胶体化学第1章-绪论要点课件.ppt

上页下页回主目录制作人:罗青枝胶体化学电子教案胶体化学电子教案胶体与界面化学胶体与界面化学主讲人主讲人：罗青枝罗青枝2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝书书 目目教材教材沈钟等.胶体与表面化学.化学工业出版社参考书参考书江 龙.胶体化学概论.科学出版社陈宗淇等.胶体与界面化学.高等教育出版社冯绪胜等.胶体化学.化学工业出版社2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝目目 录录第一章 绪论 第二章 胶体的制备第三章 胶体的性质第四章 凝胶第五章 界面现象和吸附第六章 表面活性剂2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝第一章第一章 绪论绪论 胶体与界面化学是研究具有很大比表面的分散系统的科学，是物理化学的分支学科。特别是近年来，随着科学技术的发展，胶体化学在各方面都有较大的发展，如超细粒子，纳米材料，两亲分子有序组合体等，并与生物、医学、环境科学等密切相关，相互渗透、交叉发展，逐步成为一个独立的学科。胶体与界面化学是古老的同时又与生产及日常生活有着密切的联系的学科。有人认为，世界上50%以上的科学家是与界面和胶体打交道的，有50%以上的产品属于胶体范畴。2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝1 胶体化学的研究对象胶体化学的研究对象 1861年英国化学家Thomas Graham首次提出了“胶体”这个名词。他在比较不同物质在水中的扩散速度时发现：一类物质容易扩散，如蔗糖、食盐等无机盐，此类物质蒸发掉水分后为晶体；另一类物质是难扩散的，如蛋白质、Al(OH)3、Fe(OH)3等，在蒸去水分后变为胶状物，因此，他把物质分为两类：晶体(crystalloid)和胶体(colloid)。一、什么是胶体2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝一、什么是胶体一、什么是胶体 后来随着科学的发展发现他的分类是不确切的，1905年俄国化学家维伊曼用200多种物质做实验证明，胶体并不是某种特殊类型的物质的固有状态，而是物质以一定分散程度而存在的一种状态。1915年，Ostwald提出，胶体既不是大块固体也不是分子分散的液体，而是一种尺寸在1100nm以至1000nm的具有两相或多相的微不均匀分散体系。2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝一、什么是胶体实验：将一把泥土放入水中一杯泥土一杯泥土泥沙泥沙+浑浊的小土粒浑浊的小土粒（底部）（底部）土中的盐类形成真溶液既不下沉、也不溶解的既不下沉、也不溶解的极为微小的土壤颗粒极为微小的土壤颗粒称为胶体颗粒；含胶体称为胶体颗粒；含胶体颗粒的体系称为胶体颗粒的体系称为胶体体系体系可见：胶体是一个具可见：胶体是一个具有巨大相有巨大相界面的分散体系界面的分散体系2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝分散体系分类及特点类型粒子大小 分散相特性实例粗分散系统100nm粗粒子多相，不稳定体系，不能穿过滤纸及渗析膜，无扩散能力，在显微镜下可见浑浊泥水，牛奶，豆浆等胶体分散系统1100nm原子或分子聚集体能穿过滤纸，稍有扩散能力，不能穿过渗析膜，在显微镜下不可见，超显微镜下可分辨Fe(OH)3,金溶胶，蛋白质，淀粉溶液等分子分散系统1nm原子、离子或小分子能穿过滤纸及渗析膜，扩散能力强，在显微镜及超显微镜下均不可见蔗糖，氯化钠，醋酸水溶液等2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝二、胶体体系的分类1按分散相和分散介质的聚集态分类2按Perin和Freundlich分类3IUPAC分类2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝1按分散相和分散介质的聚集态分类 分散介质 分散相名称实例气液固气-液溶胶气-固溶胶云，雾烟，尘液气液固泡沫乳状液、微乳液溶胶、悬浮液肥皂泡沫原油，牛奶金溶胶，油漆固气液固固-气溶胶（固态泡沫）固-液溶胶（固态乳液）固-固溶胶(固态悬浮液)面包，泡沫塑料珍珠，蛋白石有色玻璃，合金2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝2按Perin和Freundlich分类 将胶体分为憎液溶胶和亲液溶胶。容易与水作用的蛋白质、明胶等与水形成的胶体溶液叫亲液溶胶，主要是水溶性高分子或聚电解质；本质上不溶于水的物质，经适当处理后分散在水中形成的体系就叫憎液溶胶。2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝2按Perin和Freundlich分类性质憎液溶胶亲液溶胶电解质的存在对电解质的稳定性聚沉的可逆性电镜下的可见性粘度渗透压粒子具有的电荷必要的稳定因素低不可逆可见与溶剂差别小小固定，不易变非必要的稳定因素很高可逆不可见比溶剂大很多显著电荷随pH变化憎液溶胶与亲液溶胶的比较2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝3IUPAC分类 由 IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry)规定，胶体系统包括溶胶、高分子溶液和缔合胶体（胶体电解质）。