2022年2022年胶体与表面化学知识点整理 2.pdf
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1、第一章 绪论1.胶体特点之一是具有很大的表面积,分散直径1-100nm2.胶体是具有高度分散性的分散体系。(是物质存在的一种特殊状态,而不是一种特殊物质,不是物质的本性。)3.胶体化学 研究对象 是胶溶胶和高分子溶液。4.胶体的 分类:按分散介质可分为:气溶胶:云雾,青烟、高空灰尘液溶胶:泡沫,乳状液,金溶胶、墨汁、牙膏固溶胶:泡沫塑料、沸石、冰淇淋,珍珠、水凝胶、红宝石、合金第二章 胶体的制备一溶胶的制备与净化1.溶胶制备的一般 条件:(1)分散相在介质中的溶解度必须极小(2)必须有稳定剂存在2.胶体的 制备方法:凝聚法、分散法。(1)凝聚法:用物理或化学方法使分子或离子聚集成胶体粒子,又包
2、括还原法氧化法水解法复分解法。(2)分散法:又分为机械分散;电分散法:用来制备金属(Au Hg Ag)水溶胶;超声波分散:制备乳状液;胶溶法:在某些新生成的沉淀中,加入电解质,或置于某温度下使沉淀重新分散成溶胶。3.凝聚法的 原理:形成晶核、晶核成长。4.haber 理论:凝结速度和饱和速度成正比,而定角速度取决于物质的极性大小,二者比较决定 沉淀的有无定形。5.溶液的 净化分为:渗析、渗透和反渗透。6.单分散溶胶 的四种 制备方式:金属盐溶液水解法金属络合物高温水解法微乳液法(它由表面活性剂、助表面活性剂、有机溶剂、水4 部分组成)溶胶-凝胶转变法。7.超细颗粒的特性及制备方法:表面积大易形
3、成团聚体熔点低磁性强光吸收强热导性好。物理方法:气象沉积法、机械粉碎法;化学方法:化学气象沉积法、沉淀法、化学环境法、溶液-凝胶法、溶剂蒸发法。二溶胶的运动性质1.溶胶的 运动:扩散、布朗运动、沉降。扩散:过程为自发过程,式中 dm/dt 表示单位时间通过截面A扩散的物质数量,D为扩ddddmcDAtx散系数,单位为 m2/s,D越大,质点的扩散能力越大扩散系数与质点在介质中运动时阻力系数之间的关系为:(为DfARTDN fAN阿伏加德罗常数;R为气体常数)若颗粒为球形,阻力系数=6(式中,为介质的黏度,为质点的半径)frr名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页,共 12 页
4、 -故,此式即为Einstein第一扩散公式16RTDNAr浓度梯度越大,质点扩散越快;就质点而言,半径越小,扩散能力越强,扩散速度越快。布朗运动:本质是分子的热运动现象:分子处于不停的无规则运动中由于布朗运动是无规则的,因此就单个粒子而言,它们向各方向运动的几率是相等的。在浓度高的区域,单位体积的粒子较周围多,造成该区域“出多进少”,使浓度降低,这就表现为扩散。扩散是布朗运动的宏观表现,而布朗运动是扩散的微观基础Einstein认为,粒子的平均位移与粒子半径、介质黏度、温度和位移时xrT间 t 之间的关系:,此式常称为 Einstein-Brown位移方程。123ARTtxNr式中是在观察时
5、间t内粒子沿x轴方向的平均位移;r为胶粒的半径;为介x质的粘度;为阿伏加德罗常数。AN沉降 介质中的微粒受到两种力:重力和扩散力。溶胶是高度分散体系,胶粒一方面受到重力吸引而下降,另一方面由于布朗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。三、溶胶的光学性质1.光散射(1)丁达尔效应:以一束强光射入溶胶后,在入射光的垂直方向可以看到一道明亮的光带,被称为丁达尔效应光本质是电磁波,当光波作用到介质中小于光波波长的粒子上时,粒子中的电子被迫振动(其振动频率与入射光波的频率相同),成为二次波源,向各个方向发射
6、电磁波,这就是散射光波也就是我们看到的散射光。丁达尔效应可以认为是胶粒对光的散射作用的宏观表现。(2)Rayleigh 散射定律 c为单位体积中质点数,v 为单个粒子的体积(其线性大小应远小于入射光波长),为入射光波长,n1、n2分别为分散介质和分散相的折射率散射光强度与入射光波长的四次方成反比。入射光波长愈短愈显著。,散射所以可见光中,蓝、紫色光散射作用强。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。若n1=n2 则无散射现象散射光强度与单位体积中的粒子数成正比。散射光强度与粒子体积的平方成正比。在低分子溶液中,散射光极弱,因此利用丁道尔现象可以鉴别溶胶和真溶液。(3)溶胶的颜色
