【物理化學】第12章-膠體化學

第十二章

膠體化學2021/1/13Wednesday膠體化學是物理化學的一個重要分支。它所研究的領域是化學、物理學、材料科學、生物化學等諸多學科的交叉與重疊，它已成為這些學科的重要基礎理論。膠體化學的理論和技術現(xiàn)在已廣泛應用于化工、石油開采、催化、涂料、造紙、農藥、紡織、食品、化妝品、染料、醫(yī)藥和環(huán)境保護等工業(yè)部門和技術領域。2021/1/13Wednesday日常生活中常見的現(xiàn)象：1.為什么天空和海洋呈蔚藍色的？2.為什么危險信號要用紅燈顯示？防霧燈要用黃色顯示？3.為什么朝霞和晚霞的色彩特別鮮艷？4.為什么在江河入海處常形成三角洲？5.做豆腐時“點漿”的原理是什么？加明礬為什么能使混濁的水澄清？重金屬離子中毒的病人，為什么喝牛奶可使癥狀減輕？2021/1/13Wednesday概論分散系統(tǒng)：一種或幾種物質分散在另一種物質之中,所構成的系統(tǒng)；分散相：被分散的物質；分散介質：另一種連續(xù)分布的物質；膠體是一種分散系統(tǒng)2021/1/13Wednesday真溶液（d<1nm)(氫原子半徑0.05nm)膠體系統(tǒng)（1nm<d<103nm)粗分散系統(tǒng)(d>103nm)分散系統(tǒng)2021/1/13Wednesday(1)溶膠：分散相不溶于分散介質，有很大相界面，是熱力學不穩(wěn)定系統(tǒng)。(憎液溶膠)(2)高分子溶液:高分子以分子形式溶于介質，分散相與分散介質間無相界面，是熱力學穩(wěn)定系統(tǒng)。(親液溶膠)(3)締合膠體：分散相為表面活性分子締合形成的膠束，在水中，表面活性劑分子的親油基團向里，親水基團向外，分散相與分散介質親和性良好，是熱力學穩(wěn)定系統(tǒng)。膠體系統(tǒng)2021/1/13Wednesday憎液溶膠:分散相與分散介質之間有相界面溶膠親液溶膠:均相，無相界面高分子溶液（1）按膠體溶液的穩(wěn)定性分類2021/1/13Wednesday1.憎液溶膠半徑在1nm~100nm之間的難溶物固體粒子分散在液體介質中，有很大的相界面，易聚沉，是熱力學上的不穩(wěn)定體系。一旦將介質蒸發(fā)掉，再加入介質就無法再形成溶膠，是一個不可逆體系，如氫氧化鐵溶膠、碘化銀溶膠等。這是膠體分散體系中主要研究的內容。2021/1/13Wednesday2.親液溶膠半徑落在膠體粒子范圍內的大分子溶解在合適的溶劑中，一旦將溶劑蒸發(fā)，大分子化合物凝聚，再加入溶劑，又可形成溶膠，親液溶膠是熱力

學上穩(wěn)定、可逆的體系。憎液溶膠的特性2021/1/13Wednesday（1）特有的分散程度粒子的大小在10-9~10-7m之間，因而擴散較慢，不能透過半透膜，滲透壓低但有較強的動力穩(wěn)定性和乳光現(xiàn)象。（2）多相不均勻性具有納米級的粒子是由許多離子或分子聚結而成，結構復雜，有的保持了該難溶鹽的原有晶體結構，而且粒子大小不一，與介質之間有明顯的相界面，比表面很大。（3）熱力學不穩(wěn)定性因為粒子小，比表面大，表面自由能高，是熱力學不穩(wěn)定體系，有自發(fā)降低表面自由能的趨勢，即小粒子會自動聚結成大粒子。2021/1/13Wednesday形成憎液溶膠的必要條件是：（1）分散相的溶解度要??；（2）還必須有穩(wěn)定劑存在，否則膠粒易聚結而聚沉。2021/1/13Wednesday類型分散相粒子直徑分散相性質實例真溶液分子溶液離子溶液等d<1nm小分子離子原子均相，熱力學穩(wěn)定系統(tǒng)；透明、不發(fā)生光散射、擴散快、溶質溶劑均能透過半透膜。氯化鈉或蔗糖的水溶液，混合氣體等膠體分散系統(tǒng)溶膠(憎液膠體)1<d<1000nm膠體粒子多相，熱力學不穩(wěn)定系統(tǒng)；擴散慢、不能透過半透膜，易聚沉。金溶膠，氫氧化鐵溶膠高分子溶液(親液)高(大)分子均相，熱力學穩(wěn)定系統(tǒng)；擴散慢、不能透過半透膜。聚乙烯醇水溶液締合膠體膠束均相，熱力學穩(wěn)定系統(tǒng)；膠束擴散慢、不能透過半透膜。表面活性劑的水溶液c>cmc粗分散系統(tǒng)乳狀液泡沫懸浮液粉塵d>1000nm粗顆粒多相，熱力學不穩(wěn)定系統(tǒng)；不透明、渾濁、擴散慢或不擴散、不能透過半透膜或濾紙；久置沉淀或分層。渾濁泥水，牛奶，豆?jié){等根據(jù)分散相粒子的大小，分散系統(tǒng)可分為：2021/1/13Wednesday宏觀：指研究對象的尺寸很大，其下限是人的肉眼可以觀察到的最小物體(半徑大于1微米)，而上限則是無限的。微觀：上限為原子、分子，而下限則是一個無下限的時空。在宏觀世界與微觀世界之間，還有一個介觀世界，膠體化學中所涉及的超細微粒，其大小、尺寸在1nm～1000nm之間，基本上歸屬于介觀領域。（2）按分散相和介質聚集狀態(tài)分類2021/1/13Wednesday1.液溶膠將液體作為分散介質所形成的溶膠。當分散相為不同狀態(tài)時，則形成不同的液溶膠：.液-固溶膠如油漆，AgI溶膠.液-液溶膠如牛奶，石油原油等乳狀液.液-氣溶膠如泡沫（2）按分散相和介質聚集狀態(tài)分類2021/1/13Wednesday2.固溶膠將固體作為分散介質所形成的溶膠。當分散相為不同狀態(tài)時，則形成不同的固溶膠：.固-固溶膠如有色玻璃，不完全互溶的合金.固-液溶膠如珍珠，某些寶石.固-氣溶膠如泡沫塑料，沸石分子篩（2）按分散相和介質聚集狀態(tài)分類2021/1/13Wednesday3.氣溶膠將氣體作為分散介質所形成的溶膠。當分散相為固體或液體時，形成氣-固或氣-液溶膠，但沒有氣-氣溶膠，因為不同的氣體混合后是單相均一體系，不屬于膠體范圍..氣-固溶膠如煙，含塵的空氣.氣-液溶膠如霧，云2021/1/13Wednesday膠體分散系統(tǒng)在生物界和非生物界都普遍存在，在實際生活和生產(chǎn)中也占有重要的地位，在石油、冶金、紡織、建材、橡膠、塑料等工業(yè)部門，及在生物學、醫(yī)學、土壤學、氣象學、地質學等領域都有重要的應用。江河湖海、工業(yè)廢水等屬于液溶膠系統(tǒng)；大氣層屬于由微塵、水滴和其他介質形成的氣溶膠；人體中很多組織都是含水的膠體，我們的衣食住行很多也都與膠體息息相關。膠體化學在納米(超細)顆粒及新型納米材料的制備領域。2021/1/13Wednesday§12.1膠體系統(tǒng)的制備：粗分散系統(tǒng)(d>1000nm)分子分散系統(tǒng)(d<1nm)膠體系統(tǒng)(1<d<1000nm)聚集分散1溶膠的制備—分散法2021/1/13Wednesday1.研磨法用機械粉碎的方法將固體磨細。這種方法適用于脆而易碎的物質，對于柔韌性的物質必須先硬化后再粉碎。例如，將廢輪胎粉碎，先用液氮處理，硬化后再研磨。膠體磨的形式很多，其分散能力因構造和轉速的不同而不同。2021/1/13Wednesday轉速約每分鐘1萬～2萬轉。

