《胶体汤儆》PPT课件.ppt

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1、1,第十章,胶体分散系统和大分子溶液,2,日常生活中常见的问题：,1.为什么天空和海洋呈蔚蓝色的？,2.为什么危险信号要用红灯显示的？为什么防雾灯 要用黄色的？,3.为什么早霞和晚霞的色彩特别鲜艳？,4.为什么在江河入海处常形成三角洲？,5.为做豆腐时“点浆”的原理是什么？加明矾为什么 能使混浊的水澄清？,重金属离子中毒的病人，为什么喝了牛奶可使症 状减轻？,3,10.1 胶体和胶体的基本特性,第十章 胶体分散系统和大分子溶液,10.2 溶胶的制备和净化,10.3 溶胶的动力性质,10.4 溶胶的光学性质,10.5 溶胶的电学性质,10.7 溶胶的稳定性和聚沉作用,10.6 双电层理论和 电势

2、,4,第十章 胶体分散系统和大分子溶液,例如：云，牛奶，珍珠,把一种或几种物质分散在另一种物质中就构成分散系统。,其中，被分散的物质称为分散相(dispersed phase)；,另一种物质称为分散介质(dispersing medium)。,分散相和分散介质,5,按分散相粒子的大小，通常有三种分散系统：,(1)分子(离子)分散系统,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，分子半径在1 nm 以下。,(2)胶体分散系统,分散相粒子的半径在 1 nm100 nm之间，目测是均匀的，但实际是多相不均匀系统。也有的将 1nm 1000 nm之间的粒子归入胶体范畴。,(3)粗

3、分散系统,当分散相粒子大于 100 nm，目测是混浊不均匀系统，放置后会沉淀或分层。,6,胶体分散系统在生物界和非生物界都普遍存在，在实际生活和生产中也占有重要的地位。如在石油、冶金、造纸、橡胶、塑料等工业部门，如在生物学、土壤学、生物化学、医学、气象学、地质学等领域。,所谓宏观是指研究对象的尺寸很大，其下限是人的肉眼可以观察到的最小物体（半径大于 1 微米），而上限则是无限的。,所谓微观是指上限为原子、分子，而下限则是一个无下限的时空。（飞秒10-15s),在宏观世界与微观世界之间，还有一个介观世界，在胶体和表面化学中所涉及的超细微粒，其大小、尺寸在 1nm100nm之间，基本上归属于介观领

4、域。,7,10.1 胶体和胶体的基本特性,一、分散系统的分类,二、憎液溶胶的特性,三、胶团的结构,8,10.1 胶体和胶体的基本特性,一、分散系统的分类,1.根据分散相和分散介质间的相互作用情况分类,（1）憎液溶胶(lyophobic sol),系统具有很大的相界面，很高的表面Gibbs自由能，很不稳定，极易被破坏而聚沉。,简称溶胶，由难溶物分散在分散介质中所形成，粒子都是由很大数目的分子构成，大小不等。,聚沉之后往往不能恢复原态，因而是热力学中的不稳定和不可逆系统。,本章主要讨论憎液溶胶。,9,一、分散系统的分类,（2）亲液溶胶(lyophilic sol),大(高)分子化合物的溶液通常属于

5、亲液溶胶。,它是分子溶液，但其分子的大小已经到达胶体的范围，因此具有胶体的一些特性（例如：扩散慢，不透过半透膜，有Tyndall效应等等）,若设法去除大分子溶液的溶剂使它沉淀，重新再加入溶剂后大分子化合物又可以自动再分散，因而它是热力学中稳定、可逆的系统。,1.根据分散相和分散介质间的相互作用情况分类,10,一、分散系统的分类,2.根据分散相和分散介质的聚集状态进行分类,(1)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，则形成不同的液溶胶：,.液-固溶胶 如油漆，AgI溶胶,.液-液溶胶 如牛奶，石油原油等乳状液,.液-气溶胶 如泡沫,11,(2)固溶胶,将固体作为分散介质所

6、形成的溶胶。当分散相为不同状态时，则形成不同的固溶胶：,.固-固溶胶 如有色玻璃，不完全互溶的合金,.固-液溶胶 如珍珠，某些宝石,.固-气溶胶 如泡沫塑料，沸石分子筛,12,(3)气溶胶,将气体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为固体或液体时，形成气-固或气-液溶胶，但没有气-气溶胶，因为不同的气体混合后是单相均一系统，不属于胶体范围。,.气-固溶胶 如烟，含尘的空气,.气-液溶胶 如雾，云,13,二、憎液溶胶的特性,（1）特有的分散程度,粒子的大小在1100 nm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和乳光现象。,（2）多相不均匀性,具有纳米级的粒子是由许多离子或

