胶体与表面化学.pptx

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1、第四章第四章 胶体化学胶体化学第1页/共106页4.1 分散系统(dispersed system)把一种或几种物质分散在另一种物质中就构把一种或几种物质分散在另一种物质中就构成分散体系。其中：成分散体系。其中：被分散的物质称为分散相被分散的物质称为分散相(dispersed phase)；另一种物质称为分散介质另一种物质称为分散介质(dispersing medium)。如：盐水、糖水、牛奶、云层等。如：盐水、糖水、牛奶、云层等。分散相与分散介质分散相与分散介质第2页/共106页分散体系分类分散体系分类分子分子分散体系分散体系 1000 nm 黄河水按分散相粒子的大小分类：按分散相粒子的大小

2、分类：第3页/共106页1.1.分子分散体系分子分散体系 分散相与分散介质以分子或离子形式彼此混溶，没有界面，是分散相与分散介质以分子或离子形式彼此混溶，没有界面，是均匀的单相均匀的单相，分，分子半径大小在子半径大小在10-9 m以下以下。通常把这种体系称为。通常把这种体系称为真溶液真溶液，如，如CuSO4溶液。溶液。2.2.胶体分散体系胶体分散体系 分散相粒子的半径在分散相粒子的半径在1 nm100 nm之间的体系。目测是均匀的，但实际是多相不之间的体系。目测是均匀的，但实际是多相不均匀体系。也有的将均匀体系。也有的将1 nm 1000 nm之间的粒子归入胶体范畴。之间的粒子归入胶体范畴。3

3、.3.粗分散体系粗分散体系 当分散相粒子大于当分散相粒子大于1000 nm,目测是混浊不均匀体系，放置后会沉淀或分层，如目测是混浊不均匀体系，放置后会沉淀或分层，如黄河水。黄河水。第4页/共106页按分散相和介质聚集状态分类按分散相和介质聚集状态分类1.液溶胶液溶胶 将液体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为不同状态时，则形成不同将液体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为不同状态时，则形成不同的液溶胶：的液溶胶：A.液液-固溶胶固溶胶 如油漆，如油漆，AgIAgI溶胶溶胶B.液液-液溶胶液溶胶 如牛奶，石油原油等乳状液如牛奶，石油原油等乳状液C.液液-气溶胶气溶胶 如泡沫如泡沫第5页/共106

4、页按分散相和介质聚集状态分类按分散相和介质聚集状态分类2.2.固溶胶固溶胶 将固体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为不同状态时，则形成不同将固体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为不同状态时，则形成不同的固溶胶：的固溶胶：A.固固-固溶胶固溶胶 如如:有色玻璃，不完全互溶的合金有色玻璃，不完全互溶的合金B.固固-液溶胶液溶胶 如如:珍珠，某些宝石珍珠，某些宝石C.固固-气溶胶气溶胶 如如:泡沫塑料，沸石分子筛泡沫塑料，沸石分子筛第6页/共106页按分散相和介质聚集状态分类按分散相和介质聚集状态分类3.气溶胶气溶胶 将气体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相将气体作为分散介质所形成的溶胶。当分散

5、相为固体或液体时，形成气为固体或液体时，形成气-固或气固或气-液溶胶，液溶胶，但没但没有气有气-气溶胶气溶胶，因为不同的气体混合后是单相均，因为不同的气体混合后是单相均一体系，不属于胶体范围一体系，不属于胶体范围.A.A.气气-固溶胶固溶胶 如如 :烟，含尘的空气烟，含尘的空气 B.B.气气-液溶胶液溶胶 如如 :雾，云雾，云第7页/共106页按胶体溶液的稳定性分类按胶体溶液的稳定性分类1.憎液溶胶 半径在半径在1 nm100 nm之间的之间的难溶物固体粒子难溶物固体粒子分散在液体介质中，有很大的相界面，易聚沉，分散在液体介质中，有很大的相界面，易聚沉，是热力学上的不稳定体系。是热力学上的不稳

6、定体系。一旦将介质蒸发掉，再加入介质就无法再形成溶胶，是一旦将介质蒸发掉，再加入介质就无法再形成溶胶，是 一个不可逆体系，一个不可逆体系，如氢氧化铁溶胶、碘化银溶胶等。如氢氧化铁溶胶、碘化银溶胶等。这是胶体分散体系中主要研究的内容。这是胶体分散体系中主要研究的内容。第8页/共106页按胶体溶液的稳定性分类按胶体溶液的稳定性分类2.亲液溶胶 半径落在胶体粒子范围内的半径落在胶体粒子范围内的大分子大分子溶溶解在合适的溶剂中，一旦将溶剂蒸发，大分解在合适的溶剂中，一旦将溶剂蒸发，大分子化合物凝聚，再加入溶剂，又可形成溶胶，子化合物凝聚，再加入溶剂，又可形成溶胶，亲液溶胶是热力学上稳定、可逆的体系。亲