A為空心轉軸，與C盤相連，向一個方向旋轉，B盤向另一方向旋轉。分散相、分散介質和穩(wěn)定劑從空心軸A處加入，從C盤與B盤的狹縫中飛出，用兩盤之間的應切力將固體粉碎，可得1000nm左右的粒子。2021/1/13Wednesday

2.氣流粉碎法這種方法使用的設備稱為噴射磨。噴射磨有一粉碎室，在粉碎室的邊緣上，裝有與周邊成一定角度的兩個高壓噴嘴，分別將高壓空氣及物料以接近或超過音速的速度噴入粉碎室，這兩股高速旋轉的氣流在粉碎室相遇，而形成渦流，由于粒子間的相互碰撞、摩擦及剪切作用而被粉碎。粉碎程度可達1μm以下。由于旋轉的離心作用，較大的粒子被拋向周邊而繼續(xù)被粉碎，細小微粒則隨氣流走向中心，受到擋板的攔截而落入布袋之中。該設備連續(xù)操作，效率較高。2021/1/13Wednesday電弧法主要用于制備金、銀、鉑等金屬溶膠。制備過程包括先分散后凝聚兩個過程。3.電弧法將金屬做成兩個電極，浸在水中，盛水的盤子放在冷浴中。在水中加入少量NaOH作為穩(wěn)定劑。制備時在兩電極上施加100V左右的直流電，調節(jié)電極之間的距離，使之發(fā)生電火花，這時表面金屬蒸發(fā)，是分散過程，接著金屬蒸氣立即被水冷卻而凝聚為膠粒。2.溶膠的制備--凝聚法2021/1/13Wednesday1.物理凝聚法A.更換溶劑法

利用物質在不同溶劑中溶解度的顯著差別來制備溶膠，而且兩種溶劑要能完全互溶。例1.松香易溶于乙醇而難溶于水，將松香的乙醇溶液滴入水中可制備松香的水溶膠。例2.將硫的丙酮溶液滴入90℃左右的熱水中，丙酮蒸發(fā)后，可得硫的水溶膠。2021/1/13Wednesday將汞的蒸氣通入冷水中就可以得到汞的水溶膠。4—金屬鈉，2—苯,5—液氮。B.蒸氣驟冷法羅金斯基等人利用下列裝置，制備堿金屬的苯溶膠。先將體系抽真空，然后適當加熱管2和管4，使鈉和苯的蒸氣同時在管5外壁凝聚。除去管5中的液氮，凝聚在外壁的混合蒸氣融化，在管3中獲得鈉的苯溶膠。2021/1/13Wednesday(2)化學凝聚法：利用生成不溶性物質的化學反應，控制析晶過程，使其停留在膠核尺度的階段，而得到溶膠。所謂控制析晶過程，系指采用有利于大量形成晶核，減緩于晶體生長的條件，例：采用較大的過飽和濃度，較低的操作溫度。

Fe(OH)3溶膠：過量的FeCl3為穩(wěn)定劑不斷攪拌，F(xiàn)eCl3稀溶液緩緩滴入沸水As2S3溶膠：As2O3飽和水溶液中緩慢通入H2S氣體，HS－為穩(wěn)定劑2溶膠的凈化2021/1/13Wednesday在制備溶膠的過程中，常生成一些多余的電解質，如制備Fe(OH)3溶膠時生成的HCl。少量電解質可以作為溶膠的穩(wěn)定劑，但是過多的電解質存在會使溶膠不穩(wěn)定，容易聚沉，所以必須除去。凈化的方法主要有滲析法和超過濾法。2溶膠的凈化2021/1/13Wednesday（1）滲析法 簡單滲析將需要凈化的溶膠放在羊皮紙或動物膀胱等半透膜制成的容器內，膜外放純溶劑。利用濃差因素，多余的電解質離子不斷向膜外滲透，經(jīng)常更換溶劑，就可以凈化半透膜容器內的溶膠。如將裝有溶膠的半透膜容器不斷旋轉，可以加快滲析速度。2溶膠的凈化2021/1/13Wednesday電滲析為了加快滲析速度，在裝有溶膠的半透膜兩側外加一個電場，使多余的電解質離子向相應的電極作定向移動。溶劑水不斷自動更換，這樣可以提高凈化速度。這種方法稱為電滲析法。（1）滲析法§12.2膠體系統(tǒng)的光學性質1.Tyndall效應

Tyndall效應實際上已成為判別溶膠與分子溶液的最簡便的方法。

1869年Tyndall發(fā)現(xiàn)，若令一束會聚光通過溶膠，從側面（即與光束垂直的方向）可以看到一個發(fā)光的圓錐體，這就是Tyndall效應。其他分散體系也會產(chǎn)生一點散射光，但遠不如溶膠顯著。2021/1/13Wednesday把盛有溶液和膠體得燒杯置于暗處，分別用手電筒照射燒杯中的液體，在與光束垂直的方向進行觀察并記錄實驗現(xiàn)象。2021/1/13Wednesday樹林中的丁達爾效應2021/1/13Wednesday

入射光波長<分散粒子尺寸——反射

入射光波長>分散粒子尺寸——散射（可見光波長400~760nm；膠粒1~1000nm)入射光頻率=分子固有頻率——吸收無作用———透過2021/1/13Wednesday丁鐸爾效應是由于膠體粒子發(fā)生光散射而引起的丁鐸爾效應可用來區(qū)分膠體溶液小分子真溶液散射光：分子吸收一定波長的光，形成電偶極子，由其振蕩向各個方向發(fā)射振動頻率與入射光頻率相同的光系統(tǒng)完全均勻，所有散射光相互抵銷，看不到散射光；系統(tǒng)不均勻，散射光不會被相互抵銷，可看到散射光。2.Rayleigh公式