7、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，而且粒子大小不一，与介质之间有明显的相界面，比表面很大。,14,形成憎液溶胶的必要条件是：,分散相的溶解度要小；,还必须有稳定剂存在，否则胶粒易聚结而聚沉。,（3）易聚结不稳定性,因为粒子小，比表面大，表面自由能高，是热力学不稳定系统，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。,15,三、胶团的结构,胶粒的结构比较复杂，先有一定量的难溶物分子聚结形成胶粒的中心，称为胶核；,然后胶核选择性的吸附稳定剂中的一种离子，形成紧密吸附层；由于正、负电荷相吸，在紧密层外形成反号离子的包围圈，从而形成了带与紧密层相同电荷的胶粒；,胶粒与

8、扩散层中的反号离子，形成一个电中性的胶团。,胶核吸附离子是有选择性的，首先吸附与胶核中相同的某种离子，因同离子效应使胶核不易溶解。,1.胶团的结构,16,例1：AgNO3+KI KNO3+AgI,(AgI)m n I(n-x)K+x xK+,胶团的图示式：,胶团的结构表达式：,过量的 KI 作稳定剂,1.胶团的结构,m n,17,例2：AgNO3+KI KNO3+AgI,(AgI)m n Ag+(n-x)NO3x+x NO3,胶团的图示式：,过量的 AgNO3 作稳定剂,胶团的结构表达式：,1.胶团的结构,18,2.胶粒的形状,作为憎液溶胶基本质点的胶粒并非都是球形，而胶粒的形状对胶体性质有重

9、要影响。,质点为球形的，流动性较好；若为带状的，则流动性较差，易产生触变现象。,在溶胶中胶粒是独立运动单位，通常所说溶胶带电系指胶粒而言。,胶团没有固定的直径和质量，同一种溶胶的m值也不是一个固定的数值。具有不同的形状。,19,例如：（1）聚苯乙烯胶乳是球形质点；,（2）V2O5 溶胶是带状的质点；,（3）Fe(OH)3 溶胶是丝状的质点。,2.胶粒的形状,20,14.2 溶胶的制备与净化,制备溶胶必须使分散相粒子的大小落在胶体分散系统的范围之内，并加入适当的稳定剂。制备方法大致可分为两类：,分散法 用机械、化学等方法使固体的粒子变小。如研磨法、胶溶法、超声波分散法、电弧法等。,凝聚法 使分子

10、或离子聚结成胶粒。如化学凝聚法、物理凝聚法。,一、溶胶的制备,21,用这两种方法直接制出的粒子称为原级粒子。,视具体制备条件不同，这些粒子又可以聚集成较大的次级粒子。,通常所制备的溶胶中粒子的大小不是均一的，是一个多级分散系统。,一、溶胶的制备,22,(1)研磨法,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。,1.分散法,23,盘式胶体磨示意图,24,转速约10 00020 000 r/min,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

11、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1000 nm左右的粒子。,25,(2)胶溶法,1.分散法,胶溶法又称解胶法，仅仅是将新鲜的凝聚胶粒重新分散在介质中形成溶胶，并加入适当的稳定剂。,这种稳定剂又称胶溶剂。根据胶核所能吸附的离子而选用合适的电解质作胶溶剂。,这种方法一般用在化学凝聚法制溶胶时，为了将多余的电解质离子去掉，先将胶粒过滤，洗涤，然后尽快分散在含有胶溶剂的介质中，形成溶胶。,26,例如：,若沉淀放置时间较长，则沉淀老化就得不到溶胶。,27,(3)超声波分散法,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

12、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。,28,超声波分散法,1.石英片 2.电极 3.变压器油 4.盛试样的试管,29,电弧法主要用于制备金、银、铂等金属溶胶。制备过程包括先分散后凝聚两个过程。,(4)电弧法,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,30,在惰性气氛中，用电加热、高频感应、电子束或激

