物理化学第九章胶体化学讲述课件.ppt
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- 物理化学 第九 胶体化学 讲述 课件
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1、1Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-15Chapter 9Colloid Chemistry2Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-15 9.1分散体系分散体系第九章第九章 胶体化学胶体化学 9.2 溶胶的制备与净化溶胶的制备与净化9.3 溶胶的溶胶的光学光学性质性质9.4 溶胶的溶胶的动力动力学性质学性质9.5 溶胶的电学性质溶胶的电学性质9.6 溶胶的流变性质溶胶的流变性质9.7溶胶溶胶稳定性与聚沉稳定性与聚沉3Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-15
2、乳状液乳状液 大分子概说大分子概说大分子的相对摩尔质量大分子的相对摩尔质量 Donnan平衡平衡4Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-15 一、胶体及其基本特性一、胶体及其基本特性胶粒的结构胶粒的结构 1.1.分散相与分散介质分散相与分散介质分散体系分类分散体系分类 (1)按分散相粒子的大小分类按分散相粒子的大小分类 (2)按分散相和介质的聚集状态分类按分散相和介质的聚集状态分类 (3)按胶体溶液的稳定性分类按胶体溶液的稳定性分类憎液溶胶的特性憎液溶胶的特性胶粒的形状胶粒的形状5Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回20
3、22-12-15 把一种或几种物把一种或几种物质分散在另一种物质质分散在另一种物质中就构成分散体系。中就构成分散体系。其中,其中,被分散的物质被分散的物质称为分散相称为分散相(dispersed phase),),另一种物质称为分散另一种物质称为分散介质介质(dispersing medium)。例如:云,牛奶,珍珠例如:云,牛奶,珍珠分散相与分散介质分散相与分散介质6Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-15分类体系通常有三种分类方法:分类体系通常有三种分类方法:分子分散体系分子分散体系胶体分散体系胶体分散体系粗分散体系粗分散体系按分散相粒子的大小
4、分类:按分散相粒子的大小分类:按分散相和介质的聚集状态分类:按分散相和介质的聚集状态分类:液溶胶液溶胶固溶胶固溶胶气溶胶气溶胶按胶体溶液的稳定性分类:按胶体溶液的稳定性分类:憎液溶胶憎液溶胶亲液溶胶亲液溶胶2.2.分散体系分类分散体系分类7Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-15分子分散体系分子分散体系 分散相与分散介质以分子或离子形式彼此混溶,分散相与分散介质以分子或离子形式彼此混溶,没有界面,是没有界面,是均匀的单相均匀的单相,分子半径大小在,分子半径大小在10-9 m以以下下。通常把这种体系称为真溶液,如。通常把这种体系称为真溶液,如CuSO
5、4溶液。溶液。胶体分散体系胶体分散体系 分散相粒子的半径在分散相粒子的半径在1 nm100 nm之间的体系。目之间的体系。目测是均匀的,但实际是多相不均匀体系。也有的将测是均匀的,但实际是多相不均匀体系。也有的将1 nm 1000 nm之间的粒子归入胶体范畴。之间的粒子归入胶体范畴。粗分散体系粗分散体系 当分散相粒子大于当分散相粒子大于1000 nm,目测是混浊不均匀体目测是混浊不均匀体系,放置后会沉淀或分层,如黄河水。系,放置后会沉淀或分层,如黄河水。1)按分散相粒子的大小分类)按分散相粒子的大小分类8Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-15液溶
6、胶液溶胶 将液体作为分散介质所形成的溶胶。当分散将液体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为不同状态时,则形成不同的液溶胶:相为不同状态时,则形成不同的液溶胶:A.液液-固溶胶固溶胶 如油漆,如油漆,AgI溶胶溶胶B.液液-液溶胶液溶胶 如牛奶,石油原油等乳状液如牛奶,石油原油等乳状液C.液液-气溶胶气溶胶 如泡沫如泡沫2)按分散相和介质聚集状态分类)按分散相和介质聚集状态分类 按分散相和介质聚集状态分类按分散相和介质聚集状态分类9Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-15固溶胶固溶胶 将固体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为将固体作为分散介质所形成
