《物理化学》课程教学资源：第十二章 溶胶

第十二章溶胶 12.1学习要求 粗颗粒 1.掌握分散体系的基本特征 (粒径大于100m) 2.了解溶胶的制备和净化。 3.掌握溶胶的光学性质、动力学性质和电学性质。「分子,寓子或原子 4.掌握溶胶在稳定性方面的特点和聚沉。 (粒径小于10°m) 5.掌握黏度的物理意义及其测定方法。 6.了解溶胶的流变性、 (粒径106~10°m) 12.2内容概要 12.2.1分散体系 分散体系( dispersion system)是指由一种或几种物质分散在另一种物质 中所形成的体系。其中被分散的物质叫分散相( dispersion phase),分散相所 处的介质叫分散介质( dispersion medium),前者是非连续相,后者是连续相。 分散相颗粒半径在10°10m范围的叫胶体分散体系( the dispersion system of colloid),分散相颗粒大于10°m的叫粗分散体系,小于10m的叫小分子分散 体系(真溶液)。 胶体分散体系按分散相和分散介质的聚集状态又可分为液溶胶、固溶胶和气 溶胶。液溶胶筒称溶胶(so1),是胶体的典型代表,是本章讨论的重点。 12.2.2溶胶的制备净化 溶胶是高度分散的多相体系,由于胶粒细小,比表面积很大,比表面能高 具有聚结不稳定性,所以在制备过程中必须加入稳定剂(如电解质或表面活性 剂),才能得到相对稳定的溶胶 溶胶的制备方法可概括为两大类:分散法和凝聚法,示意如下: 1.分散法 使大块(或粗粒)物质分散在某种介质中形成胶体分散体系的方法叫分散法 ( dispersion method)。常用的有

第十二章 溶 胶 12.1 学习要求 1．掌握分散体系的基本特征。 2．了解溶胶的制备和净化。 3．掌握溶胶的光学性质、动力学性质和电学性质。 4．掌握溶胶在稳定性方面的特点和聚沉。 5．掌握黏度的物理意义及其测定方法。 6．了解溶胶的流变性、 12.2 内容概要 12.2.1 分散体系 分散体系（dispersion system）是指由一种或几种物质分散在另一种物质 中所形成的体系。其中被分散的物质叫分散相（dispersion phase），分散相所 处的介质叫分散介质（dispersion medium），前者是非连续相，后者是连续相。 分散相颗粒半径在 10-9 ~10-6 m 范围的叫胶体分散体系（the dispersion system of colloid），分散相颗粒大于 10-6 m 的叫粗分散体系，小于 10-9 m 的叫小分子分散 体系（真溶液）。 胶体分散体系按分散相和分散介质的聚集状态又可分为液溶胶、固溶胶和气 溶胶。液溶胶筒称溶胶（sol），是胶体的典型代表，是本章讨论的重点。 12.2.2 溶胶的制备净化 溶胶是高度分散的多相体系，由于胶粒细小，比表面积很大，比表面能高， 具有聚结不稳定性，所以在制备过程中必须加入稳定剂（如电解质或表面活性 剂），才能得到相对稳定的溶胶。 溶胶的制备方法可概括为两大类：分散法和凝聚法，示意如下： 1．分散法 使大块（或粗粒）物质分散在某种介质中形成胶体分散体系的方法叫分散法 （dispersion method）。常用的有：

(1)机械研磨法即使用胶体磨等工具粉碎的方法。 (2)超声波分散法利用超声波(频率大于16000Hz)所产生的能量来进行 分散 (3)电弧法主要用于制备金属水溶胶 (4)化学方法也称为胶溶法。将新生成的沉淀加入稳定剂(少量适当的 电解质)后又重新分散成溶胶。例如,将新生成的Fe(OH3沉淀,加入少量FeCl3 深液,经搅拌后,可制得红棕色的Fe(OH3溶胶。 2.凝聚法 与分散法相反,它是把小分子(或离子、原子)凝聚为胶体粒子的方法。 (1)物理凝聚法例如,用改换溶剂法来制备硫溶胶,利用的就是硫磺在 酒精和水中溶解度悬殊的特性。 (2)化学反应法利用各种化学反应如复分解、水解、氧化还原、沉淀、 复分解等反应,控制反应条件使生成物在呈过饱和状态下逐步析出凝聚成胶粒大 小的方法。如: As2O3+3H2S——As2S3(溶胶)+3H2O 由以上方法制得的溶胶中往往含有多余的电解质和杂质,不利于溶胶的稳定 存在,必须将其除去。此过程称溶胶的浄化( purification)。净化溶胶常用渗 析法( dialysis method),电渗析法和超滤法( ultrafiltration method)。 12.2.3溶胶的光学性质 1. Tynda1l效应 在暗室中,将一束聚焦的光线通过溶胶,在与入射光的垂直方向可以看到 个发光的圆锥体,这种现象称为 Tyndall效应。 Tyndall效应是由于胶粒对光的散射作用所引起的。它是溶胶的重要性质。 利用这一特性可以鉴别溶胶与粗分散体系或真溶液 2. Tyndal1效应的规律 溶胶的散射光强度与体系性质之间的关系可用 Ray leigh公式表示

