第18章胶体 思考题解答 1.胶体系统是一个多相分散系统,是一个热力学不稳定系统,是 个亚稳系统。请进行评价与讨论。 解:胶体系统包括溶胶、高分子溶液和缔合胶体,广义地还包括乳 状液、泡沫和悬浮体等。其中溶胶、乳状液、泡沫等是多相分散系统、 热力学不稳定系统或亚稳系统;高分子溶液是均相分散系统、热力学稳 定系统;缔合胶体一般也是均相的分散系统、热力学稳定系统。所以不 能笼统地说胶体系统是多相分散系统、热力学不稳定系统、亚稳系统 2.设胶体颗粒吸附了链状高聚电解质,它解离为链状高聚负离子 和正离子(如Na),试讨论这一胶体系统稳定的机制,和可能的失稳 因素 解:在此情况下,胶体颗粒表面吸附了链状高聚电解质,又因高聚 电解质的离解而带有负电荷。因此,这一胶体系统同时具有静电稳定胶 体和高分子稳定胶体的稳定机制。 该系统可能的失稳因素包括加入电解质、加入某些表面活性剂以及 温度的影响。加入少量电解质会降低静电稳定作用,而加入大量电解质 后,将会因盐析作用,使高分子的稳定作用破坏。加入表面活性剂,则 它可能取代已被颗粒吸附的高分子物质,使系统失稳。温度过高或过低 均能引起稳定胶体的絮凝作用。 什么高分子物质有时能对溶胶起保护作用,有时又能引起絮凝,为 解:对一定量溶胶,当加入的高分子物质数量较多时,高分子物质 能对溶胶起保护作用,当加入的数量较少时却往往能引起絮凝,这与高 分子在颗粒表面的形态有关。当起保护作用时,在颗粒表面的高分子形 成一定厚度的保护层,阻止了颗粒的聚结,这种保护机制主要是位阻效 应。但是,当高分子在胶体颗粒表面进行桥形吸附时,将大大增加胶粒 相连结的机会,使胶体系统失稳 4.请用DLVO理论导出叔尔兹-哈迪规则。[利用式(18-18)
第 18 章 胶 体 思考题解答 1. 胶体系统是一个多相分散系统，是一个热力学不稳定系统，是 一个亚稳系统。请进行评价与讨论。 解：胶体系统包括溶胶、高分子溶液和缔合胶体，广义地还包括乳 状液、泡沫和悬浮体等。其中溶胶、乳状液、泡沫等是多相分散系统、 热力学不稳定系统或亚稳系统；高分子溶液是均相分散系统、热力学稳 定系统；缔合胶体一般也是均相的分散系统、热力学稳定系统。所以不 能笼统地说胶体系统是多相分散系统、热力学不稳定系统、亚稳系统。 2. 设胶体颗粒吸附了链状高聚电解质，它解离为链状高聚负离子 和正离子（如 + Na ），试讨论这一胶体系统稳定的机制，和可能的失稳 因素。 解：在此情况下，胶体颗粒表面吸附了链状高聚电解质，又因高聚 电解质的离解而带有负电荷。因此，这一胶体系统同时具有静电稳定胶 体和高分子稳定胶体的稳定机制。 该系统可能的失稳因素包括加入电解质、加入某些表面活性剂以及 温度的影响。加入少量电解质会降低静电稳定作用，而加入大量电解质 后，将会因盐析作用，使高分子的稳定作用破坏。加入表面活性剂，则 它可能取代已被颗粒吸附的高分子物质，使系统失稳。温度过高或过低 均能引起稳定胶体的絮凝作用。 3. 高分子物质有时能对溶胶起保护作用，有时又能引起絮凝，为 什么。 解：对一定量溶胶，当加入的高分子物质数量较多时，高分子物质 能对溶胶起保护作用，当加入的数量较少时却往往能引起絮凝，这与高 分子在颗粒表面的形态有关。当起保护作用时，在颗粒表面的高分子形 成一定厚度的保护层，阻止了颗粒的聚结，这种保护机制主要是位阻效 应。但是，当高分子在胶体颗粒表面进行桥形吸附时，将大大增加胶粒 相连结的机会，使胶体系统失稳。 4. 请用 DLVO 理论导出叔尔兹–哈迪规则。[利用式(18–18)]
思考题和习题解答 解:由式(18-7)和式(18-4)、式(18-6),得 E se/atanh /-eyAr p(kh) 12h 4kT 由式(18-8) dE 以h代表h(E=0),得 32π kt atan nh cey 12h 4了=-M a tanh 47人M)K 式(2)与式(1)相除得 以式(3)代入式(1),得 K=32 kT atanh/sey 4kT K=384.E/kT 384 按式(16-52),并设 = 则有 Cro=fe- 2lco=e 由式(4)与式(5),得 (kr) A 5.絮凝和聚结有什么区别
