第二章 胶体溶液及表面现象

无机化学1第二章胶体溶液及表面现象本章学习重点：概念的理解。无机化学2主要内容第一节溶胶第二节高分子化合物溶液第三节凝胶第四节物质的表面现象无机化学3第一节溶胶胶体分散系包括溶胶、高分子溶液和缔合胶体三类。胶体的分散相的粒子的大小为1~100nm，可以是一些小分子、离子或原子的聚集体，也可以是单个的大分子。分散介质可以是液体、气体，或是固体。无机化学4分散介质分散相名称实例气体液体气溶胶雾气体固体气溶胶烟液体气体泡沫胶生奶油液体液体乳状液牛奶液体固体溶胶油漆，细胞液固体气体泡沫浮石固体液体凝胶果冻固体固体固体溶胶红宝石玻璃无机化学5一、溶胶的性质（一）胶粒对过滤器的通透性滤纸孔径1000-5000nm瓷板孔径100nm无机化学6Tyndall现象令一束聚焦的光束通过溶胶，则从侧面可以看到一个发光的圆锥体，这种现象称为Tyndall效应(Tyndalleffect)，又称乳光现象。（二）溶胶的光学性质---丁铎尔现象无机化学7无机化学8d略小于λ或接近于λdλdλ光波环绕胶粒向各个方向散射，成为散射光或称乳光。丁达尔现象的应用：区分真溶液、悬浊液和溶胶。真溶液，悬浊液均无明显的丁达尔现象，故丁达尔现象是区分真溶液、悬浊液和溶胶的最简便的方法。无机化学9(三)溶胶的动力学性质1.布朗运动与扩散用超显微镜观察溶胶时，可以观察到胶体粒子在介质中作不规则运动，称为Brown运动。无机化学10原因：一是溶胶粒子受到分散介质分子不均匀的撞击时，合力未完全抵消引起的；二是溶胶粒子自身的热运动引起的。特点：①粒子愈小，温度愈高，布朗运动愈剧烈；且其运动的剧烈程度不随时间而改变。②其它微粒也有类似现象。扩散：当溶胶中的胶粒存在浓度差时，胶粒将从浓度大的区域向浓度小的区域移动，称为扩散(diffusion)。扩散现象是由胶粒的布朗运动引起的。无机化学112.沉降平衡沉降：分散相粒子在重力作用下渐渐向容器底部降落的现象称为沉降(sedimentation)。沉降平衡：胶体分散系一方面粒子受到重力而下降，而另一方面由于布朗运动引起的扩散作用而向上，当沉降速度等于扩散速度时，溶胶体系就处于平衡状态，这种平衡称为沉降平衡。沉降平衡时，粒子的分布达到平衡，形成一定的浓度梯度(底部浓度最大，随着高度的增加，粒子浓度逐渐降低)。无机化学12（四）溶胶的电学性质1.电泳和电渗向U形管中注入有色溶胶，在液面上加NaCl溶液，两相之间有一清晰的界面。插入电极，通直流电后，可看到负极一端有色溶胶液面下降，而正极一端液面上升，表明溶胶向正极移动。这种在外电场作用下，胶粒在介质中定向移动的现象，称为电泳。无机化学13意义：电泳现象可以说明胶粒带电荷，并且根据电泳方向可以确定胶粒带何种电荷。大多金属氢氧化物溶胶的胶粒带正电—称为正溶胶。大多数金属硫化物溶胶、硅胶、金、硫等带负电—称为负溶胶。无机化学14电渗：在外电场的作用下，液体介质通过多孔隔膜向带相反电荷的电极方向移动的现象称为电渗。若胶粒带正电荷，介质必然带负电荷而向正极移动。意义：通过电渗管刻度支管中液面的升降，判断液体介质的移动方向及介质所带的电荷符号。无机化学152.胶粒带电的原因（1）胶核界面的选择性吸附：胶粒能从分散介质中选择性的吸附一种离子，使其本身带有电荷。胶核常选择性的吸附组成与其相似的离子。例：制备Fe(OH)3溶胶，反应为：FeCl3+3H2OFe(OH)3+3HCl沸腾部分Fe(OH)3与HCl作用：Fe(OH)3+HClFeOCl+3H2OFeO++Cl-FeOClFe(OH)3胶核就吸附与其组成相似的FeO+而带正电荷。无机化学16（2）胶粒表面分子的解离例：硅胶的胶核由许多xSiO2·yH2O分子组成，表层分子与H2O作用生成硅酸：H2SiO3HSiO3-+H+硅酸电离出的H+扩散到介质中去，SiO32-则留在胶核表面，结果使胶粒带负电荷。HSiO3-SiO32-+H+无机化学17胶团结构示意图3.