第五章 胶体和胶体的稳定性.ppt

胶体及胶体的稳定性胶体定义和分类胶体特性胶体稳定性的影响因素1.11.1胶体胶体悬浊液、乳浊液悬浊液、乳浊液溶液溶液胶体胶体分散系分散系（分散质粒子大于（分散质粒子大于100100nmnm）（分散质粒子小于（分散质粒子小于1 1nmnm）（分散质粒子在（分散质粒子在1 1nm-100nmnm-100nm之间）之间）1.2 1.2 胶体的分类胶体的分类1 1、胶体的外观：、胶体的外观：小粒子聚集（缔结）到在一起形成分散质粒子。小粒子聚集（缔结）到在一起形成分散质粒子。3 3、胶体的分类：、胶体的分类：（按照（按照分散剂分散剂的不同的不同）大分子直径达到胶体粒子大小的限度大分子直径达到胶体粒子大小的限度(蛋白质胶体蛋白质胶体)液溶胶液溶胶气溶胶气溶胶固溶胶固溶胶胶体胶体（分散剂是液体（分散剂是液体如如Fe(OH)Fe(OH)3 3胶体胶体）（分散剂是气体（分散剂是气体如雾、云、烟如雾、云、烟）（分散剂是固体（分散剂是固体如烟水晶、有色玻璃如烟水晶、有色玻璃）类似于溶液，多数均一、透明类似于溶液，多数均一、透明 2 2、胶体分散质的构成：、胶体分散质的构成：1.31.3和胶体具有相似性质的物质和胶体具有相似性质的物质碳纳米管碳纳米管片状蒙脱土片状蒙脱土胶原纤维截面也是纳米级别的这些物质含有巨大的表面积，具有双电层结构，在性质上有何胶体类似的性质。这些物质含有巨大的表面积，具有双电层结构，在性质上有何胶体类似的性质。（1）分散法 研磨法是用胶体磨把大颗粒固体磨细，在研磨的同时加入丹宁或明胶做稳定剂。工业用的胶体石墨、颜料、医用硫溶胶等都是用胶体磨磨制成的。胶溶法是一种使暂时凝集起来的分散相又重新分散的方法。把新生成的沉淀洗涤后，加入稳定剂，经过搅拌，沉淀就重新分散而形成溶胶。1.4 溶胶的制备（2）凝集法 化学凝集法是利用化学反应使产物凝集而形成溶胶。在溶液中进行的复分解、水解、氧化还原等反应，只要有一种产物的溶解度较小，就可以控制反应条件使该产物凝集而得到溶胶。改换溶剂法是利用分散相在两种不同分散介质中的溶解度相差悬殊的特点制备溶胶。2 2 胶体的特性胶体的特性 一、胶体特性一、胶体特性一、胶体特性一、胶体特性 1 1 1 1、光学性质：指胶体在水溶液中能引起光的反射、光学性质：指胶体在水溶液中能引起光的反射、光学性质：指胶体在水溶液中能引起光的反射、光学性质：指胶体在水溶液中能引起光的反射 2 2 2 2、力学性质：主要是指胶体的布朗运动。、力学性质：主要是指胶体的布朗运动。、力学性质：主要是指胶体的布朗运动。、力学性质：主要是指胶体的布朗运动。3 3 3 3、表面性能：比表面积大，具有极大的表面自由、表面性能：比表面积大，具有极大的表面自由、表面性能：比表面积大，具有极大的表面自由、表面性能：比表面积大，具有极大的表面自由 能能能能,胶体具有强烈的吸附能力和水化作用。胶体具有强烈的吸附能力和水化作用。胶体具有强烈的吸附能力和水化作用。胶体具有强烈的吸附能力和水化作用。4 4 4 4、动电现象：包括、动电现象：包括、动电现象：包括、动电现象：包括电泳与电渗电泳与电渗电泳与电渗电泳与电渗，二者都是由于外，二者都是由于外，二者都是由于外，二者都是由于外 加电位差的作用而引起的胶体溶液系统内固相加电位差的作用而引起的胶体溶液系统内固相加电位差的作用而引起的胶体溶液系统内固相加电位差的作用而引起的胶体溶液系统内固相 与液相间产生的相对移动。