·270· 思考题和习题解答 解：由式(18–7)和式(18–4)、式(18–6)，得 exp( ) 4 32π tanh 12 M 2 2 H p h kT ze a ze kT h aA E κ ψ ε − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = − + 由式(18–8) 0 Ep = ， 0 d d p = h E 以h′代表 h ( 0 Eb = )，得 exp( ') 4 32π tanh 12 ' M 2 2 H h kT ze a ze kT h aA κ ψ ε − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = (1) κ κ ψ ε − ⋅ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = exp( ') 4 32π tanh 12 ' M 2 2 2 H h kT ze a ze kT h aA (2) 式(2)与式(1)相除,得 = κ ' 1 h (3) 以式(3)代入式(1)，得 exp( 1) 4 32π tanh 12 M 2 2 H − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⋅ = kT ze a ze aA kT ψ κ ε ∴ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = ⋅ kT ze ze kT A 4 tanh e π 384 M 2 2 H ε ψ κ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = ⋅ kT ze ze kT A 4 tanh e π 384 M 4 2 4 H 2 ε ψ κ (4) 按式(16–52)，并设 z = z = z + − ， 0, 0, 0 c = c = c + − 则有 kT Lc z e kT c z e i i i ε ε κ 2 2 0 2 2 2 0 2 = ∑ = (5) 由式(4)与式(5)，得 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = ⋅ kT ze ze kT L A kT c 4 tanh 1 ( ) e π 384 2 M 4 6 4 2 H 0 ε ε ψ ∴ 6 0 − c ∝ z 5. 絮凝和聚结有什么区别
第18章胶体 271 解:絮凝和聚结是胶体系统失稳的两种不同现象,它们有重要的区 别。絮凝是胶体颗粒相互缔合形成较疏松的絮凝物,颗粒结构不发生改 变。絮凝常常是可逆的,当清除了失稳因素后,它可恢复溶胶状态。聚 结是指胶体颗粒相互结合形成大颗粒,此时胶体颗粒的结构发生了改 变。当去除失稳因素后,不能重新恢复溶胶状态。 6.如何利用沉降实验得到多分散胶体系统颗粒大小的分布。 解:利用沉降实验测定多分散胶体系统颗粒大小的分布,可分以下 几步进行 I)利用沉降分析装置测定多分散胶体系统沉降下来的颗粒质量 随时间的变化 (2)根据实验数据作出多 级沉降曲线 (3)计算胶体系统颗粒大 小分布。如图所示,1时间内沉 降下来的颗粒质量为P,则其3 中包括全部沉降的半径≥r1的S 颗粒和部分沉降的半径<n1的O n(n) t2(n) i(n) 颗粒。过A点作切线与纵坐标 交于S1,则PS代表半径<r1的颗粒在h内的沉降质量,OS代表半 径≥r1的颗粒全部沉降的质量。在2时,过B点作切线与纵坐标交于 S2,OS2代表半径≥r2的颗粒全部沉降的质量,P2S2代表半径<r2的颗 粒在h内沉降的质量。同理,OS3代表半径≥r3的颗粒全部沉降的质量, 等等。 OS2-OS1=SS2=AS12代表半径处于n1至n2之间的颗粒的质量 同样,S2S3=AS23代表半径处于n2至r3之间的颗粒的质量。 若沉降总质量为B,则△S-2/即为颗粒半径处于n1和n之间的 颗粒所占的分数。依此类推,可得到多分散胶体系统颗粒大小的分布。 7.电势和电极电势有什么关系。如何得到电势。它与胶体系 的稳定性有什么关系。 解:胶体颗粒带上电荷后,介质中的离子在界面区形成扩散双电 层,与电极表面的情况类似。当胶体颗粒运动时,它与分散介质产生 相对滑移,紧密吸附的水化离子将和颗粒一起运动。滑移面与分散介
