药用物理化学课件.ppt
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- 药用 物理化学 课件
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1、物理化学电子教案胶体分散系统10.1 概述主要内容 10.2 溶胶的动力和光学性质10.3 溶胶的电学性质 10.4 溶胶的稳定性和聚沉作用10.5 大分子溶液10.6 Donnan平衡10.7 凝胶10.8 纳米技术重点内容:1.溶胶胶团的结构2.溶胶的动力,光学和电学性质3.溶胶的稳定和聚沉4.Donnan平衡10.1 概述 例如:云,牛奶,珍珠 把一种或几种物质分散在另一种物质中就构成分散体系。被分散的物质称为分散相 (dispersed phase),另一种物质称为分散介质(dispersing medium)。分散相和分散介质 什么是胶体分散系统?按分散相粒子的大小,通常有三种分散系
2、统1.分子分散系统 分散相与分散介质以分子或离子形式彼此混溶,没有界面,是均匀的单相,分子半径在1 nm 以下。2.胶体分散系统 分散相粒子的半径在1 nm100 nm之间,目测是均匀的,但实际是多相不均匀系统。也有的将 1nm 1000 nm之间的粒子归入胶体范畴。3.粗分散系统 当分散相粒子大于1000 nm,目测是混浊不均匀系统,放置后会沉淀或分层。所谓宏观是指研究对象的尺寸很大,其下限是人的肉眼可以观察到的最小物体(半径大于1微米),而上限则是无限的。所谓微观是指上限为原子、分子,而下限则是一个无下限的时空。在宏观世界与微观世界之间,有一个介观世界,在胶体和表面化学中所涉及的超细微粒,
3、其大小、尺寸在1nm-100nm之间,基本上归属于介观领域。根据胶体系统的性质至少可分为两大类:1 憎液溶胶 系统具有很大的相界面,很高的表面Gibbs自由能,很不稳定,极易被破坏而聚沉 简称溶胶,由难溶物分散在分散介质中所形成,粒子都是由很大数目的分子构成,大小不等 聚沉之后往往不能恢复原态,因而是热力学中的不稳定和不可逆系统。本章主要讨论憎液溶胶10.1.1 分散系统的分类分散系统的分类憎液溶胶的特性(1)特有的分散程度 粒子的大小在1100 nm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 和乳光现象。(2)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
4、构复杂,有的保持了该难溶盐的原有晶体结构,而且粒子大小不一,与介质之间有明显的相界面,比表面很大。(3)易聚结不稳定性 因为粒子小,比表面大,表面自由能高,是热力学不稳定系统,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。根据胶体系统的性质至少可分为两大类:2 亲液溶胶大(高)分子化合物的溶液通常属于亲液溶胶。它是分子溶液,但其分子的大小已经到达胶体的范围,因此具有胶体的一些特性(例如:扩散慢,不透过半透膜,有Tyndall效应等等)若设法去除大分子溶液的溶剂使它沉淀,重新再加入溶剂后大分子化合物又可以自动再分散,因而它是热力学中稳定、可逆的系统。10.1.1 分散系统的分类分散系统
5、的分类若根据分散相和分散介质的聚集状态进行分类 1.液溶胶 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:A.液-固溶胶 如油漆,AgI溶胶B.液-液溶胶 如牛奶,石油原油等乳状液C.液-气溶胶 如泡沫10.1.1 分散系统的分类分散系统的分类 若根据分散相和分散介质的聚集状态进行分类 2.固溶胶 将固体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为不同状态时,则形成不同的固溶胶:A.固-固溶胶 如有色玻璃,不完全互溶的合金B.固-液溶胶 如珍珠,某些宝石C.固-气溶胶 如泡沫塑料,沸石分子筛10.1.1 分散系统的分类分散系统的分类 若根据分散相和分散介质的聚集状态进行分类
6、 3.气溶胶 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-固或气-液溶胶,但没有气-气溶胶,因为不同的气体混合后是单相均一系统,不属于胶体范围。A.气-固溶胶 如烟,含尘的空气B.气-液溶胶 如雾,云10.1.1 分散系统的分类分散系统的分类10.1.2 溶胶的制备与净化溶胶的制备与净化 制备溶胶必须使分散相粒子的大小落在胶体分散系统的范围之内,并加入适当的稳定剂。制备方法大致可分为两类:(1)分散法 用机械、化学等方法使固体的粒子变小 (2)凝聚法 使分子或离子聚结成胶粒溶胶的制备用这两种方法直接制出的粒子称为原级粒子。溶胶的制备 视具体制备条件不同,这些粒子又可以聚集成
7、较大的次级粒子。通常所制备的溶胶中粒子的大小不是均一的,是一个多级分散系统。例如:333FeClFe(OH)()Fe(OH)()加新鲜沉淀溶胶3AgNOKIAgCl()AgCl()或加新鲜沉淀溶胶42226K Sn(OH)SnClSnO()SnO()加水解新鲜沉淀溶胶若沉淀放置时间较长,则沉淀老化就得不到溶胶 溶胶的净化 在制备溶胶的过程中,常生成一些多余的电解质,如制备 Fe(OH)3溶胶时生成的HCl。少量电解质可以作为溶胶的稳定剂,但是过多的电解质存在会使溶胶不稳定,容易聚沉,所以必须除去。净化的方法主要有渗析法和超过滤法。(1)渗析法简单渗析溶胶的净化 利用浓差因素,多余的电解质离子不
