傅献彩物理化学电子教桉课件-第五版14章胶体与大分子溶液

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物理化学电子教案—第十四章 胶体分散系统和大分子溶液 第十四章 胶体分散系统和大分子溶液 §14.1 胶体和胶体的基本特性§14.2 溶胶的制备和净化§14.3 溶胶的动力性质§14.4 溶胶的光学性质§14.5 溶胶的电学性质 §14.6 双电层理论和 ? 电势§14.7 溶胶的稳定性和聚沉作用§14.8 乳胶液§14.9 凝胶§14.10 大分子溶液 §14.11 Donnan平衡和聚电解质溶液的渗透压* §14.12 流变学简介* §14.13 纳米粒子 第十四章 胶体分散 系 统和大分子溶液 分散相和分散介质 把一种或几种物 例如:云,牛奶,珍珠质分散在另一种物质中就构成分散体系。 其中,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)。 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 nm~100 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。 胶体分散系统在生物 界 和非生物界都普遍存 在,在实际生活和生产中也占有重要的地位。 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,其大小、尺寸在1nm-100nm之间,基本上归属于介观领域。 §14.1 胶体和胶 体 的基本特性 分散系统的分类 根据胶体系统的性质至少可分为两大类:(1)憎液溶胶 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 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 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 §14.1 胶体和胶 体 的基本特性 分散系统的分类 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。 §14.1 胶体和胶 体 的基本特性 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 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 §14.1 胶体和胶 体 的基本特性 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 §14.1 胶体和胶 体 的基本特性 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 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 憎液溶胶的特性 (1)特有的分散程度 粒子的大小在1~100 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 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。 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 + KI→KNO3 + AgI↓ 过量的 KI 作稳定剂 胶团的图示式: 胶团的结构表达式 : 胶核[(AgI) n I – (n-x)K+]x– xK+ m 胶粒 胶核 胶团 胶粒(带负电) 胶团(电中性) 胶团的结构 例2:AgNO3 + KI → KNO3 + AgI↓ 过量的 AgNO3 作稳定剂 胶团的图示式: 胶团的结构表达式: [(AgI) n Ag+ (n-x)NO –]x+ x NO – m 3 3 胶核 胶核 胶粒 胶团 胶粒(带正电) 胶团(电中性) 胶粒的形状 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 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。 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 溶胶是丝状的质点 §14.2 溶胶的制备与净化 溶胶的制备 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。 视具体制备条件不同,这些粒子又可以聚集成较大的次级粒子。 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。 1. 分散法 (1) 研磨法 这种方法适用于脆而易碎的物质,对于柔韧性的物质必须先硬化后再粉碎。例如,将废轮胎粉碎,先用液氮处理,硬化后再研磨。 胶体磨的形式很多,其分散能力因构造和转速的不同而不同。盘式胶体磨示意图 转速约10 000~20 000 r\min A为空心转轴,与C盘相连,向一个方向旋转,B盘向另一方向旋转。 分散相、分散介质和稳定剂从空心轴A处加入,从C盘与B盘的狭缝中飞出,用两盘之间的应切力将固体粉碎,可得1000 nm左右的粒子。 1. 分散法 (2) 胶溶法 胶溶法又称解胶法,仅仅是将新鲜的凝聚胶粒重新分散在介质中形成溶胶,并加入适当的稳定剂。 这种稳定剂又称胶溶剂。根据胶核所能吸附的离子而选用合适的电解质作胶溶剂。 这种方法一般用在化学凝聚法制溶胶时,为了将 多余的电解质离子去掉,先将胶粒过滤,洗涤,然后 尽快分散在含有胶溶剂的介质中,形成溶胶。 例如: 加 FeCl3 Fe(OH)3 (新鲜沉淀) ?????Fe(OH)3 (溶胶) 加 或 AgCl(新鲜沉淀) ??A?gNO?3 ?KI??AgCl(溶胶) 加 水解 K2Sn(OH)6SnCl4 ????SnO2 (新鲜沉淀) ???????SnO2 (溶胶) 若沉淀放置时间较长,则沉淀老化就得不到溶胶 1. 分散法 (3) 超声波分散法 这种方法目前只用来制 备乳状液。 4 如图所示,将分散相和 3分散介质两种不
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