第八章 胶体化学 §8一1概 述 1、分散系统 所谓分散系统,是一种或几种物质分散在另一种物质中所 构成的系统。如牛奶中奶油液滴分散在水中,颜料分散在有机 液体中形成油漆等等。通常把被分散的物质称为分散相,起分 散作用的物质叫分散介质。 分散系统可分为均相分散系统和非均相分散系统。 均相分散系统是物质彼此以分子形态分散或混合所形成的 系统。此类系统的分散相及分散介质之间无相界面存在,是热 力学稳定的系统。 非均相分散系统是物质以微相形态分散在分散介质中所形 成的多相系统
第八章 胶体化学 § 8 —1 概 述 1、分散系统 所谓分散系统,是一种或几种物质分散在另一种物质中所 构成的系统。如牛奶中奶油液滴分散在水中,颜料分散在有机 液体中形成油漆等等。通常把被分散的物质称为分散相,起分 散作用的物质叫分散介质 。 分散系统可分为均相分散系统和非均相分散系统。 均相分散系统是物质彼此以分子形态分散或混合所形成的 系统。此类系统的分散相及分散介质之间无相界面存在,是热 力学稳定的系统。 非均相分散系统是物质以微相形态分散在分散介质中所形 成的多相系统
▲按分散质(分散相)及分散介质的聚集态分类 分散相 分散介质 通称 举例 气 液 泡沫 肥皂及灭火泡沫 乳状液 牛奶及含水原油 固 液 溶胶或悬 银溶胶、油墨、泥浆 浮液 气 固 固体泡沫 沸石、泡沫玻璃、泡沫金属 液 固 珍珠 固 固 加颜料的塑料 液 气 气溶胶 雾 固 悬浮体 烟、沙尘暴 ▲按分散质的质点大小分类 类型 粒子的大小 实例 小分子或小离子分散系统 10-6m 泥浆
▲按分散质(分散相)及分散介质的聚集态分类 分散相 分散介质 通称 举例 气 液 泡沫 肥皂及灭火泡沫 液 液 乳状液 牛奶及含水原油 固 液 溶胶或悬 浮 液 银溶胶、油墨、泥浆 气 固 固体泡沫 沸石、泡沫玻璃、泡沫金属 液 固 珍珠 固 固 加颜料的塑料 液 气 气溶胶 雾 固 气 悬浮体 烟、沙尘暴 ▲按分散质的质点大小分类 类 型 粒子的大小 实 例 小分子或小离子分散系统 <10-9m 空气、乙醇的水溶液 胶体分散系统 10-9~10-6m Al(OH)3水溶胶 粗分散系统 >10-6m 泥浆
2、胶体分散系统 根据UPAC,分散相的粒子,只要它们至少有一维空间的尺 寸(即线尺寸)在109~10-6的范围并分散于另一相之中,就构 成胶体分散系统。因此,胶体分散系统包括: (1)溶胶 溶胶也叫憎液溶胶。是由难溶物分散在分散介质中所形成 的,粒子与分散介质之间存在相的界面,粒子能通过滤纸,但 不能透过半透膜,扩散速度慢,在普通显微镜下看不见。 其主要特征是: 高度分散的、多相的、热力学不稳定系统。 (2)高分子溶液 大分子物质分散于分散介质之中,形成的系统。其主要特征 是高度分散的、均相的、热力学稳定系统
2、 胶体分散系统 根据IUPAC,分散相的粒子,只要它们至少有一维空间的尺 寸(即线尺寸)在10-9~10-6m的范围并分散于另一相之中,就构 成胶体分散系统。因此,胶体分散系统包括: (1)溶胶 溶胶也叫憎液溶胶。是由难溶物分散在分散介质中所形成 的,粒子与分散介质之间存在相的界面,粒子能通过滤纸,但 不能透过半透膜,扩散速度慢,在普通显微镜下看不见。 其主要特征是: 高度分散的、多相的、热力学不稳定系统。 (2)高分子溶液 大分子物质分散于分散介质之中,形成的系统。其主要特征 是高度分散的、均相的、热力学稳定系统
(3)缔合胶体 通常由结构中含有非极性的碳氢化合物部分和较小的极性基 团的电解质分子缔合成的粒子,称为胶束,分散于另一相中形 成的系统。粒子与分散介质之间存在相的界面,其特征是高度 分散的,多相的系统。 3、粗分散系统 粗分散系统包括乳状液、悬浮液、泡沫等,它们在性质及研 究方法上与胶体分散系统有许多相似之。 §8一2溶胶的性质 1、溶胶的光学性质 (1)丁达尔效应 由于溶胶的光学不均匀性,当一束波长大于溶胶分散相粒子 尺寸的入射光照射到溶胶系统,可发生散射现象一丁达尔现象
