物理化学电子教案—第十三章

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，在界面上形成了双电层的结构。早在1879年，Helmholz提出了平板型模型；§14.6双电层理论和电势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Stern模型。平板型模型Helmholtz认为固体的表面电荷与溶液中的反号离子构成平行的两层，如同一个平板电容器。整个双电层厚度为固体与液体总的电位差即等于热力学电势0，在双电层内，热力学电势呈直线下降。在电场作用下，带电质点和反离子分别向相反方向运动。这模型过于简单，由于离子热运动，不可能形成平板电容器。++++++++++Helmholtz双电层模型0----------扩散双电层模型Gouy和Chapman认为，由于正、负离子静电吸引和热运动两种效应的结果，溶液中的反离子只有一部分紧密地排在固体表面附近，相距约一、二个离子厚度称为紧密层；另一部分离子按一定的浓度梯度扩散到本体溶液中，离子的分布可用Boltzmann公式表示，称为扩散层。双电层由紧密层和扩散层构成。移动的切动面为AB面。Stern模型Stern对扩散双电层模型作进一步修正。他认为吸附在固体表面的紧密层约有一、二个分子层的厚度，后被称为Stern层；由反号离子电性中心构成的平面称为Stern平面。由于离子的溶剂化作用，胶粒在移动时，紧密层会结合一定数量的溶剂分子一起移动，所以滑移的切动面由比Stern层略右的曲线表示。Stern模型从固体表面到Stern平面，电位从0直线下降为。§14.7溶胶的稳定性和聚沉作用溶胶的稳定性影响聚沉作用的一些因素胶体稳定性的DLVO理论大意高分子化合物对溶胶的絮凝和稳定作用*DLVO理论的一种简化表示式溶胶的稳定性抗聚结稳定性胶粒之间有相互吸引的能量Va和相互排斥的能量Vr，总作用能为Va+Vr。如图所示：动力学稳定性由于溶胶粒子小，Brown运动激烈，在重力场中不易沉降，使溶胶具有动力稳定性。当粒子相距较大时，主要为吸力，总势能为负值；当靠近到一定距离，双电层重叠，排斥力起主要作用，势能升高。要使粒子聚结必须克服这个势垒。darVV0粒子间相互作用与其距离的关系曲线溶胶的稳定性胶粒表面因吸附某种离子而带电，并且此种离子及反离子都是溶剂化的，这样，在胶粒周围就形成了一个溶剂化膜（水化膜）。溶剂化层的影响水化膜中的水分子是比较定向排列的，当胶粒彼此接近时，水化膜就被挤压变形，而引起定向排列的引力又力图恢复原来的定向排列，这样就使水化膜表现出弹性，成为胶粒彼此接近时的机械阻力。水化膜中的水有较高的黏度，这也成为胶粒相互接近时的机械障碍。影响聚沉作用的一些因素1.电解质对于溶胶聚沉作用的影响聚沉值使一定量的溶胶在一定时间内完全聚沉所需电解质的最小浓度。从已知的表值可见，对同一溶胶，外加电解质的反号离子的价数越低，其聚沉值越大。聚沉能力是聚沉值的倒数。聚沉值越大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。影响聚沉作用的一些因素电解质的影响有如下一些规律：（1）聚沉能力主要决定于与胶粒带相反电荷的离子的价数异电性离子为一、二、三价的电解质，其聚沉值的比例约为：相当于1001.614::0.这表示聚沉值与异电性离子价数的六次方成反比。666111123::这一结论称为Schulze-Hardy规则。影响聚沉作用的一些因素（2）价数相同的离子聚沉能力也有所不同。