与液相间产生的相对移动。与液相间产生的相对移动。与液相间产生的相对移动。return 电泳电泳电泳电泳现象是指在电场作用下，胶体微粒能现象是指在电场作用下，胶体微粒能现象是指在电场作用下，胶体微粒能现象是指在电场作用下，胶体微粒能向一个电极方向移动的现象。向一个电极方向移动的现象。向一个电极方向移动的现象。向一个电极方向移动的现象。部分液体渗透过了胶体微粒间的孔隙而移部分液体渗透过了胶体微粒间的孔隙而移部分液体渗透过了胶体微粒间的孔隙而移部分液体渗透过了胶体微粒间的孔隙而移向相反的电极，这种液体在电场中透过多孔性向相反的电极，这种液体在电场中透过多孔性向相反的电极，这种液体在电场中透过多孔性向相反的电极，这种液体在电场中透过多孔性固体的现象称为固体的现象称为固体的现象称为固体的现象称为电渗电渗电渗电渗。电泳现象说明胶体微粒。电泳现象说明胶体微粒。电泳现象说明胶体微粒。电泳现象说明胶体微粒是带电的。当在外加电场作用下，胶体微粒向是带电的。当在外加电场作用下，胶体微粒向是带电的。当在外加电场作用下，胶体微粒向是带电的。当在外加电场作用下，胶体微粒向阴极运动，说明该类胶体微粒带正电；向阳极阴极运动，说明该类胶体微粒带正电；向阳极阴极运动，说明该类胶体微粒带正电；向阳极阴极运动，说明该类胶体微粒带正电；向阳极运动，则说明该类胶体微粒带负电。运动，则说明该类胶体微粒带负电。运动，则说明该类胶体微粒带负电。运动，则说明该类胶体微粒带负电。电泳与电渗电泳与电渗电泳与电渗电泳与电渗return电位离子反离子扩散层扩散层胶团边界胶团边界滑动面滑动面胶粒胶粒吸附层吸附层胶核胶核电位电位电位电位胶体的结构胶体的结构胶体的结构胶体的结构 胶体的稳定性对生活的影响胶体的稳定性对生活的影响n n产品 墨水 纳米防水剂 碳纳米管n n废水处理 处理的效果n n锅炉污垢沉积n n气体尘埃3 溶胶的稳定与聚沉溶胶的稳定与聚沉n n胶体具有较大的表面积，较大的比表面积因而在热力学上是不稳定的。n n但很多胶体可以在一定时间内稳定存在的。3 溶胶的稳定与聚沉溶胶的稳定与聚沉 凝结物 胶体粒子的聚集体，具有相对紧密的结构形成是由于胶体不能保持分散状态所引起的。这样的聚集体形成后不能正常逆转。凝结作用 形成凝结物的过程分层 从连续相中将凝结物或絮凝物分离，其中聚集体的密度要小于连续相。絮凝物 少量胶体粒子的聚集物，与凝结物相似，但具有相当疏松、开放的结构絮凝物有时是可逆的，用最小限度的能量输入可以使其恢复分散状态。3 溶胶的稳定与聚沉溶胶的稳定与聚沉基本概念基本概念 絮凝作用 形成絮凝物的过程单分散 所有粒子在胶体体系中的尺寸大致相同多分散 有相当大的粒子尺寸范围沉降 和分层相似，只是聚集体的密度比连续相大。3.1 3.1 溶胶的经典稳定理论溶胶的经典稳定理论DLVO理论理论3 溶胶的稳定与聚沉溶胶的稳定与聚沉 类比分子反应过程。类比分子反应过程。19411941年，由杰里亚金（年，由杰里亚金（D）和朗道（和朗道（L）及及19481948年由维韦（年由维韦（V）和奥弗比克（和奥弗比克（O）分别提出了带电胶分别提出了带电胶体粒子稳定的理论，简称体粒子稳定的理论，简称DLVO理论。它的要点是：理论。