胶团的结构---双电层结构胶核吸附层扩散层胶粒胶团无机化学181.m个Fe(OH)3分子聚成的固体粒子---胶核。[Fe(OH)3]m2.胶核选择性吸附：nFeO+离子，带正电。3.静电作用，吸附少量Cl-,(n-x)Cl-吸附层：nFeO+·(n-x)Cl-胶核与吸附层组成胶粒。n﹥x，胶粒带x正电荷。4.据呈电中性的要求，胶粒仍然要吸附Cl-，这部分Cl-借助于扩散作用分布于离胶核较远处形成扩散层:xCl-。与胶粒带相反电荷的离子，称反离子。无机化学19｛[Fe(OH)3]m·nFeO+·(n-x)Cl-｝x+·xCl-胶核胶粒胶团（电中性）吸附层扩散层由吸附层和扩散层构成的电性相反的两层结构称为胶团的双电层结构。无机化学20练习：将10.0mL0.005mol·L-1AgNO3溶液和10.0mL0.002mol·L-1KBr溶液混合制备AgBr溶胶。写出该溶胶的胶团结构。解：n(Ag+)=0.005mol·L-1×10.0mL=0.05mmoln(Br－)=0.002mol·L-1×10.0mL=0.02mmol由于n(Ag+)n(Br－)，AgNO3溶液过量，胶核(AgBr)m优先吸附Ag+形成带正电荷的胶粒。胶团的结构为：[(AgBr)m·nAg+·(n-x)NO3－]x+·xNO3-无机化学21｛[AgBr]m·nBr-·(n-x)K＋｝x－·xK＋胶核胶粒胶团吸附层扩散层同理，可以写出AgBr溶胶的胶团结构式(KBr过量):无机化学22练习：1.在AgNO3溶液中加入过量的KI溶液，得到溶胶的胶团结构可表示为（）A.[(AgI)m·nI-·(n-x)K+]x-·xK+B.[(AgI)m·nNO3-·(n-x)K+]x-·xK+C.[(AgI)m·nAg+·(n-x)I-]x－·xK+D.[(AgI)m·nAg+∙(n-x)NO3-]x+∙xNO3-E.[(AgI)m·nAg+·(n-x)NO3-]x+·xI-2.混合AgNO3和KI溶液制备AgI负溶胶时，AgNO3和KI间的关系应是（）A.c(AgNO3)c(KI)B.V(AgNO3)V(KI)C.n(AgNO3)n(KI)D.n(AgNO3)=n(KI)E.n(AgNO3)n(KI)答案：A、E无机化学23二、溶胶的稳定性和聚沉稳定性---溶胶是热力学上的不稳定体系，其稳定性因素主要是胶粒带电和水化膜的存在。胶粒都带有相同符号的电荷，胶粒之间相互排斥，阻止两胶粒合并变大；另外胶粒吸附层中的离子对水分子有吸引力，吸附的水分子在胶粒表面形成一层水化膜，阻止了胶粒之间的聚结。因此溶胶中的胶粒能相对稳定地存在。聚沉---当胶粒的动能增大到能克服这种静电斥力时，胶粒间就会相互碰撞合并，粒子增大到布朗运动克服不了重力作用时就出现聚沉。无机化学24促使溶胶聚沉的主要方法：（一）加入强电解质原理：一是加入的强电解质解离出的离子破坏了双电层结构，胶粒失去了静电保护作用；二是强电解质离子具有很强的溶剂化作用，破坏了胶粒表面的水化膜。注意：电解质对溶胶的聚沉作用取决于与胶粒带有相反电荷的离子，即反离子。电解质对溶胶的聚沉作用与反离子所带电荷的多少有关。无机化学（1）一般地，离子电荷越高，对溶胶的聚沉能力就越强。这个规律叫做哈迪-叔尔采规则。一价、二价、三价反离子的临界聚沉浓度之比：(1/1)6:(1/2)6:(1/3)6=100:1.8:0.14（2）同价反离子的聚沉能力虽相差不大，其聚沉能力随着离子水合半径的减小而增加。如:一价正离子(对负溶胶)聚沉能力：H+﹥Cs+﹥Rb+﹥NH4+﹥K+﹥Na+﹥Li+一价负离子(对正溶胶)聚沉能力：F-﹥Cl-﹥Br-﹥I-﹥OH-无机化学26（二）加入带相反电荷的溶胶带相反电荷的溶胶有相互聚沉能力。例如，用明矾净水。（三）加热加热增加了胶粒的运动速度和碰撞机会，同时降低了它对离子的吸附作用，从而降低了胶粒所带电荷的电量和水化程度，使溶胶在碰撞中聚沉。