（1）机械研磨法 即使用胶体磨等工具粉碎的方法。 （2）超声波分散法 利用超声波（频率大于 16000Hz）所产生的能量来进行 分散。 （3）电弧法 主要用于制备金属水溶胶 （4）化学方法 也称为胶溶法。将新生成的沉淀加入稳定剂（少量适当的 电解质）后又重新分散成溶胶。例如，将新生成的 Fe(OH)3 沉淀，加入少量 FeCl3 深液，经搅拌后，可制得红棕色的 Fe(OH)3溶胶。 2．凝聚法 与分散法相反，它是把小分子（或离子、原子）凝聚为胶体粒子的方法。 （1）物理凝聚法 例如，用改换溶剂法来制备硫溶胶，利用的就是硫磺在 酒精和水中溶解度悬殊的特性。 （2）化学反应法 利用各种化学反应如复分解、水解、氧化还原、沉淀、 复分解等反应，控制反应条件使生成物在呈过饱和状态下逐步析出凝聚成胶粒大 小的方法。如： 煮沸 FeCl3（稀溶液）+3H2O——Fe(OH)3(溶胶)+3HCl As2O3+3H2S——As2S3(溶胶)+3H2O 由以上方法制得的溶胶中往往含有多余的电解质和杂质,不利于溶胶的稳定 存在,必须将其除去。此过程称溶胶的净化（purification）。净化溶胶常用渗 析法（dialysis method），电渗析法和超滤法（ultrafiltration method）。 12.2.3 溶胶的光学性质 1．Tyndall 效应 在暗室中，将一束聚焦的光线通过溶胶，在与入射光的垂直方向可以看到一 个发光的圆锥体，这种现象称为 Tyndall 效应。 Tyndall 效应是由于胶粒对光的散射作用所引起的。它是溶胶的重要性质。 利用这一特性可以鉴别溶胶与粗分散体系或真溶液。 2．Tyndall 效应的规律 溶胶的散射光强度与体系性质之间的关系可用 Rayleigh 公式表示

rcv- n2 =2xrn+27 )0+cos26) (12-1) 式中:I为散射角为θ,散射距离为r处的溶胶的散射光强度;D为入射光强度 A为入射光的波长;c为分散体系中单位体积中的粒子数;V为每个粒子的体积 n、D分别为分散介质和分散相的折射率。 由上式可得下述结论: (1)波长愈短,散射光愈强。所以将一束可见光照射溶胶发生散射 时,散射光(从侧面看)呈淡蓝色,而透射光(从入射光的对面看)呈橙红色。 (2)分散相与分散介质的折射率相差愈大,散射光愈强。溶胶和溶液的 Tyndall效应就具有极为明显的区别,前者表现出强烈的散射光,而后者却不明 显。这是由于溶液中分散相与分散介质之间具有极强的结合力,二者的折射率极 为接近,故 Tyndall效应很弱。 (3)IaV,所以,对于小分子溶液,散射光非常微弱 (4)Iαc,所以溶胶浓度越大,散射光强度也越大。利用此性质制成测定 胶体溶液浓度的仪器称为浊度计,可测定污水悬浮杂质的含量等,称为浊度分析。 (5)Icl,所以观察胶体的 Tyndall效应时常用聚敛光。 3.超显微镜的原理和应用 超显微镜的原理就是利用普通显微镜观察胶体的 Tyndall效应。在超显微镜 下看到的是以黑暗为 背景,闪烁出的一个个亮点,并非胶体粒子的真实面貌 超显微镜可用于确定胶粒的数目;观察胶粒的Brow运动;估计胶体溶液的 浓度;还可配合电泳仪测定胶粒的电泳速度等 12.24溶胶的动力学性质 1. Brown运动 溶胶中胶粒在分散介质中不断地做不规则运动称为Brow运动。 产生 Brown运动的原因是分散介质分子对胶粒不断撞击的结果。 Einstein利用分子运动论的一些基本概念和公式,推导出 Brown运动的公

