M胶体与界面化学凝胶.pptx

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1、11.什么是凝胶?2.凝胶与沉淀有什么区别?凝胶的概述凝胶的概述第1页/共38页2凝胶是由固液（气）两相构成的胶体分散体系，其中分散相粒子（胶体粒子、某些分散相较小的粗分散体系中的固体粒子和高分子溶液中的大分子化合物）在一定条件下相互联结形成的固体或半固体。凝胶在有机体的组成中占重要地位，人体内的肌肉、皮肤、细胞膜、血管壁以及凝胶在有机体的组成中占重要地位，人体内的肌肉、皮肤、细胞膜、血管壁以及毛发、指毛发、指甲、软骨等都可看作是凝胶。甲、软骨等都可看作是凝胶。第2页/共38页3凝胶不同于通常的沉淀 沉淀是分散相粒子从分散介质中沉降出来，很明显地分为固-液两相。而凝胶中却带有大量或全部的分散介

2、质，它们被机械地包藏于具有多孔结构的凝胶的孔洞中。第3页/共38页4 形成立体网状结构，在网状结构中，介质被包围在网眼中间，不能自由流动，因而形成半固体。由于构成网架的高分子化合物或线性胶粒仍具有一定的柔顺性，所以整个凝胶也具有一定的弹性。凝胶形成的凝胶形成的原因原因：第4页/共38页5凝胶分类凝胶分类弹性凝胶：弹性凝胶：由高分子化合物形成骨架，弹性好，外力作用变形由高分子化合物形成骨架，弹性好，外力作用变形后可后可恢复原状恢复原状恢复原状恢复原状，释出分散介质后常可重新吸收同种液，释出分散介质后常可重新吸收同种液体而膨胀，体而膨胀，故又称为可逆凝胶故又称为可逆凝胶故又称为可逆凝胶故又称为可逆

3、凝胶。如明胶水凝胶如明胶水凝胶如明胶水凝胶如明胶水凝胶刚性凝胶：刚性凝胶：由无机粒子形成骨架，刚性大，较脆，易破碎，失由无机粒子形成骨架，刚性大，较脆，易破碎，失去液体分散介质后多形成孔性干凝胶，去液体分散介质后多形成孔性干凝胶，骨架基本不变。骨架基本不变。成为干凝胶后，一般不能再吸收溶剂重新变为凝胶，成为干凝胶后，一般不能再吸收溶剂重新变为凝胶，这是不可逆的，故又称为这是不可逆的，故又称为不可逆凝胶不可逆凝胶不可逆凝胶不可逆凝胶。如硅胶如硅胶按分散颗按分散颗 粒的性质分类粒的性质分类第5页/共38页6球形粒子联结成的串珠状网架结构球形粒子联结成的串珠状网架结构SiO2片状或棒状粒子搭成的网架

4、结构片状或棒状粒子搭成的网架结构V2O5范德华力，最不范德华力，最不牢固，质脆，易牢固，质脆，易破碎破碎线型大分子构成的凝胶，局部线型大分子构成的凝胶，局部成有序微晶区结构成有序微晶区结构,如如明胶可吸收溶剂，无可吸收溶剂，无限膨胀，直至溶限膨胀，直至溶解解以化学键相互连接的线型大以化学键相互连接的线型大分子的网状结构分子的网状结构.如如硫化橡胶结构最稳定，有结构最稳定，有限膨胀限膨胀凝胶分类凝胶分类按网络结构分类按网络结构分类第6页/共38页7形成凝胶的条件形成凝胶的条件 其次与其次与浓度、温度、时间浓度、温度、时间等有关。等有关。浓度越大，温度越低，放置时间的延浓度越大，温度越低，放置时间

5、的延长等都能长等都能促进凝胶促进凝胶的形成。的形成。首要的决定首要的决定条件条件:高分子或胶粒必须具有高分子或胶粒必须具有线形线形结构结构。第7页/共38页8制备凝胶的方法制备凝胶的方法形成凝胶主要有两种途径：即形成凝胶主要有两种途径：即分散法和凝聚法分散法和凝聚法 分散法较容易，如某些固态聚合物吸收适宜的溶分散法较容易，如某些固态聚合物吸收适宜的溶剂后，体积膨胀，粒子分散而形成凝胶。剂后，体积膨胀，粒子分散而形成凝胶。凝聚法是使溶液或溶胶在适当条件下，使凝聚法是使溶液或溶胶在适当条件下，使分散颗粒相联而形成凝胶，这一过程称为分散颗粒相联而形成凝胶，这一过程称为胶胶凝凝。可以采取如下几种方法使