7、液溶胶是热力学上稳定、可逆的体系。第9页/共106页憎液溶胶的特性憎液溶胶的特性（1）特有的分散程度）特有的分散程度 粒子的大小在粒子的大小在10-910-7 m之间，因而扩散较慢，不能透过之间，因而扩散较慢，不能透过半透膜，渗透压低但有较强的动力稳定性半透膜，渗透压低但有较强的动力稳定性 和乳光现象。和乳光现象。（2）多相不均匀性）多相不均匀性 具有纳米级的粒子是由许多离子或分子聚结而成，结构复具有纳米级的粒子是由许多离子或分子聚结而成，结构复杂，有的保持了该难溶盐的原有晶体结构，而且粒子大小不杂，有的保持了该难溶盐的原有晶体结构，而且粒子大小不一，与介质之间有明显的相界面，比表面很大。一，

8、与介质之间有明显的相界面，比表面很大。（3）热力学不稳定性）热力学不稳定性 因为粒子小，比表面大，表面自由能高，是热力学不稳因为粒子小，比表面大，表面自由能高，是热力学不稳定体系，有自发降低表面自由能的趋势，即小粒子会自动定体系，有自发降低表面自由能的趋势，即小粒子会自动聚结成大粒子。聚结成大粒子。第10页/共106页 形成憎液溶胶的形成憎液溶胶的必要条件必要条件 （1）分散相的溶解度要小；分散相的溶解度要小；（2）还必须有稳定剂存在，否则胶粒还必须有稳定剂存在，否则胶粒 易聚结而聚沉。易聚结而聚沉。第11页/共106页胶体（Colloid）胶体 分散相粒子半径在1 100 nm 的分散体系。

9、溶胶（溶胶（Sol）：不特别说明，一般指液固溶不特别说明，一般指液固溶胶胶溶胶溶胶憎液溶胶（憎液溶胶（Lyophobic sol）粒子由很多分子组成，粒子由很多分子组成，热力学不稳定、热力学不稳定、不可逆体系不可逆体系.大分子溶液（亲液溶胶大分子溶液（亲液溶胶Lyophilic sol）粒子由即为一个大分子，粒子由即为一个大分子，热力学稳定、热力学稳定、可逆体系可逆体系第12页/共106页(1)(1)溶胶：分散相不溶于分散介质，有很大相界面，是热力学不稳定系统。(憎液溶胶)(2)(2)高分子溶液:高分子以分子形式溶于 介质，分散相与分散介质间无相界面，是热力学稳定系统。(亲液溶胶)(3)(3)

10、缔合胶体：分散相为表面活性分子缔合形 成的胶束，在水中，表面活性剂分子的亲油 基团向里，亲水基团向外，分散相与分散介 质亲和性良好，是热力学稳定系统。胶体系统第13页/共106页4.2 溶胶的制备与净化溶胶的制备与净化溶胶的制备溶胶的制备 （1 1）分散法）分散法 1 1.研磨法研磨法 2.2.胶溶法胶溶法 3.3.超声波分散法超声波分散法 4.4.电弧法电弧法（2 2）凝聚法）凝聚法 1.1.化学凝聚法化学凝聚法 2.2.物理凝聚法物理凝聚法溶胶的净化溶胶的净化 （1 1）渗析法）渗析法（2 2）超过滤法）超过滤法为了获得稳定的溶胶，还需满足两个条件：一是分散相在介质中为了获得稳定的溶胶，还

11、需满足两个条件：一是分散相在介质中的溶解度要小；二是需要加入第三者作为稳定剂的溶解度要小；二是需要加入第三者作为稳定剂例:更换溶剂法:松香乙醇溶液+水 松香水溶胶 化学反应法:FeCl3(稀水溶液)+3H2O Fe(OH)2溶胶+HCl电弧法电弧法超声分散法超声分散法研磨法研磨法更换溶剂法更换溶剂法化学反应法化学反应法物理凝聚法物理凝聚法 溶胶质点大小 1nm 1000nm大颗粒质点大小 1mm大变小分散法小分子溶液质点大小 C2。A BCDFFC1C2第44页/共106页斐克第一定律斐克第一定律（Ficks first law）这就是这就是斐克第一定律斐克第一定律。式中式中D为扩散系数，其物

12、理意义为：单位浓度梯度、单位时间内通过单位截面积为扩散系数，其物理意义为：单位浓度梯度、单位时间内通过单位截面积的质量。的质量。式中负号表示扩散发生在浓度降低的方向，式中负号表示扩散发生在浓度降低的方向，0。用公式表示为：用公式表示为：第45页/共106页扩散系数扩散系数D：与与Einstein公式联立，有：公式联立，有：可由可由 得到得到D，由，由D得到粒子半径得到粒子半径r,还可求胶粒的平均分子量还可求胶粒的平均分子量M.已知已知 r 和粒子密度和粒子密度 ，可以计算粒子的摩尔质量。，可以计算粒子的摩尔质量。第46页/共106页3、沉降与沉降平衡、沉降与沉降平衡(sedimentation