(3)缔合胶体 通常由结构中含有非极性的碳氢化合物部分和较小的极性基 团的电解质分子缔合成的粒子,称为胶束,分散于另一相中形 成的系统。粒子与分散介质之间存在相的界面,其特征是高度 分散的,多相的系统。 3、粗分散系统 粗分散系统包括乳状液、悬浮液、泡沫等,它们在性质及研 究方法上与胶体分散系统有许多相似之。 §8—2 溶胶的性质 1、溶胶的光学性质 (1)丁达尔效应 由于溶胶的光学不均匀性,当一束波长大于溶胶分散相粒子 尺寸的入射光照射到溶胶系统,可发生散射现象-丁达尔现象
如图所示,在暗室里,将一束光线透过溶胶,在光束的垂 直方向观察,可以在光透过溶胶的途径上看到一个光柱,这 就是丁达尔效应。 光源 透镜 溶胶 丁达尔效应 丁达尔现象的实质是溶胶对光的散射作用
溶胶 丁达尔现象的实质是溶胶对光的散射作用。 光源 透镜 丁达尔效应 如图所示,在暗室里,将一束光线透过溶胶,在光束的垂 直方向观察,可以在光透过溶胶的途径上看到一个光柱,这 就是丁达尔效应
当光线照射到微粒上时,可能发生两种情况: ①微粒尺寸大于入射光波长很多时,发生光的反射(或折 射)。 ②若微粒尺寸小于入射光波长时,则发生光的散射。 可见光的波长在400~760m的范围,大于一般溶胶粒子的尺 寸。当可见光(电磁波)照射在微粒上时,向各个方向发射与 入射光有相同频率的电磁波即散射光波。 由于溶胶的高分散度和多相性,入射光照射在溶胶粒子上, 必然会产生散射光。当然,由于分子热运动引起密度或浓度涨 落,也会造成光学的不均匀性,产生光的散射。产生散射光的 强度,可用雷利公式计算。 (2),雷利公式9x2pu 2 1(R,=1o n2-n1 (1+cos28) (8-2-1) 214R2
当光线照射到微粒上时,可能发生两种情况: ① 微粒尺寸大于入射光波长很多时,发生光的反射 (或折 射 ) 。 ② 若微粒尺寸小于入射光波长时,则发生光的散射。 可见光的波长在400~760nm的范围,大于一般溶胶粒子的尺 寸。当可见光(电磁波)照射在微粒上时,向各个方向发射与 入射光有相同频率的电磁波即散射光波。 由于溶胶的高分散度和多相性,入射光照射在溶胶粒子上, 必然会产生散射光。当然,由于分子热运动引起密度或浓度涨 落,也会造成光学的不均匀性,产生光的散射。产生散射光的 强度,可用雷利公式计算。 ( 2)雷利公式 ( 1 cos ) 2 2 9 ( , ) 2 2 2 1 2 2 2 1 2 2 4 2 2 2 0 θ λ π ρυ θ + + − = n n n n R I R I (8-2-1 )
中1是入射光强度,入是波长,p和v分别是粒子的数密 度 (p=N/V,N为体积V中的粒子数)和单个粒子的体积,n 和 n2分别为分散介质和分散相的折射率。上式表明: ①散射光的强度与入射光波长的四次方成反比。 因此入射光波长越短的光,散射光越强。如果入射光为白 光,则其中波长较短的蓝色和紫色光,散射作用最强;而波长 较长的红色光散射较弱,大部分将透过溶胶。因此,当白光照 射溶胶时,从侧面看,散射光呈蓝紫色,而透过光呈橙红色 (如氯化银、溴化银等溶胶,迎着透射光看是红黄色,而从垂 直于入射光的方向观察则带蓝色)。晴朗的天空呈现蓝色是由 于空气中的尘埃粒子和小水滴散射太阳光引起的,而日出日落 天空呈橙红色,是由于透射光引起的