1871年，Rayleigh研究了大量的光散射現(xiàn)象，對于粒子半徑在47nm以下的溶膠，導出了單位體積溶膠的散射光強度計算公式，稱為Rayleigh公式：式中：I0入射光強度，C單位體積中粒子數(shù)入射光波長，V每個粒子的體積分散相折射率，分散介質的折射率從Rayleigh公式可得出如下結論：2.散射光強度與入射光波長的四次方成反比。入射光波長愈短，散射愈顯著。所以可見光中，藍、紫色光散射作用強。3.分散相與分散介質的折射率相差愈顯著，則散射作用亦愈顯著。4.散射光強度與單位體積中的粒子數(shù)成正比。1.散射光強度與粒子的體積平方成正比?？设b別分散系統(tǒng)的種類乳光計原理保持粒子大小相同如果已知一種溶液的散射光強度和濃度，測定未知溶液的散射光強度，就可以知道其濃度，這就是乳光計。3.超顯微鏡與粒子大小的近似測定普通顯微鏡分辨率不高，只能分辨出半徑在200nm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5~150nm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。與普通顯微鏡差別：1）垂直于入射光的方向上（即入射光側面）觀察普通顯微鏡在入射光的反方向觀察時，受透射光的干擾看不到散射光2）用強光源（常用弧光）照射3）黑暗的視野下觀察2021/1/13Wednesday從超顯微鏡可以獲得哪些有用信息？（1）可以測定球狀膠粒的平均半徑。（2）間接推測膠粒的形狀和不對稱性。例如，球狀粒子不閃光，不對稱的粒子在向光面變化時有閃光現(xiàn)象。（3）判斷粒子分散均勻的程度。粒子大小不同，散射光的強度也不同。（4）觀察膠粒的布朗運動、電泳、沉降和凝聚等現(xiàn)象。2021/1/13Wednesday

1827年植物學家布朗（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)則的運動。后來又發(fā)現(xiàn)許多其它物質如煤、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動為布朗運動。但在很長的一段時間里，這種現(xiàn)象的本質沒有得到闡明?！?2.3溶膠的動力學性質2021/1/13Wednesday

1903年發(fā)明了超顯微鏡，為研究布朗運動提供了物質條件。用超顯微鏡可以觀察到溶膠粒子不斷地作不規(guī)則“之”字形的運動，從而能夠測出在一定時間內粒子的平均位移。通過大量觀察，得出結論：粒子越小，布朗運動越激烈。其運動激烈的程度不隨時間而改變，但隨溫度的升高而增加。2021/1/13Wednesday

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運動的本質。認為Brown運動是分散介質分子以不同大小和不同方向的力對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)則運動。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。當半徑大于5m，Brown運動消失。2021/1/13Wednesday

Einstein認為，溶膠粒子的Brown運動與分子運動類似，平均動能為。并假設粒子是球形的，運用分子運動論的一些基本概念和公式，得到Brown運動的公式為：式中是在觀察時間t內粒子沿x軸方向的平均位移；r為膠粒的半徑；為介質的粘度；L為阿伏加德羅常數(shù)。這個公式把粒子的位移與粒子的大小、介質粘度、溫度以及觀察時間等聯(lián)系起來。2021/1/13Wednesday2.擴散擴散：有濃度梯度存在時，物質粒子因熱運動而發(fā)生宏觀上的定向遷移溶膠系統(tǒng)中，溶膠粒子因布朗運動由高“濃度”向低“濃度”的定向遷移過程——溶膠粒子的擴散也可用Fick第一定律來描述此種擴散：——即單位時間通過某一截面的物質的量與該處的濃度梯度及面積大小成正比，其比例系數(shù)D稱為擴散系數(shù)c大c小AS2021/1/13WednesdayD擴散系數(shù)單位濃度梯度下，單位時間通過單位面積的物質的量。單位：m2s–1D可用來來衡量物質擴散能力的大小2021/1/13Wednesday粒子越小，擴散系數(shù)越大，擴散能力越強球形粒子，D可由愛因斯坦－斯托克斯方程計算：18oC時金溶膠的擴散系數(shù)粒子半徑

10.213100.02131000.002132021/1/13Wednesday如分散相粒子大小一致，結合平均位移公式得：又，則膠體粒子的摩爾質量：（測，可求出D）——由D、、可求出單個球形膠體粒子的質量2021/1/13Wednesday3.沉降與沉降平衡沉降與擴散為粒子受到的兩個相反的作用沉降擴散結果真溶液均相粗分散系統(tǒng)分散相沉于底部膠體系統(tǒng)平衡分散相形成濃梯沉降：多相分散系統(tǒng)中的粒子，因受重力作用而下沉的過程2021/1/13Wednesday對微小粒子的沉降平衡，貝林(Perrin)導出粒子濃度隨高度的分布定律：1)該式只適用于粒子大小相等的體系，但形狀不限；2)粒子越重（M大），隨h增加，濃度降低越快。C:粒子數(shù)密度；0：介質密度2021/1/13Wednesday51上式可用于計算大氣壓力p與高度h的關系：不考慮溫度影響時：大氣中的分子不必做浮力校正，

1.290K時在超顯微鏡下測得藤黃水溶膠中的膠粒每10s沿x軸的平均位移為6μm，溶膠的粘度為0.0011Pa/s,求膠粒半徑。例某金溶膠在298K時達沉降平衡，在某一高度粒子的密度為8.89×108m－3,在上升0.001m粒子密度為1.08×108m－3。設粒子為球形,金的密度為1.93×104kg/m3，水的密度為1.0×103kg/m3,試求:1.膠粒的平均半徑及平均摩爾質量。2.使粒子的密度下降一半,需上升的高度。§12.4溶膠系統(tǒng)的電學性質2021/1/13Wednesday§12.4溶膠系統(tǒng)的電學性質溶膠是一個高度分散的非均相系統(tǒng)。分散相粒子與分散介質間有明顯的相界面。實驗發(fā)現(xiàn)，在外電場下，固、液兩相可發(fā)生相對運動；反之，若迫使固、液兩相作相對運動時，又可產(chǎn)生電勢差。溶膠的這種與電勢差有關的相對運動稱為電動現(xiàn)象。電動現(xiàn)象說明，溶膠粒子表面帶有電荷。而溶膠粒子帶有電荷也正是它能長期存在的原因2021/1/13Wednesday（1）電泳在外電場的作用下，膠體粒子在分散介質中定向移動的現(xiàn)象，稱為電泳。2.溶膠的電動現(xiàn)象首先，在U形管中加入NaCl溶液，然后，從下方支管緩慢壓入棕紅色Fe(OH)3溶膠，以使其與NaCl溶液間有清晰的界面存在。通入直流電后，可觀察到，電泳管中陽極一端界面下降，陰極一端界面上升。Fe(OH)3溶膠＋－NaCl溶液界面法測電泳裝置示意圖+–2021/1/13Wednesday實驗測出在一定時間內界面移動的距離，可求得粒子的電泳速度，由電泳速度可求出膠體粒子的電勢。Fe(OH)3溶膠＋－NaCl溶液界面法測電泳裝置示意圖+–2021/1/13Wednesday生物化學中，利用電泳速度不同，可將蛋白質分子、氨基酸分子分離；醫(yī)學上，可利用血清的紙上電泳，對血清蛋白和各種球蛋白分離、顯色，診斷肝病；陶瓷工業(yè)中，利用電泳將粘土與雜質分離，得到高純度的粘土等等。橡膠電鍍、電泳涂漆、高嶺土精煉、天然石油乳狀液中油水分離、靜電除塵等。毛細管電泳：20世紀80年代以來發(fā)展最快的分析化學研究領域之一。健康人和肝硬變患者的血清蛋白電泳圖健康人肝硬變患者2021/1/13Wednesday外電場作用下，溶膠粒子不動(如將其吸附固定于棉花或凝膠等多孔性物質中)，而液體介質做定向流動的現(xiàn)象。若沒有溶膠存在，液體(如水)與多孔性固體物質或毛細管接觸后，固、液兩相帶上符號相反的電荷；若在多孔材料或毛細管兩端施加一定電壓，液體也將通過多孔材料或毛細管而定向流動－－這也是一種電滲。(2)電滲2021/1/13Wednesday隨著外加電解質濃度增加，電滲速度降低；甚至可改變電滲流方向。電滲的應用：溶膠的凈化、海水的淡化、以及紙漿、陶坯、泥炭、染料等多孔材料的脫水和干燥。電滲流方向和流速大小與多孔塞材料和流體本身性質有關。玻璃、棉花、濾紙做多孔塞：水向陰極移動，帶正電；氧化鋁、碳酸鋇等做多孔塞：水向陽極流動，帶負電。2021/1/13Wednesday（3）流動電勢定義：在外力作用下，迫使液體通過多孔隔膜（或毛細管）定向流動，在多孔隔膜兩端所產(chǎn)生的電勢差，稱為流動電勢。該過程可認為是電滲的逆過程液槽氣體加壓多孔塞電位差計2021/1/13Wednesday因為管壁會吸附某種離子，使固體表面帶電，電荷從固體到液體有個分布梯度。在用泵輸送原油或易燃化工原料時，要使管道接地或加入油溶性電解質，增加介質電導，防止流動電勢可能引發(fā)的事故。當外力迫使擴散層移動時，流動層與固體表面之間會產(chǎn)生電勢差，當流速很快時，有時會產(chǎn)生電火花。2021/1/13Wednesday定義：分散相粒子在重力場或離心力場的作用下迅速移動時，在移動方向的兩端所產(chǎn)生的電勢差，稱為沉降電勢。（可視為電泳的逆過程）（4）沉降電勢:(4)沉降電勢(sedimentationpotential)2021/1/13Wednesday在重力場的作用下，帶電的分散相粒子，在分散介質中迅速沉降時，使底層與表面層的粒子濃度懸殊，從而產(chǎn)生電勢差，這就是沉降電勢。貯油罐中的油內常會有水滴，水滴的沉降會形成很高的電勢差，有時會引發(fā)事故。通常在油中加入有機電解質，增加介質電導，降低沉降電勢。2021/1/13Wednesday（固相不動，液體移動）電滲外加電場引起相對運動四種電現(xiàn)象的相互關系：電泳流動電勢（液體靜止，固體粒子運動）沉降電位相對運動產(chǎn)生電位差2021/1/13Wednesday溶膠帶電的原因：

