1-第一讲绪论胶体的制备与性质

界面化学主讲:王业飞第一讲本课程使用教材：《胶体与表面化学》第二版，沈钟、王果庭编著，化学工业出版社，1997年9月。参考教材：1.《表面化学》，顾惕人、朱步瑶、李外郎等编著，科学出版社，1999年。2.《应用胶体化学》，侯万国、孙德军、张春光编著，科学出版社，1998年。3.《表面活性剂物理化学》，赵国玺编著，北京大学出版社，1984年1月。一、什么是胶体二、胶体与表面化学研究的内容三、胶体化学发展简史绪论一、什么是胶体胶体科学：研究分散相为微小颗粒分散体系的科学。胶体溶液：分子或离子分散体系，分子直径1nm粗分散体系（悬溶液）：大颗粒，分子直径100nm胶体：分子直径1~100nm（10-9~10-7m）一、什么是胶体胶体的８种存在形式分散介质分散相气态液态固态气态？云雾青烟高空灰尘液态泡沫乳状液金溶胶牙膏固态冰激凌泡沫塑料水凝胶合金＼红宝石分散介质为液体的胶体体系称为液溶胶或溶胶(sol)；水溶胶；固溶胶；气溶胶。按分散介质和分散相的不同，胶体可以表现为多种８种不同的形式。多相体系2或2以上物质存在的特殊状态。一般经常研究的为溶胶(憎液胶体)：具有大的表面积，居于多相的不稳定体系。此外还有一类：高分子溶液(亲液胶体)。一、什么是胶体二、胶体与表面化学研究的内容三、胶体化学发展简史绪论二、胶体与表面化学研究的内容研究内容胶体化学表面化学胶体体系特点：具有大表面，表面现象多。可以说表面化学是胶体化学的一个分支。胶体（溶胶、泡沫、乳状液……）高分子溶液表面活性剂溶液吸附、润湿等表面现象表面活性剂溶液二、胶体与表面化学研究的内容现代胶体科学的研究内容研究对象研究内容体系理论分散体系分散体系的形成与稳定光学性能流变性能纳米材料气溶胶憎液胶体亲液胶体粗分散体系(乳状液、泡沫）智能流体，电流变液磁流变体单分散、单一形状颗粒纳米颗粒的有续排列气溶胶理论成核理论，DLVO理论高聚物溶液理论光吸收与光散射理论理论与现象流变学颗粒相互作用理论二、胶体与表面化学研究的内容现代胶体科学的研究内容研究对象研究内容体系理论界面现象吸附现象界面电现象界面层结构液-固界面气-液界面液-液界面液-固界面各种吸附理论双电层理论界面光谱学与显微术能谱,扫描探针显微镜,激光拉曼等方法研究,界面分子定向,界面化学反应,界面力研究有序组合体溶液中有序分子组合体生物膜与仿生膜有机无机混合膜有序组合体中的物理化学反应胶束、微乳液、泡囊等BLM膜,LB膜,脂质体,液晶,分形体等夹心结构,溶胶-凝胶膜等分子间相互作用力(氢键,范德华力,分子形状,弯曲能,相图)液晶理论,类脂体与蛋白质的相互作用,分形理论增溶现象,胶束催化,定向合成一、什么是胶体二、胶体与表面化学研究的内容三、胶体化学发展简史绪论三、胶体化学发展简史胶体化学是一门古老而年轻的学科；1861年英国科学家ThomasGraham创始；早期研究的油墨、土粒的电泳、花粉的布朗运动。随着实验技术的不断发展，胶体化学正跃进了一大步。我国1954年，北大院士傅鹰建立胶体化学教研室南京大学戴安邦院士筹建胶体化学专业。1983年首届胶体与界面化学学术会议，2007年第11届，首次承办世界胶体科学会议（第12届）。2006北京三、胶体化学发展简史胶体化学的应用1.油田开发：钻井液（稳定、絮凝、解卡、消泡……）；稠油乳化降粘开采；原油脱水与破乳；污水处理；微乳液与三次采油……2.农业：土壤中的离子交换；农药乳化与分散……3.生物学和医学：生物流变学；血液学；渗透与膜；病毒、蛋白质；制药与药理学……4.日用品：洗涤剂、化妆品、乳制品、胶囊制品……5.轻工业：表面处理、陶瓷、涂料……6.