8、断向膜外渗透,经常更换溶剂,就可以净化半透膜容器内的溶胶 如将装有溶胶的半透膜容器不断旋转,可以加快渗析速度。将需要净化的溶胶放在羊皮纸或动物膀胱等半透膜制成的容器内,膜外放纯溶剂。(1)渗析法电渗析溶胶的净化 为了加快渗析速度,在装有溶胶的半透膜两侧外加一个电场,使多余的电解质离子向相应的电极作定向移动。溶剂不断自动更换,可以提高净化速度 用半透膜作过滤膜,利用吸滤或加压的方法使胶粒与含有杂质的介质在压差作用下迅速分离。(2)超过滤法溶胶的净化 将半透膜上的胶粒迅速用含有稳定剂的介质再次分散。10.1.3 胶团的结构胶团的结构 形成憎液溶胶的必要条件是:(1)分散相的溶解度要小;(2)还必须
9、有稳定剂存在,否则胶粒易聚结而 聚沉。胶团的结构 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。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胶团的结构例1:AgNO3+KIKNO3 +AgI (AgI)m n I (n-x)K+x xK+胶核胶粒胶团胶团的图示式:胶核 胶粒(带负电)胶团(电中性)胶团的结构表达式:过量的 KI 作稳定剂 胶
10、团的结构例2:AgNO3+KI KNO3 +AgI (AgI)m n Ag+(n-x)NO3x+x NO3 胶核胶粒胶团 胶团的图示式:过量的 AgNO3 作稳定剂 胶团的结构表达式:胶核 胶粒(带正电)胶团(电中性)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。在溶胶中胶粒是独立运动单位,通常所说溶胶带电系指胶粒而言 胶团没有固定的直径和质量,同一种溶胶的值也不是一个固定的数值 胶团的形状例如:(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
11、的质点10.2 溶胶的动力和光学性质 Brown 运动 扩散和渗透压 沉降和沉降平衡 动力性质动力性质光学性质Tyndall 效应和 Rayleigh 公式 超显微镜的基本原理和粒子大小的测定Brown运动(Brownian motion)1827 年植物学家 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Brown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。1903年发明了超显微镜,为研究Brown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
12、运动,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,Brown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。1905年和1906年Einstein和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方向的力对胶体粒子不断撞击而产生的。当半径大于5 m,Brown运动消失。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。扩散和渗透压 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
13、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Brown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。设通过AB面的扩散质量为m,则扩散速度为 ,它与浓度梯度和AB截面积A成正比。ddmt斐克第一定律(Ficks first law)如图所示,设任一平行于AB面的截面上浓度是均匀的,但水平方向自左至右浓度变稀,梯度为 。ddcx斐克第一定律(Ficks first law)这就是斐克第一定律。式中负号表示扩散发生在浓度降低的方向,0。ddcxddmtddddmcDAtx 用公式表示为:式中D为扩散系数,其物理意义为:单位浓度梯度、单
14、位时间内通过单位截面积的质量。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:nRTV 由于憎液溶胶不稳定,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。沉降和沉降平衡 溶胶是高度分散系统,胶粒一方面受到重力吸引而下降,另一方面由于Brown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。达
15、沉降平衡时,粒子随高度分布的情况与气体类似,可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。粒子介质34d()3NA xrg粒子介质 在高度为dx的这层溶胶中,使N个粒子下降的重力为:10.2.4 Tyndall效应和Rayleigh公式 Tyndall效应已成为判别溶胶与分子溶液最简便的方法。效应已成为判别溶胶与分子溶液最简便的方法。1869年Tyndall发现,若令一束会聚光通过溶胶,从侧面可以看到一个发光的圆锥体,这就是Tyndall效应。其他分散体系
16、也会产生一点散射光,但远不如溶胶显著。Tyndall效应的另一特点是,不同方向观察到的光柱有不同的颜色Tyndall效应效应4CuSO 溶溶液液光源光源Fe(OH)3溶胶光散射现象 当光束通过分散系统时,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)当光束通过粗分散系统,由于粒子大于入射光的波长,主要发生反射,使系统呈现混浊。(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。光散射的本质 光是一种电磁波,照射溶胶时,分子中的电
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