第二章 膠體溶液及表面現(xiàn)象

無(wú)機(jī)化學(xué)1第二章膠體溶液及表面現(xiàn)象

本章學(xué)習(xí)重點(diǎn)：概念的理解。

無(wú)機(jī)化學(xué)2主要內(nèi)容第一節(jié)溶膠第二節(jié)高分子化合物溶液第三節(jié)凝膠第四節(jié)物質(zhì)的表面現(xiàn)象無(wú)機(jī)化學(xué)3第一節(jié)溶膠

膠體分散系包括溶膠、高分子溶液和締合膠體三類。膠體的分散相的粒子的大小為1~100nm，可以是一些小分子、離子或原子的聚集體，也可以是單個(gè)的大分子。分散介質(zhì)可以是液體、氣體，或是固體。無(wú)機(jī)化學(xué)4分散介質(zhì)分散相名稱實(shí)例氣體液體氣溶膠霧氣體固體氣溶膠煙液體氣體泡沫膠生奶油液體液體乳狀液牛奶液體固體溶膠油漆，細(xì)胞液固體氣體泡沫浮石固體液體凝膠果凍固體固體固體溶膠紅寶石玻璃無(wú)機(jī)化學(xué)5一、溶膠的性質(zhì)

（一）膠粒對(duì)過(guò)濾器的通透性濾紙孔徑1000-5000nm

瓷板孔徑100nm無(wú)機(jī)化學(xué)6Tyndall現(xiàn)象

令一束聚焦的光束通過(guò)溶膠，則從側(cè)面可以看到一個(gè)發(fā)光的圓錐體，這種現(xiàn)象稱為Tyndall效應(yīng)(Tyndalleffect)，又稱乳光現(xiàn)象。（二）溶膠的光學(xué)性質(zhì)---丁鐸爾現(xiàn)象

無(wú)機(jī)化學(xué)7無(wú)機(jī)化學(xué)8d

略小于λ或接近于λd>>λd<<λ

光波環(huán)繞膠粒向各個(gè)方向散射，成為散射光或稱乳光。

丁達(dá)爾現(xiàn)象的應(yīng)用：區(qū)分真溶液、懸濁液和溶膠。真溶液，懸濁液均無(wú)明顯的丁達(dá)爾現(xiàn)象，故丁達(dá)爾現(xiàn)象是區(qū)分真溶液、懸濁液和溶膠的最簡(jiǎn)便的方法。無(wú)機(jī)化學(xué)9

(三)溶膠的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)

1.布朗運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散

用超顯微鏡觀察溶膠時(shí)，可以觀察到膠體粒子在介質(zhì)中作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，稱為Brown運(yùn)動(dòng)。無(wú)機(jī)化學(xué)10

原因：一是溶膠粒子受到分散介質(zhì)分子不均勻的撞擊時(shí)，合力未完全抵消引起的；二是溶膠粒子自身的熱運(yùn)動(dòng)引起的。

特點(diǎn)：①粒子愈小，溫度愈高，布朗運(yùn)動(dòng)愈劇烈；且其運(yùn)動(dòng)的劇烈程度不隨時(shí)間而改變。②其它微粒也有類似現(xiàn)象。擴(kuò)散：當(dāng)溶膠中的膠粒存在濃度差時(shí)，膠粒將從濃度大的區(qū)域向濃度小的區(qū)域移動(dòng)，稱為擴(kuò)散(diffusion)。擴(kuò)散現(xiàn)象是由膠粒的布朗運(yùn)動(dòng)引起的。無(wú)機(jī)化學(xué)112.沉降平衡沉降：分散相粒子在重力作用下漸漸向容器底部降落的現(xiàn)象稱為沉降(sedimentation)。沉降平衡：膠體分散系一方面粒子受到重力而下降，而另一方面由于布朗運(yùn)動(dòng)引起的擴(kuò)散作用而向上，當(dāng)沉降速度等于擴(kuò)散速度時(shí)，溶膠體系就處于平衡狀態(tài)，這種平衡稱為沉降平衡。沉降平衡時(shí)，粒子的分布達(dá)到平衡，形成一定的濃度梯度(底部濃度最大，隨著高度的增加，粒子濃度逐漸降低)。無(wú)機(jī)化學(xué)12（四）溶膠的電學(xué)性質(zhì)1.電泳和電滲向U形管中注入有色溶膠，在液面上加NaCl溶液，兩相之間有一清晰的界面。插入電極，通直流電后，可看到負(fù)極一端有色溶膠液面下降，而正極一端液面上升，表明溶膠向正極移動(dòng)。這種在外電場(chǎng)作用下，膠粒在介質(zhì)中定向移動(dòng)的現(xiàn)象，稱為電泳。