环境科学：水净化、人工降雨……7.分析化学：离子交换，胶束增溶……8.材料：水泥、合金、液晶……9.海洋科学：海水淡化膜……第一章胶体的制备与性质一、分散法二、凝聚法三、单分散溶胶四、超细颗粒五、颗粒粒度分布及其测定胶体的制备分散法胶体的制备凝聚法超声波分散法研磨胶溶法化学凝聚法物理凝聚法第一章胶体的制备与性质一、分散法1.研磨使用球磨机和胶体磨。如硫磺、水、表面活性剂制得疏水胶体分散体，是一种农药，可防治农作物的红蜘蛛等，硫磺的粒度越小，药效越好。分散法在工业上有应用。2.超声波分散法广泛用于实验室制备乳化液。如右图在电极上加高频高压交流电，使石英片发生同频机械振荡，此高频机械波经变压器油传入试管内后，即产生相同频率的疏密交替波，对分散相产生很大的撕碎力，从而使分散相均匀分散。图1-1超声波乳化分散原理图1-石英片；2-电极；3-变压器油；4-盛分散体系的试管一、分散法3.胶溶法如许多不溶性沉淀，当加入少量某种可溶性物质或洗去体系中过多的电解质时，能自动地分散变成胶体。这种使沉淀变成胶体的方法叫做胶溶法。所加可溶性物质叫胶溶剂，这个过程叫胶溶作用。如：新生成的Fe(OH)3沉淀+稀FeCl3→Fe(OH)3溶胶(棕红色)。原因：沉淀颗粒吸附Fe3+离子带正电荷。如：新生成的Fe(OH)3沉淀+适量稀FeCl3→Fe(OH)3溶胶。原因：加入的胶溶剂能和颗粒表面分子发生反应，生成可溶性化合物。如：AlCl3+MgCl2中加入稀氨水，形成混合金属氢氧化物沉淀(MMH)，用水洗涤沉淀，并放置一定时间，沉淀即可胶溶。吸附法表面溶解法沉淀洗涤法胶溶法的表现形式二、凝聚法由分子或离子分散聚集成胶体粒子的方法。如过饱和溶液或过饱和蒸汽在适当条件下，分离出新相从而形成胶体的方法。它可以获得高分散的溶胶。1.化学凝聚法二、凝聚法由分子或离子分散聚集成胶体粒子的方法。如过饱和溶液或过饱和蒸汽在适当条件下，分离出新相从而形成胶体的方法。它可以获得高分散的溶胶。2.物理凝聚法物理凝聚溶液结晶即先形成晶核，晶核成长为晶体。晶核的生成速度V1，晶核的成长速度V2。若V1V2，则溶液中形成大量晶核，所得粒子的分散度较大，有利于形成溶胶。若V2V1，所得晶核极少，而晶核成长速度很快，故粒子得以长大并产生沉淀。三、单分散溶胶所谓单分散胶体就是颗粒的大小、形状和化学组成完全一致的溶胶，一般制得溶胶均是多分散性的。在合适的条件下，可制得均匀溶胶，为形状和组成一样，但大小分布十分狭窄的溶胶体系。单分散胶体的应用溶胶稳定性研究光散射研究流变学研究其它性能优异的工业应用基准标准粒子三、单分散溶胶单分散胶体的制备影响因素复杂：如试剂纯度和浓度、pH值、老化时间、老化温度、添加剂性质与浓度、搅拌方式、容器清洁程度等，所以实验重演条件苛刻。单分散胶体制备原则3.尽量选择晶粒的生长由扩散控制的体系2.避免颗粒聚结1.使晶核的形成期与生长期分开4.储存溶质，在生长过程中缓缓释放，以保持适当的过饱和度三、单分散溶胶单分散胶体制备原则1.使晶核的形成期与生长期分开晶核的生成速度:晶核的成长速度:C——分散相的浓度；S——分散相在介质中的溶解度，(C－S)则为过饱和度，(C－S)/S为相对过饱和度浓度，K为比例系数。D——扩散系数。三、单分散溶胶单分散胶体制备原则1.使晶核的形成期与生长期分开控制过饱和度（C-S）将晶核的形成期和生长期分开（1）爆发性生核法在一段时间内生成大量的核（V1V2），以后不再生成核，只有生长过程（V1V2），这样得到的胶体颗粒大小均一。（2）种晶法在浓度低于最小成核浓度的体系中加入预先制备好的分散程度极高的胶粒作晶种，让溶质在晶种上缓慢沉积，从而得到单分散溶胶。