天津大学物理化学第五版-第十二章-胶体化学ppt课件.ppt
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1、第十二章第十二章 胶体化学胶体化学在此幻灯片插入公司的徽标在此幻灯片插入公司的徽标从从“插入插入”菜单菜单选择图片选择图片找到徽标文件找到徽标文件单击单击“确定确定”重新设置徽标大小重新设置徽标大小单击徽标内任意位置。徽标外部单击徽标内任意位置。徽标外部出现的方框是出现的方框是“调整控点调整控点”使用这些重新设置对象大小使用这些重新设置对象大小如果在使用尺寸调整控点前按下如果在使用尺寸调整控点前按下 shift 键,则对象改变大小但维键,则对象改变大小但维持原比例。持原比例。Chapter 12 Colloidal Chemistry“胶体胶体”这个名词是英国化学家这个名词是英国化学家Grah
2、am于于18611861年提出的年提出的胶体胶体(colloid)凝晶质凝晶质(crystalloid)任一质点任一质点,其某个线度其某个线度在在1010-7-7和和1010-9-9m m之间即认为是之间即认为是胶体分散系统胶体分散系统(一)胶体分散系统及其基本性质(一)胶体分散系统及其基本性质分散系统分散系统:一种或几种物质分散在另一种物质之中:一种或几种物质分散在另一种物质之中分散相分散相:被分散的物质:被分散的物质(dispersed phase)分散介质分散介质:另一种连续分布的物质:另一种连续分布的物质 (dispersing medium)胶体是一种分散系统胶体是一种分散系统分子分
3、散系统分子分散系统胶体分散系统胶体分散系统粗分散系统粗分散系统例如:云,牛奶,珍珠例如:云,牛奶,珍珠类型类型粒子大小粒子大小特性特性举例举例低分子溶低分子溶液液(分子分子分散系统分散系统)0.1 m 热力学不稳定热力学不稳定,动力学不动力学不稳定的多相系统稳定的多相系统,扩散慢扩散慢,不不能透过半透膜能透过半透膜,光散射强光散射强,在在普通显微镜下可以看见普通显微镜下可以看见泥沙悬浮液、泥沙悬浮液、大气层中尘埃大气层中尘埃和水滴和水滴按分散相粒子的大小分类按分散相粒子的大小分类按分散相和分散介质的聚集状态分类按分散相和分散介质的聚集状态分类分散相分散相分散介质分散介质名称名称实例实例气气液液
4、固固 液液泡沫泡沫乳状液乳状液溶胶溶胶肥皂泡沫、灭火泡沫肥皂泡沫、灭火泡沫牛奶、豆浆牛奶、豆浆金溶胶、硫溶胶金溶胶、硫溶胶气气液液固固固固固态泡沫固态泡沫固态乳状液固态乳状液固态溶胶固态溶胶泡沫玻璃、泡沫塑料泡沫玻璃、泡沫塑料珍珠珍珠有色玻璃、有色塑料有色玻璃、有色塑料液液固固气气雾雾烟烟水雾、油雾水雾、油雾烟、尘烟、尘憎液溶胶憎液溶胶亲液溶胶亲液溶胶 溶胶溶胶分散相与分散介质之间有相界面分散相与分散介质之间有相界面均相,无相界面均相,无相界面 高分子溶液高分子溶液胶体化学研究的内容胶体化学研究的内容1 1)粗分散系统(包括悬浮液、乳状液、泡沫等)粗分散系统(包括悬浮液、乳状液、泡沫等)2 2
5、)胶体系统(包括憎液溶胶和高分子溶液)胶体系统(包括憎液溶胶和高分子溶液)3 3)胶体电解质、气溶胶、固溶胶)胶体电解质、气溶胶、固溶胶本章主要内容:本章主要内容:憎液溶胶憎液溶胶胶体分散系统的基本特征:胶体分散系统的基本特征:高度分散性高度分散性多相性多相性热力学不稳定性热力学不稳定性粗分散系统粗分散系统胶体系统胶体系统分子分散系统分子分散系统分散法分散法凝聚法凝聚法大变小大变小小变大小变大分散法分散法研磨法研磨法气流粉碎法气流粉碎法超声波粉碎法超声波粉碎法电弧法电弧法凝聚法凝聚法物理凝聚物理凝聚化学凝聚化学凝聚蒸气凝聚法蒸气凝聚法过饱和法过饱和法复分解反应法复分解反应法水解反应法水解反应法
6、水解反应制氢氧化铁溶胶水解反应制氢氧化铁溶胶 FeCl3(稀稀)+3H2O(热)(热)Fe(OH)3 (溶胶)(溶胶)+3HClAgCl (新鲜沉淀)新鲜沉淀)AgCl(溶胶)溶胶)Fe(OH)3(新鲜沉淀)(新鲜沉淀)Fe(OH)3(溶胶)溶胶)121 胶体系统的制备胶体系统的制备溶溶胶胶的的净净化化 胶体系统的光学性质胶体系统的光学性质 胶体系统的动力性质胶体系统的动力性质 胶体系统的电学性质胶体系统的电学性质 憎液溶胶的胶团结构憎液溶胶的胶团结构 憎液溶胶的稳定理论憎液溶胶的稳定理论DLVODLVO理论理论 憎液溶胶的聚沉憎液溶胶的聚沉 乳状液乳状液122 胶体系统的光学性质胶体系统的光