6、可以采取如下几种方法使胶凝过程胶凝过程得以发生：得以发生：第8页/共38页9（1 1）改变温度：）改变温度：利用升降温度使系统形成凝胶。利用升降温度使系统形成凝胶。（2 2）转换溶剂：）转换溶剂：用分散相溶解度较小的溶剂替换溶用分散相溶解度较小的溶剂替换溶胶中原有的溶剂，可以使系统发生胶凝。胶中原有的溶剂，可以使系统发生胶凝。（3 3）加入电解质：）加入电解质：加入大量电解质（盐类），则可以加入大量电解质（盐类），则可以引起胶凝，这与盐析效应有关。引起胶凝，这与盐析效应有关。引起胶凝的主要是负离子，其影响大小依次为：引起胶凝的主要是负离子，其影响大小依次为：（4 4）化学反应：）化学反应：利用

7、化学反应生成不溶物时，若控制利用化学反应生成不溶物时，若控制反应条件，则可以形成凝胶。反应条件，则可以形成凝胶。第9页/共38页10（1 1）膨胀作用：）膨胀作用：也称为溶胀作用也称为溶胀作用 “湿木裂石湿木裂石”凝胶对液体的吸收是有凝胶对液体的吸收是有选择性选择性选择性选择性的。的。膨胀作用膨胀作用膨胀作用膨胀作用指凝指凝胶在液体或蒸气中吸收这些液体或蒸气时，使自胶在液体或蒸气中吸收这些液体或蒸气时，使自身质量、体积增加的作用。膨胀作用是弹性凝胶身质量、体积增加的作用。膨胀作用是弹性凝胶所特有的性质。所特有的性质。膨胀度膨胀度膨胀度膨胀度膨胀速度膨胀速度膨胀速度膨胀速度两个主要参数：两个主要

8、参数：凝胶性质凝胶性质第10页/共38页11 膨胀度是指一定条件下，单位质量或单位体积凝胶所能吸收液体的极限量，其定义式为：膨胀度或S S为膨胀度；为膨胀度；m m1 1、m m2 2分别为膨胀前和膨胀后凝胶的质量。分别为膨胀前和膨胀后凝胶的质量。V V1 1、V V2 2分别为膨胀前后凝胶的体积。分别为膨胀前后凝胶的体积。凝胶凝胶凝胶凝胶的膨胀度随凝胶和液体的性质不同而异的膨胀度随凝胶和液体的性质不同而异的膨胀度随凝胶和液体的性质不同而异的膨胀度随凝胶和液体的性质不同而异。温度温度温度温度升高，膨胀度增大。升高，膨胀度增大。升高，膨胀度增大。升高，膨胀度增大。第11页/共38页12膨胀速度膨

9、胀速度膨胀的发生不是瞬时的，达到膨胀平衡要有一个过膨胀的发生不是瞬时的，达到膨胀平衡要有一个过程。实验发现凝胶的膨胀速度符合一级反应动力学程。实验发现凝胶的膨胀速度符合一级反应动力学方程式：方程式：式中，式中，S S为膨胀度，即为膨胀度，即1g1g凝胶在膨胀时间为凝胶在膨胀时间为t t时吸收时吸收的液体量；的液体量；S Smaxmax为吸收液体的最大量（平衡态下）；为吸收液体的最大量（平衡态下）；K K膨为膨胀速度常数。膨为膨胀速度常数。以以lg(Slg(Smaxmax-S)-S)为纵坐标，以为纵坐标，以t t为横坐标作图，由直线之为横坐标作图，由直线之斜率求得斜率求得K K，由截距求得，由截

10、距求得S Smaxmax。第12页/共38页13 分为两个阶段。分为两个阶段。第一阶段第一阶段-形成溶剂化层形成溶剂化层。即溶剂分子很快地钻入凝胶中，与凝胶大分子相互作用。即溶剂分子很快地钻入凝胶中，与凝胶大分子相互作用形成溶剂化层，表现为液体的蒸气压很低；体积收缩；热效应熵值降低。形成溶剂化层，表现为液体的蒸气压很低；体积收缩；热效应熵值降低。第二阶段第二阶段-液体的渗透和吸收。液体的渗透和吸收。此阶段需要较长时间使溶剂分子渗透到凝胶内部，这时凝胶表现出很大的压力，此阶段需要较长时间使溶剂分子渗透到凝胶内部，这时凝胶表现出很大的压力，称为膨胀压。称为膨胀压。膨胀机理膨胀机理第13页/共38页