13、光等热源，将要制备成纳米级粒子的材料气化,(5)气相沉积法,处于气态的分子或原子，按照一定规律共聚或发生化学反应，形成纳米级粒子，再将它用稳定剂保护.,31,2.凝聚法,(1)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。例如：,A.复分解反应制硫化砷溶胶,B.还原反应制金溶胶,32,(1)化学凝聚法,C.水解反应制氢氧化铁溶胶,D.氧化还原反应制备硫溶胶,胶粒表面吸附了过量的具有溶剂化层的反应物离子，因而溶胶变得稳定。但是，若离子的浓度太大，反而会引起胶粒的聚沉，必须除去。,33,将汞的蒸气通入

14、冷水中就可以得到汞的水溶胶。,（2）物理凝聚法,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(苯)和管4(金属钠)，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。,如 蒸气骤冷法,34,（3）更换溶剂法,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。,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。,35,二、溶胶的净化,在制备溶胶的过程中，常生成一些多余的电解质，如制备

15、Fe(OH)3溶胶时生成的HCl。,少量电解质可以作为溶胶的稳定剂，但是过多的电解质存在会使溶胶不稳定，容易聚沉，所以必须除去。,净化的方法主要有渗析法和超过滤法。,36,1.渗析法,(1)简单渗析,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,如将装有溶胶的半透膜容器不断旋转，可以加快渗析速度。,将需要净化的溶胶放在羊皮纸或动物膀胱等半透膜制成的容器内，膜外放纯溶剂。,37,(2)电渗析,为了加快渗析速度，在装有溶胶的半透膜两侧外加一个电场，使多余的电解质离子向相应的电极作定向移动。,溶剂不断自动更换，可以提高净化速度,1.渗析法,38,用半透膜作

16、过滤膜，利用吸滤或加压的方法使胶粒与含有杂质的介质在压差作用下迅速分离。,2.超过滤法,二、溶胶的净化,将半透膜上的胶粒迅速用含有稳定剂的介质再次分散。,39,电超过滤,有时为了加快过滤速度，在半透膜两边安放电极，施以一定电压，使电渗析和超过滤合并使用，这样可以降低超过滤压力。,40,三、溶胶的形成条件和老化机理,溶胶形成的过程中要经历两个阶段，即：晶核的形成和晶体的生长。,晶核形成过程的速率决定于形成和生长两个因素：,（1）从溶液中析出固体的速率即晶核形成的速率,（2）晶体长大的速率,要得到分散度很高的溶胶，则必需控制两者的值，使 很小或接近于零。,41,即使是经过纯化后的胶粒也会随时间推移

17、而慢慢增大，最终导致沉淀，这一过程称之为溶胶的老化，老化过程是自发过程。,当 的值很大时，有利于形成溶胶,当 的值很小时，也有利于形成溶胶,当 的值较小时，有利于生成大块沉淀,42,固体的溶解度与颗粒的大小有关，颗粒半径与其相应的溶解度之间服从Kelvin公式：,若有大小不同的颗粒同时在一个溶胶中，较小颗粒附近的饱和浓度大于较大颗粒的饱和浓度，结果是小者愈小，大者愈大，直到小颗粒全部溶解为止。,而大颗粒大到一定程度即发生沉淀，这就是产生老化过程的原因。,43,四、均分散胶体的制备和应用,在严格控制的条件下，有可能制备出形状相同、尺寸相差不大的沉淀颗粒，组成均分散系统。颗粒的尺寸在胶体颗粒范围之

18、内的均分散系统则称为均分散胶体系统。,Perrin用大小均匀的藤黄粒子作悬浮体，证明了Einstein理论的正确性,制备均分散系统的方法有：1.沉淀法，2.相转移法，3.多组分阳离子法，4.粒子“包封法”，5.气溶胶反应法，6.微乳法等。,44,四、均分散胶体的制备和应用,均分散胶体新材料的应用,（1）验证基本理论,（2）理想的标准材料,（3）新材料,（4）催化剂性能的改进,（5）制造特种陶瓷,45,10.3 溶胶的动力性质,一、Brown 运动,二、扩散和渗透压,三、沉降和沉降平衡,46,一、Brown运动(Brownian motion),1827 年英国植物学家 Brown 用显微镜观察

19、到悬浮在液面上的花粉粉末不断地作不规则的运动。,后来又发现许多其它物质如煤、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Brown运动。,但在很长的一段时间里，这种现象的本质没有得到阐明。,1.Brown运动的本质,47,1903年Zigmondy发明了超显微镜，为研究Brown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，Brown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。,48,认为Brown运动是分散介质分子以不同大小和方向的力对胶体粒子不

