膠體的結(jié)構(gòu)和特性課件

1、2022/7/29膠粒的結(jié)構(gòu) 膠粒的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，先有一定量的難溶物分子聚結(jié)形成膠粒的中心，稱為膠核； 然后膠核選擇性的吸附穩(wěn)定劑中的一種離子，形成緊密吸附層；由于正、負(fù)電荷相吸，在緊密層外形成反號(hào)離子的包圍圈，從而形成了帶與緊密層相同電荷的膠粒；膠粒與擴(kuò)散層中的反號(hào)離子，形成一個(gè)電中性的膠團(tuán)。2022/7/29膠粒的結(jié)構(gòu) 膠核吸附離子是有選擇性的，首先吸附與膠核中相同的某種離子，用同離子效應(yīng)使膠核不易溶解。 若無相同離子，則首先吸附水化能力較弱的負(fù)離子，所以自然界中的膠粒大多帶負(fù)電，如泥漿水、豆?jié){等都是負(fù)溶膠。 2022/7/29膠粒的結(jié)構(gòu)例1：AgNO3 + KIKNO3 + AgI 過量

2、的 KI 作穩(wěn)定劑 膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)表達(dá)式 ： (AgI)m n I (n-x)K+x xK+ |_| |_|膠核膠粒膠團(tuán)膠團(tuán)的圖示式2022/7/29膠粒的結(jié)構(gòu)例2：AgNO3 + KIKNO3 + AgI 過量的 AgNO3 作穩(wěn)定劑 膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)表達(dá)式： (AgI)m n Ag+ (n-x)NO3x+ x NO3 |_|_|膠核膠粒膠團(tuán) 膠團(tuán)的圖示式膠體的結(jié)構(gòu)2022/7/29膠粒的擴(kuò)散雙電層結(jié)構(gòu)膠粒表面帶電（切動(dòng)面為AB），則膠粒表面和溶液本體中(設(shè)為零電位點(diǎn))的電位差，即吸附層和擴(kuò)散層間的電位差，稱做動(dòng)電位，又稱電位。膠核表面與溶液本體的電位差稱做熱力學(xué)電位，即電位，主要取決于吸附層內(nèi)電位離

3、子的濃度。雙電層和電位的存在使溶膠能夠穩(wěn)定存在，不易發(fā)生聚沉。膠體的結(jié)構(gòu)2022/7/29 若溶液濃度（電位離子和反離子）增加，或反離子荷電數(shù)多，吸附力強(qiáng)，反離子會(huì)更多吸附，使雙電層變厚，電位減小，甚至改變電位的符號(hào)，改變膠粒的帶電性。2022/7/29膠粒的形狀 作為憎液溶膠基本質(zhì)點(diǎn)的膠粒并非都是球形，而膠粒的形狀對(duì)膠體性質(zhì)有重要影響。 質(zhì)點(diǎn)為球形的，流動(dòng)性較好；若為帶狀的，則流動(dòng)性較差，易產(chǎn)生觸變現(xiàn)象。2022/7/29膠粒的形狀例如：（1）聚苯乙烯膠乳是球形質(zhì)點(diǎn)（2） V2O5 溶膠是帶狀的質(zhì)點(diǎn)（3） Fe(OH)3 溶膠是絲狀的質(zhì)點(diǎn)2022/7/29溶膠的光學(xué)性質(zhì) 光散射現(xiàn)象 Tynd

4、all效應(yīng) Rayleigh公式2022/7/29光散射現(xiàn)象 當(dāng)光束通過分散體系時(shí)，一部分自由地通過，一部分被吸收、反射或散射?？梢姽獾牟ㄩL(zhǎng)約在400700 nm之間。 （1）當(dāng)光束通過粗分散體系，由于粒子大于入射光的波長(zhǎng)，主要發(fā)生反射，使體系呈現(xiàn)混濁。 （2）當(dāng)光束通過膠體溶液，由于膠粒直徑小于可見光波長(zhǎng)，主要發(fā)生散射，可以看見乳白色的光柱。 （3）當(dāng)光束通過分子溶液，由于溶液十分均勻，散射光因相互干涉而完全抵消，看不見散射光。2022/7/29光散射的本質(zhì) 光是一種電磁波，照射溶膠時(shí)，分子中的電子分布發(fā)生位移而產(chǎn)生偶極子，這種偶極子像小天線一樣向各個(gè)方向發(fā)射與入射光頻率相同的光，這就是散射

