返县大学 物理化学讲稿 第十四章胶体分散系统 和大分子溶液 (6学时) 物理化学教研室
物理化学讲稿 第十四章 胶体分散系统 和大分子溶液 (6 学时) 物理化学教研室
第十四章胶体分散系统和大分子溶液(教学方案) 章节名称第十四章胶体分散系统和大分子溶液 授课方式理论课(√);实验课():实习()教学时数 1.了解胶体分散系统的分类及胶体一般制备,净化方法。 2.了解憎液溶胶的动力性质光学性质电性质 教学目的及要求 3.了解胶体的结构及胶体的稳定性与聚沉作用。 4.了解大分子溶液的一般性质及其分子量的测定。 5了解唐南平衡及离子交换的应用 教学内容提要 时间分配 14.1、胶体和胶体的基本特征 (分散体系的分类、胶团的结构) 14.2、溶胶的制备与净化 0.5 14.3、溶胶的动力性质 (布朗运动与胶粒的扩散、沉降与沉降平衡 144、溶胶的光学性质(锋尔效应、雷莱公式) 0.5 14.5、溶胶的电性质 146、双电层理论和一电势 14.7、溶胶的稳定性和聚沉 0.5 (胶体的稳定理论一DLVO理论、影响聚沉作用的一些因素 48、大分子溶液及其膜平衡 (大分子溶液的性质及其分子量的测定、大分子溶液的渗透压和 唐南平衡、大分子对溶胶的保护作用和敏化作用) 重点厘点:.溶胶的定义、胶团结构及其基本特征:2溶胶的动力性质、光 难点 性质和电性质;3.溶胶的稳定性和聚沉:4.大分子分子量的测定。 难点:有关理论的假设、模型和数学处理及公式的推导 讨论题目:在密闭的容器中,有大小不同的两个水珠,长期放置后会产 讨论生什么现象?为什么? 思考思考题目:为何晴朗的天空是蓝色的?而晚霞时的天空是红色的? 作业练习作业:1、复习题:1、4、5、6 2、习题:6、17 教学手段 课堂讲授 参考|1.王绪。物理化学学习指导。陕西人民教育出版社,1992 文献2物理化学一一概念辨析解题方法。中国科学技术大学出版社2002
2 第十四章 胶体分散系统和大分子溶液(教学方案) 章节名称 第十四章 胶体分散系统和大分子溶液 备 注 授课方式 理论课(√);实验课( );实习( ) 教学时数 6 教 学 目 的 及 要 求 1.了解胶体分散系统的分类及胶体一般制备,净化方法。 2.了解憎液溶胶的动力性质,光学性质,电性质。 3.了解胶体的结构及胶体的稳定性与聚沉作用。 4.了解大分子溶液的一般性质及其分子量的测定。 5.了解唐南平衡及离子交换的应用。 教学内容提要 时间分配 14.1、胶体和胶体的基本特征 (分散体系的分类、胶团的结构) 14.2、溶胶的制备与净化 14.3、溶胶的动力性质 (布朗运动与胶粒的扩散、沉降与沉降平衡) 14.4、溶胶的光学性质 (锋尔效应、雷莱公式) 14.5、溶胶的电性质 14.6、双电层理论和 ζ—电势 14.7、溶胶的稳定性和聚沉 (胶体的稳定理论—DLVO 理论、影响聚沉作用的一些因素) 14.8、大分子溶液及其膜平衡 (大分子溶液的性质及其分子量的测定、大分子溶液的渗透压和 唐南平衡、大分子对溶胶的保护作用和敏化作用) 1.5 0.5 1 0.5 1 0.5 0.5 0.5 重点 难点 重点:1.溶胶的定义、胶团结构及其基本特征;2.溶胶的动力性质、光 学性质和电性质;3.溶胶的稳定性和聚沉;4.大分子分子量的测定。 难点:有关理论的假设、模型和数学处理及公式的推导。 讨论 思考 作业 讨论题目:在密闭的容器中,有大小不同的两个水珠,长期放置后会产 生什么现象?为什么? 思考题目:为何晴朗的天空是蓝色的?而晚霞时的天空是红色的? 练习作业:1、复习题:1、4、5、6 2、习题:6、17 教学手段 课堂讲授 参考 文献 1.王绪。物理化学学习指导。陕西人民教育出版社,1992 2.物理化学——概念辨析解题方法。中国科学技术大学出版社.2002