20、断撞击而产生的。,当半径大于5 m，Brown运动消失。,由于受到的力不平衡，所以连续以不同方向、不同速度作不规则运动。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。,1905年和1906年Einstein和Smoluchowski分别阐述了Brown运动的本质。,49,Einstein认为，溶胶粒子的Brown运动与分子运动类似，平均动能为。并假设粒子是球形的，运用分子运动论的一些基本概念和公式，得到Brown运动的公式为：,式中 是在观察时间 t 内粒子沿 x 轴方向的平均位移；,r 为胶粒的半径；,为介质的黏度；,L为Avogadro常数。,这个公式把粒子的位移与粒子的大小、介

21、质黏度、温度以及观察时间等联系起来。,2.Brown运动公式,50,二、扩散和渗透压,胶粒也有热运动，因此也具有扩散和渗透压。只是,如图所示，在CDFE的桶内盛溶胶，在某一截面AB的两侧溶胶的浓度不同，c1 c2,由于分子的热运动和胶粒的Brown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。,溶胶的浓度较稀，这种现象很不显著。,1.Einstein-Brown扩散方程,51,设通过AB面的扩散质量为m，则扩散速度为，它与浓度梯度和AB截面积A成正比。,(1)斐克第一定律（Ficks first law）,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

22、至右浓度变稀，梯度为。,52,这就是斐克第一定律。,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：,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。,53,在ABFE体积内粒子净增速率为(1)(2)，得,离开EF面的扩散量为：,设进入AB面的扩散量为：,(2)斐克第二定律（Ficks second law）,斐克第二定律适用于浓度梯度变化的情况。,54,单体积内粒子浓度随时间的变化率为：,若考虑到扩散系数受浓度的影响，则,(2)斐克第二定律（Ficks second law）,这就是斐克第二定律。,这个斐克第二定律的表示式是扩散的普遍公式。,55,(3

23、)Einstein-Brown位移方程,找出距AB面 处的两根虚线，其浓度恰好为 和。,在t 时间内，从两个方向通过AB面的粒子数分别为 和，因，则自左向右通过AB面的净粒子数为：,如图，设截面为单位面积 为时间t 内在水平方向的平均位移。截面间的距离均为,56,设 很小，浓度梯度：,这就是Einstein-Brown 位移方程。从Brown运动实验测出，就可求出扩散系数 D。,(3)Einstein-Brown位移方程,则扩散通过AB面的净粒子数与浓度梯度和扩散时间t 成正比，得到：,57,将Brown运动公式,从上式可求粒子半径 r,已知 r 和粒子密度，可以计算粒子的摩尔质量。,代入,得

24、,58,2.溶胶的渗透压,由于胶粒不能透过半透膜，而介质分子或外加的电解质离子可以透过半透膜，所以有从化学势高的一方向化学势低的一方自发渗透的趋势。,溶胶的渗透压可以借用稀溶液渗透压公式计算：,由于憎液溶胶不稳定，浓度不能太大，所以测出的渗透压及其它依数性质都很小。,但是亲液溶胶或胶体的电解质溶液，可以配制高浓度溶液，用渗透压法可以求它们的摩尔质量。,59,三、沉降和沉降平衡,溶胶是高度分散系统，胶粒一方面受到重力吸引而下降，另一方面由于Brown运动促使浓度趋于均一。,当这两种效应相反的力相等时，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，如图所示。,这种平衡称为沉降平衡。,1.沉

25、降平衡,60,达沉降平衡时，粒子随高度分布的情况与气体类似，可用高度分布定律。,2.高度分布定律,如图所示，设容器截面积为 A，粒子为球型，半径为 r，粒子与介质的密度分别为 和，在 x1和x2处单位体积的粒子数分别N1，N2，为渗透压，g为重力加速度。,在高度为dx的这层溶胶中，使N个粒子下降的重力为：,61,该层中粒子所受的扩散力为，负号表示扩散力与重力相反。，则,达到沉降平衡时，这两种力相等，得,2.高度分布定律,62,这就是高度分布公式。粒子质量愈大，其平衡浓度随高度的降低亦愈大。,积分得,或,2.高度分布定律,63,以恒定速度沉降时,通过沉降速度的测定，可以求得粒子的大小。,沉降时粒

