第九章膠體分散系統(tǒng)20155

1、第九章第九章 膠體分散系統(tǒng)膠體分散系統(tǒng)Chaper9: Colloidal dispersion system 膠體科學是一門即古老又年輕的學科膠體科學是一門即古老又年輕的學科 -膠體的應用幾乎和人類的文明一樣悠久膠體的應用幾乎和人類的文明一樣悠久 v在有歷史記載以前我們的祖先就會制造陶器；在有歷史記載以前我們的祖先就會制造陶器；v在夏禹之時就會釀酒；在夏禹之時就會釀酒；v在周朝初期，人們就會用膠；在周朝初期，人們就會用膠；v在漢朝已出現(xiàn)用天然纖維造出來的紙；在漢朝已出現(xiàn)用天然纖維造出來的紙；v在后漢又發(fā)明了墨。在后漢又發(fā)明了墨。v在古埃及歷史中有濕木裂石的記載；在古埃及歷史中有濕木裂石的記載

2、；v中古煉丹家已制備金汁，這是懸于水中的微粒金。中古煉丹家已制備金汁，這是懸于水中的微粒金。膠體化學應用膠體化學應用 材料科學材料科學：納米材料；納米尺度上的工程學合：納米材料；納米尺度上的工程學合 金、陶瓷、水泥、涂料等方面應用廣泛。金、陶瓷、水泥、涂料等方面應用廣泛。醫(yī)藥醫(yī)藥：人造血漿，注射劑，示蹤劑，口服劑：人造血漿，注射劑，示蹤劑，口服劑環(huán)境科學環(huán)境科學：污水處理，煙霧，粉塵凈化：污水處理，煙霧，粉塵凈化日常用品日常用品：啤酒，飲料，化妝品，洗滌劑等：啤酒，飲料，化妝品，洗滌劑等電子科學電子科學：計算機芯片，：計算機芯片，TiOTiO2 2膜電池膜電池反應工程反應工程：在分子篩籠內(nèi)和微

3、乳液珠內(nèi)進行合：在分子篩籠內(nèi)和微乳液珠內(nèi)進行合成、反應。成、反應。石油科學石油科學：采油、輸油、石油產(chǎn)品添加劑：采油、輸油、石油產(chǎn)品添加劑內(nèi)容概要內(nèi)容概要把一種或幾種物質(zhì)分散在另一種物質(zhì)中就構(gòu)成把一種或幾種物質(zhì)分散在另一種物質(zhì)中就構(gòu)成分散體系分散體系。其中，被分散的物質(zhì)稱為。其中，被分散的物質(zhì)稱為分散相分散相，另一種物質(zhì)稱為另一種物質(zhì)稱為分散介質(zhì)分散介質(zhì)。膠體：膠體：是一種尺寸在是一種尺寸在1100nm的分散體。的分散體。u它既不是大塊固體，又不是分子分散體系的液它既不是大塊固體，又不是分子分散體系的液體，而是具有兩相的微觀不均勻的分散體系。體，而是具有兩相的微觀不均勻的分散體系。u是是聚集體

4、聚集體而不是物質(zhì)的一種特殊類型。而不是物質(zhì)的一種特殊類型。一、溶膠的分類一、溶膠的分類第一節(jié)第一節(jié) 溶膠的分類和基本特性溶膠的分類和基本特性例如：將例如：將Au金溶膠沉淀出來后，再將沉淀物懸浮金溶膠沉淀出來后，再將沉淀物懸浮于水中，不能再得到膠狀金。于水中，不能再得到膠狀金。u憎液溶膠是熱力學不穩(wěn)定體系和聚沉不可逆體憎液溶膠是熱力學不穩(wěn)定體系和聚沉不可逆體系。系。u膠粒與液體介質(zhì)之間的親合性弱，所以叫憎液膠粒與液體介質(zhì)之間的親合性弱，所以叫憎液溶膠。溶膠。以結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性分類以結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性分類（1）憎液溶膠（簡稱：溶膠）憎液溶膠（簡稱：溶膠） 膠粒由許多分子組成，體系的相界面大，界面能高，膠粒由

