《油田基礎(chǔ)化學(xué)》課件-第八章 膠體化學(xué)

第八章

膠體化學(xué)第八章膠體化學(xué)第八章膠體化學(xué)膠體的８種存在形式分散介質(zhì)分散相氣態(tài)液態(tài)固態(tài)氣態(tài)？云霧青煙高空灰塵液態(tài)泡沫乳狀液金溶膠牙膏固態(tài)冰激凌泡沫塑料水凝膠合金＼紅寶石分散介質(zhì)為液體的膠體體系稱為液溶膠或溶膠(sol)；水溶膠；固溶膠；氣溶膠。按分散介質(zhì)和分散相的不同，膠體可以表現(xiàn)為多種８種不同的形式。多相體系2或2以上物質(zhì)存在的特殊狀態(tài)。

一般經(jīng)常研究的為溶膠(憎液膠體)：具有大的表面積，屬于多相的不穩(wěn)定體系。此外還有一類：高分子溶液(親液膠體)。第八章膠體化學(xué)膠體（溶膠、泡沫、乳狀液……）高分子溶液表面活性劑溶液膠體化學(xué)膠體體系特點：具有大表面，表面現(xiàn)象多?？梢哉f表面化學(xué)是膠體化學(xué)的一個分支。第八章膠體化學(xué)第八章膠體化學(xué)膠體化學(xué)的應(yīng)用1.油田開發(fā)：鉆井液（穩(wěn)定、絮凝、解卡、消泡……）；稠油乳化；降粘開采；原油脫水與破乳；污水處理；微乳液與三次采油……2.農(nóng)業(yè)：土壤中的離子交換；農(nóng)藥乳化與分散……3.生物學(xué)和醫(yī)學(xué)：生物流變學(xué)；血液學(xué)；滲透與膜；病毒、蛋白質(zhì)；制藥與藥理學(xué)……4.日用品：洗滌劑、化妝品、乳制品、膠囊制品……5.輕工業(yè)：表面處理、陶瓷、涂料……6.環(huán)境科學(xué)：水凈化、人工降雨……7.分析化學(xué)：離子交換，膠束增溶……8.材料：水泥、合金、液晶……9.海洋科學(xué)：海水淡化膜……一膠體的基本概念（一）概念把一種或幾種物質(zhì)分散在另一種物質(zhì)中就構(gòu)成分散體系。其中，被分散的物質(zhì)稱為分散相（dispersedphase），另一種物質(zhì)稱為分散介質(zhì)（dispersingmedium)。例如：云，牛奶，珍珠（二）分類1按分散相粒子的大小分類：（1）分子分散體系：分散相與分散介質(zhì)以分子或離子形式彼此混溶，沒有界面，是均勻的單相，分子半徑大小在1nm以下。通常把這種體系稱為真溶液，如CuSO4溶液。（2）膠體分散體系：分散相粒子的半徑在1～100nm之間的體系。目測是均勻的，但實際是多相不均勻體系。也有的將1～1000nm之間的粒子歸入膠體范疇。分子分散體系膠體分散體系粗分散體系一膠體的基本概念

（3）粗分散體系：當(dāng)分散相粒子大于1000nm,目測是混濁不均勻體系，放置后會沉淀或分層，如黃河水。2按分散相和介質(zhì)的聚集狀態(tài)分類：（1）液溶膠：將液體作為分散介質(zhì)所形成的溶膠。當(dāng)分散相為不同狀態(tài)時，則形成不同的液溶膠：

a液-固溶膠如油漆，AgI溶膠

b液-液溶膠如牛奶，原油乳狀液等

c液-氣溶膠如泡沫液溶膠固溶膠氣溶膠一膠體的基本概念

（2）固溶膠：將固體作為分散介質(zhì)所形成的溶膠。當(dāng)分散相為不同狀態(tài)時，則形成不同的固溶膠：

a固-固溶膠如有色玻璃，不完全互溶的合金；

b固-液溶膠如珍珠，某些寶石；

c固-氣溶膠如泡沫塑料，沸石分子篩一膠體的基本概念

（3）氣溶膠：將氣體作為分散介質(zhì)所形成的溶膠。當(dāng)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。