它的要点是：1 1）胶团之间既存在斥力势能，也存在引力势能。胶团之间既存在斥力势能，也存在引力势能。其来源可从其结构得到解释。其来源可从其结构得到解释。左图中是左图中是两个带正电荷两个带正电荷的胶团。在胶团外之任一的胶团。在胶团外之任一点点A处，则不受正电荷影处，则不受正电荷影响；在扩散层内任一点响；在扩散层内任一点B，因正电荷作用未被完全因正电荷作用未被完全抵消，仍表现出正电性。抵消，仍表现出正电性。但当两个胶团扩散层未重但当两个胶团扩散层未重叠时，两者无任何斥力。叠时，两者无任何斥力。扩散层边界扩散层边界胶核胶核AB胶核胶核扩散层边界扩散层边界B 当两个胶团当两个胶团扩散层发生重叠扩散层发生重叠时，时，重叠区内负离子浓度增加。重叠区内负离子浓度增加。两个胶团扩散层对称性都受到两个胶团扩散层对称性都受到破坏。使重叠区内过剩负离子破坏。使重叠区内过剩负离子向未重叠区扩散。导致向未重叠区扩散。导致渗透性渗透性斥力斥力的产生。由于双电层的静的产生。由于双电层的静电平衡破坏，导致两个胶团间电平衡破坏，导致两个胶团间产生产生静电斥力静电斥力。随着重叠区的。随着重叠区的加大，这两种斥力势能都增加。加大，这两种斥力势能都增加。溶胶中分散相微粒间的引力势能，仍具有范德华引力溶胶中分散相微粒间的引力势能，仍具有范德华引力的性质。但它是一种的性质。但它是一种远程范德华力远程范德华力，其作用范围比一般，其作用范围比一般分子的大千百倍，与粒子间距离的分子的大千百倍，与粒子间距离的一次方或二次方一次方或二次方成成反反比比。（。（一般分子或原子间的范德华力与粒子间距离的六一般分子或原子间的范德华力与粒子间距离的六次方成反比）次方成反比）van der Waals 吸引力：吸引力：双电层引起的静电斥力双电层引起的静电斥力：ER ae-k r 溶溶胶胶粒粒子子间间的的作作用用力力总总结结1 1）斥力势能斥力势能、引力势能引力势能及总势能都是粒子间距离的函数及总势能都是粒子间距离的函数。只是在某一距离范围内，只是在某一距离范围内，引力势能引力势能占优势占优势，在另一距离在另一距离 范围范围斥力势能斥力势能占优势。占优势。2）加入电解质对）加入电解质对引力势能引力势能影响不大，但对影响不大，但对斥力势能斥力势能有明显有明显 影响。所以调整电解质浓度，对溶胶稳定性有明显作用。影响。所以调整电解质浓度，对溶胶稳定性有明显作用。粒子在此处可粒子在此处可形成疏松的不稳定的聚沉物。当外界环境变化形成疏松的不稳定的聚沉物。当外界环境变化时，这种聚沉物可重新分离生成溶胶。时，这种聚沉物可重新分离生成溶胶。EmaxEREAE势势能能x（粒子间距离）粒子间距离）第二最小值第二最小值第一最小值第一最小值0形成疏松形成疏松的聚沉物的聚沉物形成结构紧形成结构紧密而又稳定密而又稳定的沉积物的沉积物ab 左左图图中中，EA为为引引力力势势能能，ER为为斥斥力力势势能能实实线线E为总势能。为总势能。在在粒粒子子距距离离接接近近a 时时，达达到到第第二二最最小小值值，其其值值为为 几几个个kT。靠拢发生聚沉。若靠拢发生聚沉。若Emax 15kT，一般胶体粒子的热运动无法克一般胶体粒子的热运动无法克服，就不会发生聚沉。越过服，就不会发生聚沉。越过Emax后，势能曲线出现第一最小值。后，势能曲线出现第一最小值。