11、14（2 2）离浆现象：）离浆现象：溶胶胶凝后，在放置过程中，凝溶胶胶凝后，在放置过程中，凝胶的性质还在不断的变化，这种现象称为胶的性质还在不断的变化，这种现象称为老化老化老化老化。离浆现象是水凝胶在基本上不改变原来形状的离浆现象是水凝胶在基本上不改变原来形状的情况下，分离出所包含的一部分液体，使构成凝胶情况下，分离出所包含的一部分液体，使构成凝胶网络的颗粒相互收缩靠近，排列得更加有序。网络的颗粒相互收缩靠近，排列得更加有序。水凝胶的离浆作用是自发的过程，其离浆速水凝胶的离浆作用是自发的过程，其离浆速度是粒子间距离的函数，因此是浓度的函数。度是粒子间距离的函数，因此是浓度的函数。凝胶的性质凝胶

12、的性质第14页/共38页15 离浆的实质离浆的实质是胶凝过是胶凝过程的继续。凝胶制品在程的继续。凝胶制品在医药上有广泛的应用，医药上有广泛的应用，如干硅胶是实验室中带如干硅胶是实验室中带用的干燥剂。在生产和用的干燥剂。在生产和科学研究上，电泳和色科学研究上，电泳和色谱法常用凝胶作为支持谱法常用凝胶作为支持介质。介质。第15页/共38页16对于弹性凝胶：膨胀作用是逆过程。用V凝代表凝胶体系的总体积，V分代表分散相的体积（其中也包括与分散相结合的液体体积），根据V凝和V分的大小判定凝胶是处于离浆还是膨胀过程：若V凝V分，则可观察到凝胶离浆；若V凝V分，则可观察到凝胶膨胀；若V凝=V分，则凝胶既不膨

13、胀也不离浆。弹性凝胶离浆现象弹性凝胶离浆现象第16页/共38页17刚性凝胶离浆是不可逆的，往往按溶胶凝胶浓缩凝胶致密沉淀这一过程进行。引起不可逆的原因主要是由于凝胶中粒子间发生进一步的强相互作用（包括粒子表面羟基间的脱水）离浆不同于物质在干燥处理时的失水，因为在潮湿的空气中和低温下也可发生离浆。刚性凝胶离浆现象刚性凝胶离浆现象第17页/共38页18触变作用触变作用在浓在浓Fe(OH)Fe(OH)3 3溶胶中加入少量电解质时，溶胶的黏溶胶中加入少量电解质时，溶胶的黏度增加并转变为凝胶；将此凝胶稍加振动，便等温可度增加并转变为凝胶；将此凝胶稍加振动，便等温可逆转变为逆转变为溶胶，静溶胶，静置后又成

14、凝胶，这种现象就称为置后又成凝胶，这种现象就称为触触触触变作用变作用变作用变作用。触变作用是触变作用是 从有结构体系转变为从有结构体系转变为“无结构无结构”体系，此种表示体系，此种表示为：为：油漆、钻井用泥浆、药膏等都要求有一定的触变性能。油漆、钻井用泥浆、药膏等都要求有一定的触变性能。第18页/共38页19吸附作用吸附作用 刚性凝胶的干胶表面积较大，有较强的刚性凝胶的干胶表面积较大，有较强的吸附能力吸附能力。如硅胶，可用吸附剂。这种凝胶。如硅胶，可用吸附剂。这种凝胶无论是吸附蒸气还是溶液，其体积基本不变。无论是吸附蒸气还是溶液，其体积基本不变。弹性弹性凝胶的干燥几乎凝胶的干燥几乎无吸附能力无

15、吸附能力。第19页/共38页20（5）凝胶中的）凝胶中的扩散作用扩散作用 凝胶骨架空隙的大小对大分子有凝胶骨架空隙的大小对大分子有筛分筛分筛分筛分作用，这作用，这是凝胶色谱法的基本原理。是凝胶色谱法的基本原理。许多许多半透膜（如火棉胶膜、醋酸纤维膜等）都是半透膜（如火棉胶膜、醋酸纤维膜等）都是凝胶或干凝胶，这些膜对某些物质的渗析作用就是利凝胶或干凝胶，这些膜对某些物质的渗析作用就是利用了凝胶骨架空隙大小的筛分作用。用了凝胶骨架空隙大小的筛分作用。物质物质在凝胶中的扩散与在凝胶中的扩散与凝胶浓度、结构以及扩散凝胶浓度、结构以及扩散凝胶浓度、结构以及扩散凝胶浓度、结构以及扩散物质的本性物质的本性物