26、子所受的阻力为，,为摩擦系数,对于球形粒子,64,积分得,对于超离心力场，当沉降达平衡时，扩散力与超离心力相等，只是方向相反,65,因为,可用来测蛋白质的摩尔质量。,66,10.4 溶胶的光学性质,一、Tyndall 效应和 Rayleigh 公式,二、超显微镜的基本原理和粒子大小 的测定（自学）,67,一、Tyndall效应和Rayleigh公式,Tyndall效应已成为判别溶胶与分子溶液的最简便的方法。,1869年Tyndall发现，若令一束会聚光通过溶胶，从侧面可以看到一个发光的圆锥体，这就是Tyndall效应。,其他分散体系也会产生一点散射光，但远不如溶胶显著。,Tyndall效应的另

27、一特点是，不同方向观察到的光柱有不同的颜色,1.Tyndall效应,68,1.Tyndall效应,Fe(OH)3溶胶,69,(1)光散射现象,当光束通过分散系统时，一部分自由地通过，一部分被吸收、反射或散射。可见光的波长约在400 700 nm之间。,当光束通过粗分散系统，由于粒子大于入射光的波长，主要发生反射，使系统呈现混浊。,当光束通过胶体溶液，由于胶粒直径小于可见光波长，主要发生散射，可以看见乳白色的光柱。,当光束通过分子溶液，由于溶液十分均匀，散射光因相互干涉而完全抵消，看不见散射光。,2.Rayleigh公式,70,(2)光散射的本质,光是一种电磁波，照射溶胶时，分子中的电子分布发生

28、位移而产生偶极子，这种偶极子向各个方向发射与入射光频率相同的光，这就是散射光。,分子溶液十分均匀，这种散射光因相互干涉而完全抵消，看不到散射光。,溶胶是多相不均匀系统，在胶粒和介质分子上产生的散射光不能完全抵消，因而能观察到散射现象。,如果溶胶对可见光中某一波长的光有较强的选择性吸收，则透过光中该波长段将变弱，这时透射光将呈该波长光的补色光。,71,(3)Rayleigh公式,Rayleigh研究了大量的光散射现象，对于粒子半径在47 nm以下的溶胶，导出了散射光总能量的计算公式，称为Rayleigh公式：,式中：A 入射光振幅，单位体积中粒子数 入射光波长，每个粒子的体积 分散相折射率，分散

29、介质的折射率,72,从Rayleigh公式可得出如下结论：,散射光总能量与入射光波长的四次方成反比。入射光波长愈短，散射愈显著。所以可见光中，蓝、紫色光散射作用强。这可解释Tyndall效应，当白光照射溶胶时，侧面看到的散射光呈蓝紫色，透过光则呈橙红色。观察散射光以短波长的光为宜，观察透过光以较长波长的光为宜。,分散相与分散介质的折射率相差愈显著，则散射作 用亦愈显著。,散射光强度与单位体积中的粒子数成正比。,(3)Rayleigh公式,73,(4)乳光计原理,当分散相和分散介质等条件都相同时，Rayleigh公式可改写成：,当入射光波长不变，,若有两个浓度相同的溶胶,设粒子为球形，代入上式可

30、得：,74,若胶体粒子大小相同，而浓度不同,如果已知一种溶液的散射光强度和粒子半径(或浓度)，测定未知溶液的散射光强度，就可以知道其粒径(或浓度)，这就是乳光计。,乳光计的原理与比色计相似，所不同者在于乳光计中光源是从侧面照射溶胶，因此观察到的是散射光的强度。,(4)乳光计原理,75,(5)浊度（turbidity）,浊度的物理意义：,浊度计的用处：当光源、波长、粒子大小相同时，溶胶的浓度不同，其透射光的强度亦不同，由浊度计算浓度。,浊度的定义为：,透射光强度 入射光强度 样品池长度 浊度,当,76,二、超显微镜的基本原理和粒子大小的测定,普通显微镜分辨率不高，只能分辨出半径在200 nm以上

31、的粒子，所以看不到胶体粒子。,超显微镜分辨率高，可以研究半径为 5150 nm的粒子。,超显微镜观察的不是胶粒本身，而是观察胶粒发出的散射光。是用普通显微镜来观察Tyndall效应。,超显微镜是目前研究憎液溶胶非常有用的手段之一,77,超显微镜的类型,1.狭缝式 照射光从碳弧光源射出，经可调狭缝由透镜会聚，从侧面射到盛胶体溶液的样品池中,超显微镜的目镜看到的是胶粒的散射光。,如果溶液中没有胶粒，视野将是一片黑暗。,78,超显微镜的类型,2.有心形聚光器,目镜在黑暗的背景上看到的是胶粒发出的的散射光,这种超显微镜有一个心形腔，上部视野涂黑，强烈的照射光通入心形腔后不能直接射入目镜，而是在腔壁上几