第 18 章 胶 体 ·271· 解：絮凝和聚结是胶体系统失稳的两种不同现象，它们有重要的区 别。絮凝是胶体颗粒相互缔合形成较疏松的絮凝物，颗粒结构不发生改 变。絮凝常常是可逆的，当清除了失稳因素后，它可恢复溶胶状态。聚 结是指胶体颗粒相互结合形成大颗粒，此时胶体颗粒的结构发生了改 变。当去除失稳因素后，不能重新恢复溶胶状态。 6. 如何利用沉降实验得到多分散胶体系统颗粒大小的分布。 解：利用沉降实验测定多分散胶体系统颗粒大小的分布，可分以下 几步进行： (1) 利用沉降分析装置测定多分散胶体系统沉降下来的颗粒质量 随时间的变化； (2) 根据实验数据作出多 级沉降曲线； (3) 计算胶体系统颗粒大 小分布。如图所示， 1 t 时间内沉 降下来的颗粒质量为 P1 ，则其 中包括全部沉降的半径 ≥r1 的 颗粒和部分沉降的半径 ＜r1 的 颗粒。过 A 点作切线与纵坐标 交于 1 S ，则 1 1 P S 代表半径 ＜r1 的颗粒在 t1 内的沉降质量，OS1代表半 径 ≥r1 的颗粒全部沉降的质量。在 t2 时，过 B 点作切线与纵坐标交于 2 S ，OS2 代表半径≥r2 的颗粒全部沉降的质量， 2 2 P S 代表半径＜r2 的颗 粒在 t2 内沉降的质量。同理，OS3代表半径≥r3 的颗粒全部沉降的质量， 等等。 OS2 − OS1 = S1S2 = ΔS1−2代表半径处于 r1 至 r2 之间的颗粒的质量。 同样， 2 3 = Δ 2−3 S S S 代表半径处于 r2 至 r3 之间的颗粒的质量。 若沉降总质量为 P0，则 1 2 P0 SΔ − 即为颗粒半径处于 r1 和 r2 之间的 颗粒所占的分数。依此类推，可得到多分散胶体系统颗粒大小的分布。 7. ζ 电势和电极电势有什么关系。如何得到ζ 电势。它与胶体系 统的稳定性有什么关系。 解：胶体颗粒带上电荷后，介质中的离子在界面区形成扩散双电 层，与电极表面的情况类似。当胶体颗粒运动时，它与分散介质产生 相对滑移，紧密吸附的水化离子将和颗粒一起运动。滑移面与分散介
思考题和习题解答 质体相间的电势差即为电势。可见,电势并非颗粒相与介质体相 的电势差,后者决定于颗粒表面的电荷量和表面电势,即电极电势, z电势是由滑移面算起的 在一定的电场强度E下,用实验方法测定胶体颗粒的电泳速度, 即可按公式=30n/(2E)求得5电势。式中的n与E分别为分散介质 的粘度和电容率 胶体颗粒的电势,使两个运动着的颗粒互相排斥,胶体系统因 而得以稳定存在。当∠电势改变时,胶体颗粒的静电保护作用也随之 变化。当ξ电势趋于零时,胶体颗粒将因失去静电保护作用而发生絮 凝或聚结 8.非牛顿流体有哪几种类型。有什么规律,原因是什么。 解:非牛顿流体包括剪切变稠型(胀流型)、剪切变稀型、假塑 型、塑性型、触变型以及震凝型流体等。 剪切变稠型:粘度随流速梯度增大而增大,这是因为当颗粒浓度 很高并接近最紧密排列时,两层间的相对运动将使颗粒偏离最紧密排 列,体积有所増加,需消耗额外能量。或者因为当流速増加而使颗粒 动能増高时,可能越过能垒E到达第一极小E。而发生絮凝,使粘度 增大。 剪切变稀型:粘度随流速梯度増大而减小。这是因为在h较大时, 位能曲线上有一个第二极小E,它将导致颗粒间形成较弱的絮凝, 而流速増大时将破坏这种絮凝使粘度减小。也可能因为颗粒为棒状或 片状,静止时颗粒运动受阻,当受到剪切时,颗粒因形成队列而粘度 减小 假塑型:粘度随流速梯度增大而减小,它的剪切变稀的性质更为 突出。 塑性型:该类流体由于絮凝很强而形成网络结构,其特点是存在 屈服应力τ’rr时,网络破坏并 开始流动,剪切应力随流速梯度而变化。 触变型:在剪切作用下可由粘稠状态变为流动性较大的状态,而 剪切作用取消后,要滞后一段时间才恢复到原来状态。这是由于絮凝 网络经剪切破坏后,重新形成网络需要一定时间。 震凝型:该流体能在剪切作用下变稠。剪切取消后,也要滞后 段时间才恢复变稀