式中I0是入射光强度,λ是波长, ρ 和υ分别是粒子的数密 度 (ρ = N / V,N 为体积V 中的粒子数)和单个粒子的体积,n1 和 n2分别为分散介质和分散相的折射率。上式表明: ① 散射光的强度与入射光波长的四次方成反比。 因此入射光波长越短的光,散射光越强。如果入射光为白 光,则其中波长较短的蓝色和紫色光,散射作用最强;而波长 较长的红色光散射较弱,大部分将透过溶胶。因此,当白光照 射溶胶时,从侧面看,散射光呈蓝紫色,而透过光呈橙红色 (如氯化银、溴化银等溶胶,迎着透射光看是红黄色,而从垂 直于入射光的方向观察则带蓝色)。晴朗的天空呈现蓝色是由 于空气中的尘埃粒子和小水滴散射太阳光引起的,而日出日落 天空呈橙红色,是由于透射光引起的
②散射光的强度与分散相和分散介质的折射率有关。 当分散相与分散介质折射率相差越大,散射光越强,反之则 越弱。 溶胶具有明显的丁达尔效应,而高分子溶液的丁达尔效应 很弱。因此可用丁达尔效应来区分溶胶和高分子溶液。 ③散射光强度与粒子的数密度成正比。 对于物质种类相同,仅粒子数浓度不同的溶胶,若测量条件 相同,两溶胶的散射光强度之比应等于其浓度之比。 若已知其中一个溶胶的浓度,即可求出另一溶胶的浓度。散 射光强度又称为浊度,浊度计就是根据这一原理设计的。 高度分散的憎液溶胶从外观上看是完全透明的,利用雷利散 射原理设计的超显微镜,可以研究5~l5nm颗粒的散射光现象。 应用电子显微镜,可以将物像放大10万~50万倍,能直接观察到 粒子形状及测定某些胶核的大小
② 散射光的强度与分散相和分散介质的折射率有关。 当分散相与分散介质折射率相差越大,散射光越强,反之则 越弱。 溶胶具有明显的丁达尔效应,而高分子溶液的丁达尔效应 很弱。因此可用丁达尔效应来区分溶胶和高分子溶液。 ③ 散射光强度与粒子的数密度成正比。 对于物质种类相同,仅粒子数浓度不同的溶胶,若测量条件 相同,两溶胶的散射光强度之比应等于其浓度之比。 若已知其中一个溶胶的浓度,即可求出另一溶胶的浓度。散 射光强度又称为浊度,浊度计就是根据这一原理设计的。 高度分散的憎液溶胶从外观上看是完全透明的,利用雷利散 射原理设计的超显微镜,可以研究5~15nm颗粒的散射光现象。 应用电子显微镜,可以将物像放大10万~50万倍,能直接观察到 粒子形状及测定某些胶核的大小
2、溶胶的动力学性质 溶胶是一种高度分散的多相系统,在热力学上是不稳定的。 溶胶会自动聚结为大粒子,使整个胶体系统遭到破坏。但溶胶 却能稳定存在,其主要原因是溶胶的动力学性质。 (1)布朗运动与扩散 在显微镜下可观察到悬浮在水中的花粉颗粒作永不停息的无 规则运动,称为布朗运动。用超显微镜可以观察布朗运动
图9-2 布朗运动(a) 2、溶胶的动力学性质 溶胶是一种高度分散的多相系统,在热力学上是不稳定的。 溶胶会自动聚结为大粒子,使整个胶体系统遭到破坏。但溶胶 却能稳定存在,其主要原因是溶胶的动力学性质。 (1)布朗运动与扩散 在显微镜下可观察到悬浮在水中的花粉颗粒作永不停息的无 规则运动,称为布朗运动。用超显微镜可以观察布朗运动
产生布朗运动的原因是分散介 质分子对胶粒撞击的结果。受介质 分子的热运动的撞击,在某一瞬 间, 它所受的来自各个方向的撞击力不 会互相抵销,如图所示,加上粒子 自身的热运动。因而,它在不同的 时刻以不同速度、不同方向作无规 则运因斯坦用几率的概念和分子 运动论的观点,导出了爱因斯坦 布朗平均位移公式 RTt = (8-2 L3πmr 2)
产生布朗运动的原因是分散介 质分子对胶粒撞击的结果。受介质 分子的热运动的撞击,在某一瞬 间, 它所受的来自各个方向的撞击力不 会互相抵销,如图所示,加上粒子 自身的热运动。因而,它在不同的 时刻以不同速度、不同方向作无规 则运动。 图10-2 布朗运动(b) 爱因斯坦用几率的概念和分子 运动论的观点,导出了爱因斯坦 - 布朗平均位移公式 L r RTt x 3πη = (8-2- 2 )