a氣-固溶膠如煙，含塵的空氣

b氣-液溶膠如霧，云一膠體的基本概念3按膠體溶液的穩(wěn)定性分類（1）憎液溶膠：半徑在1～100nm之間的難溶物固體粒子分散在液體介質(zhì)中，有很大的相界面，易聚沉，是熱力學(xué)上的不穩(wěn)定體系。一旦將介質(zhì)蒸發(fā)掉，再加入介質(zhì)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(nèi)容。（2）親液溶膠：半徑落在膠體粒子范圍內(nèi)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(xué)上穩(wěn)定、可逆的體系。憎液溶膠親液溶膠一膠體的基本概念

憎液溶膠的特性：

（1）特有的分散程度：粒子的大小在10-9～10-7

m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(jié)而成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有的保持了該難溶鹽的原有晶體結(jié)構(gòu)，而且粒子大小不一，與介質(zhì)之間有明顯的相界面，比表面很大。

（3）熱力學(xué)不穩(wěn)定性：因為粒子小，比表面大，表面自由能高，是熱力學(xué)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(jié)成大粒子。一膠體的基本概念

形成憎液溶膠的必要條件是：（1）分散相的溶解度要?。?/p>

（2）還必須有穩(wěn)定劑存在，否則膠粒易聚結(jié)而聚沉。

一膠體的基本概念二膠體的性質(zhì)（一）溶膠的動力性質(zhì)

1Brown運動(Brownianmotion)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)則的運動。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動為布朗運動。但在很長的一段時間里，這種現(xiàn)象的本質(zhì)沒有得到闡明。1903年發(fā)明了超顯微鏡，為研究布朗運動提供了物質(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”字形的運動，從而能夠測出在一定時間內(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。二膠體的性質(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運動的本質(zhì)。

Brown運動是分散介質(zhì)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(dāng)半徑大于5m，Brown運動消失。二膠體的性質(zhì)2膠粒的擴散膠粒也有熱運動，因此也具有擴散和滲透壓。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，C1>C2。由于分子的熱運動和膠粒的布朗運動，可以觀察到膠粒從C1區(qū)向C2區(qū)遷移的現(xiàn)象，這就是膠粒的擴散作用。二膠體的性質(zhì)3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)離子可以透過半透膜，所以有從化學(xué)勢高的一方向化學(xué)勢低的一方自發(fā)滲透的趨勢。由于憎液溶液不穩(wěn)定，濃度不能太大，所以測出的滲透壓及其它數(shù)值都很小。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。溶膠的滲透壓可以借用稀溶液滲透壓公式計算：二膠體的性質(zhì)4沉降平衡（sedimentationequilibrium）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動促使?jié)舛融呌诰弧．?dāng)這兩種效應(yīng)相反的力相等時，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，如圖所示。這種平衡稱為沉降平衡。二膠體的性質(zhì)（二）溶膠的光學(xué)性質(zhì)

1光散射現(xiàn)象當(dāng)光束通過分散體系時，一部分自由地通過，一部分被吸收、反射或散射?？梢姽獾牟ㄩL約在400～700nm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，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，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。二膠體的性質(zhì)2Tyndall效應(yīng)

1869年Tyndall發(fā)現(xiàn)，若令一束會聚光通過溶膠，從側(cè)面（即與光束垂直的方向）可以看到一個發(fā)光的圓錐體，這就是Tyndall效應(yīng)。其他分散體系也會產(chǎn)生一點散射光，但遠(yuǎn)不如溶膠顯著。