無(wú)機(jī)化學(xué)13意義：電泳現(xiàn)象可以說(shuō)明膠粒帶電荷，并且根據(jù)電泳方向可以確定膠粒帶何種電荷。大多金屬氫氧化物溶膠的膠粒帶正電—稱為正溶膠。大多數(shù)金屬硫化物溶膠、硅膠、金、硫等帶負(fù)電—稱為負(fù)溶膠。無(wú)機(jī)化學(xué)14電滲：在外電場(chǎng)的作用下，液體介質(zhì)通過(guò)多孔隔膜向帶相反電荷的電極方向移動(dòng)的現(xiàn)象稱為電滲。若膠粒帶正電荷，介質(zhì)必然帶負(fù)電荷而向正極移動(dòng)。意義：通過(guò)電滲管刻度支管中液面的升降，判斷液體介質(zhì)的移動(dòng)方向及介質(zhì)所帶的電荷符號(hào)。無(wú)機(jī)化學(xué)152.膠粒帶電的原因（1）膠核界面的選擇性吸附：膠粒能從分散介質(zhì)中選擇性的吸附一種離子，使其本身帶有電荷。膠核常選擇性的吸附組成與其相似的離子。例：制備Fe(OH)3溶膠，反應(yīng)為：部分Fe(OH)3與HCl作用：

Fe(OH)3膠核就吸附與其組成相似的FeO+而帶正電荷。無(wú)機(jī)化學(xué)16（2）膠粒表面分子的解離例：硅膠的膠核由許多xSiO2·yH2O分子組成，表層分子與H2O作用生成硅酸：H2SiO3HSiO3

-+H+

硅酸電離出的H+擴(kuò)散到介質(zhì)中去，

SiO32-則留在膠核表面，結(jié)果使膠粒帶負(fù)電荷。HSiO3

-SiO3

2-+H+無(wú)機(jī)化學(xué)17膠團(tuán)結(jié)構(gòu)示意圖3.膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)---雙電層結(jié)構(gòu)膠核吸附層擴(kuò)散層膠粒膠團(tuán)無(wú)機(jī)化學(xué)181.m個(gè)Fe(OH)3分子聚成的固體粒子---膠核。[Fe(OH)3]m2.膠核選擇性吸附：nFeO+離子，帶正電。

3.靜電作用，吸附少量Cl-,(n-x)Cl-吸附層：

nFeO+·(n-x)Cl-

膠核與吸附層組成膠粒。n﹥x，膠粒帶x正電荷。4.據(jù)呈電中性的要求，膠粒仍然要吸附Cl-，這部分Cl-借助于擴(kuò)散作用分布于離膠核較遠(yuǎn)處形成擴(kuò)散層:

xCl-。與膠粒帶相反電荷的離子，稱反離子。無(wú)機(jī)化學(xué)19｛[Fe(OH)3]m·nFeO+·(n-x)Cl-

｝x+·xCl-膠核膠粒膠團(tuán)（電中性）吸附層擴(kuò)散層

由吸附層和擴(kuò)散層構(gòu)成的電性相反的兩層結(jié)構(gòu)稱為膠團(tuán)的雙電層結(jié)構(gòu)。無(wú)機(jī)化學(xué)20練習(xí)：將10.0mL0.005mol·L-1AgNO3溶液和10.0mL0.002mol·L-1KBr溶液混合制備AgBr溶膠。寫出該溶膠的膠團(tuán)結(jié)構(gòu)。解：n(Ag+)=0.005mol·L-1×10.0mL=0.05mmoln(Br－)=0.002mol·L-1×10.0mL=0.02mmol

由于

n(Ag+)>n(Br－)，AgNO3溶液過(guò)量，膠核(AgBr)m優(yōu)先吸附Ag+形成帶正電荷的膠粒。膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)為：

[(AgBr)m·nAg+·(n-x)NO3－]x+·xNO3-

無(wú)機(jī)化學(xué)21｛[AgBr]m·

nBr-·(n-x)K＋｝x－

·xK＋

膠核膠粒膠團(tuán)吸附層擴(kuò)散層同理，可以寫出AgBr溶膠的膠團(tuán)結(jié)構(gòu)式(KBr過(guò)量):無(wú)機(jī)化學(xué)22練習(xí)：1.在AgNO3溶液中加入過(guò)量的KI溶液，得到溶膠的膠團(tuán)結(jié)構(gòu)可表示為（）A.[(AgI)m·nI-·(n-x)K+]x-·xK+