（12-1） 式中：I 为散射角为θ，散射距离为 r 处的溶胶的散射光强度；I0为入射光强度； λ为入射光的波长；c 为分散体系中单位体积中的粒子数；V 为每个粒子的体积； n1、n2分别为分散介质和分散相的折射率。 由上式可得下述结论： （1） 波长愈短，散射光愈强。所以将一束可见光照射溶胶发生散射 时，散射光（从侧面看）呈淡蓝色，而透射光（从入射光的对面看）呈橙红色。 （2）分散相与分散介质的折射率相差愈大，散射光愈强。溶胶和溶液的 Tyndall 效应就具有极为明显的区别，前者表现出强烈的散射光，而后者却不明 显。这是由于溶液中分散相与分散介质之间具有极强的结合力，二者的折射率极 为接近，故 Tyndall 效应很弱。 （3）I V，所以，对于小分子溶液，散射光非常微弱。 （4）I c，所以溶胶浓度越大，散射光强度也越大。利用此性质制成测定 胶体溶液浓度的仪器称为浊度计，可测定污水悬浮杂质的含量等，称为浊度分析。 （5）I I0，所以观察胶体的 Tyndall 效应时常用聚敛光。 3．超显微镜的原理和应用 超显微镜的原理就是利用普通显微镜观察胶体的 Tyndall 效应。在超显微镜 下看到的是以黑暗为 背景，闪烁出的一个个亮点，并非胶体粒子的真实面貌。 超显微镜可用于确定胶粒的数目；观察胶粒的 Brown 运动；估计胶体溶液的 浓度；还可配合电泳仪测定胶粒的电泳速度等。 12.2.4 溶胶的动力学性质 1．Brown 运动 溶胶中胶粒在分散介质中不断地做不规则运动称为 Brown 运动。 产生 Brown 运动的原因是分散介质分子对胶粒不断撞击的结果。 Einstein 利用分子运动论的一些基本概念和公式，推导出 Brown 运动的公 式

x=( L 3r (12-2) 式中:X为粒子的平均位移,t为观察间隔时间:R为气体常数;n为介质的黏 度;r为粒子的半径;L为 Avogadro常数 由上式可以看出,粒子越小,温度越高,介质的黏度越小,则 Brown运动越 剧烈。 2.扩散 胶粒由于 Brown运动在分散介质中自发地从高浓度处向低浓度处的迁移现象 称为扩散( diffusion)。扩散的结果使粒子趋于均匀分布 Einstein假定粒子为球形,导出了粒子在t时间的平均位移(和扩散系 数(D)之间的关系式 F=2Dt (12-3) 由式(12-2)和式(12-3)可得 D (12-4) 式中:D为扩散系数,其物理意义为:单位浓度梯度下,单位时间内通过单位面 积的物质的量。由式(12-4)可以看出,粒子的半径越小,介质的黏度越小,温 度越高,则D越大,粒子就越易扩散。 Brown运动的存在对溶胶的稳定性起着正反两方面的作用:(1)由 Brown 运动引起的扩散作用,防止了胶粒的聚结,增加了溶胶的稳定性(称为动力学稳 定性);(2)由于Brow运动的存在,增加了胶粒的碰撞机会,降低了溶胶的稳 定性 (3)沉降与沉降平衡 悬浮在分散介质中的胶体粒子在外力的作用下下沉的过程称作沉降 ( sedimentation)。 Brown运动引起的扩散作用与外力引起的沉降作用对胶体粒子浓度的影响是 相反的。当这两种作用力即重力与扩散力大小相等时,任一高度处粒子的浓度不 再随时间而变化,即粒子的分布达到平衡,称为沉降平衡( sedimentation equilibrium)

(12-2) 式中：X 为粒子的平均位移，t 为观察间隔时间；R 为气体常数；η为介质的黏 度；r 为粒子的半径；L 为 Avogadro 常数。 由上式可以看出，粒子越小，温度越高，介质的黏度越小，则 Brown 运动越 剧烈。 2．扩散 胶粒由于 Brown 运动在分散介质中自发地从高浓度处向低浓度处的迁移现象 称为扩散（diffusion）。扩散的结果使粒子趋于均匀分布。 Einstein 假定粒子为球形，导出了粒子在 t 时间的平均位移（X）和扩散系 数（D）之间的关系式： X 2 =2Dt （12-3） 由式(12-2)和式(12-3)可得 (12-4) 式中：D 为扩散系数,其物理意义为：单位浓度梯度下，单位时间内通过单位面 积的物质的量。由式（12-4）可以看出，粒子的半径越小，介质的黏度越小，温 度越高，则 D 越大，粒子就越易扩散。 Brown 运动的存在对溶胶的稳定性起着正反两方面的作用：（1）由 Brown 运动引起的扩散作用，防止了胶粒的聚结，增加了溶胶的稳定性(称为动力学稳 定性)；（2）由于 Brown 运动的存在，增加了胶粒的碰撞机会，降低了溶胶的稳 定性。 （3）沉降与沉降平衡 悬浮在分散介质 中的胶体 粒子在外力 的作用下下 沉的过程 称作沉降 （sedimentation）。 Brown 运动引起的扩散作用与外力引起的沉降作用对胶体粒子浓度的影响是 相反的。当这两种作用力即重力与扩散力大小相等时，任一高度处粒子的浓度不 再随时间而变化，即粒子的分布达到平衡，称为沉降平衡（sedimentation equilibrium）