Tyndall效應(yīng)實際上已成為判別溶膠與分子溶液的最簡便的方法。二膠體的性質(zhì)（三）溶膠的電學(xué)性質(zhì)1電動現(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。在外電場作用下，膠粒和介質(zhì)分別向帶相反電荷的電極移動，就產(chǎn)生了電泳和電滲的電動現(xiàn)象，這是因電而動。膠粒在重力場作用下發(fā)生沉降，而產(chǎn)生沉降電勢；帶電的介質(zhì)發(fā)生流動，則產(chǎn)生流動電勢。這是因動而產(chǎn)生電。以上四種現(xiàn)象都稱為電動現(xiàn)象。二膠體的性質(zhì)（1）電泳（electrophoresis）帶電膠?；虼蠓肿釉谕饧与妶龅淖饔孟孪驇喾措姾傻碾姌O作定向移動的現(xiàn)象稱為電泳。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、離子強度，pH值和粘度；電泳的溫度和外加電壓等。從電泳現(xiàn)象可以獲得膠粒或大分子的結(jié)構(gòu)、大小和形狀等有關(guān)信息。二膠體的性質(zhì)（2）電滲（electro-osmosis)

在外加電場作用下，帶電的介質(zhì)通過多孔膜或半徑為1～10nm的毛細(xì)管作定向移動，這種現(xiàn)象稱為電滲。外加電解質(zhì)對電滲速度影響顯著，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。電滲方法有許多實際應(yīng)用，如溶膠凈化、海水淡化、泥炭和染料的干燥等。二膠體的性質(zhì)2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。

eg: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。（2）離子型固體電解質(zhì)形成溶膠時，由于正、負(fù)離子溶解量不同，使膠粒帶電。

eg:將AgI制備溶膠時，由于Ag+較小，活動能力強，比I-容易脫離晶格而進入溶液，使膠粒帶負(fù)電。二膠體的性質(zhì)

（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。

eg: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P-COO-離子而帶負(fù)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)的等電點。二膠體的性質(zhì)三膠體結(jié)構(gòu)+++++++++---------由吸附及擴散雙電層理論知：

1由分子、原子或離子構(gòu)成的,具有晶體結(jié)構(gòu)的固態(tài)微粒--膠核。

2反離子，一部分在滑動面內(nèi)，一部分在滑動面外，呈擴散狀態(tài)分布于分散介質(zhì)中。若分散介質(zhì)是水，反離子應(yīng)當(dāng)是水化的。

3被包圍在滑動面內(nèi)的膠核+定位離子+反離子=膠粒。

4整個擴散層+被包圍的膠體粒子

=膠團（電中性）例：AgNO3(稀aq)

+KI(稀aq)

AgI+KNO3AgNO3為過量：AgI溶膠吸附Ag＋帶正電，NO3－為反離子，AgNO3為穩(wěn)定劑。法揚斯規(guī)則：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。三膠體結(jié)構(gòu)膠團結(jié)構(gòu)表示：

例：Ag+過量，生成帶正電的膠粒，NO3－為反離子可滑動面{[AgI]mnAg+

(n

-

x)NO3-}

x+

x

NO3-

膠粒

膠核

膠團三膠體結(jié)構(gòu)三膠體結(jié)構(gòu)KI過量：AgI溶膠吸附I－帶負(fù)電，K＋為反離子；KI為穩(wěn)定劑。請試著寫出它的膠團結(jié)構(gòu)。反之：KI(稀aq)+AgNO3(稀aq)AgI+KNO3膠團結(jié)構(gòu)表示：例：Ag+少量，生成帶負(fù)電的膠粒，K＋為反離子

膠粒

{

[

AgI

]

m

n

I–

(n-x)K+}x

–

·

x

K+

膠核

膠團可滑動面

m及n

對每個膠粒可以大小不等三膠體結(jié)構(gòu)KI為穩(wěn)定劑的膠團剖面圖：K＋K＋K＋K＋[AgI]mI－I－I－I－I－I－I－I－I－I－I－I－I－I－I－I－I－I－I－I－I－I－I－I－K＋K＋K＋K＋K＋K＋K＋K＋K＋K＋K＋K＋K＋K＋K＋K＋K＋K＋K＋K＋膠核