落入此陷阱的粒子发生不可逆聚沉形成紧密而又稳定的聚沉物。落入此陷阱的粒子发生不可逆聚沉形成紧密而又稳定的聚沉物。EmaxEREAE势势能能x第二最小值第二最小值第一最小值第一最小值0形成疏松形成疏松的聚沉物的聚沉物形成结构紧形成结构紧密而又稳定密而又稳定的沉积物的沉积物ab 在在 ab 之间，之间，斥力起主导作斥力起主导作用，势能曲线用，势能曲线上出现上出现极大值极大值 Emaxmax。当迎面当迎面相撞的一对胶相撞的一对胶体粒子所具有体粒子所具有的平动能足以的平动能足以克服这一势垒克服这一势垒时，它们就会时，它们就会进一步进一步分散相微粒相互作用分散相微粒相互作用总势能：总势能：E=ER+EA Emax时，溶胶不稳定时，溶胶不稳定粒子的平动能和粒子的平动能和E Emaxmax的差值决定了稳定时间的长短。的差值决定了稳定时间的长短。溶剂化作用溶剂化作用是使溶胶稳定的另一重要因素。若分散介质是使溶胶稳定的另一重要因素。若分散介质是水，胶团双电层中的是水，胶团双电层中的全部离子都是水化的全部离子都是水化的。在分散相粒。在分散相粒子周围形成一个有一定弹性的子周围形成一个有一定弹性的水化外壳水化外壳。当一对胶团因布。当一对胶团因布朗运动而靠近时，水化外壳因受到挤压而变形，但每个胶朗运动而靠近时，水化外壳因受到挤压而变形，但每个胶团又都力图恢复其原状而又被弹开。这样，水化外壳的存团又都力图恢复其原状而又被弹开。这样，水化外壳的存在，增加了溶胶聚合的在，增加了溶胶聚合的机械阻力机械阻力。溶胶稳定的第三个重要因素是溶胶稳定的第三个重要因素是布朗运动布朗运动，当分散相粒，当分散相粒子布朗运动足够强时，能克服重力场的影响而不下沉。溶子布朗运动足够强时，能克服重力场的影响而不下沉。溶胶的这种性质称为胶的这种性质称为动力稳定动力稳定。分散相与分散介质分散相与分散介质密度差愈小密度差愈小，分散介质，分散介质粘度越大粘度越大，分，分散相散相颗粒越小颗粒越小，布朗运动，布朗运动越激烈越激烈，溶胶的动力稳定就，溶胶的动力稳定就越强。越强。溶胶稳定的原因：溶胶稳定的原因：1)1)胶粒带电胶粒带电 增加胶粒间的排斥作用；增加胶粒间的排斥作用；2 2)溶剂化作用溶剂化作用 形成弹性水化外壳，增加溶胶聚合的形成弹性水化外壳，增加溶胶聚合的 阻力；阻力；3)3)BrownBrown运动运动 使胶粒受重力的影响而不下沉。使胶粒受重力的影响而不下沉。4)4)高高分分子子在在胶胶粒粒表表面面吸吸附附形形成成弹弹性性膜膜，对对胶胶体体产产生生机机械阻隔。如：明胶大分子。械阻隔。如：明胶大分子。5)5)小小分分子子吸吸附附到到胶胶粒粒表表面面，改改变变胶胶粒粒的的亲亲液液性性、电电荷荷性性质。质。思考题如何提高天然染料的稳定性？天然染料的特点：天然可再生资源多种保健功能：防紫外线 抗老化 延缓衰老自然大方的染色效果天然染料分子中的基本单元天然染料分子中的基本单元 表儿茶素表儿茶素棓酸酯棓酸酯（ECGECG）表表棓棓儿茶素儿茶素棓酸酯棓酸酯（EGCGEGCG）4.4.溶胶的聚沉溶胶的聚沉定义：定义：溶胶中分散相微粒互相聚结，颗粒变大，进而溶胶中分散相微粒互相聚结，颗粒变大，进而 发生沉淀的现象称为发生沉淀的现象称为聚沉。聚沉。通过加热、辐射或加入电解质都可导致溶胶聚沉。以下通过加热、辐射或加入电解质都可导致溶胶聚沉。以下主要讨论电解质对溶胶的作用。