·272· 思考题和习题解答 质体相间的电势差即为ζ 电势。可见，ζ 电势并非颗粒相与介质体相 间的电势差，后者决定于颗粒表面的电荷量和表面电势，即电极电势， 而ζ 电势是由滑移面算起的。 在一定的电场强度 E 下，用实验方法测定胶体颗粒的电泳速度υ ， 即可按公式ζ = 3υη (2ε E) 求得ζ 电势。式中的η 与ε 分别为分散介质 的粘度和电容率。 胶体颗粒的ζ 电势，使两个运动着的颗粒互相排斥，胶体系统因 而得以稳定存在。当ζ 电势改变时，胶体颗粒的静电保护作用也随之 变化。当ζ 电势趋于零时，胶体颗粒将因失去静电保护作用而发生絮 凝或聚结。 8. 非牛顿流体有哪几种类型。有什么规律，原因是什么。 解：非牛顿流体包括剪切变稠型（胀流型）、剪切变稀型、假塑 型、塑性型、触变型以及震凝型流体等。 剪切变稠型：粘度随流速梯度增大而增大，这是因为当颗粒浓度 很高并接近最紧密排列时，两层间的相对运动将使颗粒偏离最紧密排 列，体积有所增加，需消耗额外能量。或者因为当流速增加而使颗粒 动能增高时，可能越过能垒 Eb 到达第一极小 Em1而发生絮凝，使粘度 增大。 剪切变稀型：粘度随流速梯度增大而减小。这是因为在 h 较大时， 位能曲线上有一个第二极小 Em2 ，它将导致颗粒间形成较弱的絮凝， 而流速增大时将破坏这种絮凝使粘度减小。也可能因为颗粒为棒状或 片状，静止时颗粒运动受阻，当受到剪切时，颗粒因形成队列而粘度 减小。 假塑型：粘度随流速梯度增大而减小，它的剪切变稀的性质更为 突出。 塑性型：该类流体由于絮凝很强而形成网络结构，其特点是存在 屈服应力 B τ ， B τ τ 时，网络破坏并 开始流动，剪切应力随流速梯度而变化。 触变型：在剪切作用下可由粘稠状态变为流动性较大的状态，而 剪切作用取消后，要滞后一段时间才恢复到原来状态。这是由于絮凝 网络经剪切破坏后，重新形成网络需要一定时间。 震凝型：该流体能在剪切作用下变稠。剪切取消后，也要滞后一 段时间才恢复变稀
第18章胶体 273· 9.超显微镜实验能否得到胶体颗粒的大小 解:超显微镜观察到的是胶体颗粒的散射光,而不是颗粒本身」 这些散射光光点的大小远大于颗粒的大小,所以超显微镜实验不能直 接得到胶体颗粒的大小,但可以间接得到,方法如下:利用超显微镜 观察一定体积的溶胶内的颗粒数,再根据单位体积溶胶内分散相的质 量可求得单个胶体颗粒的质量,然后结合分散相的密度即可得到胶体 颗粒的数均体积 10.胶束增溶与微乳状液有什么相同和不同之处 解:相同之处:它们都是热力学稳定的系统。 不同之处:胶束增溶中增溶物一般是有机物质,与表面活性剂有 很强的亲和性。微乳状液中,表面活性剂包括助剂聚集于油水界面相 互缔合形成界面层,在界面层内则形成小水池,好像一个油包水的乳
第 18 章 胶 体 ·273· 9. 超显微镜实验能否得到胶体颗粒的大小。 解：超显微镜观察到的是胶体颗粒的散射光，而不是颗粒本身， 这些散射光光点的大小远大于颗粒的大小，所以超显微镜实验不能直 接得到胶体颗粒的大小，但可以间接得到，方法如下：利用超显微镜 观察一定体积的溶胶内的颗粒数，再根据单位体积溶胶内分散相的质 量可求得单个胶体颗粒的质量，然后结合分散相的密度即可得到胶体 颗粒的数均体积。 10. 胶束增溶与微乳状液有什么相同和不同之处。 解：相同之处：它们都是热力学稳定的系统。 不同之处：胶束增溶中增溶物一般是有机物质，与表面活性剂有 很强的亲和性。微乳状液中，表面活性剂包括助剂聚集于油水界面相 互缔合形成界面层，在界面层内则形成小水池，好像一个油包水的乳 状液