若粒子以匀速沉降,则其所受的重力=沉降阻力,即 -xr2(p-Po)g=6xr p-0)g 则 (12-5) 式中:v为粒子的沉降速度;r为粒子的半径;n为介质的黏度;p和p分别为 粒子和介质的密度;g为重力加速度。 由上式可以看出,沉度速度v与P成正比,所以粒子的大小对沉降速度的影 响很大,粒子越小,其沉降速度越慢。对于半径在10^~10°m的胶体粒子来说, 其沉降速度非常缓慢,且外界因素如温度的对流、机械振动等都会阻止沉降 对于多级分散体系来说,由于粒子的大小不一,粒子的沉降速度不同,通过 测定沉降速度,就可以求得粒子的大小及分散体系中某一定大小的粒子所占的百 分量,这项工作称为沉降分析。沉降分析在土壤学上非常重要。属于土壤机械分 析的一部分。 12.2.5溶胶的电学性质 1.电动现象 在外加电场的作用下,胶体颗粒在分散介质中的定向移动为电泳 ( electrophoresis)。在外加电场的作用下,毛细管内或多孔性固体内液体相 对于固体表面的运动称为电渗( electroosmosis)。电泳和电渗都属于电动现象 它们均是胶粒带电的最主要的实验证据。通过研究电动现象,可以确定胶粒所带 电荷的符号,对进一步了解胶体的结构,及电解质对溶胶稳定性的影响具有重要 意义。 2.胶粒表面电荷的来源 电动现象证明溶胶中的胶粒带电,带正电的溶胶称为正电性溶胶,如氢氧化 铁溶胶;带负电的溶胶称为负电性溶胶,如金、银、硫化砷溶胶。胶粒表面带电 的主要原因有 (1)吸附溶胶粒子会选择性吸附溶液中某些离子而带电。例如用水解反 应制备Fe(OH)3溶胶时,Fe(OH)3颗粒表面会吸附溶液中的Fe0,而使胶粒带正电。 (2)电离例如硅酸溶胶,由于表面层分子发生电离(HSi0=2H+SiO2) 而使胶粒带负电

若粒子以匀速沉降，则其所受的重力=沉降阻力，即 则 （12-5） 式中：v 为粒子的沉降速度；r 为粒子的半径；η为介质的黏度；ρ和ρ0分别为 粒子和介质的密度；g 为重力加速度。 由上式可以看出，沉度速度 v 与 r 2成正比，所以粒子的大小对沉降速度的影 响很大，粒子越小，其沉降速度越慢。对于半径在 10-9 ~10-6 m 的胶体粒子来说， 其沉降速度非常缓慢，且外界因素如温度的对流、机械振动等都会阻止沉降。 对于多级分散体系来说，由于粒子的大小不一，粒子的沉降速度不同，通过 测定沉降速度，就可以求得粒子的大小及分散体系中某一定大小的粒子所占的百 分量，这项工作称为沉降分析。沉降分析在土壤学上非常重要。属于土壤机械分 析的一部分。 12.2.5 溶胶的电学性质 1．电动现象 在外加电场的作用下，胶体颗粒在分散介质中的定向移动为电泳 （electrophoresis）。在外加电场的作用下，毛细管内或多孔性固体内液体相 对于固体表面的运动称为电渗（electroosmosis）。电泳和电渗都属于电动现象。 它们均是胶粒带电的最主要的实验证据。通过研究电动现象，可以确定胶粒所带 电荷的符号，对进一步了解胶体的结构，及电解质对溶胶稳定性的影响具有重要 意义。 2．胶粒表面电荷的来源 电动现象证明溶胶中的胶粒带电，带正电的溶胶称为正电性溶胶，如氢氧化 铁溶胶；带负电的溶胶称为负电性溶胶，如金、银、硫化砷溶胶。胶粒表面带电 的主要原因有： （1）吸附 溶胶粒子会选择性吸附溶液中某些离子而带电。例如用水解反 应制备 Fe(OH)3溶胶时，Fe(OH)3颗粒表面会吸附溶液中的 FeO+，而使胶粒带正电。 （2）电离 例如硅酸溶胶，由于表面层分子发生电离（H2SiO3=2H+ +SiO3 2-） 而使胶粒带负电