5、許多分子組成，體系的相界面大，界面能高， 所以極易被破壞而聚沉，并且不能恢復溶膠原態(tài)。所以極易被破壞而聚沉，并且不能恢復溶膠原態(tài)。第一節(jié)第一節(jié) 溶膠的分類和基本特性溶膠的分類和基本特性u具有膠體的一些特性，如擴散慢、不透過半透具有膠體的一些特性，如擴散慢、不透過半透膜以及膜以及Tyndall效應等。效應等。u親液溶膠是以單個分子為分散相的真溶液，與親液溶膠是以單個分子為分散相的真溶液，與介質(zhì)無相界面（單相體系）。介質(zhì)無相界面（單相體系）。u親液溶膠具有熱力學穩(wěn)定性和聚沉可逆性。親液溶膠具有熱力學穩(wěn)定性和聚沉可逆性。u分子分散相和液體介質(zhì)間有很大的親合能力，分子分散相和液體介質(zhì)間有很大的親合能力

6、，所以叫親液溶膠。所以叫親液溶膠。（2）親液溶膠親液溶膠親液溶膠又稱：大分子化合物溶液、分子溶膠。親液溶膠又稱：大分子化合物溶液、分子溶膠。第一節(jié)第一節(jié) 溶膠的分類和基本特性溶膠的分類和基本特性以分散相和分散介質(zhì)的聚集狀態(tài)分類以分散相和分散介質(zhì)的聚集狀態(tài)分類 分散介質(zhì)分散介質(zhì) 分散相分散相 體體 系系 實實 例例 氣氣 液液固固 氣溶膠氣溶膠 霧霧 煙、塵煙、塵 液液 氣氣 液液 固固液溶膠液溶膠 泡沫泡沫 乳狀液（牛奶、石油）乳狀液（牛奶、石油） 凝膠、懸浮體凝膠、懸浮體 固固 氣氣液液 固固 固溶膠固溶膠 浮石、泡沫塑料浮石、泡沫塑料 珍珠、某些寶石珍珠、某些寶石 合金、有色玻璃合金、有色

7、玻璃 第一節(jié)第一節(jié) 溶膠的分類和基本特性溶膠的分類和基本特性1. 特定分散度特定分散度1100 nm 2. 相不均勻性相不均勻性（多相性）（多相性） 3. 熱力學不穩(wěn)定性熱力學不穩(wěn)定性 u高分散度，巨大表面積和表面吉布斯能，有自高分散度，巨大表面積和表面吉布斯能，有自發(fā)聚集傾向，以降低表面吉布斯能發(fā)聚集傾向，以降低表面吉布斯能 二、溶膠的基本特性二、溶膠的基本特性第一節(jié)第一節(jié) 溶膠的分類和基本特性溶膠的分類和基本特性第二節(jié)第二節(jié) 溶膠的制備和凈化溶膠的制備和凈化一、溶膠的制備一、溶膠的制備電弧法電弧法超聲分散法超聲分散法研磨法研磨法更換溶劑法更換溶劑法化學反應法化學反應法物理凝聚法物理凝聚法

8、溶膠質(zhì)點大小溶膠質(zhì)點大小 1nm 1nm 100nm100nm粗分散系統(tǒng)粗分散系統(tǒng)大變小大變小分散法分散法小分子溶液小分子溶液小變大小變大凝聚法凝聚法分散法分散法即直接將大塊物質(zhì)粉碎為小顆粒，并使之分即直接將大塊物質(zhì)粉碎為小顆粒，并使之分散于介質(zhì)中。散于介質(zhì)中。凝聚法凝聚法即將分子或離子凝聚成膠體顆粒。即將分子或離子凝聚成膠體顆粒。二、溶膠的凈化二、溶膠的凈化1.滲析法滲析法 普通滲析普通滲析 電滲析電滲析 2.超濾法超濾法第二節(jié)第二節(jié) 溶膠的制備和凈化溶膠的制備和凈化 利用了膠體化學中的利用了膠體化學中的滲滲析和超過濾原理析和超過濾原理。因為血液是含。因為血液是含有多種蛋白質(zhì)，離子和大量水的