5、光。 分子溶液十分均勻，這種散射光因相互干涉而完全抵消，看不到散射光。 溶膠是多相不均勻體系，在膠粒和介質(zhì)分子上產(chǎn)生的散射光不能完全抵消，因而能觀察到散射現(xiàn)象。2022/7/29Tyndall效應(yīng) Tyndall效應(yīng)實(shí)際上已成為判別溶膠與分子溶液的最簡(jiǎn)便的方法。 1869年Tyndall發(fā)現(xiàn)，若令一束會(huì)聚光通過溶膠，從側(cè)面（即與光束垂直的方向）可以看到一個(gè)發(fā)光的圓錐體，這就是Tyndall效應(yīng)。其他分散體系也會(huì)產(chǎn)生一點(diǎn)散射光，但遠(yuǎn)不如溶膠顯著。 2022/7/29Tyndall效應(yīng)2022/7/29Rayleigh公式 1871年，Rayleigh研究了大量的光散射現(xiàn)象，對(duì)于粒子半徑在47nm

6、以下的溶膠，導(dǎo)出了散射光總能量的計(jì)算公式，稱為Rayleigh公式：式中：A 入射光振幅， 單位體積中粒子數(shù) 入射光波長(zhǎng)， 每個(gè)粒子的體積 分散相折射率， 分散介質(zhì)的折射率2022/7/29Rayleigh公式 從Rayleigh公式可得出如下結(jié)論：2. 散射光強(qiáng)度與入射光波長(zhǎng)的四次方成反比。入射光波長(zhǎng)愈短，散射愈顯著。所以可見光中，藍(lán)、紫色光散射作用強(qiáng)。晴朗的天空呈蔚藍(lán)色，是由于短波長(zhǎng)的藍(lán)色光被大氣溶膠散射所造成的。1.散射光強(qiáng)度與每個(gè)粒子體積的平方成正比，即在膠粒粒徑范圍內(nèi)，顆粒越大，對(duì)光的散射作用越強(qiáng)，丁達(dá)爾效應(yīng)越明顯。Rayleigh公式2022/7/293.分散質(zhì)與分散介質(zhì)的折射率相

7、差愈顯著，則散射作 用亦愈顯著。4.散射光強(qiáng)度與單位體積中的粒子數(shù)成正比。當(dāng)水中膠體含量比較高的時(shí)候，水呈現(xiàn)渾濁，常用濁度這個(gè)指標(biāo)反映水中膠體對(duì)光的散射程度。散射光又稱乳光，根據(jù)膠體濃度和散射光強(qiáng)成正比的特點(diǎn)，可以制備乳光計(jì)（即濁度計(jì)），用于測(cè)水的濁度，從而初步判斷水體的被污染程度。2022/7/29乳光計(jì)原理 當(dāng)分散相和分散介質(zhì)等條件都相同時(shí)，Rayleigh公式可改寫成：當(dāng)入射光波長(zhǎng)不變， ， ， 保持濃度相同， 保持粒子大小相同代入上式可得： 如果已知一種溶液的散射光強(qiáng)度和粒子半徑（或濃度），測(cè)定未知溶液的散射光強(qiáng)度，就可以知道其粒徑（或濃度），這就是乳光計(jì)。2022/7/29濁度（tu

