膠體分散系統(tǒng)與粗分散系統(tǒng)研究知識講解

1、膠體分散系統(tǒng)與粗分散系統(tǒng)研究 (3)膠體分散系統(tǒng)及粗分散系統(tǒng)膠束溶液（膠體電解質(zhì)）溶膠（憎液膠體）大分子溶液（親液膠體）懸浮液及懸浮體乳狀液泡沫膠體分散系統(tǒng)膠體分散系統(tǒng)（粒子大小在1nm1000nm之間）粗分散系統(tǒng)粗分散系統(tǒng)（粒子大小大于1000nm）.溶膠的性質(zhì)溶膠的性質(zhì) (1)溶膠的主要特征是： 高度分散的（分散相在1nm1000nm）、微不均勻的（多相的）、熱力學(xué)不穩(wěn)定系統(tǒng)。 (2)溶膠的性質(zhì) 溶膠的光學(xué)性質(zhì) 由于溶膠的光學(xué)不均勻性，當(dāng)一束波長大于溶膠分散相粒子尺寸的入射光照射到溶膠系統(tǒng)，可發(fā)生散射現(xiàn)象散射現(xiàn)象丁達(dá)爾丁達(dá)爾(Tyndall)現(xiàn)象現(xiàn)象。 丁達(dá)爾現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是溶膠對光的散射作用

2、(散射是指除入射光方向外，四面八方都能看到發(fā)光的現(xiàn)象)，它是溶膠的重要性質(zhì)之一，如圖1所示。 溶膠圖1丁達(dá)爾現(xiàn)象透鏡光源丁達(dá)爾效應(yīng)散射光的強(qiáng)度可用瑞利瑞利(Rayleigh)公式表示： 02202220222402cos1229InnnnlnvI 式中，I0為入射光強(qiáng)度，0為入射光波長，n為體積粒子數(shù)，v為粒子體積，n2、n0為折射率，l為觀察者至散射中心的距離，為散射角。上式表明，散射光強(qiáng)度與4成反比，且 差值愈大，則I愈強(qiáng)，此外與粒子的體積平方v及體積粒子數(shù)均成正比。 2022nn 用丁達(dá)爾效應(yīng)可鑒別小分子溶液、大分子溶液和溶膠。小分子溶液無丁達(dá)爾效應(yīng)，大分子溶液丁達(dá)爾效應(yīng)微弱，而溶膠丁達(dá)

3、爾效應(yīng)強(qiáng)烈。 溶膠的動力性質(zhì) 由于溶膠中體積粒子數(shù)梯度的存在引起的粒子從體積粒子數(shù)高區(qū)域向低區(qū)域的定向遷移現(xiàn)象叫擴(kuò)散擴(kuò)散。 擴(kuò)散遵從費(fèi)克費(fèi)克(Fick)(第一第一)擴(kuò)散定律擴(kuò)散定律： T)(ddxnDAtN式中, 為單位時(shí)間內(nèi)通過截面積A擴(kuò)散的粒子數(shù), 為定溫下體積粒子數(shù)梯度,D為擴(kuò)散系數(shù)。 tNddT)(xn溶膠中的分散相粒子的擴(kuò)散遵守費(fèi)克定律。 圖2布朗運(yùn)動(a) 溶膠中分散相粒子的擴(kuò)散作用是由布朗布朗(Brown)運(yùn)動運(yùn)動引起的。溶膠中的分散相粒子由于受到來自四面八方的做熱運(yùn)動的分散介質(zhì)的撞擊而引起的無規(guī)則的運(yùn)動叫布朗運(yùn)動。布朗運(yùn)動及其引起的擴(kuò)散作用是溶膠的重要?jiǎng)恿π再|(zhì)動力性質(zhì)之一，如圖

