此也具有扩散和渗透压。只是溶胶的浓度较稀，这种现象很不显著。如图所示，在CDFE的桶内盛溶胶，在某一截面AB的两侧溶胶的浓度不同，C1C2。由于分子的热运动和胶粒的

12、布朗运动，可以观察到胶粒从C1区向C2区迁移的现象，这就是胶粒的扩散作用。2022-8-16胶粒的扩散2022-8-16溶胶的渗透压 由于胶粒不能透过半透膜，而介质分子或外加的电解质离子可以透过半透膜，所以有从化学势高的一方向化学势低的一方自发渗透的趋势。溶胶的渗透压可以借用稀溶液渗透压公式计算：cRT式中c为胶粒的浓度。由于憎液溶液不稳定，浓度不能太大，所以测出的渗透压及其它依数性质都很小。但是亲液溶胶或胶体的电解质溶液，可以配制高浓度溶液，用渗透压法可以求它们的摩尔质量。2022-8-16沉降平衡（sedimentation equilibrium）溶胶是高度分散体系，胶粒一方面受到重力吸

13、引而下降，另一方面由于布朗运动促使浓度趋于均一。当这两种效应相反的力相等时，粒子的分布达到平衡，粒子的浓度随高度不同有一定的梯度，如图所示。这种平衡称为沉降平衡。2022-8-16 达到沉降平衡时，粒子随高度分布的情况与气体类似，可以用高度分布定律。高度分布定律 如图所示，设容器截面积为A，粒子为球型，半径为r，粒子与介质的密度分别为 和 ，在 x1和x2处单位体积的粒子数分别N1，N2，为渗透压，g为重力加速度。02022-8-16 这就是高度分布公式。粒子质量愈大，其平衡浓度随高度的降低亦愈大。高度分布定律32021141exp()()3NrgL xxNRT2022-8-16溶胶的电学性质

14、 胶粒带电的本质 电动现象（2）电渗（3）流动电势（4）沉降电势（1）电泳2022-8-16胶粒带电的本质 （1）胶粒在形成过程中，胶核优先吸附某种离子，使胶粒带电。（2）离子型固体电解质形成溶胶时，由于正、负离子溶解量不同，使胶粒带电。例如：将AgI制备溶胶时，由于Ag+较小，活动能力强，比I-容易脱离晶格而进入溶液，使胶粒带负电。例如：在AgI溶胶的制备过程中，如果AgNO3过量，则胶核优先吸附Ag+离子，使胶粒带正电；如果KI过量，则优先吸附I-离子，胶粒带负电。2022-8-16（3）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。胶粒带电的本质 例如蛋白质分子，有许多羧基和

15、胺基，在pH较高的溶液中，离解生成PCOO-离子而负带电；在pH较低的溶液中，生成P-NH3+离子而带正电。在某一特定的pH条件下，生成的-COO-和-NH3+数量相等，蛋白质分子的净电荷为零，这pH称为蛋白质的等电点。2022-8-16电动现象 胶粒在重力场作用下发生沉降，而产生沉降电势；带电的介质发生流动，则产生流动电势。这是因动而产生电。以上四种现象都称为电动现象。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。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，就产生了电泳和电渗的电动现象，这是因电而动。2022-8-16电泳（electrophoresis）影响电泳的因素

16、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。带电胶粒或大分子在外加电场的作用下向带相反电荷的电极作定向移动的现象称为电泳。从电泳现象可以获得胶粒或大分子的结构、大小和形状等有关信息。电泳电泳2022-8-16例如，将Fe(OH)3 溶胶放入装有两个电极的U形管中，通电后，可以看到红褐色的Fe(OH)3胶体粒子向阴极移动。如果换上As2S3胶体溶液，因为As2S3胶粒带负电，则As2S3胶粒向阳极移动。电泳现象说明胶体粒子是带有电荷的，同时也是检验胶粒带电性的主要方法。2022-8-16 区带电泳实验简便、易行，样品用量少，分