13、 and sedimentation equilibrium)溶溶胶胶是是高高度度分分散散体体系系，胶胶粒粒一一方方面面受受到到重重力力吸吸引引而而下下降降，另另一一方方面面由由于于扩扩散散运运动动促促使使浓浓度度趋趋于于均均一一。当作用于粒子上的重力当作用于粒子上的重力fw与与扩散力扩散力fd 相等时相等时,粒子的分布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，且这种浓度梯度不随时间而变。这种平达到平衡，粒子的浓度随高度不同有一定的梯度，且这种浓度梯度不随时间而变。这种平衡称为衡称为沉降平衡沉降平衡。注意沉降平衡。注意沉降平衡不是热力学平衡态不是热力学平衡态，是一种，是一种稳定态稳

14、定态，一旦，一旦外力外力(重力重力)消失消失，系统将回到系统将回到平衡态平衡态(均匀分布均匀分布)。fwfdfw第47页/共106页h1h2溶胶中的粒子在高度溶胶中的粒子在高度h 处的势能：处的势能：r：粒子半径：粒子半径 粒子粒子，粒子的密度粒子的密度 介质介质：介质的密度：介质的密度 Boltzmann 分布定律：分布定律：第48页/共106页 这就是这就是高度分布公式高度分布公式。粒子质量愈大，其平衡浓度随高度的降低亦愈大。粒子质量愈大，其平衡浓度随高度的降低亦愈大。通过超显微镜测定不同高度溶胶粒子的数目，结合某些参数，可以测定通过超显微镜测定不同高度溶胶粒子的数目，结合某些参数，可以测

15、定NA。溶胶粒子随高度的分布公式溶胶粒子随高度的分布公式第49页/共106页在粗分散系统中在粗分散系统中,当扩散力不足以抗衡重力时，粒子将发生沉降。当沉降速率达当扩散力不足以抗衡重力时，粒子将发生沉降。当沉降速率达一定值时，重力与阻力相等一定值时，重力与阻力相等:重力：重力：F=mg=V(0)g=(4/3)r3(0)g V为粒子体积，为粒子体积，r 为半径，为半径，、0分别为分散相和分散介质的密度。分别为分散相和分散介质的密度。阻力：阻力：在粒子运动速度不太大时在粒子运动速度不太大时(胶体粒子的沉降属此列胶体粒子的沉降属此列)，阻力与速度成正比阻力与速度成正比(Stock定律定律)，即：，即：

16、F阻阻=fu(f=6 ru,阻力系数阻力系数 u沉降速度沉降速度)Stock定律前提：定律前提：a.粒子速度很慢粒子速度很慢 b.粒子是刚性球粒子是刚性球 c.粒子间无作用粒子间无作用沉降第50页/共106页粒子达到这种恒速所用时间极短，只需几个粒子达到这种恒速所用时间极短，只需几个s（微秒）到几个（微秒）到几个ms（毫秒）。（毫秒）。由粒子下沉速度又可求其半径，再求由粒子下沉速度又可求其半径，再求(粒子粒子)平均分子量。也可利用此关系式求平均分子量。也可利用此关系式求粘度。粘度。沉降速度公式沉降速度公式平衡时：平衡时：F重重 F阻，阻，此时粒子受到的净力为此时粒子受到的净力为0，保持恒速运动

17、，保持恒速运动，u沉降速度。此沉降速度。此时有：时有：(4/3)r3(0)g=6r u只适用于粒径不超过只适用于粒径不超过100 m的球形质点的稀悬浮液。的球形质点的稀悬浮液。第51页/共106页沉降分析装置示意图沉降分析装置示意图扭力天平扭力天平wt第52页/共106页4.5 溶胶的电学性质溶胶的电学性质 电动现象电动现象电动现象电动现象：外加电场作用下，胶体粒子与分散介质发生相对移动的现外加电场作用下，胶体粒子与分散介质发生相对移动的现象。象。电电 泳泳电电 渗渗沉降电势沉降电势流动电势流动电势固相动、液相不动固相动、液相不动液相动、固相不动液相动、固相不动第53页/共106页4.5 溶胶

18、的电学性质溶胶的电学性质 电动现象电动现象 电泳电泳(electrophoresis)在外加电场作用下，在外加电场作用下，胶体粒子胶体粒子在分散介质中定向移动的现象。在分散介质中定向移动的现象。Fe(OH)3、Cr(OH)3、Al(OH)3等一些氢氧化等一些氢氧化物溶胶的胶粒带物溶胶的胶粒带正电荷正电荷；而；而As2S3、硫磺、金、硫磺、金、铂等溶胶的胶粒则带铂等溶胶的胶粒则带负电荷负电荷。影响电泳的因素有影响电泳的因素有：带电粒子的大小、形：带电粒子的大小、形状；粒子表面电荷的数目；介质中电解质状；粒子表面电荷的数目；介质中电解质的种类、离子强度，的种类、离子强度，pH值和粘度；电泳值和粘度

19、；电泳的温度和外加电压等。的温度和外加电压等。第54页/共106页 电渗电渗(electro-osmosis)4.5 溶胶的电学性质溶胶的电学性质 电动现象电动现象在外加电场作用下，在外加电场作用下，分散介质分散介质的定向移动现象的定向移动现象由于胶粒带电，而溶胶是电中性的，则由于胶粒带电，而溶胶是电中性的，则介质带与胶粒相反的电荷。在外电场作介质带与胶粒相反的电荷。在外电场作用下，胶粒和介质分别向带相反电荷的用下，胶粒和介质分别向带相反电荷的电极移动，就产生了电泳和电渗的电动电极移动，就产生了电泳和电渗的电动现象，这是现象，这是因电而动因电而动。第55页/共106页4.5 溶胶的电学性质溶胶