B.[(AgI)m·nNO3-·(n-x)K+]x-·xK+

C.[(AgI)m·nAg+·(n-x)I-]x－·xK+D.[(AgI)m·nAg+?(n-x)NO3-]x+?xNO3-E.[(AgI)m·nAg+·(n-x)NO3-]x+·xI-2.混合AgNO3和KI溶液制備AgI負(fù)溶膠時(shí)，AgNO3和KI間的關(guān)系應(yīng)是（）A.c(AgNO3)>c(KI)B.V(AgNO3)>V(KI)C.n(AgNO3)>n(KI)D.n(AgNO3)=n(KI)E.n(AgNO3)<n(KI)答案：A、E無(wú)機(jī)化學(xué)23二、溶膠的穩(wěn)定性和聚沉穩(wěn)定性---溶膠是熱力學(xué)上的不穩(wěn)定體系，其穩(wěn)定性因素主要是膠粒帶電和水化膜的存在。

膠粒都帶有相同符號(hào)的電荷，膠粒之間相互排斥，阻止兩膠粒合并變大；另外膠粒吸附層中的離子對(duì)水分子有吸引力，吸附的水分子在膠粒表面形成一層水化膜，阻止了膠粒之間的聚結(jié)。因此溶膠中的膠粒能相對(duì)穩(wěn)定地存在。聚沉---當(dāng)膠粒的動(dòng)能增大到能克服這種靜電斥力時(shí)，膠粒間就會(huì)相互碰撞合并，粒子增大到布朗運(yùn)動(dòng)克服不了重力作用時(shí)就出現(xiàn)聚沉。無(wú)機(jī)化學(xué)24促使溶膠聚沉的主要方法：（一）加入強(qiáng)電解質(zhì)原理：一是加入的強(qiáng)電解質(zhì)解離出的離子破壞了雙電層結(jié)構(gòu)，膠粒失去了靜電保護(hù)作用；二是強(qiáng)電解質(zhì)離子具有很強(qiáng)的溶劑化作用，破壞了膠粒表面的水化膜。注意：電解質(zhì)對(duì)溶膠的聚沉作用取決于與膠粒帶有相反電荷的離子，即反離子。電解質(zhì)對(duì)溶膠的聚沉作用與反離子所帶電荷的多少有關(guān)。無(wú)機(jī)化學(xué)（1）一般地，離子電荷越高，對(duì)溶膠的聚沉能力就越強(qiáng)。這個(gè)規(guī)律叫做哈迪-叔爾采規(guī)則。

一價(jià)、二價(jià)、三價(jià)反離子的臨界聚沉濃度之比：

(1/1)6:(1/2)6:(1/3)6=100:1.8:0.14（2）同價(jià)反離子的聚沉能力雖相差不大，其聚沉能力隨著離子水合半徑的減小而增加。如:一價(jià)正離子(對(duì)負(fù)溶膠)聚沉能力：

H+﹥Cs+﹥Rb+﹥NH4+﹥K+﹥Na+﹥Li+

一價(jià)負(fù)離子(對(duì)正溶膠)聚沉能力：

F-﹥Cl-﹥Br-﹥I-﹥OH-無(wú)機(jī)化學(xué)26（二）加入帶相反電荷的溶膠帶相反電荷的溶膠有相互聚沉能力。例如，用明礬凈水。（三）加熱加熱增加了膠粒的運(yùn)動(dòng)速度和碰撞機(jī)會(huì)，同時(shí)降低了它對(duì)離子的吸附作用，從而降低了膠粒所帶電荷的電量和水化程度，使溶膠在碰撞中聚沉。例如：As2S3溶膠加熱至沸，析出淡黃色As2S3沉淀。無(wú)機(jī)化學(xué)271.下列四種電解質(zhì)對(duì)某種AgCl溶膠的臨界聚沉濃度（mmol·L-1）分別是：NaNO3(300)，Na2SO4（295），MgCl2(25)，AlCl3(0.5)，則該種AgCl溶膠的類型和膠粒所帶電荷的電性分別是（）A.正溶膠、正電性B.正溶膠、負(fù)電性C.中性溶膠、電中性D.負(fù)溶膠、正電性E.負(fù)溶膠、負(fù)電性答案：E無(wú)機(jī)化學(xué)282.溶膠具有相對(duì)穩(wěn)定性的原因是（）A.布朗運(yùn)動(dòng)B.帶有相同電荷的膠粒間的靜電斥力C.膠粒表面水合膜的保護(hù)作用D.A、B和C3.現(xiàn)有甲、乙、丙、丁和Fe(OH)3五種溶膠，把甲與丙、乙與丁、丙與丁、丙與Fe(OH)3溶膠兩兩混合，均發(fā)生聚沉現(xiàn)象，那末，膠粒帶負(fù)電荷的溶膠是（）A.甲和乙B.乙和丙C.甲和丁D.甲和丙E.乙和丁答案：D、B無(wú)機(jī)化學(xué)294.某溶膠在電泳時(shí)膠粒向陽(yáng)極移動(dòng)，將該溶膠分別加入到①蔗糖溶液②氯化鈉溶液③硅酸溶膠④氫氧化鐵溶膠中，不發(fā)生聚沉的是（）A.①和②B.②和③C.①和③D.①和④E.③和④答案：C5.膠體的本質(zhì)特征是

