胶体分散体系稳定性.ppt
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1、关于胶体分散体系稳定性关于胶体分散体系稳定性1现在学习的是第1页,共50页2 溶溶胶胶是是高高度度分分散散的的多多相相系系统统,它它拥拥有有巨巨大大的的比比表表面面,属属于于热热力力学学不不稳稳定定系系统统。但但有有些些溶胶却能在相当长时间里稳定存在。溶胶却能在相当长时间里稳定存在。例例如如法法拉拉弟弟制制备备的的金金溶溶胶胶静静置置数数十十年年才才聚聚沉沉于于管管壁壁上上.憎憎液液溶溶胶胶为为什什么么能能够够相相对对稳稳定定地地存存在在?人人们们提提出出了了多多种种理理论论进进行行解解释释,如如DLVO理理论论,空间稳定理论及空缺稳定理论等。空间稳定理论及空缺稳定理论等。现在学习的是第2页,
2、共50页3 胶胶体体由由于于具具有有巨巨大大的的表表面面能能,因因此此是是热热力力学学不不稳稳定定体体系系,但但在在某某些些条条件件下下,也也能能稳稳定定的的存存在在一一段段时时间间。胶胶体体的的稳稳定定是是相相对对的的、暂暂时时的的和和有有条条件件的的,而而不不稳稳定定则是绝对的。则是绝对的。8.1 溶胶的稳定性和聚沉作用溶胶的稳定性和聚沉作用 影响溶胶稳定性的因素影响溶胶稳定性的因素(1)(1)溶胶的动力稳定因素溶胶的动力稳定因素(2)(2)胶粒带电的稳定作用胶粒带电的稳定作用(3)(3)溶剂化的稳定作用溶剂化的稳定作用现在学习的是第3页,共50页4溶胶的稳定性和聚沉作用溶胶的稳定性和聚沉
3、作用 溶胶的高分散性,强烈的布朗运动溶胶的高分散性,强烈的布朗运动 溶胶的动力学稳定性,而不会很快沉降;溶胶的动力学稳定性,而不会很快沉降;溶胶的多相性,高表面能溶胶的多相性,高表面能 有聚结长大以降低表面能的趋势有聚结长大以降低表面能的趋势 热力学不稳定性(聚结)热力学不稳定性(聚结)。要使胶体稳定存在必须具有:较低的聚结稳定性及要使胶体稳定存在必须具有:较低的聚结稳定性及较好的动力稳定性。较好的动力稳定性。现在学习的是第4页,共50页5一旦质点聚结长大,一旦质点聚结长大,Brown 运动速度运动速度降低,动力学稳定性也随之丧失。因降低,动力学稳定性也随之丧失。因此,胶体的聚结稳定性一直是胶
4、体化此,胶体的聚结稳定性一直是胶体化学研究中的一个重要课题。学研究中的一个重要课题。现在学习的是第5页,共50页68.1.1 胶体稳定性的胶体稳定性的DLVO理论理论 胶体质点间的作用力:胶体质点间的作用力:1)范德华吸引力;范德华吸引力;2)双电层重叠排斥力(扩散层的重叠排斥)双电层重叠排斥力(扩散层的重叠排斥)胶体的稳定性取决于质点之间吸引作用与排斥作胶体的稳定性取决于质点之间吸引作用与排斥作用的相对大小。用的相对大小。现在学习的是第6页,共50页7 前前苏苏联联学学者者德德查查金金(Derjaguin)和和朗朗道道(Landau)(1941年年)与与 荷荷 兰兰 学学 者者 维维 韦韦(
5、Verwey)和和奥奥弗弗比比克克(Overbeek)(1948年年)分分别别提提出出了了带带电电胶胶体体粒粒子子之之间间的的相相互互吸吸引引能能与与双双电电层层排排斥斥能能的的计计算算方方法法,并并据据此此对对憎憎液液胶胶体体的的稳稳定定性性进进行行了了定定量量处处理理,这就是关于胶体稳定性的这就是关于胶体稳定性的DLVO理论理论。DLVO 理论理论 现在学习的是第7页,共50页8DLVO 理论要点理论要点l(1)在胶团之间,既存在着斥力势能,又存在着引力势在胶团之间,既存在着斥力势能,又存在着引力势能能l(2)胶体系统的相对稳定或聚沉取决于斥力势能和引力势胶体系统的相对稳定或聚沉取决于斥力
6、势能和引力势能的相对大小能的相对大小l(3)斥力势能、引力势能以及总势能都随粒子间距离斥力势能、引力势能以及总势能都随粒子间距离的变化而变化的变化而变化l(4)加入电解质对引力势能影响不大,但对斥力势能加入电解质对引力势能影响不大,但对斥力势能的影响却十分显著的影响却十分显著现在学习的是第8页,共50页9 在在溶溶胶胶中中分分散散相相微微粒粒间间存存在在的的吸吸引引力力本本质质上上仍仍具具有有范范德德华华吸吸引引力力的的性性质质,但但这这种种吸吸引引力力的的作作用用范范围围要要比比一一般般分分子的大得多,故称其为子的大得多,故称其为远程范德华力远程范德华力。颗粒间的范德华引力颗粒间的范德华引力