(3)同晶置换例如黏土中的A1被Ca“代替,粒子缺正电荷而带负电。 3.双电层结构 由于胶粒带有电荷,则分散介质一定带有相反电荷,这样在固一液界面处便 形成了双电层( double electrode layer)。通常把使固相表面带电的离子称为 电势离子,而与其电荷相反的离子称为反离子。关于双电层的结构,人们先后提 出了不同的模型,当前普遍接受的是 Stern双电层模型 He lumholtz首先提出了平行板电容器模型,认为固体表面是一个电层,离开 固体表面一定距离的溶液是另一个电层,二者相互平行,整齐排列,好像一个平 行板电容器。 Gouy和〔 haman分别提出了扩散双电层模型。他们认为介质中的反离子,由 于静电吸引和本身的热运动,使得反离子逐渐向外呈扩散状分布。紧靠固体表面 附近反离子的数目较多,随着离固体表面距离的增大而减小,从而形成一个扩散 双电层。 Stern在上述模型的基础上,提出了 Stern双电层模型。他认为介质中的反 离子层分为紧密层(或 Stern层)和扩散层。紧密层中反离子中的构成的面称为 Stern面。固体和液体在电场中发生错动的位置称为相对滑移面( Shear Surface),一般认为是在 Stern面以外的某处,约为1~2个液体分子的厚度, 但其确切位置尚无定论。在相对滑移面内,除了固体表面的电位离子和Ster 层的反离子外,还包括少部分扩散层中的反离子,它们在外电场的作用下,与固 体一起运动,称为固定层;在相对滑移面以外,是不随固体一起运动的扩散层部 分,称为可动层。 4.电动电势() 从固体表面到溶液本体之间存在着三种电势。为固体表面双电层的总电 势,即热力学电势,其值取决于固体表面的电势离子的浓度:为 Stern面上 的电势,它是紧密层与扩散层分界处的电势,相对滑移面与溶液本体的电势差称 为电动电势( electrokinetic potential)或纟电势。5电势略低于φ,二者 都只是的一部分

（3）同晶置换 例如黏土中的 Al3+被 Ca2+代替，粒子缺正电荷而带负电。 3．双电层结构 由于胶粒带有电荷，则分散介质一定带有相反电荷，这样在固一液界面处便 形成了双电层（double electrode layer）。通常把使固相表面带电的离子称为 电势离子，而与其电荷相反的离子称为反离子。关于双电层的结构，人们先后提 出了不同的模型，当前普遍接受的是 Stern 双电层模型。 Helmholtz 首先提出了平行板电容器模型，认为固体表面是一个电层，离开 固体表面一定距离的溶液是另一个电层，二者相互平行，整齐排列，好像一个平 行板电容器。 Gouy 和 Chapman 分别提出了扩散双电层模型。他们认为介质中的反离子，由 于静电吸引和本身的热运动，使得反离子逐渐向外呈扩散状分布。紧靠固体表面 附近反离子的数目较多，随着离固体表面距离的增大而减小，从而形成一个扩散 双电层。 Stern 在上述模型的基础上，提出了 Stern 双电层模型。他认为介质中的反 离子层分为紧密层（或 Stern 层）和扩散层。紧密层中反离子中的构成的面称为 Stern 面。固体和液体在电场中发生错动的位置称为相对滑移面（Shear Surface），一般认为是在 Stern 面以外的某处，约为 1~2 个液体分子的厚度， 但其确切位置尚无定论。在相对滑移面内，除了固体表面的电位离子和 Stern 层的反离子外，还包括少部分扩散层中的反离子，它们在外电场的作用下，与固 体一起运动，称为固定层；在相对滑移面以外，是不随固体一起运动的扩散层部 分，称为可动层。 4．电动电势（ζ） 从固体表面到溶液本体之间存在着三种电势。 为固体表面双电层的总电 势，即热力学电势，其值取决于固体表面的电势离子的浓度； 为 Stern 面上 的电势，它是紧密层与扩散层分界处的电势，相对滑移面与溶液本体的电势差称 为电动电势（electrokninetic potential）或ζ电势。ζ电势略低于 ，二者 都只是 的一部分