8、rbidity ）濁度的物理意義：濁度計(jì)的用處： 當(dāng)光源、波長(zhǎng)、粒子大小相同時(shí)，溶膠的濃度不同，其透射光的強(qiáng)度亦不同。 濁度的定義為： 透射光強(qiáng)度 入射光強(qiáng)度 樣品池長(zhǎng)度 濁度當(dāng)2022/7/29超顯微鏡的特點(diǎn) 普通顯微鏡分辨率不高，只能分辨出半徑在200 nm以上的粒子，所以看不到膠體粒子。 超顯微鏡分辨率高，可以研究半徑為5150 nm的粒子。但是， 超顯微鏡觀察的不是膠粒本身，而是觀察膠粒發(fā)出的散射光。是目前研究憎液溶膠非常有用的手段之一。2022/7/29溶膠的動(dòng)力性質(zhì) Brown 運(yùn)動(dòng) 膠粒的擴(kuò)散 溶膠的滲透壓 沉降平衡2022/7/29Brown運(yùn)動(dòng)(Brownian motion

9、) 1827 年植物學(xué)家布朗（Brown)用顯微鏡觀察到懸浮在液面上的花粉粉末不斷地作不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。 后來又發(fā)現(xiàn)許多其它物質(zhì)如煤、 化石、金屬等的粉末也都有類似的現(xiàn)象。人們稱微粒的這種運(yùn)動(dòng)為布朗運(yùn)動(dòng)。 但在很長(zhǎng)的一段時(shí)間里，這種現(xiàn)象的本質(zhì)沒有得到闡明。 2022/7/29Brown運(yùn)動(dòng)(Brownian motion) 1903年發(fā)明了超顯微鏡，為研究布朗運(yùn)動(dòng)提供了物質(zhì)條件。 用超顯微鏡可以觀察到溶膠粒子不斷地作不規(guī)則“之”字形的運(yùn)動(dòng)，從而能夠測(cè)出在一定時(shí)間內(nèi)粒子的平均位移。 通過大量觀察，得出結(jié)論：粒子越小，布朗運(yùn)動(dòng)越激烈。其運(yùn)動(dòng)激烈的程度不隨時(shí)間而改變，但隨溫度的升高而增加。2022/7/

10、29Brown運(yùn)動(dòng)的本質(zhì) 1905年和1906年愛因斯坦（Einstein)和斯莫魯霍夫斯基（Smoluchowski)分別闡述了Brown運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)。認(rèn)為Brown運(yùn)動(dòng)是分散介質(zhì)分子以不同大小和不同方向的力對(duì)膠體粒子不斷撞擊而產(chǎn)生的，由于受到的力不平衡，所以連續(xù)以不同方向、不同速度作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。隨著粒子增大，撞擊的次數(shù)增多，而作用力抵消的可能性亦大。當(dāng)半徑大于5 m，Brown運(yùn)動(dòng)消失。2022/7/29Brown運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)2022/7/29Brown運(yùn)動(dòng)的本質(zhì) Einstein認(rèn)為，溶膠粒子的Brown運(yùn)動(dòng)與分子運(yùn)動(dòng)類似，平均動(dòng)能為 。并假設(shè)粒子是球形的，運(yùn)用分子運(yùn)動(dòng)論的一些基本概念和公式

11、，得到Brown運(yùn)動(dòng)的公式為：式中 是在觀察時(shí)間t內(nèi)粒子沿x軸方向的平均位移；r為膠粒的半徑；為介質(zhì)的粘度；L為阿伏加德羅常數(shù)。 這個(gè)公式把粒子的位移與粒子的大小、介質(zhì)粘度、溫度以及觀察時(shí)間等聯(lián)系起來。2022/7/29膠粒的擴(kuò)散 膠粒也有熱運(yùn)動(dòng)，因此也具有擴(kuò)散和滲透壓。只是溶膠的濃度較稀，這種現(xiàn)象很不顯著。 如圖所示，在CDFE的桶內(nèi)盛溶膠，在某一截面AB的兩側(cè)溶膠的濃度不同，C1C2。 由于分子的熱運(yùn)動(dòng)和膠粒的布朗運(yùn)動(dòng)，可以觀察到膠粒從C1區(qū)向C2區(qū)遷移的現(xiàn)象，這就是膠粒的擴(kuò)散作用。2022/7/29膠粒的擴(kuò)散2022/7/29溶膠的滲透壓 由于膠粒不能透過半透膜，而介質(zhì)分子或外加的電解質(zhì)