第十四章胶体分散系统和大分子溶液 第一节胶体分散系统及粗分散系统研究的内容和方法 分散系统的观念(定义) 种或多种物质分散在另一种物质中所构成的系统称为分散系统。前者称为分 散相,后者称为分散介质。例如:云,牛奶,珍珠 分相与介质 水 乳 水 气 水 蛋白质 均相分散系统的分散质通常叫溶质,分散介质通常叫溶剂,这样的分散系统也 叫溶液,例如小分子溶液、大分子溶液、电解质溶液等;对溶质、溶剂不加区分的 均相分散系统称之为混合物。小分子溶液、电解质溶液的分散质及分散介质的质点 的大小的数量级为0.lnm以下,且透明、不发生散射现象,溶质扩散速度快,是热 力学稳定系统;但大分子溶液,分散质质点的线尺寸在1nm~1000m之间,扩散慢 也是热力学稳定系统。 、分散系统的分类:分散系统的分类是错综复杂的 分子溶液 均相分散系统{大分子溶液 电解质溶液 分散系统可分为 缔合胶体(或胶体电解质溶液 溶胶 非均相分散系统{粗分散系统(乳状液、泡沫、悬浮 液及悬浮体) 溶胶(sol)(憎液溶胶) 胶体 大分子溶液(亲液溶胶) 憎液溶胶的基本特征:高度的分散性,多相性,热力学不稳定性 分散体系通常有三种分类方法 分子分散体系 按分散相粒子的大小分类:·胶体分散体系 粗分散体系 液溶胶 按分散相和介质的聚集状态分类:-固溶胶 溶胶 按胶体溶液的稳定性分类:亲液溶胶
3 第十四章 胶体分散系统和大分子溶液 第一节 胶体分散系统及粗分散系统研究的内容和方法 一、分散系统的观念(定义) 一种或多种物质分散在另一种物质中所构成的系统称为分散系统。前者称为分 散相,后者称为分散介质。例如:云,牛奶,珍珠 均相分散系统的分散质通常叫溶质,分散介质通常叫溶剂,这样的分散系统也 叫溶液,例如小分子溶液、大分子溶液、电解质溶液等;对溶质、溶剂不加区分的 均相分散系统称之为混合物。小分子溶液、电解质溶液的分散质及分散介质的质点 的大小的数量级为 0.1nm 以下,且透明、不发生散射现象,溶质扩散速度快,是热 力学稳定系统;但大分子溶液,分散质质点的线尺寸在 1nm~1000nm 之间,扩散慢, 也是热力学稳定系统。 二、分散系统的分类:分散系统的分类是错综复杂的。 胶体 溶胶(sol) 大分子溶液(亲液溶胶) (憎液溶胶) 憎液溶胶的基本特征:高度的分散性,多相性,热力学不稳定性 分散体系通常有三种分类方法: •分子分散体系 •胶体分散体系 •粗分散体系 按分散相粒子的大小分类: 按分散相和介质的聚集状态分类: •液溶胶 •固溶胶 •气溶胶 按胶体溶液的稳定性分类: •憎液溶胶 •亲液溶胶
1.按分散相粒子的大小分类 (1)分子分散体系 分散相与分散介质以分子或离子形式彼此混溶,没有界面,是均匀的单相, 分子半径大小在103m以下。通常把这种体系称为真溶液,如CuSO1溶液。 (2)胶体分散体系 分散相粒子的半径在1mm100mm之间的体系。目测是均匀的,但实际是多 相不均匀体系。也有的将1nmˇ1000mm之间的粒子归入胶体范畴 (3)粗分散体系 当分散相粒子大于1000mm,目测是混浊不均匀体系,放置后会沉淀或分层, 如黄河水。 2.按分散相和介质聚集状态分类 (1)液溶胶 将液体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为不同状态时,则形成不同 的液溶胶 A.液-固溶胶如油漆,AgI溶胶 B.液-液溶胶如牛奶,石油原油等乳状液 C.液-气溶胶如泡沫 (2)固溶胶 将固体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为不同状态时,则形成不同的 固溶胶: A.固-固溶胶如有色玻璃,不完全互溶的合金 B.固-液溶胶如珍珠,某些宝石 C.固一气溶胶如泡沫塑料,沸石分子筛 (3)气溶胶 将气体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为固体或液体时,形成气-固 或气-液溶胶,但没有气-气溶胶,因为不同的气体混合后是单相均一体系,不属 于胶体范围. A.