20、的电学性质 电动现象电动现象 沉降电势（沉降电势（sedimentation potential）在重力场的作用下，带电的分散相在重力场的作用下，带电的分散相粒子，在分散介质中迅速沉降时，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，使底层与表面层的粒子浓度悬殊，从而产生电势差。从而产生电势差。第56页/共106页 流动电势（流动电势（streaming potential）含有离子的液体在加压或重力等含有离子的液体在加压或重力等外力的作用下，流经多孔膜或毛外力的作用下，流经多孔膜或毛细管时会产生电势差。细管时会产生电势差。电泳、电渗、流动电势、沉降电势统称为电动现象电泳、电渗、

21、流动电势、沉降电势统称为电动现象 电动现象说明胶体粒子是电动现象说明胶体粒子是带电带电的。的。？4.5 溶胶的电学性质溶胶的电学性质 电动现象电动现象第57页/共106页4.5 溶胶的电学性质溶胶的电学性质 胶体粒子带电原因胶体粒子带电原因 吸吸 附附由于胶粒颗粒度小由于胶粒颗粒度小,具有巨大的表面能具有巨大的表面能,因此有吸附分散介质中的离子因此有吸附分散介质中的离子,以降低其以降低其表面能的趋势。表面能的趋势。法杨斯规则法杨斯规则(Fajans Rule)与胶体粒子具有相同化学元素的离子优先被吸附。与胶体粒子具有相同化学元素的离子优先被吸附。例例：AgNO3+KI AgI+KNO3 若若

22、AgNO3过量，则过量，则AgI胶粒吸附胶粒吸附Ag 而带正电而带正电 若若 KI过量，则过量，则AgI胶粒吸附胶粒吸附I 而带负电。而带负电。第58页/共106页 电电 离离4.5 溶胶的电学性质溶胶的电学性质 胶体粒子带电原因胶体粒子带电原因例例1 1：蛋白质类的分子中有可离子化的羧基与胺基：蛋白质类的分子中有可离子化的羧基与胺基：在低在低 pH（酸性）：（酸性）：胺基离子化占优势胺基离子化占优势 RNH3+，蛋白质分子带正电；蛋白质分子带正电；在高在高 pH（碱性）：（碱性）：羧基离解占优势羧基离解占优势 R COO，蛋白质分子带负电；蛋白质分子带负电；在适当的在适当的 pH 值：值：蛋

23、白质分子的净电荷为零，此蛋白质分子的净电荷为零，此 pH 值称为该蛋白质的等电点值称为该蛋白质的等电点 pH 值。值。第59页/共106页4.5 溶胶的电学性质溶胶的电学性质 胶体粒子带电原因胶体粒子带电原因 电电 离离无机溶胶如硅溶胶粒无机溶胶如硅溶胶粒(SiO2)，随溶液中，随溶液中pH值的变化，粒可以带正电、负电：值的变化，粒可以带正电、负电：第60页/共106页4.5 溶胶的电学性质溶胶的电学性质 胶体粒子带电原因胶体粒子带电原因 晶格取代晶格取代如粘土由铝氧如粘土由铝氧(Al-O)八面体、硅氧八面体、硅氧(Si-O)四面体四面体的晶格组成，粘土中的的晶格组成，粘土中的 Al 3+(或

24、或 Si 4+)往往被一部往往被一部分低价的分低价的 Mg 2+、Ca 2+取代，结果使粘土晶格带负取代，结果使粘土晶格带负电。电。为维持电中性，粘土表面吸附了一些正离子，而这为维持电中性，粘土表面吸附了一些正离子，而这些正离子在水中因水化而离开表面，于是粘土带负些正离子在水中因水化而离开表面，于是粘土带负电（电泳时胶粒向正极移动）。电（电泳时胶粒向正极移动）。胶粒由于晶格取代带电的情况不常见。胶粒由于晶格取代带电的情况不常见。摩擦带电摩擦带电第61页/共106页4.5 溶胶的电学性质溶胶的电学性质 双电层双电层(double layer)模型模型 当固体与液体接触时，可以是固体从溶液中选择性

25、当固体与液体接触时，可以是固体从溶液中选择性吸附某种离子，也可以是固体分子本身发生电离作用吸附某种离子，也可以是固体分子本身发生电离作用而使离子进入溶液，以致使固液两相分别带有不同符而使离子进入溶液，以致使固液两相分别带有不同符号的电荷，号的电荷，在界面上形成了双电层的结构。在界面上形成了双电层的结构。对于双电层的具体结构，对于双电层的具体结构，100多年来不同学者提出多年来不同学者提出了不同的看法。最早于了不同的看法。最早于1879年年Helmholz提出提出平板型平板型模型模型；1910年Gouy和1913年Chapman修正了平板型模型，提出了扩散双电层模型。后来Stern又提出了Ste