a）固體的溶膠粒子，可從溶液中選擇性地吸附某種離子而帶電。例：AgI溶膠：溶液中I－過量時，可吸附I－而帶負電，溶液中Ag+過量時，可吸附Ag+而帶正電。2021/1/13Wednesday溶液中帶電溶膠粒子表面，必然要吸引相反電荷離子，使它們圍繞在溶膠粒子周圍，這樣就在固液兩相間形成了雙電層。以下就來介紹幾個主要的雙電層理論，

b）溶膠粒子表面上的某些分子、原子可發(fā)生電離。例：蛋白質中的氨基酸分子:

在pH低時氨基形成－NH3+而帶正電；在pH高時羧基形成－COO－而帶負電。2021/1/13Wednesday1.雙電層理論：

1879年，亥姆霍茲首先提出在固液兩相之間的界面上形成雙電層的概念：

1）正負電荷如平板電容器那樣分布；

2）兩層距離與離子半徑相當；

3）在外加電場下，帶電質點與溶液中反電離子分別向相反方向移動。1)亥姆霍茲平板電容器模型＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－

0x2021/1/13Wednesday＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－

0x質點表面電荷與周圍介質中的反離子構成雙電層；表面電勢0：帶電質點表面與液體的電位差：電勢：固、液兩相發(fā)生相對運動時邊界處與液體內部的電位差。缺點：

1)不能解釋帶電質點表面電勢o與電勢的區(qū)別；

2)不能解釋電解質對電勢的影響；

3）與帶電質點一起運動的水化層的厚度大于平板雙電層的厚度（離子半徑大?。?，而滑動面的仍不為零。2021/1/13Wednesday2)擴散雙電層理論＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－

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擴散層

0電勢距離x

1910年，古依和查普曼提出了擴散雙電層理論：1）反電荷的離子不是整齊排列在一個平面上，而是擴散分布在溶液中的。靜電力，使反離子趨向表面；熱運動：使反離子趨于均勻分布。總結果：反離子平衡分布。2）離固體表面越遠，反離子濃度越小，形成一個反離子的擴散層。2021/1/13Wednesday當離開固體表面足夠遠時，溶液中正負離子所帶電量大小相等，對應電勢為零。式中的倒數(shù)-1具有雙電層厚度的意義。若假設：

1）質點表面看作無限大的平面；

2）表面電荷分布均勻；

3）溶劑介電常數(shù)處處相同；則，距表面x處的電勢與表面電勢0的關系為（玻耳茲曼定律）：

=oe-x（12.4.1）＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－

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擴散層

0電勢距離x2021/1/13Wednesday古依－查普曼模型的缺點：

1)沒有給出電位的具體位置及意義

2)沒有考慮膠粒表面上的固定吸附層2021/1/13Wednesday3)斯特恩(Stern)雙電層模型

1924年，斯特恩提出擴散雙電層模型。他認為：

1)離子有一定的大小；

2)質點與表面除靜電作用外，還有范德華作用;因此表面可形成一固定吸附層,或稱為Stern層(包括一些溶劑分子);其余反離子擴散分布在溶液中,構成擴散部分。2021/1/13WednesdayStern模型：固定層＋擴散層稱為斯特恩電勢為滑動面與溶液本體之間的電位差4)在擴散層中,電勢由降到零,可用古依－查普曼的公式描述只需將式中的o換成:3)在Stern面內,電勢變化與亥姆霍茲平板模型相似,電勢由表面的0降到斯特恩面的(Stern電勢)距離

0

Stern面

2021/1/13Wednesday電勢的大小，反映了膠粒帶電的程度。電勢越高，表明：膠粒帶電越多，滑動面與溶液本體之間的電勢差越大，擴散層厚度越厚當固液兩相發(fā)生相對移動時，緊密層（Stern層）中的反離子及溶劑分子與質點一起運動?；瑒用嬉酝獾牟糠植灰苿?。滑動面與溶液本體之間的電位差為。也只有在固液兩相發(fā)生相對移動時，才呈現(xiàn)電勢。距離

0

Stern面

2021/1/13Wednesday當電解質濃度足夠大，(c4態(tài)),可使＝0，該狀態(tài)稱為等電態(tài)，此時膠體不帶電，，不會發(fā)生電動現(xiàn)象，溶膠極易聚沉當溶液中電解質濃度增加時，介質中反離子的濃度加大，將壓縮擴散層使其變薄，把更多的反離子擠進滑動面以內，使電勢在數(shù)值上變小，如下圖。

0滑動面

c4>c3>c2>c1距離反離子濃度斯特恩模型:

給出了電勢明確的物理意義，解釋了溶膠的電動現(xiàn)象,

定性地解釋了電解質濃度對溶膠穩(wěn)定性的影響，使人們對雙電層的結構有了更深入的認識。2021/1/13Wednesday在等電點時，蛋白質分子以雙極離子存在，總凈電荷為零,顆粒無電荷間的排斥作用,易凝集成大顆粒，因而最不穩(wěn)定，溶解度最小，易沉淀析出。