32、经反射，改变方向，最后从侧面会聚在试样上,79,从超显微镜可以获得哪些有用信息？,（1）可以测定球状胶粒的平均半径。,（2）间接推测胶粒的形状和不对称性。例如，球状 粒子不闪光，不对称的粒子在向光面变化时有 闪光现象。,（3）判断粒子分散均匀的程度。粒子大小不同，散 射光的强度也不同。,（4）观察胶粒的Brown运动、电泳、沉降和凝聚等 现象。,80,10.5 溶胶的电学性质,一、电动现象,三、电渗,四、沉降电势和流动电势,二、电泳,81,一、电动现象,（1）吸附 胶粒在形成过程中，胶核优先吸附某一组成相同的离子，使胶粒带电。,例如：在AgI溶胶的制备过程中，如果AgNO3过量，则胶核优先吸附

33、Ag+离子，使胶粒带正电；如果KI过量，则优先吸附I-离子，胶粒带负电。,在固体表面的带电离子称为定位离子。液体中-反离子。,固体表面上产生定位离子的原因如下：,在液-固界面处，固体表面上与其附近的液体内通常会分别带电性相反、电荷量相同的两层离子，从而形成双电层。,82,一、电动现象,固体表面上产生定位离子的原因如下：,（2）电离 对于可能发生电离的大分子的溶胶而言，则胶粒带电主要是其本身发生电离引起的。,例如蛋白质分子，当它的羧基或胺基在水中解离时，整个大分子就带负电或正电荷。当介质的pH较低时，蛋白质分子带正电；pH较高时，则带负电荷。,当蛋白质分子所带的净电荷为零时，这时介质的pH称为蛋

34、白质的等电点。在等电点时蛋白质分子的移动已不受电场影响，它不稳定且易发生凝聚。,83,一、电动现象,固体表面上产生定位离子的原因如下：,（3）同晶置换 黏土矿物中如高岭土，主要由铝氧四面体和硅氧四面体组成，而与周围4个氧的电荷不平衡，要由H+或Na+等正离子来平衡电荷。,这些正离子在介质中会电离并扩散，所以使黏土微粒带负电。如果Al3+被Mg2+或Ca2+同晶置换，则黏土微粒带的负电更多。,84,分散系统中分散相质点由于上述原因而带有某种电荷，在外电场作用下带电粒子将发生运动，即电动现象，是研究胶体稳定性理论发展的基础。,（4）溶解量的不均衡 离子型固体物质如AgI，在水中会有微量的溶解，所以

35、水中会有少量的银离子和碘离子。,例如：将AgI制备溶胶时，由于Ag+较小，活动能力强，扩散快，比I-容易脱离晶格而进入溶液，使AgI胶粒带负电。,电泳、电渗、流动电势和沉降电势均属于电动现象。,85,二、电泳（electrophoresis）,带电胶粒或大分子在外加电场的作用下向带相反电荷的电极作定向移动的现象称为电泳。,胶体的电泳证明了胶粒是带电的。实验证明，在溶胶中加入电解质，对电泳有显著的影响。随外加电解质的增加，电泳速度常会降低甚至变为零。外加电解质还能改变胶粒带电的符号。,通过电泳实验，可以确定分散系统中质点所带电荷的符号和电动电势。,86,影响电泳的因素有：带电粒子的大小、形状；粒

36、子表面电荷的数目；介质中电解质的种类、离子强度，pH值和黏度；电泳的温度和外加电压等。,从电泳现象可以获得胶粒或大分子的结构、大小和形状等有关信息。,测定电泳的仪器和方法很多，主要有三类，即显微电泳、界面移动电泳和区域电泳。,实验证明，Fe(OH)3、Al(OH)3等碱性溶胶带正电，而金、银、铝、As2S3、硅胶等溶胶及淀粉颗粒、微生物等荷负电。,87,1.界面移动电泳仪,首先在漏斗中装上待测溶胶，U型管下部活塞内径与管径相同。,实验开始时，打开底部活塞，使溶胶进入U型管，当液面略高于左、右两活塞时即关上，并把多余溶胶吸走。在管中加入分散介质，使两臂液面等高。,88,小心打开活塞，接通电源，观