26、rn模型。第62页/共106页 1879 年，亥姆霍兹首先提出在固液两相之年，亥姆霍兹首先提出在固液两相之间的界面上形成双电层的概念：间的界面上形成双电层的概念：1）正负电荷如平板电容器那样分布；）正负电荷如平板电容器那样分布；2）两层距离与离子半径相当；）两层距离与离子半径相当；3）在外加电场下，带电质点与溶液中）在外加电场下，带电质点与溶液中 反电离子分别向相反方向移动。反电离子分别向相反方向移动。4.5 溶胶的电学性质溶胶的电学性质 双电层双电层(double layer)模型模型Helmholtz 平板电容器模型平板电容器模型+_第63页/共106页 0 x 质点表面电荷与周围介质中的

27、反离子构成双电层；表面电势 0 0：带电质点表面与液体的电位差：电势 ：固、液两相发生相对运动时边界处与 液体内部的电位差。缺点：1)1)不能解释带电质点表面电势 o o 与 电势的区别；2)2)不能解释电解质对 电势的影响；3 3）与带电质点一起运动的水化层的厚度大于平板双电 层的厚度（离子半径大小），而滑动面的 仍不为零。4.5 溶胶的电学性质溶胶的电学性质 双电层双电层(double layer)模型模型第64页/共106页 1910年，古依和查普曼提出了扩散双电层理论：年，古依和查普曼提出了扩散双电层理论：1）反电荷的离子不是整齐排列在一个平面上，而是扩散分反电荷的离子不是整齐排列在一

28、个平面上，而是扩散分 布在溶液中的。布在溶液中的。静电力，使反离子趋向表面；静电力，使反离子趋向表面；热运动：使反离子趋于均匀分布。热运动：使反离子趋于均匀分布。总结果：总结果：反离子平衡分布。反离子平衡分布。2）离固体表面越远，反离子浓度越小，形成一个反离子 的扩散层。4.5 溶胶的电学性质溶胶的电学性质 双电层双电层(double layer)模型模型 GouyChapman 扩散双电层模型扩散双电层模型第65页/共106页4.5 溶胶的电学性质溶胶的电学性质 双电层双电层(double layer)模型模型扩散双电层模型扩散双电层模型 反号离子滑移界面扩散层紧密层第66页/共106页 当

29、离开固体表面足够远时，溶液中正负离子所带电量大小相等，对应电势为零。式中 的倒数 -1 1 具有双电层厚度的意义。假设：假设：1）质点表面看作无限大的平面；2）表面电荷分布均匀；3）溶剂介电常数处处相同；则，距表面 x 处的电势 与表面电 势 0 的关系为（玻耳兹曼定律）：=o e-x 扩散层扩散层 0电电势势距离距离 d4.5 溶胶的电学性质溶胶的电学性质 双电层双电层(double layer)模型模型第67页/共106页古依查普曼模型的缺点：1)1)没有给出 电位的具体位置及意义 2)2)没有考虑胶粒表面上的固定吸附层4.5 溶胶的电学性质溶胶的电学性质 双电层双电层(double la

30、yer)模型模型第68页/共106页 1924年，斯特恩提出扩散双电层模型。他认为：年，斯特恩提出扩散双电层模型。他认为：1)离子有一定的大小；离子有一定的大小；2)质点与表面除静电作用外质点与表面除静电作用外，还有范德华作用；，还有范德华作用；因此表因此表 面可形成一固定吸附层，或称为面可形成一固定吸附层，或称为Stern层层(包括一些溶剂分子包括一些溶剂分子)；其余反离子；其余反离子 扩散分布在溶扩散分布在溶液中，构成扩散部分。液中，构成扩散部分。4.5 溶胶的电学性质溶胶的电学性质 双电层双电层(double layer)模型模型 Stern双电层模型双电层模型第69页/共106页 反号

31、离子溶剂分子扩散层紧密层（Stern层）滑移界面（Stern面）第70页/共106页SternStern模型：固定层扩散层 称为斯特恩电势 为滑动面与溶液本体之间 的电位差4)4)在扩散层中,电势由 降到零,可用古依查普曼的公式描述只需将式中的 o o 换成 :3)在在Stern面内面内,电势变化与电势变化与亥姆霍兹平板模型 相似,电势由表面的 0 0降到斯特恩面的 (Stern电势)距离 0 SternStern面 4.5 溶胶的电学性质溶胶的电学性质 双电层双电层(double layer)模型模型第71页/共106页 电势的大小，反映了胶粒带电的程度。电势的大小，反映了胶粒带电的程度。电

32、电势势越越高高，表表明明：胶胶粒粒带带电电越越多多，滑滑动动面面与与溶溶液液本本体体之之间的电势差间的电势差越越大大，扩散层厚度扩散层厚度越越厚厚当固液两相发生相对移动时，紧密层当固液两相发生相对移动时，紧密层（Stern层）中的反离子及溶剂分子层）中的反离子及溶剂分子与质点一起运动。滑动面以外的部分与质点一起运动。滑动面以外的部分不移动。滑动面与溶液本体之间的电不移动。滑动面与溶液本体之间的电位差为位差为 。也只有在固液两相发生相。也只有在固液两相发生相对移动时，才呈现对移动时，才呈现 电势。电势。距离 0 SternStern面 4.5 溶胶的电学性质溶胶的电学性质 双电层双电层(doub