7、的溶胶。当分散相为不同状态时,则形成不同的固溶胶:不同状态时,则形成不同的固溶胶:A.固固-固溶胶固溶胶 如有色玻璃,不完全互溶的合金如有色玻璃,不完全互溶的合金B.固固-液溶胶液溶胶 如珍珠,某些宝石如珍珠,某些宝石C.固固-气溶胶气溶胶 如泡沫塑料,沸石分子筛如泡沫塑料,沸石分子筛 按分散相和介质聚集状态分类按分散相和介质聚集状态分类10Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-153.气溶胶气溶胶 将气体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为将气体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为固体或液体时,形成气固体或液体时,形成气-固或气固或气-液溶胶,液溶
8、胶,但没有但没有气气-气溶胶气溶胶,因为不同的气体混合后是单相均一,因为不同的气体混合后是单相均一体系,不属于胶体范围体系,不属于胶体范围.A.气气-固溶胶固溶胶 如烟,含尘的空气如烟,含尘的空气B.气气-液溶胶液溶胶 如雾,云如雾,云 按分散相和介质聚集状态分类按分散相和介质聚集状态分类11Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-15憎液溶胶憎液溶胶 半径在半径在1 nm100 nm之间的难溶物固体粒子之间的难溶物固体粒子分散在液体介质中,有很大的相界面,易聚沉,分散在液体介质中,有很大的相界面,易聚沉,是是热力学上的不稳定体系。热力学上的不稳定体系
9、。一旦将介质蒸发掉,再加入介质就无法再形一旦将介质蒸发掉,再加入介质就无法再形成溶胶,是成溶胶,是 一个不可逆体系,如氢氧化铁溶胶、一个不可逆体系,如氢氧化铁溶胶、碘化银溶胶等。碘化银溶胶等。这是胶体分散体系中主要研究的内容。这是胶体分散体系中主要研究的内容。3)按胶体溶液的稳定性分类)按胶体溶液的稳定性分类按胶体溶液的稳定性分类按胶体溶液的稳定性分类12Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-15亲液溶胶亲液溶胶 半径落在胶体粒子范围内的大分子溶解在半径落在胶体粒子范围内的大分子溶解在合适的溶剂中,一旦将溶剂蒸发,大分子化合物凝合适的溶剂中,一旦将溶
10、剂蒸发,大分子化合物凝聚,再加入溶剂,又可形成溶胶,聚,再加入溶剂,又可形成溶胶,亲液溶胶是热力亲液溶胶是热力学上稳定、可逆的体系。学上稳定、可逆的体系。按胶体溶液的稳定性分类按胶体溶液的稳定性分类13Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-15 特有的分散程度特有的分散程度 粒子的大小在粒子的大小在10-910-7 m之间,因而扩散较慢,不能透之间,因而扩散较慢,不能透过半透膜,渗透压低但有较强的动力稳定性过半透膜,渗透压低但有较强的动力稳定性 和乳光现象。和乳光现象。多相不均匀性多相不均匀性 具有纳米级的粒子是由许多离子或分子聚结而成,结构具有纳米
11、级的粒子是由许多离子或分子聚结而成,结构复杂,有的保持了该难溶盐的原有晶体结构,而且粒子大小复杂,有的保持了该难溶盐的原有晶体结构,而且粒子大小不一,与介质之间有明显的相界面,比表面很大。不一,与介质之间有明显的相界面,比表面很大。热力学不稳定性热力学不稳定性 因为粒子小,比表面大,表面自由能高,是热力学不因为粒子小,比表面大,表面自由能高,是热力学不稳定体系,有自发降低表面自由能的趋势,即小粒子会自稳定体系,有自发降低表面自由能的趋势,即小粒子会自动聚结成大粒子。动聚结成大粒子。4)憎液溶胶的特性)憎液溶胶的特性14Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回2022-
12、12-15 形成憎液溶胶的形成憎液溶胶的必要条件必要条件是:是:分散相的溶解度要小;分散相的溶解度要小;还必须有稳定剂存在,否则胶粒易聚结而还必须有稳定剂存在,否则胶粒易聚结而 聚沉。聚沉。5)胶粒的结构)胶粒的结构15Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-15 胶粒的结构比较复杂,先有一定量的难溶物分子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,称为聚结形成胶粒的中心,称为胶核胶核;然后胶核选择性的吸附稳定剂中的一种离子,形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,在紧密层外形成紧密吸附层;由于正