9、有多種蛋白質(zhì)，離子和大量水的膠體體系。腎臟的功能只是利用膠體體系。腎臟的功能只是利用它的滲透膜來除去血液中得有害它的滲透膜來除去血液中得有害物質(zhì)和排泄水分。當病人得腎功物質(zhì)和排泄水分。當病人得腎功能衰竭以后，醫(yī)生要定期給病人能衰竭以后，醫(yī)生要定期給病人進行進行血液透析血液透析，即將病人的血液，即將病人的血液進行體外循環(huán)，通過人工腎臟的進行體外循環(huán)，通過人工腎臟的滲透膜，將血液的有害物質(zhì)除去。滲透膜，將血液的有害物質(zhì)除去。另外利用滲透膜兩邊的壓差，將另外利用滲透膜兩邊的壓差，將多余得水分除去，起到超過濾的多余得水分除去，起到超過濾的作用。作用。第二節(jié)第二節(jié) 溶膠的制備和凈化溶膠的制備和凈化制備需

10、滿足的條件：制備需滿足的條件： (1) 暴發(fā)性成核，使速率暴發(fā)性成核，使速率r晶核形成晶核形成r晶體長大晶體長大 (2) 同步長大同步長大 應用：應用： (1) 驗證基本理論驗證基本理論 (2) 理想的標準材料理想的標準材料 (3) 新材料新材料 (4) 催化劑性能的改進催化劑性能的改進 (5) 制造特種陶瓷制造特種陶瓷 三、均分散膠體三、均分散膠體第二節(jié)第二節(jié) 溶膠的制備和凈化溶膠的制備和凈化1.納米粒子的結(jié)構(gòu)和特性納米粒子的結(jié)構(gòu)和特性（1）小尺寸效應）小尺寸效應（2）表面效應）表面效應（3）量子尺寸效應）量子尺寸效應（4）宏觀量子隧道效應）宏觀量子隧道效應2.納米粒子的制備方法納米粒子的制

11、備方法3.納米技術(shù)在藥學中的應用納米技術(shù)在藥學中的應用四、納米粒子和納米技術(shù)四、納米粒子和納米技術(shù)第二節(jié)第二節(jié) 溶膠的制備和凈化溶膠的制備和凈化量子點是在納米量子點是在納米尺度上的微小發(fā)尺度上的微小發(fā)光粒子。它是一光粒子。它是一種新的熒光探針，種新的熒光探針，可以用于生物分可以用于生物分子和細胞的成像子和細胞的成像 為為腫瘤定位和藥腫瘤定位和藥物傳輸提供新的物傳輸提供新的方向方向 第二節(jié)第二節(jié) 溶膠的制備和凈化溶膠的制備和凈化第三節(jié)第三節(jié) 溶膠的動力性質(zhì)溶膠的動力性質(zhì)一、布朗運動（一、布朗運動（Brown motion）二、擴散與滲透（二、擴散與滲透（diffusion and osmosis

12、）三、沉降和沉降平衡三、沉降和沉降平衡(sedimentation and sedimentation equilibrium)Brown運動：運動：溶膠粒子在介質(zhì)中無規(guī)則的運動溶膠粒子在介質(zhì)中無規(guī)則的運動 粒子越小，溫度越高、介質(zhì)粘度越小，布朗運動越激烈。粒子越小，溫度越高、介質(zhì)粘度越小，布朗運動越激烈。一、布朗運動（一、布朗運動（Brown motion）第三節(jié)第三節(jié) 溶膠的動力性質(zhì)溶膠的動力性質(zhì)第三節(jié)第三節(jié) 溶膠的動力性質(zhì)溶膠的動力性質(zhì) rtLRTx3 u當粒子半徑約大于當粒子半徑約大于5 m，Brown運動消失。運動消失。二、擴散與滲透（二、擴散與滲透（diffusion and os

