分散体系

第一部分分散体系•基本要求：•1理解胶体分散系统的特点与分类和一些基本概念（亲液溶胶、增液溶胶、丁达尔效应、布朗运动、电泳、电渗、流动电势、沉降电势、ζ电势、聚沉值、感胶离子序）。•2了解胶体分散系统的基本性质（光学性质、动力性质、电学性质），掌握雷利公式，理解扩散双电层理论，准确区分热力学电势与动电势。•3掌握胶团结构的表示式及溶胶稳定的原因，了解DLVO理论，理解电解质和高分子溶液对溶胶的稳定作用。•重点与难点：•扩散双电层理论，区分热力学电势与动电势，胶团结构及溶胶稳定性。三、分散体系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，被分散的物质称为分散相，另一种物质称为分散介质。例如：云、牛奶、珍珠1、分散相与分散介质分类体系通常有三种分类方法：•分子或离子体系•胶体分散体系•粗分散体系按分散相粒子的大小分类：按分散相和介质的聚集状态分类：•液溶胶•固溶胶•气溶胶按胶体溶液的稳定性分类：•憎液溶胶（溶胶）•亲液溶胶（高分子溶液）2、分散体系分类（1）按分散相粒子的大小分类1）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，是均匀的单相，分子直径小于1nm。通常把这种体系称为真溶液，如CuSO4溶液。2）胶体分散体系分散相粒子直径在1nm~100nm之间的体系。目测是均匀的，但实际是多相不均匀的体系。3）粗分散体系分散相粒子直径大于100nm，目测是混浊不均匀的体系，放置后会沉淀或分层，如黄河水。（2）按胶体溶液的稳定性分类1）溶胶直径在1nm~100nm之间的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，分散相与分散介质不同相，是热力学上的不稳定体系。一旦将介质蒸发掉，再加入介质就无法再形成溶胶，是一个不可逆体系，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。2）高分子溶液直径落在胶体粒子范围内的高分子溶解在合适的溶剂中，一旦将溶剂蒸发，高分子化合物凝聚，再加入溶剂又可形成溶胶，分散相与分散介质同相，亲液溶胶是热力学上稳定、可逆的体系。3）缔合胶体（有时也称为胶体电解质）分散相是由表面活性剂缔合而成的胶束。通常以水作为分散介质，胶束中表面活性剂的亲油基团向里，亲水基团向外，分散相与分散介质之间有很好的亲和性，因此也是一类均相的热力学稳定系统。按分散相和分散介质的聚集状态分类分散介质分散相名称例子固体固体固溶胶合金、有色玻璃液体凝胶珍珠气体固体泡沫馒头、泡沫塑料液体固体溶胶、悬浮液Fe(OH)3、泥浆液体乳状液牛奶、原油气体泡沫肥皂水气体固体气溶胶烟、高空灰尘液体气溶胶云、雾类型分散相粒子直径分散相性质、特点举例低分子分散系统(真溶液)小于1nm原子、分子、离子单相，热力学稳定，扩散快，光散射现象弱KCl、蔗糖水溶液、混合气体等大分子化合物溶液(亲液溶胶)1nm~100nm大分子均相，热力学状态稳定，可逆，光散射现象弱，扩散慢(真溶液)蛋白质、聚乙烯醇水溶液胶体分散系统(憎液溶胶)1nm~100nm原子或分子的聚集体(胶核)多相，热力学状态不稳定，光散射现象明显，扩散慢，渗透压小，不可逆Fe(OH)3溶胶、AgI溶胶粗分散系统大于100nm粗颗粒微多相，热力学状态极不稳定光散射现象弱，扩散极慢黄河水按分散相粒子的大小分类第1节胶体的制备和净化胶体体系分子或离子分散体系粗分散体系分散法凝聚法1-100nm大于100nm小于1nm一、胶体制备的一般条件2、分散相在介质中的溶解度必须极小；3、必须有稳定剂存在。1、必须使分散相粒子的大小落在胶体分散体系的范围之内；制备方法大致可分为两类：1、分散法用机械、化学等方法使固体的粒子变小。2、凝聚法使分子或离子聚结成胶粒。二、胶体制备的方法1、分散法研磨法胶溶法电分散法超声分散法分散法（1）研磨法用机械粉碎的方法将固体磨细。