ξ电势受外加电解质的影响很大。随着外加电解质浓度的增加,由于离子交 换或压缩作用,使扩散层的厚度减小,会有更多的反离子进入固定层中,从而使 ξ电势降低。当扩散层被压缩到与固定层相重叠时,ξ电势降低到零,这时胶粒 不带电。如果外加电解质中的反离子发生强烈吸附,甚至可以使ξ电势的符号改 变 电势与电泳、电渗直接相关,可以通过电泳、电渗速率的测定求出电势,关 系式如下: (棒状粒子) (12-6) (球形粒子) (12-7) 式中,ε0为真空相对介电常数,其值为8.85×10C·N·m2; e为介质的介电常数;E为电势梯度;u为电泳或电渗速率;n为介质的黏度。 12.2.6溶胶的流变性质 黏度( vIscoSIty)是液体流动时所表现出来的内摩擦阻力,用n表示。它 的单位是Pa·s。黏度与切力、切速率之间的关系可用牛顿( Newton)黏性流动 定律表示,公式如下: F A (12-8) 符合(12-8)式的液体称为牛顿液体,其特点是n与外加切力无关,只与温 度有关。在一定温度下,n是一个定值。大多数的纯液体,或小分子的稀溶液 都属于牛顿液体。不服从(12-8)式的液体称为非牛顿液体,如溶胶、悬浮液或 髙分子溶液等。其特点是液体的黏度随外加切力的增加而变化。若体系的黏度随 切力的增加而变大,称为切变稠化( Shear thickening);若体系的黏度随切力 的增加而变小,称为切变稀化( Shear thinning) 测定黏度常用的方法有:毛细管流动法、转筒法、落球法等。 12.2.7溶胶的稳定性与聚沉 1.溶胶的稳定性

ζ电势受外加电解质的影响很大。随着外加电解质浓度的增加，由于离子交 换或压缩作用，使扩散层的厚度减小，会有更多的反离子进入固定层中，从而使 ζ电势降低。当扩散层被压缩到与固定层相重叠时，ζ电势降低到零，这时胶粒 不带电。如果外加电解质中的反离子发生强烈吸附，甚至可以使ζ电势的符号改 变。 ζ电势与电泳、电渗直接相关，可以通过电泳、电渗速率的测定求出ζ电势，关 系式如下： （棒状粒子） （12-6） （球形粒子） （12-7） 式中，ε0为真空相对介电常数，其值为 8.85×10-12C 2·N -1·m -2； ε为介质的介电常数；E 为电势梯度；u 为电泳或电渗速率；η为介质的黏度。 12.2.6 溶胶的流变性质 黏度（viscosity）是液体流动时所表现出来的内摩擦阻力，用η表示。它 的单位是 Pa·s。黏度与切力、切速率之间的关系可用牛顿（Newton）黏性流动 定律表示，公式如下： （12-8） 符合（12-8）式的液体称为牛顿液体，其特点是η与外加切力无关，只与温 度有关。在一定温度下，η是一个定值。大多数的纯液体，或小分子的稀溶液， 都属于牛顿液体。不服从（12-8）式的液体称为非牛顿液体，如溶胶、悬浮液或 高分子溶液等。其特点是液体的黏度随外加切力的增加而变化。若体系的黏度随 切力的增加而变大，称为切变稠化（Shear thickening）；若体系的黏度随切力 的增加而变小，称为切变稀化（Shear thinning）。 测定黏度常用的方法有：毛细管流动法、转筒法、落球法等。 12.2.7 溶胶的稳定性与聚沉 1．溶胶的稳定性

溶胶是热力学上的不稳定体系,胶粒有相互聚结而降低其表面能的趋势,但 在有稳定剂存在的条件下,它能在一定时间内保持相对稳定,其主要原因是:(1) 胶粒的动力学稳定性,即胶粒由于 Brown运动而使其克服重力的影响而不沉降 (2)由于胶团双电层结构的存在,使胶粒都带同号电荷,有静电相斥作用,故 不易聚结,这是溶胶稳定存在的最重要的原因;(3)胶团双电层中的反离子都 是水化的,从而在胶粒的外面有一层水化膜,阻止了胶粒的聚结。 2.溶胶的聚沉 溶胶中的胶粒聚结变大,大到一定程度时,就会沉淀析出,称为溶胶的聚沉 作用( Coagulation)。溶胶聚沉在外观上的表现一般为颜色的改变,产生浑浊, 静置后出现沉淀。能引起聚沉的因素很多,但主要有下列几种因素。 (1)电解质的聚沉作用 外加电解质,可以使胶粒的Br>I>SCN 对负溶胶:Cs>R>K+>Na>Li 这就是所谓的感胶离子序 ③与溶胶带有相同电荷的离子,价数越髙,其聚沉能力越差 (2)两种带有相反电荷的溶胶适量混合,也会发生聚沉作用,称为相互聚 沉。其聚沉作用力为静电引力。 3)升高温度或增加溶胶的浓度也能促使溶胶聚沉,主要是由于其增加了 胶粒的碰撞机会。 12.3例题和习题解答 例12.1298K下,用超显微镜测得某溶胶的胶粒在120秒的平均位移为2.54 ×105m,已知分散介质的粘度为1.10×10°Pa·s。求该溶胶胶粒的半径r。 RT t 解:由 Brown运动公式: L xor