气-固溶胶如烟,含尘的空气 B.气-液溶胶如雾,云 3.按胶体溶液的稳定性分类 (1)僧液溶胶 半径在1nm-100n(102-107m)之间的难溶物固体粒子分散在液体介质中, 有很大的相界面,易聚沉,是热力学上的不稳定体系 旦将介质蒸发掉,再加入介质就无法再形成溶胶,是一个不可逆体系 如氢氧化铁溶胶、碘化银溶胶等。 这是胶体分散体系中主要研究的内容。 (2)亲液溶胶 半径落在胶体粒子范围内的大分子溶解在合适的溶剂中,一旦将溶剂蒸发, 大分子化合物凝聚,再加入溶剂,又可形成溶胶,亲液溶胶是热力学上稳定、可 逆的体系 憎液溶胶的特性 (1)特有的分散程度 粒子的大小在lnm~100nm(103-10m)之间,因而扩散较慢,不能透过半透
4 1.按分散相粒子的大小分类 (1)分子分散体系 分散相与分散介质以分子或离子形式彼此混溶,没有界面,是均匀的单相, 分子半径大小在 10-9 m 以下 。通常把这种体系称为真溶液,如 CuSO4溶液。 (2)胶体分散体系 分散相粒子的半径在 1 nm~100 nm 之间的体系。目测是均匀的,但实际是多 相不均匀体系。也有的将 1 nm ~ 1000 nm 之间的粒子归入胶体范畴。 (3)粗分散体系 当分散相粒子大于 1000 nm,目测是混浊不均匀体系,放置后会沉淀或分层, 如黄河水。 2.按分散相和介质聚集状态分类 (1) 液溶胶 将液体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为不同状态时,则形成不同 的液溶胶: A.液-固溶胶 如油漆,AgI 溶胶 B.液-液溶胶 如牛奶,石油原油等乳状液 C.液-气溶胶 如泡沫 (2) 固溶胶 将固体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为不同状态时,则形成不同的 固溶胶: A.固-固溶胶 如有色玻璃,不完全互溶的合金 B.固-液溶胶 如珍珠,某些宝石 C.固-气溶胶 如泡沫塑料,沸石分子筛 (3) 气溶胶 将气体作为分散介质所形成的溶胶。当分散相为固体或液体时,形成气-固 或气-液溶胶,但没有气-气溶胶,因为不同的气体混合后是单相均一体系,不属 于胶体范围. A.气-固溶胶 如烟,含尘的空气 B.气-液溶胶 如雾,云 3.按胶体溶液的稳定性分类 (1)憎液溶胶 半径在 1 nm-100 nm(10-9 -10-7 m)之间的难溶物固体粒子分散在液体介质中, 有很大的相界面,易聚沉,是热力学上的不稳定体系。 一旦将介质蒸发掉,再加入介质就无法再形成溶胶,是 一个不可逆体系, 如氢氧化铁溶胶、碘化银溶胶等。 这是胶体分散体系中主要研究的内容。 (2)亲液溶胶 半径落在胶体粒子范围内的大分子溶解在合适的溶剂中,一旦将溶剂蒸发, 大分子化合物凝聚,再加入溶剂,又可形成溶胶,亲液溶胶是热力学上稳定、可 逆的体系。 憎液溶胶的特性 (1)特有的分散程度 粒子的大小在 1nm~100nm(10-9 -10-7 m)之间,因而扩散较慢,不能透过半透
膜,渗透压低但有较强的动力稳定性和乳光现象。 (2)多相不均匀性 具有纳米级的粒子是由许多离子或分子聚结而成,结构复杂,有的保持了该 难溶盐的原有晶体结构,而且粒子大小不一,与介质之间有明显的相界面,比表 面很大。 (3)热力学不稳定性 因为粒子小,比表面大,表面自由能高,是热力学不稳定体系,有自发降低 表面自由能的趋势,即小粒子会自动聚结成大粒子。 4.