滑動面（內(nèi)部為膠粒）

擴散層邊緣（包括整個膠團）特點：1膠核：首先吸附過量的成核離子，然后吸附反離子形成膠粒，包在滑動層內(nèi)；

2膠團整體為電中性，在擴散層內(nèi)。三膠體結(jié)構(gòu)1

分散法

（1）研磨法（2）膠溶法（3）超聲波分散法（4）電弧法2凝聚法（1）化學(xué)凝聚法（2）物理凝聚法膠體的制備三膠體結(jié)構(gòu)四溶膠的穩(wěn)定與聚沉一、溶膠的穩(wěn)定性

動力學(xué)穩(wěn)定性：由于溶膠粒子小，布朗運動激烈，在重力場中不易沉降，使溶膠具有動力穩(wěn)定性。抗聚結(jié)穩(wěn)定性：膠粒之間有相互吸引的能量Va和相互排斥的能量Vr，總作用能為Va+Vr。

當(dāng)粒子相距較大時，主要為吸力，總勢能為負(fù)值；當(dāng)靠近到一定距離，雙電層重疊，排斥力起主要作用，勢能升高。要使粒子聚結(jié)必須克服這個勢壘。（一）影響溶膠穩(wěn)定性的因素

1外加電解質(zhì)的影響。 這影響最大，主要影響膠粒的帶電情況，使電位下降，促使膠粒聚結(jié)。

2濃度的影響。

濃度增加，粒子碰撞機會增多。

3溫度的影響。

溫度升高，粒子碰撞機會增多，碰撞強度增加。

4膠體體系的相互作用。 帶不同電荷的膠?；ノ鄢?。四溶膠的穩(wěn)定與聚沉(二)靜電斥力作用

同種溶膠，膠團以擴散雙電層的形式存在，膠粒帶同種電荷，擴散雙電層中的反離子帶相同電荷，故當(dāng)膠粒相互靠近時，會受到擴散層中反離子的相互排斥作用，距離越近排斥力越大，膠粒不易聚集。

膠粒間排斥力大小，主要取決于ζ電位，ζ電位越大，排斥力就越大，因此，膠粒具有一定的ζ電位是溶膠穩(wěn)定的主要原因。四溶膠的穩(wěn)定與聚沉(三)溶劑化膜的保護作用

物質(zhì)與溶劑間所起的化合作用，稱為溶劑化。溶劑是水為水化。

膠團中擴散層中反離子都是水化的，故形成水化層膜。當(dāng)膠粒相互靠近碰撞時，首先受到水化膜的阻擋，水化膜具有一定機械強度和彈性，稱為膠粒聚結(jié)的阻力，對膠粒穩(wěn)定性起到了一定支持作用。四溶膠的穩(wěn)定與聚沉

二、溶膠的聚沉

溶膠的聚沉指的是溶膠顆粒聚結(jié)下沉，使分散相和分散介質(zhì)分離而使溶膠破壞的過程。

溶膠聚沉-----去電、去水作用。

如果能中和掉膠粒表面所帶電荷，使ζ電位降低，使水化膜變薄，布朗運動引起膠粒碰撞后聚并的可能性增大，小顆粒變?yōu)榇箢w粒，重力作用下使之沉降，溶膠體系破壞。四溶膠的穩(wěn)定與聚沉

（一）電解質(zhì)的聚沉作用

當(dāng)溶膠中加入電解質(zhì)，體系中離子濃度增加，擴散層中反離子被擠壓到吸附層中，中和膠粒表面所帶電荷，使ζ電位降低，水化膜變薄，從而，電解質(zhì)的加入起到了去電去水化的作用。從而引起膠粒的聚沉。

把能引起某一溶膠明顯聚沉所外加電解質(zhì)的最小濃度稱為該電解質(zhì)對這種溶膠的聚沉值。聚沉能力越大，聚沉值越小，所需電解質(zhì)濃度越低。四溶膠的穩(wěn)定與聚沉

（二）相互聚沉

不同膠體的相互作用：將膠粒帶相反電荷的溶膠互相混合，也會發(fā)生聚沉。與加入電解質(zhì)情況不同的是，當(dāng)兩種溶膠的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。凈化天然水，常加入明礬[KAl(SO4)2·12H2O]。四溶膠的穩(wěn)定與聚沉