在等電點外的所有其他pH值，依據(jù)蛋白質所帶凈電荷采用電泳和離子交換層析來分離和分離純化該蛋白質。

測定方法

2021/1/13Wednesday80對于球形質點：當粒子半徑r較大雙電層厚度-1較小即r>>1，質點表面可當作平面處理，有：式中：v電泳速度，單位為m·s–1；

E電場強度（或稱電位梯度），單位為V·m–1；

u膠核的電遷移率，單位為m2·V–1·s–1，表示單位場強下的電泳速度；介質的介電常數(shù)，單位F·m–1，=r·0;r相對介電常數(shù)，0真空介電常數(shù)；介質的粘度，單位為Pa·s。Smoluchowski公式溶膠粒子的電勢，可利用電泳速度數(shù)據(jù)通過如下計算獲得：即2021/1/13Wednesday81該式一般用于非水體系球形粒子半徑r較小雙電層厚度-1較大當即r<<1時:Hückel公式2021/1/13Wednesday3.溶膠的膠團結構膠核：由分子、原子或離子形成的固態(tài)顆粒；膠粒：滑動面內包圍的帶電體，膠核+部分反離子；膠團：膠粒與擴散層中的反號離子構成，電中性。法揚斯-帕尼思（Fajans-Pancth）規(guī)則：膠核(有晶體結構)常優(yōu)先吸附能與組成固體表面的離子生成難溶物或電離度很小化合物的離子。例：AgNO3+KIAgI+KNO3KI過量：AgI溶膠優(yōu)先吸附I－帶負電，K＋為反離子；AgNO3過量：AgI溶膠優(yōu)先吸附Ag＋帶正電，NO3－為反離子。2021/1/13Wednesday例：AgNO3過量時，優(yōu)先吸附Ag＋帶正電，NO3－為反離子KI過量時，優(yōu)先吸附I－帶負電，K＋為反離子：寫膠團結構時，應注意電荷平衡，整個膠團是電中性的。膠核膠粒(帶正電)膠團(電中性)膠核膠粒(帶負電)膠團(電中性)2021/1/13Wednesday以上是由于吸附離子使膠核帶電的情況。以下討論由于產(chǎn)生電離產(chǎn)物使膠核帶電的情況。當SiO2微粒與水接觸時，生成弱酸，H2SiO3，它的電離產(chǎn)物SiO32–有一部分仍固定在SiO2上，未擴散到溶液中去。這就形成了帶負電的膠核。反離子是H+。SiO2溶膠的膠團結構為：

{[SiO2]mnSiO32–·2(n-x)H+}2x·2xH+在兩個充有0.001mol/L的KCl溶液的容器之間放一個由AgCl晶體的多孔塞,其細孔道中也充滿了KCl溶液。在多孔塞兩側放兩個接直流電源的電極，問通電時介質將向哪一極方向移動？若改用0.1mol/L的KCl溶液,在相同的外電場中,介質流動速度是變快還是變慢？若用AgNO3溶液代替原來用的KCl溶液，情形又將如何？2021/1/13WednesdayAgCl在KCl溶液中帶負電,則溶液帶正電,向負極移動隨KCl濃度的增加而流速減慢,

如以AgNO3代替KCl,則溶液帶負電,向正極移動§12.5溶膠的穩(wěn)定性與聚沉溶膠是熱力學不穩(wěn)定系統(tǒng)，但有些溶膠卻能在相當長的時間內穩(wěn)定存在。例如法拉第所制的紅色金溶膠，靜置數(shù)十年后才聚沉。那么是什么原因可以使溶膠穩(wěn)定存在？又是什么原因會導致溶膠聚沉呢？

1941年杰里亞金(Derjaguin)和朗道(Landau)、1948年維韋(Verwey)和奧弗比克(Overbeek)分別提出了帶電膠體粒子穩(wěn)定的理論，簡稱DLVO理論，從理論上揭示了溶膠穩(wěn)定與聚沉的原因。2021/1/13Wednesday（1）膠團之間既存在著斥力勢能，也存在著引力勢能。（2）溶膠的相對穩(wěn)定性或聚沉取決于斥力勢能或引力勢能的相對大?。撼饬菽苷純?yōu)——穩(wěn)定引力勢能占優(yōu)——聚沉（3）斥力勢能、引力勢能均隨粒子間距離的變化而變化，但因兩者與距離函數(shù)關系的不同——會出現(xiàn)在某一距離范圍內引力勢能占優(yōu)勢；而在另一范圍內斥力勢能占優(yōu)勢的現(xiàn)象（4）加入電解質時，對引力勢能影響不大，但對斥力勢能的影響卻十分明顯。電解質的加入會導致系統(tǒng)的總勢能發(fā)生很大的變化。適當調整電解質的濃度，可以得到相對穩(wěn)定的溶膠。2021/1/13Wednesday溶劑化作用是使溶膠穩(wěn)定的另一重要因素。若分散介質是水，膠團雙電層中的全部離子都是水化的。在分散相粒子周圍形成一個有一定彈性的水化外殼。當一對膠團因布朗運動而靠近時，水化外殼因受到擠壓而變形，但每個膠團又都力圖恢復其原狀而又被彈開。這樣，水化外殼的存在，增加了溶膠聚合的機械阻力。除膠粒帶電是溶膠穩(wěn)定的主要原因外，溶劑化作用和布朗運動也是溶膠穩(wěn)定的有利因素。2021/1/13Wednesday溶膠穩(wěn)定的第三個重要因素是布朗運動，當分散相粒子布朗運動足夠強時，能克服重力場的影響而不下沉。溶膠的這種性質稱為動力穩(wěn)定。分散相與分散介質密度差愈小，分散介質粘度越大，分散相顆粒越小，布朗運動越激烈，溶膠的動力穩(wěn)定就越強。2021/1/13Wednesday所以，要使溶膠聚沉也要從中和粒子電荷、降低溶劑化作用等入手。溶膠穩(wěn)定的原因：

1)膠粒帶電增加膠粒間的排斥作用；

2)溶劑化作用形成彈性水化外殼，增加溶膠聚合的阻力；

3)Brown運動使膠粒受重力的影響而不下沉。2021/1/13Wednesday2.溶膠的聚沉：定義：溶膠中分散相微?；ハ嗑劢Y，顆粒變大，進而發(fā)生沉淀的現(xiàn)象稱為聚沉。通過加熱、輻射或加入電解質都可導致溶膠聚沉。以下主要討論電解質對溶膠的作用。（1）電解質的聚沉作用：適量的電解質對溶膠起到穩(wěn)定劑的作用。但過量的電解質，特別是含高價反離子的電解質，往往會使溶膠聚沉。2021/1/13Wednesday其原因是：

1）因為電解質的濃度或價數(shù)增加時，會壓縮擴散層，擴散層變薄，斥力勢能降低。當電解質濃度足夠大時，即使溶膠聚沉。距離

0

Stern面

斯特恩層擴散層

2）若加入的反離子發(fā)生特性吸附時，斯特恩層內的反離子數(shù)增，使膠粒帶電量降低，而導致碰撞聚沉。2021/1/13WednesdayEA曲線的形狀由粒子本性決定，不受電解質影響；ER曲線的形狀、位置強烈地受電解質濃度的影響。電解質濃度與價數(shù)增加，使膠體粒子間勢壘的高度與位置發(fā)生變化。EREAEc1c2c3勢能0電解質濃度：c1<c2<c3，電解質濃度，ER，E，溶膠穩(wěn)定性。在c3以后，引力勢能占絕對優(yōu)勢，分散相粒子一旦相碰，即可聚合。2021/1/13Wednesday聚沉值使溶膠發(fā)生明顯的聚沉所需該電解質的最小濃度聚沉能力聚沉值的倒數(shù)。定義：