主要讨论电解质对溶胶的作用。（1 1）电解质的聚沉作用：电解质的聚沉作用：适量的电解质对溶胶起到稳定剂的作用。适量的电解质对溶胶起到稳定剂的作用。但过量的电解质，特别是含高价反离子的电解质，往但过量的电解质，特别是含高价反离子的电解质，往往会使溶胶聚沉。往会使溶胶聚沉。其原因是：其原因是：1）因为电解质的浓度或价数增）因为电解质的浓度或价数增加时，会压缩扩散层，扩散层变薄加时，会压缩扩散层，扩散层变薄，斥力势能降低。当电解质浓度足，斥力势能降低。当电解质浓度足够大时，即使溶胶聚沉。够大时，即使溶胶聚沉。距离距离 0 SternStern面面 斯特恩层斯特恩层扩散层扩散层 2）若加入的反离子发生特性吸若加入的反离子发生特性吸附时，斯特恩层内的反离子数增，附时，斯特恩层内的反离子数增，使胶粒带电量降低，而导致碰撞聚使胶粒带电量降低，而导致碰撞聚沉。沉。EA 曲线的形状由粒子本性决定，不受电解质影响；曲线的形状由粒子本性决定，不受电解质影响；ER 曲线的形状、位置强烈地受电解质浓度的影响。曲线的形状、位置强烈地受电解质浓度的影响。电电解解质质浓浓度度与与价价数数增增加加，使使胶胶体体粒粒子子间间势势垒垒的的高高度度与与位位置发生变化。置发生变化。EREAEc1c2c3势势 能能0 电解质浓度电解质浓度：c1 c2 c3，电解质电解质浓度浓度，ER，E，溶胶稳定性溶胶稳定性。在。在 c3 以后以后，引力势能占绝对优势，分散引力势能占绝对优势，分散相粒子一旦相碰，即可聚合。相粒子一旦相碰，即可聚合。聚沉值聚沉值使溶胶发生明显的聚沉所需该电解质的使溶胶发生明显的聚沉所需该电解质的最小最小浓度浓度聚沉能力聚沉能力聚沉值的聚沉值的倒数倒数。定义：定义：1)反离子的价数起主要作用：反离子反离子的价数起主要作用：反离子价数越高，价数越高，聚沉能聚沉能 力力越大越大。粗略估计：粗略估计：聚沉值聚沉值 1/Z 6，聚沉能力聚沉能力 Z 6 舒尔策舒尔策-哈迪（哈迪（Schultz-Hardy）规则规则电解质对溶胶的聚沉规律：电解质对溶胶的聚沉规律：电解质中使溶胶发生聚沉的离子，是与胶体粒子带电符号电解质中使溶胶发生聚沉的离子，是与胶体粒子带电符号相反的离子，即相反的离子，即反离子反离子。上一内容下一内容回主目录Schulze-Hardy规则 聚沉能力主要决定于胶粒带相反电荷的离子的价数。聚沉值与异电性离子价数的六次方成反比，这就是Schulze-Hardy规则。例如，对于给定的溶胶，异电性离子分别为一、二、三价，则聚沉值的比例为：100 1.6 0.14 即为：海滩洁净情况长江三角洲炖猪蹄 什么时候加盐？加醋有什么作用？生活实例(2)高分子化合物的聚沉作用高分子化合物的聚沉作用 在溶胶中加入高分子化合物既可使溶胶稳定，也可使溶在溶胶中加入高分子化合物既可使溶胶稳定，也可使溶胶聚沉。好的聚沉剂应当是相对分子质量很大的线性聚合胶聚沉。好的聚沉剂应当是相对分子质量很大的线性聚合物。物。搭桥效应搭桥效应 一个长碳链高分子一个长碳链高分子化合物，通过吸附在许多胶粒上，化合物，通过吸附在许多胶粒上，从而把胶粒联结起来，变成较大从而把胶粒联结起来，变成较大的聚集体而聚沉。的聚集体而聚沉。聚合物在稳定和聚沉中的作用阻垢剂 丙烯酸 控制分子量在10000以下思考题：如何除去空气中的尘埃？