溶胶是热力学上的不稳定体系，胶粒有相互聚结而降低其表面能的趋势，但 在有稳定剂存在的条件下，它能在一定时间内保持相对稳定，其主要原因是：（1） 胶粒的动力学稳定性，即胶粒由于 Brown 运动而使其克服重力的影响而不沉降； （2）由于胶团双电层结构的存在，使胶粒都带同号电荷，有静电相斥作用，故 不易聚结，这是溶胶稳定存在的最重要的原因；（3）胶团双电层中的反离子都 是水化的，从而在胶粒的外面有一层水化膜，阻止了胶粒的聚结。 2．溶胶的聚沉 溶胶中的胶粒聚结变大，大到一定程度时，就会沉淀析出，称为溶胶的聚沉 作用（Coagulation）。溶胶聚沉在外观上的表现一般为颜色的改变，产生浑浊， 静置后出现沉淀。能引起聚沉的因素很多，但主要有下列几种因素。 （1）电解质的聚沉作用 外加电解质，可以使胶粒的ζ电势降低，排斥作用大大减弱，ζ电势降到临 界电势之下，胶粒的动能超越排斥能，将导致粒子聚结，最后发生明显的聚沉。 其大致规律如下： ①聚沉能力随反离子（异电性离子）价数的增高而迅速增大。 ②同价反离子的聚沉能力与离子的体积（水化后的体积大小）有关。 对正溶胶：Cl－＞Br－＞I －＞SCN－ 对负溶胶：Cs+＞Rb +＞K+－＞Na+＞Li－ 这就是所谓的感胶离子序。 ③与溶胶带有相同电荷的离子，价数越高，其聚沉能力越差。 （2）两种带有相反电荷的溶胶适量混合，也会发生聚沉作用，称为相互聚 沉。其聚沉作用力为静电引力。 （3）升高温度或增加溶胶的浓度也能促使溶胶聚沉，主要是由于其增加了 胶粒的碰撞机会。 12.3 例题和习题解答 例 12.1 298K 下，用超显微镜测得某溶胶的胶粒在 120 秒的平均位移为 2.54 ×10-5 m，已知分散介质的粘度为 1.10×10-3 Pa·s。求该溶胶胶粒的半径 r。 解：由 Brown 运动公式：

RIt Bony P298K,t=120s,n=1.10×10-3Pa·s,2.54×10m 8.314×298×120 43×314×8602×102×110×10×(254×105)2=739×10n 例12.2有一硫水悬浮剂,分散相粒子的半径为2.0×10°m,求该硫水悬浮 剂在298K下沉降0.1m所需时间。已知硫的密度为2070kg·m3,介质的密度为 1000kg·m3,介质的粘度为20 2(-0)g 解 r=20×10m.,p=2070kgm3,po=1000kgm3,n=02Pas 2×(20×103)2×(2070-1000×98 =466×103m,s-1 9×0.2 沉降0.1m所需时间 =y=4610=2105583 例12.3将制备好的Fe(OH)3溶胶装入电泳仪,在相距0.2m的两电极间施以 100伏电压,通电1小时,其界面移动0.06m,已知介质的介电常数e=81.1,介 质粘度为1.00×10a·s,设胶粒为球形,求该Fe(OH)3溶胶的ξ电势。 解:对球形胶粒 0.06 7=1.00×10-Pa·s,a= =1.67×10-m.s 3600s 100V =500V 0.2m 1.5×1.00×103×167×105 885×10×811×500=0.0698v=698mV 例124(1)在两个充有0001 mold3KCl溶液的容器之间是一个AgCl多 孔塞,塞中细孔中充满了KCl溶液,在两个容器中放两个电极并接上直流电源。 问溶液将向什么方向移动?(2)当以0.1 mold3KCl来代替0.00 mold3KCl

T=298K，t = 120s，η=1.10×10-3Pa·s，X=2.54×10-5 m 例 12.2 有一硫水悬浮剂，分散相粒子的半径为 2.0×10-6 m，求该硫水悬浮 剂在 298K 下沉降 0.1m 所需时间。已知硫的密度为 2070kg·m -3，介质的密度为 1000kg·m -3，介质的粘度为 200mPa·s。 解： 沉降 0.1m 所需时间： 例 12.3 将制备好的 Fe(OH)3溶胶装入电泳仪，在相距 0.2m 的两电极间施以 100 伏电压，通电 1 小时，其界面移动 0.06m，已知介质的介电常数ε=81.1，介 质粘度为 1.00×10-3 Pa·s，设胶粒为球形，求该 Fe(OH)3溶胶的ξ电势。 解：对球形胶粒 例 12.4 （1）在两个充有 0.001mol·dm-3 KCl 溶液的容器之间是一个 AgCl 多 孔塞，塞中细孔中充满了 KCl 溶液，在两个容器中放两个电极并接上直流电源。 问溶液将向什么方向移动？（2）当以 0.1mol·dm-3 KCl 来代替 0.001mol·dm-3 KCl