12、離子可以透過半透膜，所以有從化學(xué)勢(shì)高的一方向化學(xué)勢(shì)低的一方自發(fā)滲透的趨勢(shì)。 溶膠的滲透壓可以借用稀溶液滲透壓公式計(jì)算：式中c為膠粒的濃度。由于憎液溶液不穩(wěn)定，濃度不能太大，所以測(cè)出的滲透壓及其它依數(shù)性質(zhì)都很小。 但是親液溶膠或膠體的電解質(zhì)溶液，可以配制高濃度溶液，用滲透壓法可以求它們的摩爾質(zhì)量。2022/7/29沉降平衡（sedimentation equilibrium） 溶膠是高度分散體系，膠粒一方面受到重力吸引而下降，另一方面由于布朗運(yùn)動(dòng)促使?jié)舛融呌诰弧?當(dāng)這兩種效應(yīng)相反的力相等時(shí)，粒子的分布達(dá)到平衡，粒子的濃度隨高度不同有一定的梯度，如圖所示。 這種平衡稱為沉降平衡。2022/7/2

13、9 達(dá)到沉降平衡時(shí)，粒子隨高度分布的情況與氣體類似，可以用高度分布定律。高度分布定律 如圖所示，設(shè)容器截面積為A，粒子為球型，半徑為r，粒子與介質(zhì)的密度分別為 和 ，在 x1和x2處單位體積的粒子數(shù)分別N1，N2， 為滲透壓，g為重力加速度。 2022/7/29 這就是高度分布公式。粒子質(zhì)量愈大，其平衡濃度隨高度的降低亦愈大。高度分布定律2022/7/29溶膠的電學(xué)性質(zhì) 膠粒帶電的本質(zhì) 電動(dòng)現(xiàn)象（2）電滲（3）流動(dòng)電勢(shì)（4）沉降電勢(shì)（1）電泳2022/7/29膠粒帶電的本質(zhì) （1）膠粒在形成過程中，膠核優(yōu)先吸附某種離子，使膠粒帶電。 （2） 離子型固體電解質(zhì)形成溶膠時(shí)，由于正、負(fù)離子溶解量不同

14、，使膠粒帶電。 例如：將AgI制備溶膠時(shí)，由于Ag+較小，活動(dòng)能力強(qiáng)，比I-容易脫離晶格而進(jìn)入溶液，使膠粒帶負(fù)電。 例如：在AgI溶膠的制備過程中，如果AgNO3過量，則膠核優(yōu)先吸附Ag+離子，使膠粒帶正電；如果KI過量，則優(yōu)先吸附I -離子，膠粒帶負(fù)電。2022/7/29 （3） 可電離的大分子溶膠，由于大分子本身發(fā)生電離，而使膠粒帶電。膠粒帶電的本質(zhì) 例如蛋白質(zhì)分子，有許多羧基和胺基，在pH較高的溶液中，離解生成PCOO-離子而負(fù)帶電；在pH較低的溶液中，生成P-NH3+離子而帶正電。 在某一特定的pH條件下，生成的-COO-和-NH3+數(shù)量相等，蛋白質(zhì)分子的凈電荷為零，這pH稱為蛋白質(zhì)的

15、等電點(diǎn) 。2022/7/29電動(dòng)現(xiàn)象 膠粒在重力場(chǎng)作用下發(fā)生沉降，而產(chǎn)生沉降電勢(shì)；帶電的介質(zhì)發(fā)生流動(dòng)，則產(chǎn)生流動(dòng)電勢(shì)。這是因動(dòng)而產(chǎn)生電。 以上四種現(xiàn)象都稱為電動(dòng)現(xiàn)象。 由于膠粒帶電，而溶膠是電中性的，則介質(zhì)帶與膠粒相反的電荷。在外電場(chǎng)作用下，膠粒和介質(zhì)分別向帶相反電荷的電極移動(dòng)，就產(chǎn)生了電泳和電滲的電動(dòng)現(xiàn)象，這是因電而動(dòng)。2022/7/29電泳（electrophoresis） 影響電泳的因素有：帶電粒子的大小、形狀；粒子表面電荷的數(shù)目；介質(zhì)中電解質(zhì)的種類、離子強(qiáng)度，pH值和粘度；電泳的溫度和外加電壓等。 帶電膠?；虼蠓肿釉谕饧与妶?chǎng)的作用下向帶相反電荷的電極作定向移動(dòng)的現(xiàn)象稱為電泳。 從電泳現(xiàn)