4、2所示。 分散相在分散介質(zhì)中的沉降速度 由下式表示： txdd92dd0B2grtx式中，r為粒子半徑，B,0分別為粒子及介質(zhì)的體積質(zhì)量，為介質(zhì)粘度，g為重力加速度。 分散相粒子本身的重力使粒子沉降；而介質(zhì)的粘度及布朗運(yùn)動引起的擴(kuò)散作用阻止粒子下沉；兩種作用相當(dāng)時(shí)達(dá)到平衡，稱之為沉降平衡沉降平衡。 可應(yīng)用沉降平衡原理，計(jì)算系統(tǒng)中體積粒子數(shù)的高度分布： )(1ln120BB12hhRTgMnn式中，n2、n1分別為高度h2及h1處的體積粒子數(shù)。 溶膠中的分散相由于受自身的重力作用而下沉的過程稱為沉降沉降。 溶膠的流變性質(zhì) 流變性質(zhì)流變性質(zhì)是指物質(zhì)(液體或固體)在外力作用下流動與變形的性質(zhì)。 以液

5、體在管道中進(jìn)行層流時(shí)的情況為例（見圖3），兩液層間產(chǎn)生的摩擦阻力F為： F 式中，為比例系數(shù)，稱為牛頓粘度牛頓粘度，單位為sm或kgsm,A為液層接觸面積,D為切變梯度。 圖3流體在管道中呈層流流動時(shí)速度的徑向分布y xy 符合該式的流體叫牛頓流體牛頓流體。許多大分子溶液及溶膠常為非牛頓流體。 對剛性的球形質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的稀溶膠，其粘度可由下式計(jì)算： （2.5） 式中, 為粒子的體積總和與溶膠系統(tǒng)總體積之比, 為介質(zhì)粘度。 該式稱為愛因斯坦愛因斯坦(Einstein)公式公式。 溶膠的電學(xué)性質(zhì) (i)帶電界面的雙電層結(jié)構(gòu) 大多數(shù)固體物質(zhì)與極性介質(zhì)接觸后，在界面上會帶電,從而形成雙電層雙電層。 關(guān)于雙

6、電層結(jié)構(gòu)，按照斯特恩(Stern)模型，表示為圖(a)。 若固體表面帶正電荷，則雙電層的溶液一側(cè)由兩層組成，第一層為吸附在固體表面的水化反離子層(與固體表面所帶電荷相反)，稱為斯特恩層斯特恩層(stern)，因水化反離子與固體表面緊密靠近，又稱為緊密層緊密層；第二層為擴(kuò)散層擴(kuò)散層。由固體表面至溶液本體間的電勢差e叫熱力學(xué)電勢；熱力學(xué)電勢；由斯特恩面至溶液本體間的電勢差叫斯斯特恩電勢特恩電勢；而由滑動面至溶液本體間的電勢差叫電勢電勢，亦叫動電動電電勢電勢。 圖4斯特恩模型斯特恩模型e斯特恩層(緊密層)+ + + + +-+-+-擴(kuò)散層-固體表面斯特恩面滑動面(a)(b) (ii)膠團(tuán)的結(jié)構(gòu) 以K

7、I溶液滴加至AgNO3溶液中形成的AgI溶膠為例，其膠團(tuán)結(jié)構(gòu)可用下圖表示： 固相(AgI)mnAg+ 緊密層(n-x)NO3-x+ 擴(kuò)散層 xNO3 溶液本體 膠核 滑動面 膠粒 膠團(tuán) (iii)電動現(xiàn)象 由于膠粒是帶電的，所以在電場作用下，或在外加壓力、自身重力下流動、沉降時(shí)產(chǎn)生電動現(xiàn)象電動現(xiàn)象,表現(xiàn)出溶膠的電學(xué)性質(zhì)。 電泳電泳在外加電場作用下，帶電的分散相粒子在分散介質(zhì)中向相反符號電極移動的現(xiàn)象，如圖5; 電滲電滲在外加電場作用下，分散介質(zhì)(由過剩反離子所攜帶)通過多孔膜或極細(xì)的毛細(xì)管移動的現(xiàn)象（此時(shí)帶電的固相不動），如圖6所示。 + + + + + + + + + + + + + + +