热力学 聚结过程典型体系狭义胶体体系不稳定不可逆溶胶，泡沫，悬浮液，乳状液，气溶胶高分子溶液稳定可逆淀粉水溶液，明胶水溶液，橡胶己烷溶液缔合胶体稳定可逆胶束，微乳液，脂质体2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝三、胶体的特点 1具有巨大的比表面和表面能 随着物质颗粒变细，其比表面积显著增大，表面上原子所占比例也变大，系统表面能很大，系统就具有极强的缩小表面能的趋势，因而具有很强的吸附能力。对金属而言可显著降低烧结温度。2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝1具有巨大的比表面和表面能粒子直径(nm)总原子数表面原子数/总原子数1300.9922500.80540000.4010300000.20粒子直径与表面原子数2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝1具有巨大的比表面和表面能粒子直径/(nm)表面积/(cm2/mol）表面能/J表面结合能/J14.31086.71048.410-1104.31076.71038.410-21004.31066.71028.410-310004.3105678.410-4100004.31046.78.410-5铜粒子的粒径和表面能2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝1具有巨大的比表面和表面能纳米颗粒的烧结温度 粒径/nm起始烧结温度/CuFeAgNi50502020200 (1083)200300 (1536)6080 (960)200 (1453)2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝三、胶体的特点 主要指与胶体尺寸大小相关的性质特性等。电学性质：很难从小于10nm的金属粒子中取出或注入电子，它们具有保持电中性的趋势，该特点对比热容、磁化及超导性等都有重要影响。光学性质：随尺寸变化有明显变化。例如大块金属银呈光学反射，显银白色，到纳米尺寸时则呈光散射，显黑色。隧道效应：实质是量子跃迁，颗粒间距小于5nm时，电子可穿过颗粒间的势垒而传递。2最强烈的尺寸效应2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝四、胶体化学的研究内容 研究对象研究内容体系理论分散体系分散体系的形成与稳定 气溶胶 憎液溶胶 亲液溶胶粗分散体系（乳状液、悬浮液）气溶胶理论成核理论，DLVO与HVO理论高聚物溶液理论，胶束理论光学性能光吸收与光散射理论流变性能智能流体，电、磁流变体理论与现象流变学纳米材料单分散、单一形状颗粒的形成纳米颗粒的有序排列颗粒相互作用力理论2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝四、胶体化学的研究内容研究对象研究内容体系理论界面现象润湿、摩擦、黏附气-固界面表面力理论，表面层结构，分子定向理论吸附现象液-固界面气-液界面液-液界面液-固界面各种吸附理论界面电现象双电层理论界面层结构界面光谱学与显微术能谱，扫描探针显微镜，激光拉曼等方法研究，界面分子定向，界面化学反应，界面力的研究2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝四、胶体化学的研究内容研究对象研究内容体系理论有序组合体溶液中有序分子组合体胶束，微乳液，泡囊等分子间相互作用力（氢键，范德华力，分子形状，相图）生物膜与仿生膜BLM膜，LB膜，脂质体，液晶，分型体等液晶理论，类脂体与蛋白质的相互作用，分型理论有机无机混合膜夹心结构，sol-gel膜等有序组合体中的化学反应增溶现象，胶团催化，定向合成2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝2 胶体化学的发展历史与前景 一、胶体化学的发展历史有史以前：祖先制造陶器；汉朝：利用纤维造纸；后汉：发明墨水、豆腐制作等等古埃及利用木材浸水膨胀来破裂山岩1777年瑞典化学家做木炭吸附气体的实验1809年俄国化学家发现土粒的电泳现象1829年英国植物学家BROWN观察花粉的布朗运动2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝一、胶体化学的发展历史 1861年英国化学家Thomas Graham首次提出了“胶体”这个名词。Graham还制定了许多名词来形容他所发现的事实，现在我们所用的一些名词，如溶胶（sol)、凝胶(gel)、胶溶(peptization)、渗析(dialysis)、离浆(syneresis)等都是他提出的。到1902年胶体化学真正为人们所重视并获得较大的发展。德国的Siedentopf和Zsigmondy发明超显微镜，可测定颗粒数及其大小，肯定了溶胶的一个根本问题体系的多相性。2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝一、胶体化学的发展历史 1907年，德国化学家Ostwald创办了第一个胶体化学的专门刊物胶体化学和工业杂志，因而许多人认为胶体化学正式成为一门独立学科。之后，随着实验技术的不断发展，像超离心机、光散射、X射线、多种电子显微镜、红外线以及各种能谱等仪器的使用，使胶体化学在微观研究中又跃进了一大步。