33、le layer)模型模型第72页/共106页4.5 溶胶的电学性质溶胶的电学性质 电动电势电动电势（）固体表面电势（热力学电势）固体表面电势（热力学电势）0 0：固体表面与液体内部的电势差；固体表面与液体内部的电势差；电动电势（电动电势（）：滑移界面与液体内部的电势差。）：滑移界面与液体内部的电势差。区区 别：别：发生在不同的部位；发生在不同的部位；大小不同，一般情况下大小不同，一般情况下电势只是热力学电势只是热力学电势的一部分，其绝对值小于电势的一部分，其绝对值小于 。第73页/共106页4.5 溶胶的电学性质溶胶的电学性质 电动电势电动电势（）为电极电势为电极电势(热力学电势热力学电势)

34、，与电极本身及参与电极反，与电极本身及参与电极反应的离子（电位离子）活度有关；应的离子（电位离子）活度有关；电势的值与溶胶电势的值与溶胶中的外加电解质有关中的外加电解质有关。当溶胶中有外加电解质存在时，当溶胶中有外加电解质存在时，可使紧密层中反号离子浓度增加，扩散层变薄，可使紧密层中反号离子浓度增加，扩散层变薄，电电势的绝对值减小，甚至变为零或相反的值。势的绝对值减小，甚至变为零或相反的值。d d 为为没没有有外外加加电电解解质质时时扩扩散散双双电电层层的的厚厚度度，随随着着电电解解质质浓浓度度的的增增加加，更更多多反反离离子子进进入入紧紧密密层层，扩扩散散双双电电层层厚厚度度变变薄薄 d d

35、 d d d d，相相应地电动电势下降：应地电动电势下降：。0滑动面滑动面 c4 c3 c2 c1距距离离反离子浓度反离子浓度第74页/共106页4.5 溶胶的电学性质溶胶的电学性质 和电泳速率的关系和电泳速率的关系Hckel公式：SI 制下：制下：介质的介电常数（单位介质的介电常数（单位 C/V m）E 电场强度电场强度(电位梯度电位梯度)（V/m）介质粘度介质粘度(Pa s=N m 2 s=kg m s 2 m 2 s=kg/m s)电动电势（电动电势（V）K 常数常数 球形粒子：球形粒子：K=6；棒形粒子：；棒形粒子：K=4 第75页/共106页4.5 溶胶的电学性质溶胶的电学性质 胶团

36、结构胶团结构AgNO3+KIKNO3 +AgI 过量的过量的 KI 作稳定剂作稳定剂 胶核吸附离子是有选择性的，胶核吸附离子是有选择性的，优优先吸附与胶核中相同的某种离子先吸附与胶核中相同的某种离子。若无相若无相同离子，则首先吸附水化能力较弱的负离子同离子，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，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。如泥浆水、豆浆等都是负溶胶。例例1：第76页/共106页(AgI)m胶核胶核K+K+K+K+胶胶团团I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-K+K+K+K+K+K+K+K+胶胶粒粒胶团构造示意图第77页/共106页

37、AgNO3+KIKNO3 +AgI 过量的过量的 KI 作稳定剂作稳定剂 例例1：4.5 溶胶的电学性质溶胶的电学性质 胶团结构胶团结构胶团结构表达式为：胶团结构表达式为：紧密层扩散层第78页/共106页AgNO3+KIKNO3 +AgI 过量的过量的 AgNO3作稳定剂作稳定剂 例例2：胶团结构表达式为：胶团结构表达式为：4.5 溶胶的电学性质溶胶的电学性质 胶团结构胶团结构 紧密层扩散层第79页/共106页(AgI)m胶核胶核胶团构造示意图胶胶团团NO3-NO3-NO3-NO3-胶胶粒粒Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+Ag+NO3-NO3-NO3-NO3-

38、NO3-NO3-NO3-NO3-第80页/共106页4.5 溶胶的电学性质溶胶的电学性质 胶团结构胶团结构总结总结 由带电机理及扩散双电层理论可以得到溶胶的结构为由带电机理及扩散双电层理论可以得到溶胶的结构为:由分子由分子、原子或离子构成的、原子或离子构成的,具有晶体结构的具有晶体结构的,固态固态 微粒微粒 胶核胶核。过剩反离子，一部分在滑动面内，一部分在滑动过剩反离子，一部分在滑动面内，一部分在滑动 面外，呈扩散状态分布于分散介质中。若分散介面外，呈扩散状态分布于分散介质中。若分散介 质是水，反离子应当是水化的。质是水，反离子应当是水化的。被包围在滑动面内的被包围在滑动面内的胶核胶核+反离子