例如：As2S3溶胶加热至沸，析出淡黄色As2S3沉淀。无机化学271.下列四种电解质对某种AgCl溶胶的临界聚沉浓度（mmol·L-1）分别是：NaNO3(300)，Na2SO4（295），MgCl2(25)，AlCl3(0.5)，则该种AgCl溶胶的类型和胶粒所带电荷的电性分别是（）A.正溶胶、正电性B.正溶胶、负电性C.中性溶胶、电中性D.负溶胶、正电性E.负溶胶、负电性答案：E无机化学282.溶胶具有相对稳定性的原因是（）A.布朗运动B.带有相同电荷的胶粒间的静电斥力C.胶粒表面水合膜的保护作用D.A、B和C3.现有甲、乙、丙、丁和Fe(OH)3五种溶胶，把甲与丙、乙与丁、丙与丁、丙与Fe(OH)3溶胶两两混合，均发生聚沉现象，那末，胶粒带负电荷的溶胶是（）A.甲和乙B.乙和丙C.甲和丁D.甲和丙E.乙和丁答案：D、B无机化学294.某溶胶在电泳时胶粒向阳极移动，将该溶胶分别加入到①蔗糖溶液②氯化钠溶液③硅酸溶胶④氢氧化铁溶胶中，不发生聚沉的是（）A.①和②B.②和③C.①和③D.①和④E.③和④答案：C5.胶体的本质特征是A.Tyndall现象B.胶粒带电C.胶粒直径为1～100nmD.布朗运动答案：C无机化学30第二节高分子化合物高分子化合物的相对分子质量很大，通常为104～106。它的许多性质都与相对分子质量大有关。可分为天然高分子(蛋白质、核酸、淀粉、糖元、纤维素)和合成高分子(塑料、橡胶等)。高分子化合物能自动分散到合适的分散介质中形成均匀的溶液，为均相系统，在热力学上是稳定的---与真溶液相似。粒子直径大小与溶胶相似---扩散速率慢，不能透过半透膜。无机化学31一、高分子化合物的概念高分子化合物概念：单个分子相对分子量在一万以上的大分子。蛋白质、核酸、糖原、存在体液中重要物质；人体肌肉、组织；又如天然橡胶等据来源可分为天然的和合成的无机化学32表2-1高分子溶液与溶胶性质的比较高分子溶液溶胶胶粒是单个的高分子化合物分散相与分散介质亲和力强均相分散系统，Tyndall现象不明显稳定系统，加入少量电解质无影响，加大量电解质凝聚粘度和渗透压较大胶粒由许多分子聚集而成分散相与分散介质亲和力小非均相分散系统，Tyndall现象明显不稳定系统，加入少量电解质后即可产生聚沉粘度和渗透压较小二、高分子化合物溶液的形成和特征无机化学33在溶胶中加入一定量的高分子，能显著提高溶胶的稳定性，这种现象称为高分子对溶胶的保护作用。原因是：高分子物质吸附在溶胶粒子表面，包围住胶粒，形成一层高分子保护膜，使其对介质的亲和力加强，阻止了胶粒之间的直接接触，从而增强了溶胶的稳定性。但有时，加入少量的高分子溶液，不但起不到保护作用，反而降低了溶胶的稳定性，甚至发生聚沉，这种现象称作敏化作用。原因是：浓度低时，无法将胶体颗粒表面完全覆盖，一个高分子长链可同时吸附多个胶粒，把胶粒聚集起来产生沉淀。三、高分子溶液对溶胶的保护作用和敏化作用无机化学34高分子物质对溶胶保护作用（a）和敏化作用（b）示意图无机化学35第三节凝胶高分子溶液粘度变大，失去流动性，形成有网状结构的半固态物质，称为凝胶（gel）。刚性凝胶：粒子间交联强，网状骨架坚固，若将其干燥，网孔中的液体可被驱出，凝胶的体积和外形无明显变化。弹性凝胶：由柔性高分子化合物形成，干燥后，体积明显缩小，有弹性，再放到合适的液体中，它又会溶胀变大，甚至完全溶解。无机化学36第四节物质的表面现象两相接触的分界面称为界面。若其中一相为气相，则称为表面。一切界面上发生的现象，统称为表面现象。无机化学37气相液体内部及表层分子受力情况示意图液相无机化学38一、表面张力和表面能表面张力：指向液体内部的引力把液体分子从其表面拉到内部，即表面的一种抵抗扩张的力。用σ表示，单位N/m。表面能：把分子从内部移往界面必须克服吸引力而消耗一定量的功，这个功称为表面能。sE无机化学39二、表面活性物质