13、、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成反号离子的包围圈,从而形成了带与紧密层相同电荷的荷的胶粒胶粒;胶粒与扩散层中的反号离子,形成一个电中性的胶粒与扩散层中的反号离子,形成一个电中性的胶团胶团。胶粒的结构胶粒的结构16Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-15 胶核吸附离子是有选择性的,首先胶核吸附离子是有选择性的,首先吸附与胶核中吸附与胶核中相同的某种离子相同的某种离子,用同离子效应使胶核不易溶解。,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若无相同离子,则首先吸附水化能力较弱的负离子,
14、所以自然界中的胶粒大多带负电,如泥浆水、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。豆浆等都是负溶胶。胶粒的结构胶粒的结构17Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-15例例1 1:AgNO3+KIKNO3 +AgI 过量的过量的 KI 作稳定剂作稳定剂胶团的结构表胶团的结构表达式达式:(AgI)m n I (n-x)K+x xK+|_|_|胶核胶粒(带负电)胶团(电中性)胶核胶核胶粒胶粒胶团胶团胶团的图示式:胶团的图示式:胶粒的结构胶粒的结构18Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-15
15、例例2 2:AgNO3+KIKNO3 +AgI 过量的过量的 AgNO3 作稳定剂作稳定剂 胶团的结构表达式: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)胶核胶核胶粒胶粒胶团胶团 胶团的图示式:胶团的图示式:胶粒的结构胶粒的结构19Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-15 作为憎液溶胶基本质点的胶粒作为憎液溶胶基本质点的胶粒并非都是球形并非都是球形,而胶粒的形状对胶体性质有重要影响。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,质点为球形的,流动性较好;
16、若为带状的,则流动性较差,易产生则流动性较差,易产生触变现象触变现象。6)胶粒的形状)胶粒的形状胶粒的形状胶粒的形状20Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-15例如:(例如:(1 1)聚苯乙烯胶乳是球形质点)聚苯乙烯胶乳是球形质点(2 2)V2 2O5 5 溶胶是带状的质点溶胶是带状的质点(3 3)Fe(OH)3 溶胶是丝状的质点溶胶是丝状的质点胶粒的形状胶粒的形状21Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-15二、二、溶胶的制备与净化溶胶的制备与净化溶胶的制备溶胶的制备 (1 1)分散法分散法 1.1.研
17、磨法研磨法 2.2.胶溶法胶溶法 3.3.超声波分散法超声波分散法 4.4.电弧法电弧法(2 2)凝聚法凝聚法 1.1.化学凝聚法化学凝聚法 2.2.物理凝聚法物理凝聚法溶胶的净化溶胶的净化 (1 1)渗析法渗析法(2 2)超过滤法超过滤法22Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-15 三、溶胶的光学性质三、溶胶的光学性质 光散射现象光散射现象 Tyndall效应效应 Rayleigh公式公式 乳光计原理乳光计原理 浊度浊度 超显微镜超显微镜23Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-15 当光束通过分散体系
18、时,一部分自由地通过,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。可见光的波长约在一部分被吸收、反射或散射。可见光的波长约在400700 nm之间。之间。(1)当光束通过)当光束通过粗分散体系粗分散体系,由于粒子大于入射,由于粒子大于入射光的波长,主要发生光的波长,主要发生反射反射,使体系呈现混浊。,使体系呈现混浊。(2)当光束通过)当光束通过胶体溶液胶体溶液,由于胶粒直径小于可,由于胶粒直径小于可见光波长,主要发生见光波长,主要发生散射散射,可以看见乳白色的光柱。,可以看见乳白色的光柱。(3)当光束通过)当光束通过分子溶液分子溶液,由于溶液十分均匀,散,由于溶液十分均匀
19、,散射光因相互干涉而完全抵消,射光因相互干涉而完全抵消,看不见散射光看不见散射光。1.1.光散射现象光散射现象24Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-15 光是一种电磁波,照射溶胶时,分子中的电子光是一种电磁波,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光频率相同的光,这就一样向各个方向发射与入射光频率相同的光,这就是散射光。是散射光。分子溶液分子溶液十分均匀,这种散射光因相互干涉而完十分均匀,这种散射光因相互干涉而完全抵消,全抵消,看不到散射光看不到散射