这种方法适用于脆而易碎的物质，对于柔韧性的物质必须先硬化后再粉碎。例如，将废轮胎粉碎，先用液氮处理，硬化后再研磨。胶体磨的形式很多，其分散能力因构造和转速的不同而不同。转速约每分钟1万∼2万转。A为空心转轴，与C盘相连，向一个方向旋转，B盘向另一方向旋转。分散相、分散介质和稳定剂从空心轴A处加入，从C盘与B盘的狭缝中飞出，用两盘之间的应切力将固体粉碎，可得1000nm左右的粒子。盘式胶体磨（2）胶溶法在某些新生成的沉淀的中，加入适量的电解质，或置于某一温度下，使沉淀重新分解成溶胶，例如：AgCl(新鲜沉淀）AgCl(溶胶）AgNOKCl3加或Fe(OH)3（新鲜沉淀）Fe(OH)3(溶胶）3FeCl加（3）超声分散法这种方法目前只用来制备乳状液。如图所示，将分散相和分散介质两种不混溶的液体放在样品管4中。样品管固定在变压器油浴中。在两个电极上通入高频电流，使电极中间的石英片发生机械振荡，使管中的两个液相均匀地混合成乳状液。超声分散法电分散法主要用于制备金、银、铂等金属溶胶。制备过程包括先分散后凝聚两个过程。（4）电分散法将金属做成两个电极，浸在水中，盛水的盘子放在冷浴中。在水中加入少量NaOH作为稳定剂。制备时在两电极上施加100V左右的直流电，调节电极之间的距离，使之发生电火花，这时表面金属蒸发，是分散过程，接着金属蒸气立即被水冷却而凝聚为胶粒。电分散法凝聚法物理凝聚法化学凝聚法过饱和法蒸气凝聚法2、凝聚法（1）物理凝聚法A.过饱和法利用物质在不同溶剂中溶解度的显著差别来制备溶胶，而且两种溶剂要能完全互溶。例1.松香易溶于乙醇而难溶于水，将松香的乙醇溶液滴入水中可制备松香的水溶胶。例2.将硫的丙酮溶液滴入90℃左右的热水中，丙酮蒸发后，可得硫的水溶胶。将汞的蒸气通入冷水中就可以得到汞的水溶胶。4—金属钠，2—苯,5—液氮B.蒸气凝聚法罗金斯基等人利用下列装置，制备碱金属的苯溶胶先将体系抽真空，然后适当加热管2和管4，使钠和苯的蒸气同时在管5外壁凝聚。除去管5中的液氮，凝聚在外壁的混合蒸气融化，在管3中获得钠的苯溶胶。（2）化学凝聚法通过各种化学反应使生成物呈过饱和状态，使初生成的难溶物微粒结合成胶粒，在少量稳定剂存在下形成溶胶，这种稳定剂一般是某一过量的反应物。A.还原法主要用来制备各种金属溶胶Au3++单宁（还原剂）Au溶胶Ag++单宁（还原剂）Ag溶胶B.氧化法用氧化剂制备硫溶胶。例如：2H2S+O2→2S(硫溶胶）+2H2OD.复分解法常用来制备盐类的溶胶。例如：AgNO3（稍过量）+KI→AgI(溶胶）+KNO3C.水解法多用来制备金属氢氧化物溶胶。例如：FeCl3（稀）+3H2O（热）→Fe(OH)3（溶胶）+3HCl1、溶胶净化的原因用凝聚法制得的溶胶都是多分散性的，即体系中含有大小不等的各类粒子，其中有一些可能会超出胶体颗粒的范围。而用化学法制得的溶胶通常都含有较多的电解质，虽然适量的电解质可以作为溶胶的稳定剂，但过多电解质又会降低溶胶的稳定性。因此，欲得比较纯净、稳定的溶胶，必须将制得的溶胶加以净化。三、溶胶的净化2、净化的方法溶胶中的粗粒子，可以通过过滤、沉降或离心的办法将其除去。过多的电解质，必须用渗析的办法除去。净化的方法粗粒子：过滤、沉降、离心过多的电解质：渗析渗析主要是利用羊皮纸或由火棉胶制成的半透膜，将溶胶与纯分散介质隔开，这是因为这种膜的孔隙很小，它仅能让小分子或离子通过，而胶粒不能通过。渗析时把要净化的溶胶装入半透膜袋内，然后连袋浸入蒸馏水中，进行渗析。利用浓差因素，多余的电解质离子不断向膜外渗透，经常更换溶剂，就可以净化半透膜容器内的溶胶。如搅拌溶胶或适当加热则可加快渗析。渗透它是借半透膜将溶液(浓相)和溶剂(如水)隔开，此膜只允许溶剂分子通过，而胶粒或溶质不能通过，此现象称为渗透，最后渗透会达到平衡并产生一定的渗透压△π，若渗透平衡时在浓相一侧施加外力P(且P大于△π)，则浓相中的溶剂分子将向稀相迁移，故称反渗透。思考题：腌制咸鸭蛋是渗析还是渗透，为什么？