7、:溶胶产生各种颜色的主要原因是溶胶中的质点对可见光产生选择性223222410221224()2nncVIInn名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页,共 12 页 -吸收若溶胶对可见光的各部分吸收很弱,且大致相同,则溶胶无色若溶胶能较强的选择性吸收某一波长的光,则透过光该波长的光变弱,就会呈现该波长光的补色光质点对光的吸收主要取决于其化学结构每种分子都有其自己的特征吸收波长,若特征波长在可见光波长范围内,则该物质显色四溶胶的电学性质和胶团结构1.电动现象及其应用(1)电泳:胶粒颗粒带电,在外电场的作用下,向正极移动,后来发现,任何溶胶中的胶粒都有这样的现象,带负电的胶粒向正
8、极移动,带负电的胶粒向负极移动,这种现象被 称为电泳。(2)电渗析:水在外加电场的作用下,通过黏土颗粒间的毛细通道向负极移动的现象 称为电渗析。(3)沉降电位,在无外加电场作用下,若使分散相粒子在分散介质中迅速沉降时,使底层与表面层的粒子浓度悬殊,从而产生电势差,这就是沉降电势。这种现象是 电泳的逆过程。贮油罐中的油内常会有水滴,水滴的沉降会形成很高的电势差,有时会引发事故。通常在油中加入有机电解质,增加介质电导,降低沉降电势。(4)流动电位若用压力将液体挤过毛细管网或由粉末压成的多孔塞,则在毛细管网或多孔塞的两端会产生电位差,此之谓流动电位,此现象为 电渗析的逆过程。在用泵输送原油或易燃化工
9、原料时,要使管道接地或加入油溶性电解质,增加介质电导,防止流动电势可能引发的事故。2.质点表面的电荷的来源:电离、离子吸附、晶格取代、非水介质中质点带电的原因。3.胶团结构胶核、吸附层、胶粒、扩散层、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,若无相同离子,则首先吸附水化能力较弱的负离子,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。胶粒=胶核+被吸附离子 +紧密层反离子胶团=胶粒+扩散层反离子当 KI 过量做稳定剂,(AgI)m nI(n-x)K+xxK+当 AgNon3过量作稳定剂,(AgI)mnAg+(n-x)NO3x+xNO3五
10、胶体的稳定性(一)溶胶的稳定性与 DLVO 理论1.稳定性 分为:(1)热力学上为不稳定体系:胶体体系是多相分散体系,有巨大的界面能。(2)动力学上的稳定体系:溶胶粒子较小,布朗运动激烈,因此在重力场中不易沉降,即具有动力学稳定性。(3)聚结稳定性:由于胶团双电层结构的存在,胶粒都带有相同的电荷,相互排斥,故不易聚沉。这是溶胶稳定存在的最重要原因名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页,共 12 页 -(4)水化膜:在胶团的双电层中反离子都是水化的,因此在胶粒外有一层水化膜,它阻止了胶粒的相互碰撞而导致胶粒结合变大。2.DLVO 理论:溶胶在一定条件下是稳定存在还是聚沉,取决于
11、粒子间的相互吸引力和静电斥力。若斥力大于吸引力则溶胶稳定,反之则不稳定。(1)质点间的范德华吸引能胶粒之间的相互作用可看作是分子作用的加和若两个球形粒子体积相等H:两球表面之间的最短距离 r:胶粒半径A:Hamaker常数(与物质有关 10-19 10-20 J)在介质中,(2)双电层的排斥能对球形粒子n0:单位体积粒子数:介电常数0:粒子表面电势:离子氛半径的倒数 r:粒子半径 H:离子之间的最近距离溶胶稳定理论胶粒之间有相互吸引的能量Va和相互排斥的能量 Vr,总作用能为 Va+Vr。如图所示:当粒子相距较大时,主要为吸力,总势能为负值;当靠近到一定距离,双电层重叠,排斥力起主要作用,势能