20、光。溶胶溶胶是多相不均匀体系,在胶粒和介质分子上产是多相不均匀体系,在胶粒和介质分子上产生的散射光不能完全抵消,因而生的散射光不能完全抵消,因而能观察到散射现象能观察到散射现象。光散射的本质光散射的本质25Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-15 Tyndall效应实效应实际上已成为判别溶际上已成为判别溶胶与分子溶液的最胶与分子溶液的最简便的方法。简便的方法。1869年年Tyndall发现,若令一束会聚光通过溶胶,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
21、是锥体,这就是Tyndall效应效应。其他分散体系也会产生一。其他分散体系也会产生一点散射光,但远不如溶胶显著。点散射光,但远不如溶胶显著。Tyndall效应效应26Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-1527Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-15 丁达尔效应丁达尔效应:由于溶胶的高度分散性和多:由于溶胶的高度分散性和多相不均匀性相不均匀性,当一束波长大于溶胶分散相粒子当一束波长大于溶胶分散相粒子尺寸的入射光照射到溶胶系统尺寸的入射光照射到溶胶系统,可发生散射现可发生散射现象象丁达尔丁达尔现象现象.透
22、镜透镜溶胶溶胶 丁铎尔效应丁铎尔效应光光源源28Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-154CuSO 溶溶液液光源光源Fe(OH)3溶胶Tyndall效应效应29Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-15丁达尔现象原理丁达尔现象原理30Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-15 1871年,年,Rayleigh研究了大量的光散射现象,对研究了大量的光散射现象,对于粒子半径在于粒子半径在47nm以下的溶胶,导出了散射光总能以下的溶胶,导出了散射光总能量的计算公式,称
23、为量的计算公式,称为Rayleigh公式:公式:2222221222124242nnA VInn式中:式中:A 入射光振幅,入射光振幅,单位体积中粒子数单位体积中粒子数 入射光波长,入射光波长,每个粒子的体积每个粒子的体积 分散相折射率,分散相折射率,分散介质的折射率分散介质的折射率1n2nV粒子粒子r47nmRayleigh公式公式31Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-15 从从Rayleigh公式可得出如下结论:公式可得出如下结论:1.散射光总能量与入射光波长的四次方成反比。入散射光总能量与入射光波长的四次方成反比。入 射光波长愈短,散射愈显
24、著。所以可见光中,蓝、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。紫色光散射作用强。2.分散相与分散介质的折射率相差愈显著,则散射作分散相与分散介质的折射率相差愈显著,则散射作 用亦愈显著。用亦愈显著。3.散射光强度与单位体积中的粒子数成正比。散射光强度与单位体积中的粒子数成正比。2222221222124242nnA VInn32Physical Chemistry上一内容下一内容回主目录O返回2022-12-15 当分散相和分散介质等条件都相同时,当分散相和分散介质等条件都相同时,Rayleigh公式可改写成:公式可改写成:24VIK 当入射光波长不变,当入射光波长不变,
25、)/(Vc334rV323121rrII 保持浓度相同,保持浓度相同,2121ccII 保持粒子大小相同保持粒子大小相同3IKcr22222122212242nnKAnn 为分散粒子的密度,浓度为分散粒子的密度,浓度c(kgdm-3),当入射光波),当入射光波长不变,代入上式可得:长不变,代入上式可得:如果已知一种溶液的散射光强度和粒子半径如果已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(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),这就是以知道其粒径(或浓度),这就是乳光计乳光计。乳光计原理乳光计原理33Physical Chemistry上
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