四、单分散溶胶、超细颗粒、纳米材料定义第2节溶胶的运动性质一、Brown运动(Brownianmotion)1827年，英国植物学家布朗(Brown)在显微镜下观察到悬浮在水中的花粉粉末(粒子)不停地作无规则的运动。后来又发现许多其它微粒如煤、化石、金属等的粉末也都有类似的现象，人们称微粒的这种运动为布朗运动。1903年发明了超显微镜，为研究布朗运动提供了物质条件。用超显微镜可以观察到溶胶粒子不断地作不规则“之”字形的运动，从而能够测出在一定时间内粒子的平均位移。通过大量观察，得出结论：粒子越小，布朗运动越激烈。其运动激烈的程度不随时间而改变，但随温度的升高而增加。二、Brown运动的本质1905年和1906年爱因斯坦(Einstein)和斯莫鲁霍夫斯基(Smoluchowski)分别阐述了布朗运动的本质。认为布朗运动是分散介质分子以不同大小和不同方向的力对胶体粒子不断撞击而产生的，由于受到的力不平衡，所以胶粒以不同方向、不同速度作连续不规则运动。随着粒子增大，撞击的次数增多，而作用力抵消的可能性亦大。当半径大于5m，布朗运动消失。式中为观察时间t内粒子沿x轴方向的平均位移；xr为胶粒的半径；NA为阿伏加德罗常数。此式常称为“爱因斯坦布朗运动”公式。爱因斯坦认为，溶胶粒子的布朗运动与分子运动类似，假设粒子是球形的，运用分子运动论的一些基本概念和公式，得到布朗运动的公式为：η为介质的粘度；溶胶中的粒子和溶液中的溶质分子一样，总是处在不停地、无秩序的运动之中。从分子的角度看，胶粒的运动和分子运动并无本质的区别，它们都符合分子运动理论，不同的是胶粒比一般分子大得多，故运动强度小。三、扩散1、扩散的本质由于布朗运动是无规则的，因而就单个质点而言，它们向各方向运动的几率相等，但在浓度较高的区域，由于单位体积内的质点数较周围多，因而必定是“出多进少”，使浓度降低，而低浓度区域则相反，这就表现为扩散，所以扩散是布朗运动的宏观表现，而布朗运动是扩散的微观基础，当然扩散过程也是自发过程。胶粒也有热运动，因此也具有扩散和渗透压，只是溶胶的浓度较稀，这种现象很不显著。如图所示，在CDFE的桶内盛有溶胶，在某一截面AB的两侧溶胶的浓度不同，C1C2。由于分子的热运动和胶粒的布朗运动，可以观察到胶粒从C1区向C2区迁移的现象，这就是胶粒的扩散作用。2、斐克第一定律如图所示，设任一平行于AB面的截面上浓度是均匀的，但水平方向自左至右浓度变稀，梯度为。ddcx设通过AB面的扩散的量为m，则扩散速度为，它与浓度梯度和AB截面积A成正比。这就是斐克第一定律。式中D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。用公式表示为：式中负号表示扩散发生在浓度降低的方向，0，而0。由以上介绍可知：就体系而言，浓度梯度越大，胶体粒子扩散越快；就胶体粒子而言，半径越小，扩散能力越强，扩散速度越快。溶胶是高度分散体系，胶粒一方面受到重力的吸引而下降，另一方面由于布朗运动引起的扩散(扩散力)促使浓度趋于均一。四、沉降与沉降平衡沉降与扩散为一对矛盾的两个方面沉降扩散分散相分布真溶液均相粗分散系统沉于底部胶体系统平衡形成浓梯当这两种相反的作用力相等时，粒子的分布达到平衡，这种平衡称为沉降平衡。例试计算离地面137km高处的大气压力多少（设温度为-70℃，空气的平均分子量为29）？因为胶体粒子的布朗运动与气体分子的热运动实质上相同，因此胶粒浓度随高度变化的分布规律也可用式(1)的形式加以描述，但为使其适用于胶体体系，需要进行以下几点修正：1)式(1)中的压力比Ph/P0即为气体分子的浓度比，对胶体来说即为不同高度处的胶粒浓度比n2/n1;2)M在此为胶粒的“摩尔质量”；3)h表示胶粒浓度为n1和n2两层间的距离，即h=x2-x1。某金溶胶在298K时达沉降平衡，在某一高度粒子的浓度为8.89×108m－3，在上升0.001m粒子浓度为1.08×108m－3。设粒子为球形,金的密度为1.93×104kg/m3，水的密度为1.0×103kg/m3，试求：1)胶粒的平均半径及平均摩尔质量；2)使粒子的浓度下降一半，需上升的高