1)反離子的價數(shù)起主要作用：反離子價數(shù)越高，聚沉能力越大。粗略估計：聚沉值1/Z6，聚沉能力Z6

舒爾策-哈迪（Schultz-Hardy）規(guī)則電解質對溶膠的聚沉規(guī)律：電解質中使溶膠發(fā)生聚沉的離子，是與膠體粒子帶電符號相反的離子，即反離子。例外：H+雖為一價，卻有很強聚沉能力。2021/1/13Wednesday例如：對于帶負電荷的As2S3溶膠，用幾種電解質聚沉，其聚沉值分別為：

KCl：49.5molm-3；

MgCl2：0.7molm-3；

AlCl3：0.093molm-3；聚沉能力之比=1/聚沉值

KCl:MgCl2:AlCl3=1:70:532反離子價數(shù)之比：

16:26:36=1:64:7292021/1/13Wednesday(ii)同價離子，負離子的聚沉能力大于正離子：正離子水化能力強,r,水化能力,吸附能力,進入膠粒緊密層少,電解質聚沉能力負離子水化能力弱,r,水化能力,吸附能力,進入膠粒緊密層多,電解質聚沉能力“點鹵”做豆腐的過程，就是利用電解質使溶膠發(fā)生聚沉。豆?jié){：帶負電的大豆蛋白溶膠，鹵水：含Ca2+、Mg2+、Na+等的電解質。同種同價離子，感膠離子序：同價正離子的聚沉能力：r，聚沉能力

H+>Cs+>Rd+>NH4+>K+>Na+>Li+同價負離子的聚沉能力：r,聚沉能力

F－>Cl－>Br－>NO3－>I－>OH－2021/1/13Wednesday(2)高分子化合物的聚沉作用(1)搭橋效應：一個長碳鏈的高分子通過吸附，同時把許多膠粒聯(lián)結起來，變成較大的聚集體而聚沉；(2)脫水效應：高分子對水的親合力強，它的溶解與水化作用，使膠粒脫水，失去水化外殼而聚沉；(3)電中和效應：離子型的高分子吸附在帶電膠粒上，中和了粒子表面電荷，使粒子間斥力降低，進而聚沉。高分子化合物(含極性基團)有較大的穩(wěn)定或聚沉能力。聚沉：須相對分子質量很大的線型聚合物。2021/1/13Wednesday若在溶膠中加入較多的高分子化合物，許多個高分子化合物的一端吸附在同一個分散相粒子的表面上，或許多高分子線團環(huán)繞在膠粒周圍形成水化外殼，將分散相粒子完全包圍起來，對溶膠則起到保護作用。保護作用：等體積的0.08mol/LNaBr溶液和0.1mol/L的AgNO3溶液混合制AgBr溶膠，分別加入相同濃度的下述電解質溶液,其聚沉能力的大小次序如何？(1)KCl,(2)Na2SO4,(3)MgSO4,(4)Na3PO4解：4>2>3>11.外加直流電場于膠體溶液，向某一電極作定向運動的是：(B)(A)膠核(B)膠粒(C)膠團(D)緊密層2.溶膠（憎液溶膠）在熱力學上是：(B)(A)不穩(wěn)定、可逆的體系(B)不穩(wěn)定、不可逆體系(C)穩(wěn)定、可逆體系(D)穩(wěn)定、不可逆體系2021/1/13Wednesday溶膠與大分子溶液的相同點是：(C)(A)是熱力學穩(wěn)定體系(B)是熱力學不穩(wěn)定體系(C)是動力學穩(wěn)定體系(D)是動力學不穩(wěn)定體系2021/1/13Wednesday溶膠的聚沉速度與電動電位有關,即:(C)(A)電動電位愈大，聚沉愈快(B)電動電位愈小，聚沉愈快(C)電動電位為零，聚沉愈快(D)電動電位愈負，聚沉愈快2021/1/13Wednesday對于有過量的KI存在的AgI溶膠，下列電解質中聚沉能力最強者是：()(D)(A)NaCl(B)K3[Fe(CN)6](C)MgSO4(D)FeCl32021/1/13Wednesday對亞鐵氰化銅負溶膠而言,電解質KCl,CaCl2,K2SO4,CaSO4的聚沉能力順序為：

(C)(A)KCl>CaCl2>K2SO4>CaSO4(B)CaSO4>CaCl2>K2SO4>KCl(C)CaCl2>CaSO4>KCl>K2SO4(D)K2SO4>CaSO4>CaCl2>KCl2021/1/13Wednesday對于帶正電的Fe(OH)3和帶負電的Sb2S3溶膠體系的相互作用,下列說法正確的是：(D)(A)混合后一定發(fā)生聚沉

(B)混合后不可能聚沉

(C)聚沉與否取決于Fe和Sb結構是否相似

(D)聚沉與否取決于正、負電量是否接近或相等2021/1/13Wednesday把人工培育的珍珠長期收藏在干燥箱內，為什么會失去原有的光澤?能否再恢復?珍珠是一種膠體分散體系,

其分散相為液體水,分散介質為蛋白質固體。珍珠長期在干燥箱中存放,水分逐漸被干燥箱吸收,體系被破壞,故失去光澤。此變化不可逆,不能再恢復。2021/1/13Wednesday2021/1/13Wednesday§12.7乳狀液定義：由兩種不互溶或部分互溶的液體所形成的粗分散系統(tǒng)，稱為乳狀液。例：牛奶、煉油廠的廢水、乳化農藥……。若一為水，可用“W”表示；另一相為有機物，如苯、煤油……，習慣上稱之為“油”，可用“O”表示。乳狀液可分為兩大類型水包油，O/W，油分散在水中油包水，W/O，水分散在油中2021/1/13Wednesday乳狀液的分散相被稱為內相，分散介質被稱為外相。若某相體積分數(shù)大于74%，它只能是乳狀液的外相。乳化劑的種類表面活性物質某些固體粉末O＋W＋乳化劑乳狀液要得到比較穩(wěn)定的乳狀液，必須加入乳化劑。乳化劑能使乳狀液比較穩(wěn)定存在的作用—乳化作用2021/1/13Wednesday1．乳狀液類型的鑒別(1)染色法：將油溶性染料滴入乳狀液，振蕩后在顯微鏡下觀察，鑒別乳狀液是O/W型，還是W/O型的方法主要有：若內相被染色，則為O/W型；若外相染色，則為W/O型。(也可用水溶性染料做試驗)。2021/1/13Wednesday(3)導電法：因為水導電性強于油，O/W型乳狀液的導電性能遠好于W/O型乳狀液，通過測電導可區(qū)別兩者。（但若乳狀液中有離子型乳化劑，也有較好導電性。）(2)稀釋法：取少量乳狀液滴入水中或油中，若乳狀液在水中能稀釋，即為O/W型；在油中能稀釋，即為W/O型。2.乳狀液的穩(wěn)定添加少量的添加劑就能使乳狀液比較穩(wěn)定的存在，解釋這種現(xiàn)象的理論就是乳狀液的穩(wěn)定理論，它大致有以下幾個方面：2021/1/13Wednesday1)降低界面張力：乳狀液系統(tǒng)的相界面面積比構成它的純液體要大得多，是不穩(wěn)定分散系統(tǒng)。加入少量表面活性劑，表面活性劑在兩相界面產(chǎn)生正吸附，明顯降低界面張力，使表面吉布斯函數(shù)降低，穩(wěn)定性增加。表面活性劑的HLB值可決定形成乳狀液的類型：