8、 +圖6 電滲+圖5 電泳 流動電勢流動電勢在外加壓力下，迫使液體流經(jīng)相對靜止的固體表面(如多孔膜)而產(chǎn)生的電勢叫流動電勢(它是電滲的逆現(xiàn)象)，如圖7所示。 沉降電勢沉降電勢由于固體粒子或液滴在分散介質(zhì)中沉降使流體的表面層與底層之間產(chǎn)生的電勢差叫沉降電勢(它是電泳的逆現(xiàn)象)，如圖8所示。 氣體V壓力毛細(xì)管圖7流動電勢圖8 沉降電勢+V3溶膠的穩(wěn)定性溶膠的穩(wěn)定性 (1)溶膠的動力穩(wěn)定性 由于溶膠中分散相粒子的布朗運(yùn)動在分散介質(zhì)中不停地做無序遷移而能在一段時(shí)間內(nèi)保持溶膠穩(wěn)定存在稱為溶膠的動力穩(wěn)定性動力穩(wěn)定性。 (2)溶膠的穩(wěn)定理論DLVO理論理論 理論要點(diǎn)如下： 在膠粒之間，存在著兩種相反作用力所

9、產(chǎn)生的勢能。一是由擴(kuò)散雙電層相互重疊時(shí)而產(chǎn)生的斥力勢能斥力勢能U；另一是由分子間存在的遠(yuǎn)程vd力（1/x2）或1/x）而產(chǎn)生的吸力勢能UA。此兩種勢能之和UUUA即系統(tǒng)的總勢能，U的變化決定著系統(tǒng)的穩(wěn)定性。U，UA均是膠粒之間的距離x的函數(shù)，如圖9所示。 圖 9膠粒間斥力勢能、吸力 勢能及總勢能曲線UR exp-xUmaxFCx0Born排斥U勢壘UUAnx1 德拜參量 4電解質(zhì)及高聚物分子對溶膠聚沉的影響電解質(zhì)及高聚物分子對溶膠聚沉的影響 (1)電解質(zhì)對溶膠聚沉的影響 少量電解質(zhì)的存在對溶膠起穩(wěn)定作用；過量電解質(zhì)的存在對溶膠起破壞作用(聚沉)。 使一定量溶膠在一定時(shí)間內(nèi)完全聚沉所需最小電解質(zhì)

10、的物質(zhì)的量濃度，稱為電解質(zhì)對溶膠的聚沉值聚沉值。 反離子反離子對溶膠的聚沉起主要作用，聚沉值與反離子價(jià)數(shù)有關(guān)：聚沉值比例 ， 即聚沉值與反離子價(jià)數(shù)的6次方成反比。這叫舒爾采舒爾采(Schulze)-哈迪哈迪(Hardy)規(guī)則規(guī)則。 66631:21:1114. 0:6 . 1:100 離子起聚沉作用的機(jī)理是： (i)反離子價(jià)數(shù)愈高，則擴(kuò)散層的厚度愈薄，降低擴(kuò)散層重疊時(shí)產(chǎn)生的斥力越顯著 (ii)反離子濃度愈高，則進(jìn)入Stern層的反離子愈多，從而降低了，而電勢，即降低擴(kuò)散層重疊時(shí)的斥力 同號離子對聚沉亦有影響，這是由于同號離子與膠粒的強(qiáng)烈的vd力而吸附，從而改變了膠粒的表面性能，降低了反離子的聚

11、沉能力。 (2)高聚物分子對聚沉的影響 在溶膠中加入適量高聚物分子可使溶膠穩(wěn)定(見空間穩(wěn)定理論及空缺穩(wěn)定理論)，但也可使溶膠聚沉。 其聚沉作用如下： (i)搭橋效應(yīng)搭橋效應(yīng)高聚物分子通過“搭橋”把膠粒拉扯在一起，引起聚沉；(ii)脫水效應(yīng)脫水效應(yīng)高聚物分子由于親水，其水化作用較膠粒水化作用強(qiáng)(膠粒憎水)，從而高聚物的加入奪去膠粒的水化外殼的保護(hù)作用。 (iii)電中和效應(yīng)電中和效應(yīng)離子型高聚物加入后吸附在帶電的膠粒上而中和了膠粒的表面電荷。 5 膠束溶液及增溶作用膠束溶液及增溶作用 （1）膠束溶液的特征 少量表面活性劑在水中可在表面定向排列形成單分子表面膜，繼續(xù)溶解則在體相中形成膠束，膠束可以