7、学性质1 1、Tyndall(丁达尔)效应(丁达尔)效应18691869年年 Tyndall发现胶体系统有光发现胶体系统有光散射散射现象现象丁达尔效应丁达尔效应:在暗室里,将一束聚集的光投射到胶体:在暗室里,将一束聚集的光投射到胶体系统上,在与入射光垂直的方向上,可观察到一个发系统上,在与入射光垂直的方向上,可观察到一个发亮的光柱,其中有微粒闪烁。亮的光柱,其中有微粒闪烁。散射光:散射光:分子吸收一定波长的光,形成电偶极子,分子吸收一定波长的光,形成电偶极子,由其振荡向各个方向发射振动频率与入射光频率相同由其振荡向各个方向发射振动频率与入射光频率相同的光的光丁达尔效应是由于胶体粒子发生光散射丁
8、达尔效应是由于胶体粒子发生光散射而引起的而引起的系统完全均匀,所有散射光相互抵销,看系统完全均匀,所有散射光相互抵销,看不到散射光;不到散射光;丁达尔效应可用来区分丁达尔效应可用来区分胶体溶液胶体溶液小分子真溶液小分子真溶液系统不均匀,散射光不会被相互抵销,系统不均匀,散射光不会被相互抵销,可看到散射光。可看到散射光。当粒子粒径当粒子粒径 波长时,发生光的反射;波长时,发生光的反射;当粒子粒径当粒子粒径 波长时,发生光的散射波长时,发生光的散射可见光的波长:可见光的波长:400 760 400 760 nmnm胶体粒子直径:胶体粒子直径:1 100 nm1 100 nm 胶体粒子可发生光散射胶
9、体粒子可发生光散射2.Rayleigh 2.Rayleigh 公式公式I:散射光强散射光强 ;I0:入射光强;入射光强;V:一个粒子的体积;一个粒子的体积;C:单位体积中的粒子数;单位体积中的粒子数;n:分散相的折射率;分散相的折射率;n0:分散介质的折射率;分散介质的折射率;:散射角;散射角;l :观测距离观测距离 对于非导电的、球形粒子的、稀溶胶系统:对于非导电的、球形粒子的、稀溶胶系统:单位体积溶胶的散射强度:单位体积溶胶的散射强度:由由 Rayleigh 公式可知:公式可知:1)1)I V 2 可用来鉴别小分子真溶液与胶体溶液;可用来鉴别小分子真溶液与胶体溶液;如已知如已知 n、n0
10、,可测,可测 I 求粒子大小求粒子大小V 。2)2)I 1/4 波长越短的光,散射越强。波长越短的光,散射越强。例例:用白光照射溶胶,散射光呈蓝色,透射光:用白光照射溶胶,散射光呈蓝色,透射光呈红色。呈红色。3)I n可以此来区分可以此来区分胶体溶液胶体溶液高分子溶液高分子溶液分散相与分散介质分散相与分散介质有相界面,有相界面,n大大均相溶液,均相溶液,n小小4)I C 可通过光散射来测定溶胶和粗分散系统的可通过光散射来测定溶胶和粗分散系统的浊度浊度同一种溶胶,仅同一种溶胶,仅C不同时,有:不同时,有:如已知如已知C1,可求可求C2 123 胶体系统的动力性质胶体系统的动力性质1.1.Brow
11、n 运动运动胶体粒子在介质中作无规则运动胶体粒子在介质中作无规则运动Einstein-Brown平均位移公式:平均位移公式:x x:t t 时间内粒子的平均位移时间内粒子的平均位移r r:粒子半径粒子半径:分散介质粘度分散介质粘度L L:阿伏加德罗常数阿伏加德罗常数 Svedberg用超显微镜用超显微镜,对金溶胶作不同时间间隔对金溶胶作不同时间间隔 t 与平均与平均位移位移 测定的实验测定的实验,验证爱因斯坦验证爱因斯坦-布朗平均位移公式布朗平均位移公式:2.2.扩散扩散 在有浓度梯度存在时,物质粒子因热运在有浓度梯度存在时,物质粒子因热运动而发生宏观上的定向迁移。动而发生宏观上的定向迁移。F