7、 分分子子之之间间的的范范德德华华引引力力作作用用,属属短短程程力力,其其势势能能大小与分子间距离的六次方成反比。大小与分子间距离的六次方成反比。现在学习的是第9页,共50页10 胶体质点可看作是大量分子的集合体。胶体质点可看作是大量分子的集合体。胶粒之间胶粒之间的相互作用可看作是分子作用的加和。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,若两个球形粒子体积相等,则质点间的范德华吸引能:则质点间的范德华吸引能:H0:两球表面之间的最短距离;:两球表面之间的最短距离;R:胶粒半径;:胶粒半径;A:哈哈梅梅克克(Hamaker)常常数数 与与组组成成质质点点的的分分子子之之间间的的相
8、相互互作作用用有有关关,因因此此是是物物质质的的特特征征常常数数。一一般般物物质质的的A值值均均在在10-20J左右。左右。RR现在学习的是第10页,共50页11RRUA 1/H0 H0,UA远程力远程力UA A A,UA分散介质与分散相性质越接近,哈梅克常数越小,引力势能分散介质与分散相性质越接近,哈梅克常数越小,引力势能越小,体系越稳定。越小,体系越稳定。现在学习的是第11页,共50页12(a)扩扩散散层层未未重重叠叠,两两胶胶团团之之间间不产生斥力不产生斥力(b)扩扩散散层层重重叠叠,平平衡衡破破坏坏,产产生生渗透性斥力和静电斥力渗透性斥力和静电斥力 两两胶胶团团靠靠近近使使双双电电层层
9、部部分分重重叠叠时时,由由于于重重叠叠部部分分反反离离子子浓浓度度比比未未重重叠叠区区浓浓度度大大,反反离离子子将将向向低低浓浓度度的的未未重重叠叠区区扩扩散散,由此产生由此产生渗透性斥力渗透性斥力;同时胶团之间也产生;同时胶团之间也产生静电斥力静电斥力。斥力势能是由于胶团间的排斥力引起的。斥力势能是由于胶团间的排斥力引起的。8.1.2 双电层的排斥能双电层的排斥能现在学习的是第12页,共50页13对球形粒子,电场斥力对球形粒子,电场斥力H0HRhdhO1O2 R:粒子半径;粒子半径;n0:单位体积粒子数;单位体积粒子数;H0:粒子之间的最近距离;粒子之间的最近距离;-1:扩散双电层厚度;扩散
10、双电层厚度;现在学习的是第13页,共50页140:粒子表面电势;粒子表面电势;Z:溶液中离子的电荷数;:溶液中离子的电荷数;e:电子电量电子电量1.610-19库仑库仑0为正值,随距离增大呈指数衰减。为正值,随距离增大呈指数衰减。现在学习的是第14页,共50页15 当当粒粒子子间间斥斥力力势势能能在在数数值值上上大大于于引引力力势势能能,而而且且足足以以阻阻止止由由于于布布朗朗运运动动使使粒粒子子相相互互碰碰撞撞而而粘粘结结时时,则则胶胶体体处处于于相相对对稳稳定定状状态态;当当引引力力势势能能在在数数值值上上大大于于斥斥力力势势能能,粒粒子子将将相相互互靠靠近近而而发发生生聚聚沉沉。调调整整
11、两两者者的的相相对大小,可以改变胶体系统的稳定性。对大小,可以改变胶体系统的稳定性。颗颗粒粒间间的的范范德德华华引引力力使使颗颗粒粒互互相相趋趋近近而而聚结,不利于稳定。聚结,不利于稳定。颗颗粒粒间间的的静静电电斥斥力力使使颗颗粒粒互互相相远远离离,有有利于稳定。利于稳定。现在学习的是第15页,共50页168.1.3 总的势能曲线总的势能曲线当粒子的动能大于势垒时方能聚沉当粒子的动能大于势垒时方能聚沉Umax为势垒为势垒势垒的高低决定了胶体的稳定性势垒的高低决定了胶体的稳定性系统的总势能为斥力势能和引力势能的加和。系统的总势能为斥力势能和引力势能的加和。以总势能对距离作图,以总势能对距离作图,
12、即得总势能曲线即得总势能曲线 现在学习的是第16页,共50页影响势垒的因素影响势垒的因素:(a)A的影响:当的影响:当、0不变时,不变时,A,势垒,势垒(b)0的影响:的影响:0,势垒,势垒(c)的影响:的影响:,势垒,势垒 当当颗颗粒粒动动能能较较小小时时,不不能能越越过过能能垒垒而而相相互互靠靠近近;只只有有当当动动能能很很高高时时,方方能能越越过过能能垒垒而而聚聚沉沉。这这就就很很好好地说明了溶胶是一种亚稳的系统。地说明了溶胶是一种亚稳的系统。能垒愈高,稳定的时间愈长。能垒愈高,稳定的时间愈长。能能垒垒高高度度为为零零时时,系系统统极极不不稳稳定定,只只要要粒粒子子相遇就要聚沉。相遇就要