溶液后,溶液在相同电压之下流动速度是变快还是变慢?(3)如果用AgNO3 溶液代替KCl溶液,液体的流动方向怎样? 答:因为与AgCl多孔塞具有相同组成的离子优先被吸收,且当正离子被吸 附时,溶液带负电;当负离子被吸收时,溶液带正电。所以 (1)多孔塞吸附Cl而带负电,溶液带正电而向负极方向移动。 (2)因随外加电解质浓度的增加,ξ电势变小,所以液体流动速度减慢。 (3)多孔塞吸附Agt而带正电,溶液带负电而向正极方向移动 习题12.1用As2O3与过量HS制备As2S3溶胶,稳定剂为HS。判断下列电解 质对该溶胶聚沉能力的强弱顺序:(a)NaCl;(b)MgCl2;(c)MgSO4;( d)alcl3 答:稳定剂HS在水溶液中电离成H和HS,根据胶核优先吸附有相似组成的 离子HS,可知该As2S3溶胶中胶粒带负电。电解质中的反离子价数越高,其聚沉 能力越强:与胶粒具有相同电荷离子价数越髙,其聚沉能力越弱,所以上述四种 电解质聚沉能力大小顺序为(d)>(b)>(c)>(a) 习题12.2氧化铁溶胶中胶体的平均半径为4.0×10m。将溶胶稀释500倍, 在超显微镜下进行观察,视野容积为2.4×10-4m3,在连续25次观测中的粒子总 数为72。假定粒子为球形,粒子的密度为5.2×10}kg·m3,试求:(1)该溶胶 的原始浓度为若干?(2)求出1dm溶胶中所含氧化铁的粒子数,并求出其总表 面积。 72 解:(1)该溶胶的原始浓度-24×10×602×105-10×10mlm3 =1.0×10-mol.dm (2)1dm3溶胶中所含氧化铁的粒子数为1.0×10°mo1即6.02×104个。 其总表面积=4x2×6.02×1014 4×3.14×(4.0×102)2×6.02×10 0.12m 习题12.3在293K,水的黏度为1.002×10Pa·s,金溶胶的扩散系数测定 值为1.38×10m2s2,试求金溶胶粒子的半径为若干? 解:扩散系数与粒子半径之间的关系为

溶液后，溶液在相同电压之下流动速度是变快还是变慢？（3）如果用 AgNO3 溶液代替 KCl 溶液，液体的流动方向怎样？ 答：因为与 AgCl 多孔塞具有相同组成的离子优先被吸收，且当正离子被吸 附时，溶液带负电；当负离子被吸收时，溶液带正电。所以 （1）多孔塞吸附 Cl－而带负电，溶液带正电而向负极方向移动。 （2）因随外加电解质浓度的增加，ζ 电势变小，所以液体流动速度减慢。 （3）多孔塞吸附 Ag+而带正电，溶液带负电而向正极方向移动。 习题 12.1 用 As2O3与过量 H2S 制备 As2S3溶胶，稳定剂为 H2S。判断下列电解 质对该溶胶聚沉能力的强弱顺序：（a）NaCl;(b)MgCl2;(c)MgSO4;(d)AlCl3 答：稳定剂 H2S 在水溶液中电离成 H +和 HS-，根据胶核优先吸附有相似组成的 离子 HS-，可知该 As2S3溶胶中胶粒带负电。电解质中的反离子价数越高，其聚沉 能力越强；与胶粒具有相同电荷离子价数越高，其聚沉能力越弱，所以上述四种 电解质聚沉能力大小顺序为（d）＞（b）＞(c) ＞(a). 习题 12.2 氧化铁溶胶中胶体的平均半径为 4.0×10-9 m。将溶胶稀释 5000 倍， 在超显微镜下进行观察，视野容积为 2.4×10-14 m 3，在连续 25 次观测中的粒子总 数为 72。假定粒子为球形，粒子的密度为 5.2×103 kg·m -3，试求：（1）该溶胶 的原始浓度为若干？（2）求出 1dm3溶胶中所含氧化铁的粒子数，并求出其总表 面积。 解：（1）该溶胶的原始浓度 （2）1dm3溶胶中所含氧化铁的粒子数为 1.0×10-9 mol 即 6.02×1014个。 其总表面积= 4πr 2×6.02×1014 = 4×3.14×(4.0×10-9 ) 2×6.02×1014 = 0.12m2 习题 12.3 在 293K，水的黏度为 1.002×10-3 Pa·s，金溶胶的扩散系数测定 值为 1.38×10-10 m 2 s -1 ,试求金溶胶粒子的半径为若干？ 解：扩散系数与粒子半径之间的关系为