12、ick Fick 扩散第一定律:扩散第一定律:单位时间通过某一截面的物质的量单位时间通过某一截面的物质的量dn/dt与该处的与该处的浓度梯度浓度梯度dc/dx及面积大小及面积大小As成正比,其比例系数成正比,其比例系数D 称称为扩散系数,负号是因为扩散方向与浓梯方向相反为扩散系数,负号是因为扩散方向与浓梯方向相反D 扩散系数扩散系数 单位浓度梯度下,单位时间通过单单位浓度梯度下,单位时间通过单位面积的物质的量。单位:位面积的物质的量。单位:m2 s-1 D 可用可用来衡量扩散速率来衡量扩散速率3.3.沉降与沉降平衡沉降与沉降平衡 多相分散系统中的粒子,因受重力作用而下多相分散系统中的粒子,因受
13、重力作用而下沉的过程,称为沉的过程,称为沉降沉降。沉降与扩散为一对矛盾。沉降与扩散为一对矛盾的两个方面的两个方面沉降沉降 扩散扩散 分散相分布分散相分布真溶液真溶液 均相均相粗分散系统粗分散系统 沉于底部沉于底部胶体系统胶体系统 平衡平衡 形成浓度梯度形成浓度梯度贝林贝林(Perrin)(Perrin)导出沉降平衡时粒子浓度随高度的分布:导出沉降平衡时粒子浓度随高度的分布:1)1)该式只适用于粒子大小相等的体系,但形状不限;该式只适用于粒子大小相等的体系,但形状不限;2)2)粒子越重(粒子越重(M大),随大),随 h 增加,浓度降低越快。增加,浓度降低越快。上式可用于计算大气压力上式可用于计算
14、大气压力 p 与高度与高度 h 的关系:的关系:小粒子的溶胶小粒子的溶胶,能由浓向稀自动扩散能由浓向稀自动扩散,从而使整从而使整个体系均匀分布个体系均匀分布,这种性质称为这种性质称为动力学稳定性动力学稳定性1.1.溶胶的动电现象溶胶的动电现象(1 1)电泳)电泳 在在外外电电场场的的作作用用下下,胶胶体体粒粒子子在在分分散散介质中定向移动的现象,称为介质中定向移动的现象,称为电泳电泳。Fe(OH)3溶胶溶胶NaCl溶液溶液界面法测电泳装置示意图界面法测电泳装置示意图 实实验验测测出出在在一一定定时时间间内内界界面面移移动动的的距距离离,可可求求得得粒粒子子的的电电泳泳速速度度,由由电电泳泳速速
15、度度可求出胶体粒子的可求出胶体粒子的 电势电势12124 4 胶体系统的电学性质胶体系统的电学性质(2 2)电渗)电渗 在在外外电电场场作作用用下下,分分散散介介质质通通过过多多孔孔固固体体(膜膜)而定向移动的现象,称为电渗。而定向移动的现象,称为电渗。(3 3)流动电势)流动电势(可视为电渗的逆过程)(可视为电渗的逆过程)液槽液槽气体加压气体加压多孔塞多孔塞电位差计电位差计(4 4)沉降电势)沉降电势(可视为电泳的逆过程)(可视为电泳的逆过程)外加电压外加电压引起运动引起运动电泳电泳电渗电渗质点移动质点移动介质静止介质静止介质移动介质移动质点静止质点静止沉降电势沉降电势流动电势流动电势运动产
16、运动产生电势生电势四种电现象的相互关系:四种电现象的相互关系:2.2.胶体粒子表面带电的原因胶体粒子表面带电的原因 (a a)溶胶粒子可选择性地吸附某种离子而带电)溶胶粒子可选择性地吸附某种离子而带电;(b b)溶胶粒子表面上的某些分子、原子可发生电离。)溶胶粒子表面上的某些分子、原子可发生电离。例例:1)AgI溶胶:溶胶:溶液中溶液中I过量时,可吸附过量时,可吸附I而带负电,而带负电,溶液中溶液中Ag+过量时,可吸附过量时,可吸附Ag+而带正电。而带正电。FajanFajan规则规则:与溶胶粒子组成相同的离子最容易被吸附与溶胶粒子组成相同的离子最容易被吸附 2)蛋白质中的氨基酸分子蛋白质中的
17、氨基酸分子:在在pH低时氨基形成低时氨基形成NH3+而带正电;而带正电;在在pH高时羧基形成高时羧基形成COO而带负电。而带负电。在某一特定的在某一特定的pH条件下,生成的条件下,生成的-COO-和和-NH3+数量相等,蛋白质分子的净电荷为数量相等,蛋白质分子的净电荷为零,这零,这pH称为蛋白质的等电点称为蛋白质的等电点 。3.3.双电层理论双电层理论缺点:缺点:1)1)不能解释表面电势不能解释表面电势 o 与与 电势电势的区别;的区别;2)2)不能解释电解质对不能解释电解质对 电势的影响电势的影响 18791879年,亥姆霍兹首先提出在年,亥姆霍兹首先提出在固液两相之间的界面上形成双电层固液
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