13、聚沉。现在学习的是第17页,共50页18势势能能到到达达第第二二最最小小值值:可可逆逆聚聚沉沉能能形形成成缔缔合合体体,但但由于质点相距较远,能量降低很少,很容易拆散。由于质点相距较远,能量降低很少,很容易拆散。斥力势能斥力势能,引力势能及总势能曲线引力势能及总势能曲线相距相距(H)较远时较远时:离子氛未重合,引力起作用:离子氛未重合,引力起作用HH离离子子氛氛重重叠叠,斥斥力力起起作作用用,总总势势能能逐逐渐渐上上升升为为正正值值。至至一一定定距距离离处处势势能最大能最大Umax 粒粒子子不不能能进进一一步步靠靠近近,或碰撞后又分开。或碰撞后又分开。现在学习的是第18页,共50页19斥力势能
14、斥力势能,引力势能及总势能曲线引力势能及总势能曲线H克克服服势势垒垒Umax,势势能能迅迅速速下下降降,引引力力占占优优势势,胶胶粒粒间间距距很很近近,永久聚沉。永久聚沉。(不可逆聚沉)(不可逆聚沉)习习惯惯上上,将将第第一一极极小小处处发发生生的的聚聚结结称称为为聚聚沉沉,而而将将在在第二极小处发生的叫做絮凝。第二极小处发生的叫做絮凝。现在学习的是第19页,共50页20起起聚聚沉沉作作用用的的主主要要是是反反离离子子,且且聚聚沉沉能能力力随随离离子子价价的的增增加加而显著增加。而显著增加。聚聚沉沉能能力力与与反反离离子子价价数数的的6次次方方成成反反比比,而而与与同同电电子子的的价价数数无关
15、,一、二、三价反离子的聚沉值的比例大致符合:无关,一、二、三价反离子的聚沉值的比例大致符合:舒尔茨舒尔茨-哈代(哈代(Schulze-Hardy)经验规则:)经验规则:8.1.4 电解质对胶体稳定性的影响电解质对胶体稳定性的影响CCC:临界絮凝浓度(临界聚沉值):临界絮凝浓度(临界聚沉值)现在学习的是第20页,共50页21UH临界聚沉浓度临界聚沉浓度 胶胶体体的的稳稳定定性性取取决决于于总总势势能能曲曲线线上上的的势势垒垒的的大大小小。那那么么就可以定性地把是否存在势垒作为判断胶体稳定与否的标准。就可以定性地把是否存在势垒作为判断胶体稳定与否的标准。势垒的高度随溶液中电解质浓度的增大而降低,势
16、垒的高度随溶液中电解质浓度的增大而降低,当电解质浓度达到某一数值时,当电解质浓度达到某一数值时,势能曲线的最高点恰为零,势势能曲线的最高点恰为零,势垒消失,体系由稳定转为聚沉,垒消失,体系由稳定转为聚沉,这就是这就是临界聚沉状态临界聚沉状态,这时的,这时的电解质浓度即是该胶体的电解质浓度即是该胶体的临界临界聚沉值聚沉值。现在学习的是第21页,共50页22使使一一定定量量的的溶溶胶胶在在一一定定时时间间内内完完全全聚聚沉沉所所需需电电解解质质的的最小浓度。最小浓度。某电解质的聚沉值愈小,某电解质的聚沉值愈小,表明其聚沉能力愈强。表明其聚沉能力愈强。UH临界聚沉浓度临界聚沉浓度 电解质浓度越高,势
17、垒降低,系统越不稳定。电解质浓度越高,势垒降低,系统越不稳定。现在学习的是第22页,共50页23临界聚沉值临界聚沉值(a)当表面电势较高时,当表面电势较高时,0 1,cz-6 当表面电势较低时,当表面电势较低时,0ze0/4kT c04 z-2 一般情况下,聚沉值在一般情况下,聚沉值在z-2 z-6 之间变化之间变化(b)聚沉值与分散介质介电常数的立方成正比聚沉值与分散介质介电常数的立方成正比现在学习的是第23页,共50页24DLVO理论总结(理论总结(1)l胶粒既存在斥力势能,也存在引力势能。前者是带电胶胶粒既存在斥力势能,也存在引力势能。前者是带电胶粒靠近时粒靠近时扩散层重叠产生的静电排斥
18、力扩散层重叠产生的静电排斥力;而后者是;而后者是长程范长程范德华力德华力所产生的吸引力。所产生的吸引力。l胶粒间存在的斥力势能和引力势能的相对大小决定了系胶粒间存在的斥力势能和引力势能的相对大小决定了系统的总势能,亦决定了胶体的稳定性。统的总势能,亦决定了胶体的稳定性。当斥力势能当斥力势能引力势能,并足以阻止胶粒由于布朗运动引力势能,并足以阻止胶粒由于布朗运动碰撞而粘结时,胶体稳定;而当引力势能碰撞而粘结时,胶体稳定;而当引力势能斥力势能时,斥力势能时,胶粒靠近而聚沉。胶粒靠近而聚沉。调整其相对大小,可改变胶体的稳定性。调整其相对大小,可改变胶体的稳定性。现在学习的是第24页,共50页25l斥
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