13、mosis）擴散：擴散：溶質(zhì)從高濃度（溶質(zhì)從高濃度（ 大）向低濃度（大）向低濃度（ ?。┮苿有。┮苿拥默F(xiàn)象。的現(xiàn)象。u結(jié)果結(jié)果Gibbs能能G ，熵，熵S ，是自發(fā)進行的過程，是自發(fā)進行的過程 。擴散速度與濃梯關(guān)系擴散速度與濃梯關(guān)系Fick第一定律第一定律 dndcDAdtdx mol s1 擴散系數(shù)擴散系數(shù) 面積面積 濃度梯度濃度梯度 擴散系數(shù)與擴散系數(shù)與Brown運動平均位移關(guān)系：運動平均位移關(guān)系：Dtx22 22ddddccDtx第三節(jié)第三節(jié) 溶膠的動力性質(zhì)溶膠的動力性質(zhì)滲透：滲透：溶劑溶劑通過半透膜（溶質(zhì)不能透過）向溶質(zhì)高濃通過半透膜（溶質(zhì)不能透過）向溶質(zhì)高濃度區(qū)移動的現(xiàn)象度區(qū)移動的現(xiàn)

14、象 （對溶劑而言，濃度從高（對溶劑而言，濃度從高低）低）cRT第三節(jié)第三節(jié) 溶膠的動力性質(zhì)溶膠的動力性質(zhì)平衡力：平衡力： F沉沉= F阻阻 F沉沉=F重重F浮浮=V gV 0g F沉沉 F阻阻 gr0334 F阻阻= 6 r v 6 r v gr0334 沉降速度沉降速度 沉降分析法，測沉降分析法，測v求粒徑求粒徑r (2) 落球式粘度計，測落球式粘度計，測v求求 應用：應用： grv0292 三、沉降和沉降平衡三、沉降和沉降平衡沉降：沉降：溶膠粒子在外力場作用下的定向移動。溶膠粒子在外力場作用下的定向移動。第三節(jié)第三節(jié) 溶膠的動力性質(zhì)溶膠的動力性質(zhì)沉降沉降粒子濃集粒子濃集 擴散擴散粒子分散粒

15、子分散 沉降與擴散沉降與擴散是兩個相對抗的運動是兩個相對抗的運動 粒子小，力場小粒子小，力場小擴散擴散 粒子大，力場大粒子大，力場大沉降沉降 擴散沉降相當擴散沉降相當平衡平衡 兩者對抗有三種形態(tài)兩者對抗有三種形態(tài) 第三節(jié)第三節(jié) 溶膠的動力性質(zhì)溶膠的動力性質(zhì)作用于粒子上的沉降力作用于粒子上的沉降力fw與擴散力與擴散力fd 相等時相等時,粒子的分布達到平衡，粒粒子的分布達到平衡，粒子的濃度隨高度不同有一定的梯度，子的濃度隨高度不同有一定的梯度，且這種濃度梯度不隨時間而變。這且這種濃度梯度不隨時間而變。這種平衡稱為種平衡稱為沉降平衡。沉降平衡。第三節(jié)第三節(jié) 溶膠的動力性質(zhì)溶膠的動力性質(zhì) gr0334

16、 dhdccLRT 21210334hhccdhRTLgrcdc 平衡濃度：平衡濃度： 12031234hhRTLgrccln u沉降平衡不是熱力學平衡態(tài)，是一種穩(wěn)定態(tài)。沉降平衡不是熱力學平衡態(tài)，是一種穩(wěn)定態(tài)。u溶膠粒子沿容器高度分布不均，底部濃度最大。溶膠粒子沿容器高度分布不均，底部濃度最大。 u粒子質(zhì)量越大，粒子質(zhì)量越大，平衡平衡 12031234hhRTLgrccln 相同粒度相同粒度r，h ，c 相同高度相同高度h，r ，c 第三節(jié)第三節(jié) 溶膠的動力性質(zhì)溶膠的動力性質(zhì)Theodor Svedberg （瑞典）（瑞典）1926年諾貝爾化學獎年諾貝爾化學獎 19241924年，研制出超速離