按分散相及分散介质的聚集态分类如表 表1分散系统的分类(按分散相及分散介质的聚集态分类) 分散相分散介质通称 液泡沫 肥皂及灭火泡沫 液乳状液牛奶及含水原油 液固气液固液固 液 胶及悬浮液溶胶、油墨、泥浆、 固固体泡沫 沸石、泡沫玻璃、泡沫 金属 固固气气 珍珠 加颜料的塑料 气溶胶雾 悬浮体烟、尘、沙尘暴 胶体分散系统及粗分散系统研究的对象 按 IUPAC关于胶体分散系统的定义,认为分散质可以是一种也可以是多种物 质,可以是由许许多多的原子或分子(通常是103~10个)组成的粒子,也可以是 个大分子,只要它们至少有一维空间的尺寸(即线尺寸)在1mm~100nm(即10m 10ˉm)范围并分散于分散介质之中,即构成胶体分散系统。按此定义,胶体分散系 统应包括:溶胶、缔合胶体也叫胶体电解质及大分子溶液。 溶胶,一般是许许多多原子或分子聚集成的粒子大小的三维空间尺寸均在 1nm~100nm之间,分散于另一相分散介质之中,且粒子与分散介质间存在相的界 面的分散系统,其主要特征是高度分散的、多相的、热力学不稳定系统,也叫憎液 胶体。 缔合胶体,通常是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 (通常能电离)的电解质分子(如离子型表面活性剂分子)缔合而成,通常称为胶束, 胶束可以是球状、层状及棒状等(见表面活性剂章节),其三维空间尺寸也在1nm~ l00nm之间,而溶于分散介质之中,形成高度分散的、均相的、热力学稳定系统 大分子溶液,是一维空间尺寸(线尺寸)达到1nm~1000nm之间的大分子(蛋白 质分子、高聚物分子等),溶于分散介质之中,成为高度分散的、均相的、热力学 稳定系统:另一方面在性质上它与溶胶又有某些相似之处(如扩散慢、大分子不通 过半透膜),所以把它称为亲液胶体,也作为胶体分散系统硏究的对象
5 膜,渗透压低但有较强的动力稳定性 和乳光现象。 (2)多相不均匀性 具有纳米级的粒子是由许多离子或分子聚结而成,结构复杂,有的保持了该 难溶盐的原有晶体结构,而且粒子大小不一,与介质之间有明显的相界面,比表 面很大。 (3)热力学不稳定性 因为粒子小,比表面大,表面自由能高,是热力学不稳定体系,有自发降低 表面自由能的趋势,即小粒子会自动聚结成大粒子。 4 . 按分散相及分散介质的聚集态分类如表 表 1 分散系统的分类 (按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 溶胶及悬浮液 银溶胶、油墨、泥浆、 钻井液 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 气 悬浮体 烟、尘、沙尘暴 三、胶体分散系统及粗分散系统研究的对象 按 IUPAC 关于胶体分散系统的定义,认为分散质可以是一种也可以是多种物 质,可以是由许许多多的原子或分子(通常是 103~109个)组成的粒子,也可以是一 个大分子,只要它们至少有一维空间的尺寸(即线尺寸)在 1nm~100nm(即 10-9 m~ 10-7 m)范围并分散于分散介质之中,即构成胶体分散系统。按此定义,胶体分散系 统应包括:溶胶、缔合胶体也叫胶体电解质及大分子溶液。 溶胶,一般是许许多多原子或分子聚集成的粒子大小的三维空间尺寸均在 1nm~100nm 之间,分散于另一相分散介质之中,且粒子与分散介质间存在相的界 面的分散系统,其主要特征是高度分散的、多相的、热力学不稳定系统,也叫憎液 胶体。 缔合胶体,通常是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 (通常能电离)的电解质分子(如离子型表面活性剂分子)缔合而成,通常称为胶束, 胶束可以是球状、层状及棒状等(见表面活性剂章节),其三维空间尺寸也在 1nm~ 100nm 之间,而溶于分散介质之中,形成高度分散的、均相的、热力学稳定系统。 大分子溶液,是一维空间尺寸(线尺寸)达到 1nm~1000nm 之间的大分子(蛋白 质分子、高聚物分子等),溶于分散介质之中,成为高度分散的、均相的、热力学 稳定系统;另一方面在性质上它与溶胶又有某些相似之处(如扩散慢、大分子不通 过半透膜),所以把它称为亲液胶体,也作为胶体分散系统研究的对象