A.Tyndall現(xiàn)象B.膠粒帶電

C.膠粒直徑為1～100nmD.布朗運(yùn)動(dòng)答案：C無(wú)機(jī)化學(xué)30第二節(jié)高分子化合物

高分子化合物的相對(duì)分子質(zhì)量很大，通常為104～106。它的許多性質(zhì)都與相對(duì)分子質(zhì)量大有關(guān)。可分為天然高分子(蛋白質(zhì)、核酸、淀粉、糖元、纖維素)和合成高分子(塑料、橡膠等)。高分子化合物能自動(dòng)分散到合適的分散介質(zhì)中形成均勻的溶液，為均相系統(tǒng)，在熱力學(xué)上是穩(wěn)定的---與真溶液相似。粒子直徑大小與溶膠相似---擴(kuò)散速率慢，不能透過(guò)半透膜。無(wú)機(jī)化學(xué)31一、高分子化合物的概念高分子化合物概念：?jiǎn)蝹€(gè)分子相對(duì)分子量在一萬(wàn)以上的大分子。蛋白質(zhì)、核酸、糖原、存在體液中重要物質(zhì)；人體肌肉、組織；又如天然橡膠等據(jù)來(lái)源可分為天然的和合成的無(wú)機(jī)化學(xué)32表2-1高分子溶液與溶膠性質(zhì)的比較

高分子溶液溶膠

膠粒是單個(gè)的高分子化合物分散相與分散介質(zhì)親和力強(qiáng)均相分散系統(tǒng)，Tyndall現(xiàn)象不明顯穩(wěn)定系統(tǒng)，加入少量電解質(zhì)無(wú)影響，加大量電解質(zhì)凝聚粘度和滲透壓較大膠粒由許多分子聚集而成分散相與分散介質(zhì)親和力小非均相分散系統(tǒng)，Tyndall現(xiàn)象明顯不穩(wěn)定系統(tǒng)，加入少量電解質(zhì)后即可產(chǎn)生聚沉粘度和滲透壓較小二、高分子化合物溶液的形成和特征無(wú)機(jī)化學(xué)33在溶膠中加入一定量的高分子，能顯著提高溶膠的穩(wěn)定性，這種現(xiàn)象稱為高分子對(duì)溶膠的保護(hù)作用。原因是：高分子物質(zhì)吸附在溶膠粒子表面，包圍住膠粒，形成一層高分子保護(hù)膜，使其對(duì)介質(zhì)的親和力加強(qiáng)，阻止了膠粒之間的直接接觸，從而增強(qiáng)了溶膠的穩(wěn)定性。但有時(shí)，加入少量的高分子溶液，不但起不到保護(hù)作用，反而降低了溶膠的穩(wěn)定性，甚至發(fā)生聚沉，這種現(xiàn)象稱作敏化作用。

原因是：濃度低時(shí)，無(wú)法將膠體顆粒表面完全覆蓋，一個(gè)高分子長(zhǎng)鏈可同時(shí)吸附多個(gè)膠粒，把膠粒聚集起來(lái)產(chǎn)生沉淀。三、高分子溶液對(duì)溶膠的保護(hù)作用和敏化作用無(wú)機(jī)化學(xué)34高分子物質(zhì)對(duì)溶膠保護(hù)作用（a）和敏化作用（b）示意圖無(wú)機(jī)化學(xué)35第三節(jié)凝膠高分子溶液粘度變大，失去流動(dòng)性，形成有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的半固態(tài)物質(zhì)，稱為凝膠（gel）。剛性凝膠：粒子間交聯(lián)強(qiáng)，網(wǎng)狀骨架堅(jiān)固，若將其干燥，網(wǎng)孔中的液體可被驅(qū)出，凝膠的體積和外形無(wú)明顯變化。彈性凝膠：由柔性高分子化合物形成，干燥后，體積明顯縮小，有彈性，再放到合適的液體中，它又會(huì)溶脹變大，甚至完全溶解。無(wú)機(jī)化學(xué)36第四節(jié)物質(zhì)的表面現(xiàn)象兩相接觸的分界面稱為界面。若其中一相為氣相，則稱為表面。一切界面上發(fā)生的現(xiàn)象，統(tǒng)稱為表面現(xiàn)象。無(wú)機(jī)化學(xué)37氣相

液體內(nèi)部及表層分子受力情況示意圖液相無(wú)機(jī)化學(xué)38一、表面張力和表面能表面張力：指向液體內(nèi)部的引力把液體分子從其表面拉到內(nèi)部，即表面的一種抵抗擴(kuò)張的力。用σ表示，單位N/m。表面能：把分子從內(nèi)部移往界面必須克服吸引力而消耗一定量的功，這個(gè)功稱為表面能。無(wú)機(jī)化學(xué)39