近30年来胶体与表面科学更处于一个蓬勃发展的阶段。2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝二、胶体化学的发展前景1纳米粒子和原子簇的研究兴起 人们对分散体系的认识由粗到细，已发展到纳米水平，纳米粒子和处于0.110nm的表面层、原子簇的表征、制备、合成和性质的研究正在兴起，各种纳米粒子和原子簇不断被观测和合成出来。目前对聚合物的合成途径、聚合物的结构、分子量的控制水平不高，可以想象，随着纳米技术的发展，新材料和聚合物的合成将实现由经验逐步向准确测定和按设计要求有效控制的转变，今后可制备出各种具有特异性能的新材料。2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝二、胶体化学的发展前景用扫描隧道显微镜的针尖搬运和操纵原子，使它们排列成形2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝二、胶体化学的发展前景2乳状液、微乳液、泡沫的研究再趋活跃 这些早已有广泛应用和研究的体系，过去由于缺乏手段而停留在经验阶段，随着声谱、近红外扫描等先进仪器的诞生，这些体系的研究更精确，更细微。2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝二、胶体化学的发展前景3表面活性分子有序组合体 目前表面活性剂的合成有两个发展方向，第一是在表面活性剂分子中引入不同的特性基团，尤其是合成高分子表面活性剂，以满足新技术、环境保护和人类保健等要求。第二是不同种表面活性剂复配，特别是表面活性剂与其他物质，如聚合物的复配，以取长补短，获得多种功效。近年来，功能性双亲性分子的有序组装，以及其有序组装体（langmuir单层、langmuir-biodgett膜、胶束、囊泡、反胶束、生物膜）的结构和性质的研究成为胶体化学的热点研究领域。2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝二、胶体化学的发展前景4胶体化学与生命、材料、能源和环境等科学相互渗透和交叉 能源 我国油少煤多，提高油的利用率，发展以煤代油等能源问题，具有重要的经济和社会意义。例如，利用微乳液技术，在柴油和汽油中加水至9%以上仍形成透明的稳定体系，燃烧性能良好，可节约大量汽油和柴油。又比如，将煤粉高度分散在油或水中，制成油煤浆或水煤浆，流动性能好，可管道运输，以代替燃烧用的渣油和重油，可节约成千上万吨的燃油。2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝 能源 但燃料掺水燃烧研究多年至今仍未广泛使用，主要原因与混合过程密切相关，涉及到微乳液和悬浮液的形成与稳定性的问题。它不仅对热力学的能量有影响，也对动力学反应速率有影响。含碳燃料燃烧的一般机理是：(1)气化，即变为可燃气体；(2)分解，即由大分子分解为小分子或离子、自由基；(3)氧化，即进一步与氧结合，生成最终产物(CO2和水)。2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝 能源 固体和液体燃料的燃烧只能在表面上随气化进行，燃烧过程中首先要分解成小分子，才能形成最终燃烧产物(CO2和水)。由于其直接燃烧不能与空气充分混合，故会产生不完全燃烧产物。而燃油掺水混合之后，气化和分解的两个步骤可以变成一个步骤，如在烃的水蒸气重整反应催化剂作用下，在燃烧的高温条件下，乳化燃油可进行如下反应：2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝 能源 此反应所需要的能量可从乳化燃油的混合焓提供一部分甚至是主要的部分，这取决于乳化燃油的混合程度。通过热力学计算可知，固体和液体燃料的直接气化与分解所需要的能量远大于这些燃料与水混合后气化与分解所需能量。而且由于催化剂的选择性，避免了副反应N2+xO22NOx 进行。燃料掺水燃烧的根本意义是通过催化剂作用，加速燃料的气化与分解(为小分子)，从而使之与空气充分混合达到完全燃烧。所以燃料掺水燃烧具有提高能量利用率、降低能耗、减少污染的作用。2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝二、胶体化学的发展前景 材料 均匀胶体的研究已成为研制新材料的主要方向之一。研究发现分散相大小及形状均匀的胶体具有许多优越的性能，例如，大小形状均匀的纳米磁性粒子具有优异的记录和记忆功能，是制作高密度高保真器件的理想材料；而由均匀纳米陶粒制作的材料，其耐磨、耐温、绝缘性能是普通材料无法比拟的。材料科学的另一个发展方向是通过不同基本材料的粘结、涂布、渗透、表面改性、填充、共混等工艺研制各种新型复合材料，这些工艺过程均涉及相与相的接触，界面的结构、组成、能量、性能和形成条件是影响复合材料性能的关键因素。2023/1/6上页下页回主目录制作人:罗青枝二、胶体化学的发展前景 医药与仿生 在用药物治疗疾病时，应用微胶囊技术将药物包在单分子或多分子膜中，控制膜的组成与结构，即可达到缓慢释放和使药物集中于病灶（定向）的要求。例如将磁性物质制成1020nm的胶体，成为药物的载体，则可在磁场作用下将药物送到病灶。环境科学 人类现在所面临的一个重要挑战就是要设法解决一系列以胶体形式存在的污染，如汽车尾气、工业废水等。用胶体语言说，就是要使这些胶体系统失去稳定性而得到治理。2023/1/6