39、反离子=胶体粒子胶体粒子。整个整个扩散层扩散层 +被包围的胶体粒子被包围的胶体粒子 =胶团胶团（电中性电中性）第81页/共106页4.6 溶胶的稳定性和聚沉作用溶胶的稳定性和聚沉作用 溶胶粒子有着剧烈的溶胶粒子有着剧烈的Brown运动，这使它能保持相当长时间的相对稳定，因运动，这使它能保持相当长时间的相对稳定，因此溶胶具有此溶胶具有动力稳定性动力稳定性。胶体分散体系是热力学的不稳定体系，其中的溶胶粒子能自动合并变大而胶体分散体系是热力学的不稳定体系，其中的溶胶粒子能自动合并变大而自发地下沉，这种过程称为自发地下沉，这种过程称为聚沉聚沉（coagulation），所以说溶胶又具有，所以说溶胶又具

40、有自动自动聚结不稳定性聚结不稳定性。第82页/共106页 溶胶的稳定性溶胶的稳定性4.6 溶胶的稳定性和聚沉作用溶胶的稳定性和聚沉作用 所以，要使溶胶聚沉也要从中和粒子电荷、降低溶剂化作用等入手。溶胶稳定的原因：1)1)胶粒带电 增加胶粒间的排斥作用；增加胶粒间的排斥作用；2 2)溶剂化作用 形成弹性水化外壳，增加溶胶聚合的形成弹性水化外壳，增加溶胶聚合的 阻力；阻力；3)3)BrownBrown运动 使胶粒受重力的影响而不下沉。使胶粒受重力的影响而不下沉。第83页/共106页4.6 溶胶的稳定性和聚沉作用溶胶的稳定性和聚沉作用 影响影响溶胶聚沉的因素溶胶聚沉的因素浓度的影响浓度的影响。浓度增

41、加，粒子碰撞机会增多。浓度增加，粒子碰撞机会增多。温度的影响。温度的影响。温度升高，粒子碰撞机会增多，碰撞强度增加。温度升高，粒子碰撞机会增多，碰撞强度增加。胶体体系的相互作用。胶体体系的相互作用。带不同电荷的胶粒互吸而聚沉。带不同电荷的胶粒互吸而聚沉。外加电解质的影响外加电解质的影响。影响最大，主要影响胶粒的带电情况。影响最大，主要影响胶粒的带电情况。第84页/共106页聚沉值聚沉值 是指在一定条件下，刚刚引起某溶胶明显是指在一定条件下，刚刚引起某溶胶明显开始聚沉时所需电解质的最小浓度（以开始聚沉时所需电解质的最小浓度（以mmoldm-3表示）。聚沉值又称表示）。聚沉值又称临界凝集临界凝集浓

42、度浓度（缩写成（缩写成CFC，critical floculation concentration）。）。聚沉能力聚沉能力是是聚沉值的倒数聚沉值的倒数。聚沉值越大的电解。聚沉值越大的电解 质，质，聚沉能力越小；反之，聚沉值越小的电解质，其聚沉能力越小；反之，聚沉值越小的电解质，其聚沉能力越强。聚沉能力越强。4.6 溶胶的稳定性和聚沉作用溶胶的稳定性和聚沉作用 聚沉值与聚沉能力聚沉值与聚沉能力利用聚沉值可以比较各种电解质对某一溶胶的聚沉能力。利用聚沉值可以比较各种电解质对某一溶胶的聚沉能力。第85页/共106页4.6 溶胶的稳定性和聚沉作用溶胶的稳定性和聚沉作用 聚沉值与聚沉能力聚沉值与聚沉能力

43、聚沉速率聚沉速率电解质浓度电解质浓度所有电解质浓度如达到一定浓度，都能使胶体聚沉第86页/共106页4.6 溶胶的稳定性和聚沉作用溶胶的稳定性和聚沉作用 聚沉值与聚沉能力聚沉值与聚沉能力不同电解质的聚沉值(mmol/dm3)LiCl 58.4 NaCl 51 KCl 501/2 K2SO4 65 HCl 31 CaCl2 0.65 BaCl2 0.69 MgSO4 0.801/2Al2(SO4)3 0.096 AlCl3 0.093负溶胶(As2S3)正溶胶(Al2O3)NaCl 43.5KCl 46KNO3 60K2SO4 0.30K2Cr2O7 0.63K2C2O4 0.69K3Fe(CN

44、)6 0.08第87页/共106页4.6 溶胶的稳定性和聚沉作用溶胶的稳定性和聚沉作用 电解质对电解质对溶胶聚沉的溶胶聚沉的影响影响 在溶胶中加入少量电解质，可以使胶粒吸附的离子增加，在溶胶中加入少量电解质，可以使胶粒吸附的离子增加，电势提高，增电势提高，增加溶胶的稳定性，称为加溶胶的稳定性，称为稳定剂稳定剂。当电解质的浓度足够大当电解质的浓度足够大,部分反部分反离离子进入紧密层，而使子进入紧密层，而使电势降低电势降低,扩散扩散层变薄层变薄,胶粒之间静电斥力减小而导致聚沉，则称为胶粒之间静电斥力减小而导致聚沉，则称为聚沉剂聚沉剂。第88页/共106页4.6 溶胶的稳定性和聚沉作用溶胶的稳定性和