16、质的本性物质的本性有关。在低浓度凝胶中，低分子物质的扩有关。在低浓度凝胶中，低分子物质的扩散速度与在纯液体中的扩散速度几乎没有差别，而凝散速度与在纯液体中的扩散速度几乎没有差别，而凝胶的浓度越高，物质的扩散速度越慢。胶的浓度越高，物质的扩散速度越慢。第20页/共38页21（6 6）化学反应化学反应 AgNO3溶液Ag2Cr2O7沉淀空白区（内含K2Cr2O7）AgNO3溶液空白区Ag2Cr2O7沉淀 在热明胶溶液内，加入少量在热明胶溶液内，加入少量K K2 2CrCr2 2O O7 7，倒入试管中冷却，倒入试管中冷却，胶凝后，在凝胶上面倒入一层胶凝后，在凝胶上面倒入一层AgNOAgNO3 3溶

17、液，几天后在试管中可溶液，几天后在试管中可见到褐色的见到褐色的AgAg2 2CrCr2 2O O7 7沉淀，从上而下一层层地分布下来，而层沉淀，从上而下一层层地分布下来，而层与层之间是没有沉淀的空白区，这种现象被称为与层之间是没有沉淀的空白区，这种现象被称为LiesegangLiesegangLiesegangLiesegang环环环环。第21页/共38页22由于凝胶内部的液体不能“自由”流动，所以在凝胶中发生的反应没有对流现象。如果反应中有沉淀生成，则沉淀物基本上是存在于原位而难以移动，形成Liesegang环。在自然界中看到的层状或环状沉淀，如雨花石、矿石和玛瑙，还有动物体内的结石也与Li

18、esegang环 有关。Liesegang环第22页/共38页23硅胶硅胶 是是一种高活性吸附材料，表面积大，有一种高活性吸附材料，表面积大，有很强的吸附能力。属非晶态物质，其化学分很强的吸附能力。属非晶态物质，其化学分子式为子式为mSiOmSiO2 2 nH nH2 2O O。不溶于水和任何溶剂，。不溶于水和任何溶剂，无毒无味，化学性质稳定，除强碱、氢氟酸无毒无味，化学性质稳定，除强碱、氢氟酸外不与任何物质发生反应。常作干燥剂、吸外不与任何物质发生反应。常作干燥剂、吸附剂、载体。附剂、载体。第23页/共38页24硅胶的形成及应用：硅胶的形成及应用：H4SiO4（pH23稳定）（放置脱水）形成

19、多硅酸即多硅酸溶胶（加电解质或H+）形成凝胶（半凝固状，软而透明，富有弹性）（干燥脱水）形成硅胶（多孔性固体，干燥剂、吸附剂、催化剂载体）硅胶CoCl2浸泡即为变色硅胶（兰色、红色）第24页/共38页25 吸水前后，若有颜色变化，会更有利于使用。为吸水前后，若有颜色变化，会更有利于使用。为此，此，可用可用CoClCoCl2 2 溶液浸泡溶液浸泡后后，再再烘干烘干。CoClCoCl2 2 无水时无水时呈蓝色呈蓝色，当干燥剂吸水后，随吸水量不同，当干燥剂吸水后，随吸水量不同，硅胶硅胶呈现呈现蓝紫紫粉红。蓝紫紫粉红。无水无水 CoCl2 CoCl26 H2O 最后最后 Co(HCo(H2 2O)O)

20、6 62+2+使硅胶使硅胶呈粉红色，说明硅胶已经呈粉红色，说明硅胶已经吸饱水，再使用时要烘干。吸饱水，再使用时要烘干。称这种硅胶为变色硅胶。称这种硅胶为变色硅胶。第25页/共38页26硅的基本结构单元都是硅氧四面体。硅的基本结构单元都是硅氧四面体。SiOOOO 硅胶的硅胶的结构是以结构是以 Si SiO OSi Si 键联为基础的。胶体键联为基础的。胶体处于不完整键合和混杂无序状态。处于不完整键合和混杂无序状态。胶态的胶态的SiOSiO2 2质点是由无序排列的硅氧四质点是由无序排列的硅氧四面体所组成，它们进行羟联反应，生成面体所组成，它们进行羟联反应，生成硅溶胶或硅凝胶。粒子内部无孔隙，粒硅溶