17、心機，用于蛋白質(zhì)膠體研究年，研制出超速離心機，用于蛋白質(zhì)膠體研究, ,第第一次測定了蛋白質(zhì)的分子量。到一次測定了蛋白質(zhì)的分子量。到19401940年年, , 超速離心機已超速離心機已可產(chǎn)生可產(chǎn)生3030萬倍于萬倍于g g的加速度的加速度, ,可直接測定從幾萬到幾百萬可直接測定從幾萬到幾百萬大小的分子量，并可測出分子量的分布。大小的分子量，并可測出分子量的分布。BACKMAN超速離心機超速離心機第三節(jié)第三節(jié) 溶膠的動力性質(zhì)溶膠的動力性質(zhì)第四節(jié)第四節(jié) 溶膠的光學性質(zhì)溶膠的光學性質(zhì)一、溶膠的光散射現(xiàn)象一、溶膠的光散射現(xiàn)象Tyndall phenomena：讓一束光線通過膠體溶液，在讓一束光線通過膠體

18、溶液，在入射光的測面可以看到一個光柱的現(xiàn)象。入射光的測面可以看到一個光柱的現(xiàn)象。uTyndall 現(xiàn)象現(xiàn)象是是判別溶膠與真溶液判別溶膠與真溶液的最簡便方法。的最簡便方法。 一般地，當光線射入分散體系時，有三種情況：一般地，當光線射入分散體系時，有三種情況： （1）分散相粒子）分散相粒子 入射光波長（入射光波長（r ） 主要發(fā)生光的反射或折射，體系呈現(xiàn)混濁主要發(fā)生光的反射或折射，體系呈現(xiàn)混濁 屬于粗屬于粗分散體系。分散體系。 （2）分散相粒子）分散相粒子 Cs Rb NH K Na Li：正離子正離子-32433-3F IO H PO BrO Cl ClO Br NO I CNS負：負：離子離子

19、第六節(jié)第六節(jié) 溶膠的穩(wěn)定性與聚沉溶膠的穩(wěn)定性與聚沉 與加入電解質(zhì)情況不同的是，當兩種溶膠的與加入電解質(zhì)情況不同的是，當兩種溶膠的用量恰能使其所帶電荷的量相等時，才會完全用量恰能使其所帶電荷的量相等時，才會完全聚沉，否則會不完全聚沉，甚至不聚沉。聚沉，否則會不完全聚沉，甚至不聚沉。第六節(jié)第六節(jié) 溶膠的穩(wěn)定性與聚沉溶膠的穩(wěn)定性與聚沉第六節(jié)第六節(jié) 溶膠的穩(wěn)定性與聚沉溶膠的穩(wěn)定性與聚沉第十章第十章 大分子溶液大分子溶液Chaper10: Macromolecule solution性質(zhì)性質(zhì)溶膠溶膠大分子溶液大分子溶液粒子大小粒子大小1 100nm1 100nm分散質(zhì)存在形式分散質(zhì)存在形式若干分子形成的

20、膠粒若干分子形成的膠粒單個分子單個分子能否透過半透膜能否透過半透膜不能不能不能不能擴散速度擴散速度慢慢慢慢系統(tǒng)性質(zhì)系統(tǒng)性質(zhì)多相、熱力學多相、熱力學不穩(wěn)定系統(tǒng)不穩(wěn)定系統(tǒng)均相、熱力學均相、熱力學穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定系統(tǒng)丁鐸爾效應丁鐸爾效應強強微弱微弱粘度大小粘度大小小小(與純?nèi)軇┱扯认嗨婆c純?nèi)軇┱扯认嗨?大大對電解質(zhì)的對電解質(zhì)的敏感性敏感性敏感敏感(加入少量電解質(zhì)就會加入少量電解質(zhì)就會聚沉）聚沉）不敏感不敏感(加入大量電解質(zhì)會加入大量電解質(zhì)會發(fā)生鹽析）發(fā)生鹽析）干燥或聚沉后干燥或聚沉后能否復原能否復原不能不能能能從結(jié)構(gòu)上主要分從結(jié)構(gòu)上主要分線型、支鏈型、體型線型、支鏈型、體型三種類型。三種類型。線型結(jié)構(gòu)：