HLB2～6:形成W/O型乳狀液；

HLB12～18:形成O/W型乳狀液。

IIIIII2021/1/13Wednesday附:乳化劑的選擇可根據(jù)HLB值選擇乳化劑：

HLB，親油性，<8親油；

HLB，親水性，>8親水。HLB值可以從手冊查出，也可以估算附:乳化劑的選擇可根據(jù)HLB值選擇乳化劑：

HLB，親油性，<8親油；

HLB，親水性，>8親水。HLB值可以從手冊查出，也可以估算2021/1/13Wednesday2）形成定向楔的界面乳化劑分子的一端極性基團親水，一端非極性基團親油，在界面層中,“大頭”向外，“小頭”密集釘在分散相小液滴上,使它表面積最小,界面吉布斯函數(shù)最低，界面膜更牢固。一價堿金屬皂類，形狀是：親水端為大頭，作為乳化劑時，容易形成O/W型乳狀液：油水2021/1/13Wednesday二價堿金屬皂類，極性基團為小頭，作為乳化劑，容易形成W/O型乳狀液：油水大頭朝外，小頭向內，表面活性劑可緊密排列，形成厚壁，使乳狀液穩(wěn)定。例外：一價銀肥皂，作為乳化劑形成W/O型乳狀液2021/1/13Wednesday3）形成擴散雙電層離子型表面活性劑在水中電離，若正離子在水中的溶解度大于負離子，則水帶正電，油帶負電。帶電的一端指向水，正離子在在水中呈擴散狀分布，形成擴散雙電層。它有較大的熱力學電勢及較厚的雙電層，使乳狀液處于較穩(wěn)定的狀態(tài)。2021/1/13Wednesday4）界面膜的穩(wěn)定作用乳化過程也是分散相液滴表面界面膜的成膜過程，界面膜的強度、韌性和厚度，對乳狀液的穩(wěn)定性起重要作用。配制特定組成的乳化劑，以形成較牢固的界面膜，可增加乳狀液的穩(wěn)定性。例水溶性的十六烷基磺酸鈉+油溶性的乳化劑異辛甾烯醇，可形成帶負電荷的穩(wěn)定的O/W乳狀液。2021/1/13Wednesday5）固體粉末的穩(wěn)定作用：分布在乳狀液界面層的固體微粒,也能起到穩(wěn)定劑的作用。光滑球形粒子，若不考慮重力，在油-水界面上的分布情況，油根據(jù)Young方程有：

os–ws=owcos

固soow水sw為油水界面與水固界面的夾角。cos=（os–ws）/ow2021/1/13Wednesday

固soow水swa.os>ws，<900

水能潤濕固體，大部分粒子浸入水中；有如下三種情況：

固osow水ws油b.os<ws，>900

油能潤濕固體，大部分固體粒子在油中。2021/1/13Wednesdayowws

固os水油c.os=ws，=900，粒子在油水之間。2021/1/13Wednesday所以，容易被水潤濕的固體，如粘土、Al2O3，，可形成O/W乳狀液。油水若要使固體微粒在分散相周圍排列成緊密固體膜，固體粒子大部分應當在分散介質中。2021/1/13Wednesday容易被油潤濕的炭黑、石墨粉等，可作為W/O型乳狀液的穩(wěn)定劑。水油2021/1/13Wednesday4.乳狀液的去乳化定義：使乳狀液破壞的過程稱為破乳或去乳化。其過程分為兩步：第一，分散相小液滴絮凝成團；第二，凝聚，即分散相結合成更大的液滴，在重力場下自動分層。乳狀液穩(wěn)定存在的主要原因是乳化劑的存在，所以，要破乳就要消除或削弱乳化劑的保護能力。2021/1/13Wednesday常用方法為：1)用不能形成牢固膜的表面活性物質代替原來的乳化劑。例如，異戊醇，表面活性強而碳氫鏈短，不能形成牢固的界面膜。2）加入能與乳化劑發(fā)生反應的物質，將它變成無乳化作用的物質。例如，油酸鈉可使乳狀液穩(wěn)定，加無機酸，可使油酸鈉變?yōu)椴痪哂腥榛饔玫挠退?，而達到破乳的目的。3）加入類型相反的乳化劑，如向O/W型的乳狀液，加入W/O型乳化劑2021/1/13Wednesday5）物理方法：離心分離，電泳破乳，超聲波破乳……4）加熱。溫度升高，可降低乳化劑在油-水界面的吸附量，削弱保護膜對乳狀液的保護作用，降低介質的粘度。2021/1/13Wednesday§12.7泡沫泡沫：不溶性氣體分散在液體或熔融固體中形成的粗分散系統(tǒng)。例：肥皂泡沫、啤酒泡沫；泡沫塑料、泡沫橡膠、泡沫玻璃若分散介質為熔融體，由于它有很高的粘度，使其中分散的小氣泡既不容易破裂，又難于互相靠近。降溫后凝固得到固體泡膜，如浮石、泡沫玻璃、泡沫塑料等等。2021/1/13Wednesday若分散介質為液體，則稱為液體泡沫。若要得到比較穩(wěn)定的液體泡沫，必須加入起泡劑。起泡劑實際上也是表面活性劑，它們在氣–液界面上發(fā)生正吸附（表面過剩為正），形成定向排列的吸附膜。這樣不但降低了氣–液吸附膜界面的張力，而且增加了界面膜的機械強度，使泡沫能比較穩(wěn)定的存在。2021/1/13Wednesday因為液體泡沫具有較大的氣–液界面，液體容易蒸發(fā)，或是由于振動，液體泡沫都會破裂。所以它存在的時間比較短。吸附膜某些不容易被水潤濕的固體粉末對泡沫也能起到穩(wěn)定作用。如在水中加一些粉末狀的煙煤，經(jīng)強烈振蕩，可形成三相泡沫。煤末排列在氣泡周圍，類似于形成牢固的固體膜，使泡沫變得更穩(wěn)定。2021/1/13Wednesday利用泡沫技術可以對礦物作浮選。先將礦石粉碎成105nm以下的顆粒，加入足夠的水、適量的浮選劑及少量的起泡劑，再強烈鼓入空氣，即形成大量氣泡。這時憎水性強的有用礦物附在氣泡上，并隨之上浮到液面，而被水潤濕的長石、石英等廢石則沉于水底，如左圖所示。加入適量的浮選劑能增加礦物的憎水性，使水對礦物的接觸角達到50~70°以上，就能達到浮選效果。浮選后能提高礦物的品位，有利于冶煉。此外，在泡沫滅火劑、泡沫殺蟲劑、泡沫除塵及泡沫陶瓷等方面，都用到泡沫技術。2021/1/13Wednesday泡沫但在發(fā)酵、精餾、造紙、印染及污水處理等工藝中，泡沫的出現(xiàn)會給操作帶來諸多不便，因此在這類工藝操作中，必須設法防止泡沫的出現(xiàn)或破壞泡沫的存在。2021/1/13Wednesday§12.9氣溶膠1、粉塵的分類