16、象可以獲得膠?；虼蠓肿拥慕Y(jié)構(gòu)、大小和形狀等有關(guān)信息。電泳2022/7/29例如，將Fe(OH)3 溶膠放入裝有兩個(gè)電極的U形管中，通電后，可以看到紅褐色的Fe(OH)3膠體粒子向陰極移動(dòng)。如果換上As2S3膠體溶液，因?yàn)锳s2S3膠粒帶負(fù)電，則As2S3膠粒向陽極移動(dòng)。 電泳現(xiàn)象說明膠體粒子是帶有電荷的，同時(shí)也是檢驗(yàn)?zāi)z粒帶電性的主要方法。 2022/7/29 區(qū)帶電泳實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)便、易行，樣品用量少，分離效率高，是分析和分離蛋白質(zhì)的基本方法。 常用的區(qū)帶電泳有：紙上電泳，圓盤電泳和板上電泳等。區(qū)帶電泳 將惰性的固體或凝膠作為支持物，兩端接正、負(fù)電極，在其上面進(jìn)行電泳，從而將電泳速度不同的各組成分離。

17、 2022/7/29 a.紙上電泳 區(qū)帶電泳用濾紙作為支持物的電泳稱為紙上電泳。 先將一厚濾紙條在一定pH的緩沖溶液中浸泡，取出后兩端夾上電極，在濾紙中央滴少量待測(cè)溶液，電泳速度不同的各組分即以不同速度沿紙條運(yùn)動(dòng)。 經(jīng)一段時(shí)間后，在紙條上形成距起點(diǎn)不同距離的區(qū)帶，區(qū)帶數(shù)等于樣品中的組分?jǐn)?shù)。將紙條干燥并加熱，將蛋白質(zhì)各組分固定在紙條上，再用適當(dāng)方法進(jìn)行分析。2022/7/29 b.凝膠電泳 用淀粉凝膠、瓊膠或聚丙烯酰胺等凝膠作為載體，則稱為凝膠電泳。 將凝膠裝在玻管中，電泳后各組分在管中形成圓盤狀，稱為圓盤電泳； 凝膠電泳的分辨率極高。例如，紙上電泳只能將血清分成五個(gè)組分，而用聚丙烯酰胺凝膠作的

18、圓盤電泳可將血清分成25個(gè)組分。區(qū)帶電泳2022/7/29區(qū)帶電泳如果將凝膠鋪在玻板上進(jìn)行的電泳稱為平板電泳。 C.板上電泳2022/7/29 在外加電場(chǎng)作用下，相對(duì)帶電的分散介質(zhì)通過多孔膜或半徑為110 nm的毛細(xì)管作定向移動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為電滲。 外加電解質(zhì)對(duì)電滲速度影響顯著，隨著電解質(zhì)濃度的增加，電滲速度降低，甚至?xí)淖冸姖B的方向。 電滲方法有許多實(shí)際應(yīng)用，如溶膠凈化、海水淡化、泥炭和染料的干燥等。（2）電滲（electro-osmosis)2022/7/29 在U型管1,2中盛電解質(zhì)溶液，將電極5,6接通直流電后，可從有刻度的毛細(xì)管 4中，準(zhǔn)確地讀出液面的變化。 電滲實(shí)驗(yàn) 圖中，3為多孔膜，可以用濾紙、玻璃或棉花等構(gòu)成；也可以用氧化鋁、碳酸鋇、AgI等物質(zhì)構(gòu)成。 如果多孔膜吸附陰離子，則介質(zhì)帶正電，通電時(shí)向陰極移動(dòng)；反之，多孔膜吸附陽離子，帶負(fù)電的介質(zhì)向陽極移動(dòng)。2022/7/29電滲實(shí)驗(yàn)電滲2022/7/29 電滲析法最先用于海水淡化制取飲用水和工業(yè)用水，海水濃縮制取食鹽，