21、線型結(jié)構(gòu)：天然橡膠和纖維素，天然橡膠和纖維素，形成大分子溶液形成大分子溶液的主要是線型大分子的主要是線型大分子。 支鏈型結(jié)構(gòu)：支鏈型結(jié)構(gòu)：支鏈淀粉大分子和糖原大分子；支鏈淀粉大分子和糖原大分子；體型結(jié)構(gòu)：體型結(jié)構(gòu)：球狀卵白分子和長棒狀的肌朊分子。球狀卵白分子和長棒狀的肌朊分子。鏈段和鏈節(jié)鏈段和鏈節(jié)： 鏈節(jié)鏈節(jié)：聚合物中每一單元為：聚合物中每一單元為。.鏈段鏈段：獨立運動的小單元，鏈段是由一定數(shù)量：獨立運動的小單元，鏈段是由一定數(shù)量相互影響的鏈節(jié)所組成的活動單元。相互影響的鏈節(jié)所組成的活動單元。柔順性柔順性(flexibility):大分子鏈能以不同程度卷曲的特性。大分子鏈能以不同程度卷曲的特性

22、。C1C2C3C4C5大分子碳鏈上各個碳原子的內(nèi)旋轉(zhuǎn)溶解兩個過程溶解兩個過程溶脹溶脹（溶劑分子滲入到高聚物內(nèi)（溶劑分子滲入到高聚物內(nèi)部使高聚物體積膨脹）部使高聚物體積膨脹）溶解溶解溶解度溶解度: M大，溶解度??；大，溶解度小；M小，溶解度大小，溶解度大對于交聯(lián)高聚物：交聯(lián)度大，溶脹度??；交聯(lián)度小，對于交聯(lián)高聚物：交聯(lián)度大，溶脹度??；交聯(lián)度小，溶脹度大溶脹度大 溶解與聚集態(tài)有關(guān)溶解與聚集態(tài)有關(guān) 非晶態(tài)較易溶解，晶態(tài)難溶解非晶態(tài)較易溶解，晶態(tài)難溶解溶脹又分為溶脹又分為兩種兩種： 無限溶脹：無限溶脹：線型聚合物溶于良溶劑中，能無限制吸收線型聚合物溶于良溶劑中，能無限制吸收溶劑，直到溶解成均相溶液為止

23、。所以溶解也可看成是溶劑，直到溶解成均相溶液為止。所以溶解也可看成是聚合物無限溶脹的結(jié)果。聚合物無限溶脹的結(jié)果。有限溶脹：有限溶脹：對于交聯(lián)聚合物以及在不良溶劑中的線性對于交聯(lián)聚合物以及在不良溶劑中的線性聚合物來講，溶脹只能進行到一定程度為止，以后無論聚合物來講，溶脹只能進行到一定程度為止，以后無論與溶劑接觸多久，吸入溶劑的量不再增加，而達到平衡，與溶劑接觸多久，吸入溶劑的量不再增加，而達到平衡，體系始終保持兩相狀態(tài)。交聯(lián)度越大，溶脹度欲小。體系始終保持兩相狀態(tài)。交聯(lián)度越大，溶脹度欲小。極性相近原則極性相近原則 溶度參數(shù)溶度參數(shù)近似原則近似原則溶劑化原則溶劑化原則 0 互溶形成理想溶液互溶形成

24、理想溶液 1.5 溶解過程方能進行溶解過程方能進行 1.5 難溶或不能溶解難溶或不能溶解 匹配（親電、親核；強度）匹配（親電、親核；強度）考慮使用目的考慮使用目的1. 基于傳輸性質(zhì)的方法基于傳輸性質(zhì)的方法（擴散、粘度、沉降等）（擴散、粘度、沉降等）2. 光散射法光散射法3. 凝膠色譜法凝膠色譜法1. 相對黏度相對黏度(relative viscosity)2. 增比黏度增比黏度(specific viscosity)3. 比濃黏度比濃黏度(reduced viscosity)4. 特性黏度特性黏度(intrinsic viscosity)0 0r r=0 0s sp pr r0 0- -= - -1 1s