三、单分散溶胶单分散胶体制备原则2.避免颗粒聚结颗料间接触时经常发生粘附，有时还会发生接触重结晶，即溶质从颗粒的其它部位溶解，而在接触点处沉积，从而使颗粒接合在一起。显然避免颗粒聚结对制备单分散胶体十分重要。常用以下方法：（1）利用颗粒周围双电层的排斥作用；（2）利用凝胶结构或微孔液结构；（3）使用保护剂，如水溶性高分子或表面活性剂，它们吸附在颗粒表面上，阻止颗粒间的聚结。三、单分散溶胶单分散胶体制备原则3.尽量选择晶粒的生长由扩散控制的体系溶质在颗粒上的沉积过程可分为两步：其一是溶质向界面的扩散，其二是溶质在界面反应，从而沉积在界面上，速度慢的一步就是晶粒生长控制步骤。因为扩散控制生长时，生长速度随颗粒的增大而变慢，即颗粒大的生长慢，颗粒小的生长快，这样的颗粒大小分布将随颗粒的生长而变窄；界面反应控制生长时，生长速度与颗粒大小无关。三、单分散溶胶单分散胶体制备原则4.储存溶质，在生长过程中缓缓释放，以保持适当的过饱和度例如，用柠檬酸、EDTA等和高价金属离子形成结合物，使大量的金属离子以络合物的形式存在于溶液中，在生长阶段，络合物逐渐地释放金属离子，保持适当的过饱和度，以避免生核和聚结。利用络合物来制备单分散胶体被认为是最有前途的技术之一。四、超细颗粒10-9～10-7m（1nm-100nm）的固体粒子称为超细颗粒(Ultrafineparticle)，但此定义还有不同见解。材料科学上称为超细粉末(Ultrafinepowerder，UFP)。由于粒径很小，在晶体结构、表面特性和电子结构等方面和块状物质明显不同，从而能量显示出优异的特性。在工业中获得了广泛的应用，如高效催化剂、电子材料、精密陶瓷原材料、医药等。与纳米技术一样，成为各国高科技竞争的热点之一。五、颗粒粒度分布及其测定沉降天平示意图1.重力沉降法适用于分散度不高的体系（85nm）2/102/12/10])(29[)(])(29[gKthkgvr粒子半径r与沉降速度v的关系式为：五、颗粒粒度分布及其测定1.重力沉降法对于多分散体系，沉降曲线是抛物线形状。通过不同时间所对应的点作切线，得到各个时间的切线在纵坐标上的截距w。理论分析证明，时间间隔Δti(ti+1-ti)所对应的截距差就为ΔWi(Wi+1-Wi)是半径为ri微分的重量，沉降的总重量为W，把ti代入上式得出ri，则ΔWi就为粒径为ri级分的重量，其百分含量为：100)/(iiWWx测定过程中不断称量t时间内的沉淀重量w，用沉淀重量w对沉降时间t作图得沉降曲线。五、颗粒粒度分布及其测定1.重力沉降法以xi对ri作图，得到粒度微分分布曲线。以小于和等于某一粒径的粒子百分含量对ri作图，可得到积分分布曲线。五、颗粒粒度分布及其测定2.离心分析法适用于高分散度体系通过测定光透过率I随时间的变化，可得到粒子浓度的变化，根据粒子在离心场中的沉降方式，可推导出下式：niiiiiiiiIkrIkrWf1lg)/(lg)/()(f(wi)为重基频率，表示某一时刻，粒径为ri颗粒移去的重量与溶液中全部粒子重量之比；ki为消光分数。五、颗粒粒度分布及其测定2.离心分析法根据stokes公式，在离心力作用下，沉降时间与粒径的关系为：12220lg)(05.1RRrNtR1——旋转轴离液面的距离；R2——旋转轴离光照线的距离；N——转速。根据Δti(ti+1-ti)和相应的ΔlgIi(lgIi+1-lgIi)，可得出粒径为)2(i1iirrr的级分的百分含量f(wi)，作f(wi)～ri图即得粒度分布曲线。这些数据的处理可通过计算机完成。目前，也常用最先进的属激光粒度分析仪。