12、升高。要使粒子聚结必须克服这个势垒。3.影响溶胶稳定性的因素12aArVH2()AAA质点介质200264exp()rn kTVH0020211zekTzekTee名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页,共 12 页 -(1)外加电解质的影响;(2)浓度的影响;(3)温度的影响;(4)胶体体系的相互作用。(二)溶胶的聚沉聚沉值:使一定量的溶胶在一定时间内完全聚沉所需电解质的最小浓度。从已知的表值可见,对同一溶胶,外加电解质的离子价数越低,其聚沉值越大。聚沉能力:是聚沉值的倒数。聚沉值越大的电解质,聚沉能力越小;反之,聚沉值越小的电解质,其聚沉能力越强。1.电解质的聚沉作用:质
13、对溶胶稳定性的影响不仅取决于其浓度,还与离子价有关。在离子浓度相同时,离子价越高,聚沉能力越大,聚沉值越小。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。2带相反电荷的离子就是价数相同,其聚沉能力也有差异。相同价数离子的聚沉能力不同:胶粒带负电的溶胶,一价阳离子硝酸盐的聚沉能力次序为:H+Cs+Rb+NH4+K+Na+Li+Li+半径最小,水化能力最强,水化半径最大,故聚成能力最小;带正电的胶粒,一价阴离子的钾盐的聚沉能力次序为:F-Cl-Br-NO3-I-SCN-,种次序称为感胶离子序(lyotropic seri
14、es)。3.有机化合物的离子都有很强的聚沉能力,这可能与其具有强吸附能力有关。4与胶体带相反电荷的离子相同时,则另一同性离子的价数也会影响聚沉值,价数愈高,聚沉能力愈低。这可能与这些同性离子的吸附作用有关5.溶胶的相互聚沉:将两种电性不同的溶胶混合,可以发生相互聚沉作用。但仅在这两种溶胶的数量达到某一比例时才发生完全聚沉,否则可能不发生聚沉或聚沉不完全。第三章 凝胶一、概述1.所有新形成的都含有大量的液体(液体含量通常在95%以上)所含液体为水的凝胶称为水凝胶,所有水凝胶外表相似,呈半固体状,无流动性。一定浓度的溶胶或大分子化合物的真溶液在放置过程中自动形成凝胶的过程称为胶凝。在新形成的水凝胶
15、中,不仅分散相(搭成网结)是连续相,分散介质(水也是连续相),这是凝胶的主要特征。2.凝胶的分类(1)弹性凝胶:由柔性的线性大分子物质形成的凝胶。这类凝胶的干胶在水中加热溶解后,在冷却过程中便胶凝成凝胶。此凝胶经脱水干燥又成干胶,并可如此反复下去,说明这一过程是完全可逆的,故又称为可逆凝胶。(2)非弹性凝胶:由刚性质点溶胶所形成的凝胶。在吸收或脱除溶剂后刚性凝胶的骨架基本不变,所以体积也无明显变化这类凝胶脱水干燥再置水中加热一般不形成原来的凝胶,更不能形成产生此凝胶的溶胶,因此,此类凝胶也称为不可逆凝胶。二凝胶的形成1.凝胶形成的条件:(1)降低溶解度,使被分散相的物质从溶液中以“胶体分散状态
16、”析出。(2)析出的质点既不沉降也不能自由行动,而是构成骨架,在名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页,共 12 页 -整个溶液中形成连续的网状结构。2.凝胶形成的方法(1)改变温度(2)加入非溶剂(3)加入盐类(4)化学反应不溶物形成凝胶的条件 是(1)在产生不溶物的同时生成大量的小晶体;(2)晶粒的形状以不对称的为好,这样有利于形成骨架。三凝胶的结构1.结构分类(1)球形质点相互联结,由质点联成的链排成三维的网架(2)棒状或片状质点搭成的网架(3)线性大分子构成的凝胶,在骨架中一部分分子链有序排列构成微晶区(4)线性大分子因化学交联而形成凝胶2.凝胶结构间的区别 主要表现
17、在质点的形状、质点的刚性或柔性和质点之间联结的特殊方式。(1)质点的形状:质点形状对形成凝胶所需的最低浓度值有明显的影响。形状越不对称,所需的浓度越低。(2)质点的刚性或柔性:柔性大分子通常形成弹性凝胶,而刚性质点形成非弹性凝胶,这两类凝胶的许多性质都不一样。(3)网状结构中质点联结的性质靠质点间的分子吸引力形成的结构,这类结构不稳定,往往具有触变性,在外里作用下结构遭到破坏,静置后又可复原。靠氢键形成结构,主要是蛋白质,结构较前类牢固些,比较稳定。靠化学键形成网状结构,这类结构非常稳定。这类凝胶在吸收液体后只能发生有限膨胀,加热后也不会变成无限膨胀。四胶凝作用及其影响因素1.溶胶凝胶转变是的
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