12、是球狀、層狀和棒狀。膠束溶液是均相的熱力學(xué)穩(wěn)定系統(tǒng)。膠束溶液屬于膠體分散系統(tǒng)。 （2）膠束的增溶作用 通過膠束容納有機(jī)物使之在水中溶解度增加的現(xiàn)象稱增溶作增溶作用。用。 (1)大分子溶液的主要特征 大分子溶液也叫親液膠體，其主要特征是：高度分散的(分散質(zhì)即大分子的線尺寸在1nm1000nm之間)、均相的、熱力學(xué)穩(wěn)定系統(tǒng)。 (2)大分子溶液的滲透壓 小分子稀溶液產(chǎn)生的滲透壓=cBRT，由于大分子溶液的非理想性，它所產(chǎn)生的滲透壓滲透壓可表示為： 2B3B2BB1BBMRT (3)膜平衡與唐南效應(yīng) 以大分子電解質(zhì)Na2P(蛋白質(zhì)鈉鹽)為例，說明膜平衡與唐膜平衡與唐南（南（Donnan）效應(yīng)效應(yīng)。 6

13、大分子溶液的性質(zhì)大分子溶液的性質(zhì) 今將Na2P的水溶液及NaCl的水溶液分別置于膜的兩側(cè)（見圖10）。圖中的b及b分別為開始時(shí)，左右兩側(cè)Na+離子的濃度。bx為a或l從半透膜右側(cè)滲透到左側(cè)的質(zhì)量摩爾濃度。 圖 10 膜平衡示意圖(a) 開始時(shí)Na+ (b)Na + (b)P x- (b)Cl- (b)Na+ (b)Na + (b)P 2- (b/2)Cl- (b)P 2- -Cl-Na +(b) 平衡時(shí)Na + (b+bx)P 2- (b/2)Cl- (bx)Na+ (b - bx)Cl- (b- bx) 唐南效應(yīng)影響利用滲透壓法測定大分子的摩爾質(zhì)量的準(zhǔn)確性，必須設(shè)法消除。(4)鹽析作用和膠凝

14、作用 溶膠(憎液膠體)對電解質(zhì)的存在是十分敏感的，而大分子溶液(親液膠體)對電解質(zhì)卻不敏感，直到加入大量的電解質(zhì)，才能使大分子溶液產(chǎn)生聚沉現(xiàn)象，我們稱之鹽析作用鹽析作用。這是由于所加大量電解質(zhì)對大分子的去水化作用而引起的。 bbbbbbbbxx(NaCl)(NaCl)RL表明，由于大分子不能透過膜，平衡時(shí)影響到小離子在兩側(cè)分布不均勻，就會產(chǎn)生額外的滲透壓，這叫唐南效應(yīng)唐南效應(yīng)。 當(dāng)滲透達(dá)到平衡時(shí)，可以推得，左右兩側(cè)NaCl的濃度為 大分子溶液在一定外界條件下可以轉(zhuǎn)變?yōu)槟z稱為膠凝作用。 7粗分散系統(tǒng)粗分散系統(tǒng) (1)乳狀液 一種或幾種液體以液珠形式分散于另一種與其不互溶(或部分互溶)液體中所形成的分散系統(tǒng)稱之為乳狀液乳狀液。 乳狀液分為油包水型油包水型以符號W/O表示，水包油型水包油型以符號O/W表示，如圖11所示。 圖11 乳狀液類型示意圖(a)水包油型(O/W)油內(nèi)相（不連續(xù)相）水外相（連續(xù)相）(b) 油包水型(W / O)水內(nèi)相（不連續(xù)相）油外相（連續(xù)相）油水油水 (2)泡沫 氣體分散在液體或固體中所形成的分散系統(tǒng)稱之為泡沫泡沫。前者為液體泡沫；后者為固體泡沫。 要得到比較穩(wěn)定的液體泡沫，必須加入起泡劑起泡劑，起泡劑一般為表面活性劑物質(zhì)。 人有了知識