例如不同的碱金属的一价阳离子所生成的硝酸盐对负电性胶粒的聚沉能力可以排成如下次序：不同的一价阴离子所形成的钾盐，对带正电的溶胶的聚沉能力则有如下次序：+4HCsRbHKNaLiN3FClBrNOI同价离子聚沉能力的这一次序称为感胶离子序。它与水合离子半径从小到大的次序大致相同。影响聚沉作用的一些因素（3）有机化合物的离子都有很强的聚沉能力，这可能与其具有强吸附能力有关。（4）电解质的聚沉作用是正负离子作用的总和。通常相同电性离子的价数愈高，则该电解质的聚沉能力愈低，这可能与这些相同电性离子的吸附作用有关。影响聚沉作用的一些因素（5）不规则聚沉在溶胶中加入少量的电解质可以使溶胶聚沉，电解质浓度稍高，沉淀又重新分散而成溶胶，并使胶粒所带电荷改变符号。如果电解质的浓度再升高，可以使新形成的溶胶再次沉淀。不规则聚沉是胶体粒子对高价异号离子的强烈吸附的结果。影响聚沉作用的一些因素2.胶体之间的相互作用将胶粒带相反电荷的溶胶互相混合，也会发生聚沉。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等时，才会完全聚沉，否则会不完全聚沉，甚至不聚沉。产生相互聚沉现象的原因是：可以把溶胶粒子看成是一个巨大的离子，所以溶胶的混合类似于加入电解质的一种特殊情况。影响聚沉作用的一些因素2.胶体之间的相互作用在憎液溶胶中加入某些大分子溶液，加入的量不同，会出现两种情况：当加入大分子溶液的量足够多时，会保护溶胶不聚沉，常用金值来表示大分子溶液对金溶胶的保护能力。金值越小，表明高分子保护剂的能力越强。影响聚沉作用的一些因素在加入少量大分子溶液时，会促使溶胶的聚沉，这种现象称为敏化作用。当加入的大分子物质的量不足时，憎液溶胶的胶粒粘附在大分子上，大分子起了一个桥梁作用，把胶粒联系在一起，使之更容易聚沉。例如，对SiO2进行重量分析时，在SiO2的溶胶中加入少量明胶，使SiO2的胶粒粘附在明胶上，便于聚沉后过滤，减少损失，使分析更准确。不同胶体的相互作用高分子化合物对溶胶的絮凝和稳定作用1．高分子化合物对溶胶的絮凝作用在溶胶内加入极少量的可溶性高分子化合物，可导致溶胶迅速沉淀，沉淀呈疏松的棉絮状，这类沉淀称为絮凝物，这种现象称为絮凝(或桥联)作用。高分子对胶粒的絮凝作用与电解质的聚沉作用完全不同：由电解质所引起的聚沉过程比较缓慢，所得到的沉淀颗粒紧密、体积小，这是由于电解质压缩了溶胶粒子的扩散双电层所引起的。高分子化合物对溶胶的絮凝和稳定作用1．高分子化合物对溶胶的絮凝作用高分子的絮凝作用则是由于吸附了溶胶粒子以后，高分子化合物本身的链段旋转和运动，将固体粒子聚集在一起而产生沉淀。絮凝作用具有迅速、彻底、沉淀疏松、过滤快、絮凝剂用量少等优点，特别对于颗粒较大的悬浮体尤为有效。这对于污水处理、钻井泥浆、选择性选矿以及化工生产流程的沉淀、过滤、洗涤等操作都有极重要的作用。高分子化合物对溶胶的絮凝和稳定作用高分子化合物絮凝作用的特点：(1)起絮凝作用的高分子化合物一般要具有链状结构；（2）任何絮凝剂的加入量都有一最佳值；（3）高分子的分子质量越大，絮凝效率也越高；（4）高分子化合物基团的性质对絮凝效果有十分重要的影响；（5）絮凝过程与絮凝物的大小、结构、搅拌的速率和强度等都有关系；高分子化合物对溶胶的絮凝和稳定作用2．高分子化合物对溶胶的稳定作用在溶胶中加入一定量的高分子化合物或缔合胶体，能显著提高溶胶对电解质的稳定性，这种现象称为保护作用，又称之为空间稳定性。溶胶被保护以后，其电泳、对电解质的敏感性等会产生显著的变化，显示出一些亲液溶胶的性质，具有抗电解质影响、抗老化、抗温等优良性质。