21、胶或硅凝胶。粒子内部无孔隙，粒子表面为羟基所覆盖。子表面为羟基所覆盖。第26页/共38页27 硅酸盐结构的分类硅酸盐结构的分类 硅氧四面体共用两个顶点，可连接成长链硅氧四面体共用两个顶点，可连接成长链：这种链状硅酸根之间，通过阳离子相互结合成束，即成纤维这种链状硅酸根之间，通过阳离子相互结合成束，即成纤维状硅酸盐，如石棉。状硅酸盐，如石棉。通式通式 Si n O 3n+1 (2n+2)第27页/共38页28 蓝石棉蓝石棉 温石棉温石棉 H4(Mg Fe)3 Si2O9第28页/共38页29缟玛瑙缟玛瑙紫晶紫晶石英盐石英盐水晶水晶黑曜石黑曜石玛瑙玛瑙第29页/共38页30 SiO44 共三个顶点

22、相联，可形成片状（层状）结构，层与共三个顶点相联，可形成片状（层状）结构，层与层之间通过阳离子约束，得片层状硅酸盐。层之间通过阳离子约束，得片层状硅酸盐。如云母如云母 KMg3(OH)2 Si3 AlO10第30页/共38页31Si小结小结SiSiO2SiF4H2SiO3Na2SiO3第31页/共38页明胶简介明胶简介 明胶的成品明胶的成品为无色或淡黄色的透明薄片或微粒。明无色或淡黄色的透明薄片或微粒。明胶不溶于冷水，但可胶不溶于冷水，但可缓慢吸水膨慢吸水膨胀软化，明胶可吸化，明胶可吸收相当于其重量收相当于其重量510倍的水倍的水.123返回明胶作明胶作为胶原的水解胶原的水解产物，是一种无脂肪

23、的高蛋白，物，是一种无脂肪的高蛋白，且不含胆固醇，是一种天然且不含胆固醇，是一种天然营养型的食品增稠养型的食品增稠剂.明胶中蛋白明胶中蛋白质的含量占的含量占82以上，有以上，有7种人体必需种人体必需的的AA。，是一种理想的蛋白源。，是一种理想的蛋白源。明胶明胶还是一种是一种强有力的保有力的保护胶体，乳化力胶体，乳化力强。有。有利于食物消化。利于食物消化。明胶明胶(Gelatin)是以牛、猪等是以牛、猪等动物骨、皮物骨、皮为工工业原料原料,经一系列一系列预处理、理、净化化,提取出其中的胶原提取出其中的胶原,适度降适度降解解,再通再通过热变性等工序而制得的性等工序而制得的胶原蛋白胶原蛋白4第32页

24、/共38页高分子凝胶的智能化高分子凝胶的智能化 高分子凝胶的智能化表现在以下几方面。当外部环境的pH、离子强度、温度、电场以及环境中所含有的其他化学物质发生变化时，高分子凝胶即呈现出“刺激-应答”状态。这些变化使高分子凝胶的体积既可以发生溶胀，又可以收缩，利用这种性质设计出一种装置，它具有肌肉的功能，这种人造肌肉制成的机械手类似于智能机器人的手，能够拿东西。第33页/共38页高分子凝胶的智能化高分子凝胶的智能化 人造肌肉的指令就是上面指出的外部环境的各种物理性人造肌肉的指令就是上面指出的外部环境的各种物理性质和化学性质发生的变化。质和化学性质发生的变化。第34页/共38页第35页/共38页36气凝胶气凝胶 以气体为分散介质，以胶体粒子或高分子化合物相互以气体为分散介质，以胶体粒子或高分子化合物相互联结构成的网架为分散相形成多孔网状结构的高分散固体联结构成的网架为分散相形成多孔网状结构的高分散固体材料。材料。与固体泡沫相似，只是现在的与固体泡沫相似，只是现在的气凝胶中固体粒子已达纳米级，气凝胶中固体粒子已达纳米级，孔分布更均匀，孔隙率可达孔分布更均匀，孔隙率可达808099.899.8，密度可低至每立方，密度可低至每立方米仅几千克。米仅几千克。第36页/共38页37凝胶应用凝胶应用第37页/共38页Company Logo38感谢您的观看！第38页/共38页