2、粉塵的性質

3、氣體除塵氣溶膠：液體或固體分散在氣體中所形成的膠體系統(tǒng)。例：云、霧；煙、粉塵等人工降雨、環(huán)境污染及除塵、燃料噴霧或粉塵、粉塵爆炸、煙霧彈等2021/1/13Wednesday氣溶膠的實際應用：在礦山開采、機械加工、金屬冶煉等工藝過程中，會產(chǎn)生大量煙霧及粉塵，污染環(huán)境，危害健康。例如長期吸入含有硅酸鹽的粉塵會引起矽肺病。在煤煙表面，也有致癌的碳氫化合物，如3,4-苯并芘等。此外還有As2S3、Sb2S3、Cu、Pb、Zn、……。這些物質粒子隨煤煙排入大氣，嚴重污染空氣，危害人類健康，而且也是一種浪費。所以如何除塵，也是一個重要的課題。而另一方面，氣溶膠在科學技術上的應用也十分廣泛。例如將液體燃料噴成霧狀，或將固體燃料以粉塵形式進行燃燒，都可以提高燃燒效率，減少污染。又如，將催化劑分散為顆粒狀，懸浮于氣流中的流態(tài)化技術，可以加大氣-固傳質速率，提高催化效果；軍事上也常用煙霧，來掩蔽自已。以下，我們以粉塵為代表，來研究氣溶膠的性質。2021/1/13Wednesday1.粉塵的分類分類法按化學性質分按有無毒性分按沉降性質分(1)塵埃—直徑104~105nm，在靜止空氣中加速沉降。(2)塵霧—直徑250~104nm，在靜止空氣中等速沉降。(3)塵云—直徑<102nm，在靜止空氣中處于無規(guī)則布朗運動狀態(tài)，不能自動下降。2021/1/13Wednesday2.粉塵的性質（1）潤濕性：粉塵被水潤濕的容易與否，與粉塵的化學性質、顆粒大小、帶電情況、溫度及接觸時間的長短等因素有關。新產(chǎn)生的粉塵具有很強的吸附能力，易于吸附空氣中的粒子，在表面上形成一層較牢固的氣膜。粉塵的顆粒越小，吸附力越強，形成的氣膜越牢固，越不容易被水潤濕，甚至可使親水的大塊固體變成憎水性粉末。懸浮在空氣中的粉塵質量很小，遇到凈化水幕的霧滴時，會產(chǎn)生環(huán)繞作用，使粉塵不易與水滴接觸。這也會影響水對粉塵的潤濕效果。若能提高水滴的分布密度，增加粉塵與水滴相對運動的速度，則有利于水對粉塵的潤濕。2021/1/13Wednesday（2）粉塵沉降的速度：該速度與粉塵顆粒的大小、形狀、密度等因素有關。直徑>104nm的塵粒，（>103nm為粗分散系統(tǒng)，已經(jīng)為塵埃部分），在靜止的空氣中表現(xiàn)為加速沉降。直徑小于該值的，在靜止的空氣中表現(xiàn)為等速沉降的塵粒，才可用斯托克斯方程計算其沉降速度：上式中，0為空氣密度，因為它遠小于粉塵密度，所以可忽略不計。為靜止空氣的粘度，g為重力加速度，r為球形粒子半徑。下表列出不同大小球形石英粒子在常溫下的靜止空氣中的沉降速度：2021/1/13Wednesday由此可見，直徑小于1m的塵粒將長期飄浮于空氣中，難于沉降到地面。而直徑在10m(即104nm)以上的粒子（可見塵粒，塵埃）在靜止空氣中很快地沉降下來。實際上，由于自然界大氣的流動，工廠廠房內及礦井內機械設備運轉及人的運動造成的空氣流動，加上粉塵形狀的不規(guī)則，所有這一切因素都會使粉塵的沉降速度變得更慢。（3）粉塵的荷電性：在粉塵產(chǎn)生的過程中，由于物料間激烈地摩擦與撞擊，由于受到放射性射線的照射，以及高壓電場的作用，可使粉塵帶電。當粉塵帶異性電荷時，粒子間的吸引力加大，所以容易聚結成較大顆粒而沉降；反之，若粉塵帶有同種電荷，則粒子間存在靜電斥力，不利于沉降。而帶電的粉塵更容易粘附在人的支氣管與肺泡上，所以對人的危害更大。2021/1/13Wednesday（4）粉塵的爆炸性：粉塵是高度分散的多相系統(tǒng)，可燃性粉塵在空氣中，在適當條件下就會發(fā)生爆炸。例如鎂或碳化鈣的粉塵，與水接觸后會引起燃燒或爆炸。所以若用濕式凈化設備來除塵，就有危險。粉塵在空氣中的爆炸，是激烈的化學反應。只有在一定濃度范圍內，才可能發(fā)生爆炸。發(fā)生爆炸的粉塵最低濃度，稱為爆炸下限，發(fā)生爆炸的粉塵最高濃度，稱為爆炸上限。粉塵在空氣中的濃度大于等于爆炸下限時，若遇明火，即會引起爆炸。下限越低，可以發(fā)生爆炸的溫度越低，發(fā)生爆炸的危險性就越大。一些粉塵的爆炸下限，質量濃度B/(g·m-3)，如下表：···········?

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················??··?··············································2021/1/13Wednesday（5）氣溶膠的光學性質氣溶膠的乳光效應基本上也服從瑞利公式：散射光的強度與入射光波長的4次方成反比。通過氣溶膠的透射光為橙紅色，側面散射光為淡蘭色。例如，縷縷上升的炊煙呈淡蘭色，就是太陽光被煙塵散射的結果。有時在污染的大氣中會出現(xiàn)一種“光化學煙霧”。它是由汽車與工廠排放出的氮的氧化物及碳氫化合物等經(jīng)太陽的紫外線照射而形成的淡蘭色毒性氣體，內含臭氧、醛類、過氧乙酰基硝酸酯等等。2021/1/13Wednesday（6）粉塵的凝聚性：干燥粉塵的表面經(jīng)常帶有電荷。由于空氣流動、聲波的振動、及電磁力的作用，塵粒處于雜亂無章的運動狀態(tài)。微小的塵?？山?jīng)過相互碰撞聚結成較大的粒子。當其質量足夠大時，能克服空氣的流動而自動沉降。新型的除塵設備廠都設法利用這一特點。若大氣中飄浮有體積較大的物質粒子，煙霧就好象是乳白色的，此時乳光效應被渾濁現(xiàn)象所代替。大氣中的煙霧有時也可達到遮天蔽日的地步，使人們的視力范圍只有幾米遠。2021/1/13Wednesday3.氣體除塵在化工、燃料、冶金等生產(chǎn)中，常常產(chǎn)生大量有毒的粉塵，它們不但污染環(huán)境，危害人類健康，而且可能妨礙生產(chǎn)。例如，在接觸法生產(chǎn)硫酸的過程中，原料氣中懸浮著含砷及硒等物質的微粒，若不除去，會使催化劑中毒。可見，氣體除塵不但可以防止污染大氣，回收有用物質，也是許多生產(chǎn)的工藝條件所要求的。2021/1/13Wednesday有些氣溶膠不宜用靜電除塵法處理，如電解NaCl時，產(chǎn)生的氫氣中有危