17、离效率高，是分析和分离蛋白质的基本方法。常用的区带电泳有：纸上电泳，圆盘电泳和板上电泳等。区带电泳 将惰性的固体或凝胶作为支持物，两端接正、负电极，在其上面进行电泳，从而将电泳速度不同的各组成分离。2022-8-16 a.纸上电泳 区带电泳用滤纸作为支持物的电泳称为纸上电泳。先将一厚滤纸条在一定pH的缓冲溶液中浸泡，取出后两端夹上电极，在滤纸中央滴少量待测溶液，电泳速度不同的各组分即以不同速度沿纸条运动。经一段时间后，在纸条上形成距起点不同距离的区带，区带数等于样品中的组分数。将纸条干燥并加热，将蛋白质各组分固定在纸条上，再用适当方法进行分析。2022-8-16 b.凝胶电泳 用淀粉凝胶、琼胶

18、或聚丙烯酰胺等凝胶作为载体，则称为凝胶电泳。将凝胶装在玻管中，电泳后各组分在管中形成圆盘状，称为圆盘电泳；凝胶电泳的分辨率极高。例如，纸上电泳只能将血清分成五个组分，而用聚丙烯酰胺凝胶作的圆盘电泳可将血清分成25个组分。区带电泳2022-8-16区带电泳如果将凝胶铺在玻板上进行的电泳称为平板电泳。C.板上电泳2022-8-16 在外加电场作用下，相对带电的分散介质通过多孔膜或半径为110 nm的毛细管作定向移动，这种现象称为电渗。外加电解质对电渗速度影响显著，随着电解质浓度的增加，电渗速度降低，甚至会改变电渗的方向。电渗方法有许多实际应用，如溶胶净化、海水淡化、泥炭和染料的干燥等。（2）电渗（

19、electro-osmosis)2022-8-16 在U型管1,2中盛电解质溶液，将电极5,6接通直流电后，可从有刻度的毛细管 4中，准确地读出液面的变化。电渗实验 图中，3为多孔膜，可以用滤纸、玻璃或棉花等构成；也可以用氧化铝、碳酸钡、AgI等物质构成。如果多孔膜吸附阴离子，则介质带正电，通电时向阴极移动；反之，多孔膜吸附阳离子，带负电的介质向阳极移动。2022-8-16电渗实验电渗电渗2022-8-16 电渗析法最先用于海水淡化制取饮用水和工业用水，海水浓缩制取食盐，以及与其它单元技术组合制取高纯水，后来在废水处理方面也得到较广泛应用。电渗析法目前主要应用于几下及各方面：1、水质软化，供低

20、压锅炉或其他工艺用水。2、用于海水、苦咸水的淡化降氟，除氟，为海岛、海轮提供生活饮用水。3、与离子交换法组合，制取纯水和高纯水，供科研、电子工业、化工制药、电厂等用水，供高压锅炉给水，电渗电渗2022-8-16电渗析法海水淡化或废水处理示意图2022-8-16 含有离子的液体在加压或重力等外力的作用下，流经多孔膜或毛细管时会产生电势差。流动电势（streaming potential)这种因胶体流动而产生的电势称为流动电势。2022-8-16 因为管壁会吸附某种离子，使固体表面带电，电荷从固体到液体有个分布梯度。在用泵输送原油或易燃化工原料时，要使管道接地或加入油溶性电解质，增加介质电导，防止流动电势可能引发的事故。流动电势（streaming potential)当外力迫使扩散层移动时，流动层与固体表面之间会产生电势差，当流速很快时，有时会产生电火花。2022-8-16 在重力场的作用下，带电的分散相粒子，在分散介质中迅速沉降时，使底层与表面层的粒子浓度悬殊，从而产生电势差，这就是沉降电势。贮油罐中的油内常会有水滴，水滴的沉降会形成很高的电势差，有时会引发事故。通常在油中加入有机电解质，增加介质电导，降低沉降电势。沉降电势(sedimentation potential)