37、察液面的变化。若是无色溶胶，必须用紫外吸收等光学方法读出液面的变化。,根据通电时间和液面升高或下降的刻度计算电泳速度。,另外要选择合适的介质，使电泳过程中保持液面清晰。,89,2.显微电泳仪,该方法简单、快速，胶体用量少，可以在胶粒所处的环境中测定电泳速度和电动电位。但只能测定显微镜可分辨的胶粒，一般在200 nm以上。,装置中用铂黑电极，观察管用玻璃毛细管。电泳池是封闭的，电泳和电渗同时进行,物镜观察位置选在静止层处（即电渗流动与反流动刚好相消），这时观察到的胶粒运动速度可以代表真正的电泳速度。,90,2.显微电泳仪,91,区带电泳实验简便、易行，样品用量少，分离效率高，是分析和分离蛋白质的

38、基本方法。,常用的区带电泳有：纸上电泳，圆盘电泳和板上电泳等。,3.区带电泳（也称区域电泳）,将惰性的固体或凝胶作为支持物，两端接正、负电极，在其上面进行电泳，从而将电泳速度不同的各组成分离。,电泳的应用相当广泛，在生物化学、医学中都有重要的应用。毛细管电泳是20世纪80年代以来发展最快的分析化学研究领域之一。,92,a.纸上电泳,3.区带电泳,用滤纸作为支持物的电泳称为纸上电泳。,先将一厚滤纸条用一定pH的缓冲溶液浸湿，在滤纸中央滴少量待测溶液，两端浸在含缓冲溶液和电极的容器中,通电后，各组分因电泳速度不同以谱带形式分开。,将纸条干燥后浸入染料溶液中着色，再进行分析。,93,a.纸上电泳,在

39、生物化学中常用电泳法分离和区别各种氨基酸和蛋白质。,在医学中利用血清在纸上的电泳，在纸上可得到不同蛋白质前进的次序，反映了其运动速度，以及从谱带的宽度反映其中不同蛋白质含量的差别。,94,a.纸上电泳,健康人和肝硬变患者的血清蛋白电泳图,健康人,肝硬变患者,95,a.纸上电泳,人体血清（左）和血浆（右）的电泳图,96,b.凝胶电泳,用淀粉凝胶、琼胶或聚丙烯酰胺等凝胶作为载体，则称为凝胶电泳。,将凝胶装在玻管中，电泳后各组分在管中形成圆盘状，称为圆盘电泳,凝胶电泳的分辨率极高。例如，纸上电泳只能将血清分成五个组分，而用聚丙烯酰胺凝胶作的圆盘电泳可将血清分成25个组分。,3.区带电泳,97,如果将

40、凝胶铺在玻板上进行的电泳称为平板电泳。,C.板上电泳,自20世纪80年代以来发展起来的毛细管电泳则是最快的分析化学研究领域之一。,98,在外加电场作用下，带电的分散介质通过多孔性物质或半径为110 nm的毛细管作定向移动，亦即固相不动而液相移动，这种现象称为电渗。,外加电解质对电渗速度影响显著，随着电解质浓度的增加，电渗速度降低，甚至会改变电渗的方向。,电渗方法有许多实际应用，如溶胶净化、海水淡化、泥炭和染料的干燥等。,三、电渗（electro-osmosis),99,在U型管1,2中盛电解质溶液，将电极5,6接通直流电后，可从有刻度的毛细管 4中，准确地读出液面的变化。,图中，3为多孔膜，可

41、以用滤纸、玻璃或棉花等构成；也可以用氧化铝、碳酸钡、AgI等物质构成。,如果多孔膜吸附阴离子，则介质带正电，通电时向阴极移动；反之，多孔膜吸附阳离子，带负电的介质向阳极移动。,100,实验表明，液体移动的方向因多孔塞的性质而异。例如，当用滤纸、玻璃或棉花等构成多孔塞时，在水向阴极移动，表示液相带正电；用氧化铝、碳酸钡等物质构成多孔塞时，水向阳极移动，表明此时液相带负电荷。,液体移动的原因是在多孔性固体和液体的界面上有双电层存在。在外电场的作用下，与表面结合不牢固的扩散层离子向带反号电荷的电极方向移动，而与表面结合紧密的Stern层则是不动的，扩散层中的离子移动时带动分散介质一起运动。,101,