45、聚沉作用 电解质对电解质对溶胶聚沉的溶胶聚沉的影响影响 电解质的聚沉能力主要取决于与胶粒所带电荷电解质的聚沉能力主要取决于与胶粒所带电荷相反的离子（相反的离子（反离子反离子）所带的电荷数（即价数）所带的电荷数（即价数）。反离子的价数越高，聚沉能力越强。反离子的价数越高，聚沉能力越强。对某一给定溶胶，一、二、三价反离子聚沉值的比例大约是：对某一给定溶胶，一、二、三价反离子聚沉值的比例大约是：这一聚沉值与起聚沉作用的离子价数的六次方成反比的规律被称之为这一聚沉值与起聚沉作用的离子价数的六次方成反比的规律被称之为Schulze-Hardy规则规则。第89页/共106页对正负离子价数相同的电解质，对溶

46、胶产生聚沉作用的聚沉值对正负离子价数相同的电解质，对溶胶产生聚沉作用的聚沉值C：在其它条件相同情况下，C=K/Z64.6 溶胶的稳定性和聚沉作用溶胶的稳定性和聚沉作用 电解质对电解质对溶胶聚沉的溶胶聚沉的影响影响第90页/共106页4.6 溶胶的稳定性和聚沉作用溶胶的稳定性和聚沉作用 电解质对电解质对溶胶聚沉的溶胶聚沉的影响影响 具有具有相同价数的不同离子，聚沉能力也不相同。相同价数的不同离子，聚沉能力也不相同。相同价数的阳离子聚沉带负电荷的溶胶时，聚沉能力有如下顺序：相同价数的阳离子聚沉带负电荷的溶胶时，聚沉能力有如下顺序：相同价数的阴离子聚沉带正电荷的溶胶时，聚沉能力有如下顺序：相同价数的

47、阴离子聚沉带正电荷的溶胶时，聚沉能力有如下顺序：这种次序称为这种次序称为感胶离子序（感胶离子序（lyotropic series)。反离子的水化半径越大，越不易。反离子的水化半径越大，越不易被质点吸附，聚沉能力也就越弱，被质点吸附，聚沉能力也就越弱，因此这类顺序与离子水化半径由小到大的次序因此这类顺序与离子水化半径由小到大的次序大致相同大致相同。H+Cs+Rb+NH4+K+Na+Li+F-IO3-BrO3-Cl-Br-NO3-I-CNS-OH-第91页/共106页 具有具有相同电性的不同离子，聚沉能力也不相同相同电性的不同离子，聚沉能力也不相同。4.6 溶胶的稳定性和聚沉作用溶胶的稳定性和聚沉

48、作用 电解质对电解质对溶胶聚沉的溶胶聚沉的影响影响通常同电性离子的价数越高，则电解质的聚沉能力越低，这可能是与这些同电通常同电性离子的价数越高，则电解质的聚沉能力越低，这可能是与这些同电性离子的吸附有关。性离子的吸附有关。这是由于有机离子具有较强的这是由于有机离子具有较强的van der Waals力来吸引胶粒，致使发生聚沉，特力来吸引胶粒，致使发生聚沉，特别是一些高分子絮凝剂的表面活性物质及聚酰胺类化合物。别是一些高分子絮凝剂的表面活性物质及聚酰胺类化合物。有机化合物的离子都有很强的聚沉能力有机化合物的离子都有很强的聚沉能力。第92页/共106页4.6 溶胶的稳定性和聚沉作用溶胶的稳定性和聚

49、沉作用 混合电解质对混合电解质对溶胶聚沉的溶胶聚沉的影响影响l混混合合电电解解质质对对胶胶体体发发生生聚聚沉沉时时，分分三三种种情情况况，即即加加合作用、对抗作用和敏化作用。合作用、对抗作用和敏化作用。加加合合作作用用 混混合合电电解解质质的的聚聚沉沉能能力力为为各各电电解解质质聚聚沉沉能能力之和力之和 对对抗抗作作用用 混混合合电电解解质质的的聚聚沉沉力力小小于于各各电电解解质质聚聚沉沉能能力之和力之和 敏敏化化作作用用 混混合合电电解解质质的的聚聚沉沉力力小小于于各各电电解解质质聚聚沉沉能能力之和力之和第93页/共106页当两种带相反电荷的溶胶所带电量相等时，相互混合也会发生聚沉当两种带相

50、反电荷的溶胶所带电量相等时，相互混合也会发生聚沉。明矾净水原理明矾净水原理:水中含有泥沙等污物的负溶胶，加入水中含有泥沙等污物的负溶胶，加入KAl(SO4)2在水中水解生在水中水解生成成Al(OH)3正溶胶。在适当量下，发生相互聚沉。正溶胶。在适当量下，发生相互聚沉。与加入电解质情况不同的是，当两种溶胶的用量恰能使其所带电荷的量相与加入电解质情况不同的是，当两种溶胶的用量恰能使其所带电荷的量相等时，才会完全聚沉，否则会不完全聚沉，甚至不聚沉。等时，才会完全聚沉，否则会不完全聚沉，甚至不聚沉。4.6 溶胶的稳定性和聚沉作用溶胶的稳定性和聚沉作用 溶胶的相互聚沉作用溶胶的相互聚沉作用第94页/共1