42、四、沉降电势和流动电势,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，使底层与表面层的粒子浓度悬殊，从而产生电势差，这就是沉降电势。,1.沉降电势,102,贮油罐中的油内常会有水滴，水滴的沉降会形成很高的电势差，有时会引发事故。通常在油中加入有机电解质，增加介质电导，降低沉降电势。,它是电泳作用的伴随现象。电泳是带电胶粒在电场作用下作定向移动，是因电而动；沉降电势是在胶粒下降时产生的电势，是胶粒因移动而产生电。,103,含有离子的液体在加压或重力等外力的作用下，流经多孔膜或毛细管时会产生电势差。,2.流动电势,这种因液体流动而产生的电势称为流动电势。,它与电渗相反，也是电渗作用的

43、伴随现象。毛细管表面是带电的，外力迫使液体流动，由于扩散层的移动，液体将其中的离子带走，因而与固体表面产生电势差。,104,四、沉降电势和流动电势,因为管壁会吸附某种离子，使固体表面带电，电荷从固体到液体有个分布梯度。,在用泵输送原油或易燃化工原料时，要使管道接地或加入油溶性电解质，增加介质电导，防止流动电势可能引发的事故。,当外力迫使扩散层移动时，流动层与固体表面之间会产生电势差，当流速很快时，有时会产生电火花。,105,在四种电动现象中，以电泳和电渗最为重要。通过电动现象的研究，可以进一步了解胶体粒子的结构以及外加电解质对溶胶稳定性的影响。,还有电泳涂漆、高岭土的精炼、天然石油乳状液中油水

44、的分离以及不同蛋白质的分离等。当前工业上的静电除尘，实际上就是烟尘气溶胶的电泳现象。,电泳的应用：使橡胶的乳状液汁凝结而使其浓缩，可以使橡胶电镀在金属、布匹或木材上，这样镀出的橡胶容易硫化，可以得到拉力很强的产品。,106,10.6 双电层理论和 电势,一、扩散双电层模型,二、电动电势,107,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；,1910年Gouy和1913年Chapman修正了平板型模型，提出了扩散双电

45、层模型；,后来Stern又提出了Stern模型。,108,1.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,109,2.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

46、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。,110,+,扩散层,紧密层,扩散双电层模型,111,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。,3.Stern模型,112,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。,3.Stern模型,从固体表面到Stern平面，电位从0直线下降为。,113,二

47、、电动电势,带电的固体或胶粒在移动时，移动的切动面与液体本体之间的电位差称为 电势。,在扩散双电层模型中，切动面AB与溶液本体之间的电位差为 电势；,在Stern模型中，带有溶剂化层的滑移界面与溶液之间的电位差称为 电势。,只有在带电质点移动时才显示出 电势，所以它又被称为电动电势。,电势总是比热力学电势低，外加电解质会使 电势变小甚至改变符号。,1.电势,114,电势与滑移面两侧的电荷分布有关，即不仅与吸附层内离子浓度有关，也与液相内离子浓度有关。电势对憎液溶胶的稳定性起着重要的作用。,由于滑移面靠Stern面很近，稀溶液中扩散层厚度增加，电势变化缓慢，可将0与电势等同。,Stern层内特性

48、吸附主要由范氏引力决定，当外加高价反离子或易于吸附的有机反离子(如表面活性离子)时，特性吸附的结果可能使电势反号；,(1)电势与特性吸附离子的种类有关,影响电势的因素：,115,若表面活性离子电性与胶粒表面电性相同，而范氏引力又足以克服斥力作用将其吸附在胶粒表面上，则电势大于表面电势0。,(2)电势与外加电解质浓度有关,少量外加电解质，对电势的数值会有显著影响。随着电解质浓度的增加，电势的降低，甚至可以改变符号。可是，少量外加电解质对热力学电势0并不产生显著的影响,(3)电势与胶体的稳定性,电势的存在使胶粒之间产生静电斥力作用，避免了晶粒的长大以致聚沉。,116,电势,外加电解质对 电势的影响

49、,117,流动电势示意图,胶粒表面双电层结构示意图,2.电动现象的解释,118,10.7 溶胶的稳定性和聚沉作用,一、溶胶的稳定性,二、影响聚沉作用的一些因素,三、胶体稳定性的DLVO理论大意,五、高分子化合物对溶胶的絮凝和稳定作用,*四、DLVO理论的一种简化表示式,119,一、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

50、聚结必须克服这个势垒。,120,溶胶的稳定性,粒子间相互作用与其距离的关系曲线,121,一、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。,122,二、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