粗分散系统包括乳状液、泡沫、悬浮液及悬浮体等,它们在性质上及研究方法 上与胶体分散系统有许多相似之处,故列入同一章予以讨论。胶体分散系统和粗分 散系统在生物界和非生物界都普遍存在;在实际生活和生产中均有重要应用,如在 化工、石油、冶金、印染、涂料、塑料、纤维、橡胶、洗涤剂、化妆品、牙膏等生 产部门,以及在医学、生物学、土壤学、气象学、地质学、水文学、环境科学等领 域都涉及到它的原理。 本章主要研究胶体分散系统及粗分散系统的制备、性质和应用。 四.胶体分散系统及粗分散系统的研究方法 胶体分散系统及粗分散系统是一门综合性很强的学科领域,它的研究方法应 用到热力学,量子力学,统计力学以及动力学等许多学科,甚至与数学、生物学 材料科学等所用的研究方法交叉与重叠。20世纪40年代以前,胶体理论只能对 些现象和性质作粗略的、定性的解释;但借助量子力学的发展,应用其方法建立了 胶体间相互作用的理论(为DLVO理论的基础);同样,应用统计热力学研究大分子 溶液中大分子在固体表面上的吸附过程也取得新的进展;而应用热力学方法及动力 学方法研究溶胶的稳定性(如空间稳定理论及溶胶的聚沉速率与机理等)也是不可 缺少的方法。然而,胶体分散系统及粗分散系统这一学科领域与化学动力学相似, 仍是理论发展尚不很成熟,许多结论都强烈依靠实验来得到的正在发展的学科领 域,如现代的光散射技术、能谱技术、超显微技术、高速离心技术及电泳散射技术 等应用于胶体分散系统的实验研究,极大地推动了该学科领域的发展。 五、胶粒的结构 形成憎液溶胶的必要条件是 (1)分散相的溶解度要小 (2)还必须有稳定剂存在,否则胶粒易聚结而聚沉 胶粒的结构比较复杂,先有一定量的难溶物分子聚结形成胶粒的中心,称为胶 核;然后胶核选择性的吸附稳定剂中的一种离子,形成紧密吸附层;由于正、负电 荷相吸,在紧密层外形成反号离子的包围圈,从而形成了带与紧密层相同电荷的胶 粒:胶粒与扩散层中的反号离子,形成一个电中性的胶团 胶核吸附离子是有选择性的,首先吸附与胶核中相冋的某种离子,用同离子效 应使胶核不易溶解。若无相同离子,则首先吸附水化能力较弱的负离子,所以自然 界中的胶粒大多带负电,如泥浆水、豆浆等都是负溶胶。 例1:AgNO2+KI→KNO3+AgI↓ 过量的KI作稳定剂 胶团的结构表达式 胶团的图示式: [AgmnI-(n-x Kx-xK- 胶核 胶粒 胶核 胶团 胶粒(带负电) □胶团电中性
6 粗分散系统包括乳状液、泡沫、悬浮液及悬浮体等,它们在性质上及研究方法 上与胶体分散系统有许多相似之处,故列入同一章予以讨论。胶体分散系统和粗分 散系统在生物界和非生物界都普遍存在;在实际生活和生产中均有重要应用,如在 化工、石油、冶金、印染、涂料、塑料、纤维、橡胶、洗涤剂、化妆品、牙膏等生 产部门,以及在医学、生物学、土壤学、气象学、地质学、水文学、环境科学等领 域都涉及到它的原理。 本章主要研究胶体分散系统及粗分散系统的制备、性质和应用。 四. 胶体分散系统及粗分散系统的研究方法 胶体分散系统及粗分散系统是一门综合性很强的学科领域,它的研究方法应 用 到热力学,量子力学,统计力学以及动力学等许多学科,甚至与数学、生物学、 材料科学等所用的研究方法交叉与重叠。20 世纪 40 年代以前,胶体理论只能对一 些现象和性质作粗略的、定性的解释;但借助量子力学的发展,应用其方法建立了 胶体间相互作用的理论(为 DLVO 理论的基础);同样,应用统计热力学研究大分子 溶液中大分子在固体表面上的吸附过程也取得新的进展;而应用热力学方法及动力 学方法研究溶胶的稳定性(如空间稳定理论及溶胶的聚沉速率与机理等)也是不可 缺少的方法。然而,胶体分散系统及粗分散系统这一学科领域与化学动力学相似, 仍是理论发展尚不很成熟,许多结论都强烈依靠实验来得到的正在发展的学科领 域,如现代的光散射技术、能谱技术、超显微技术、高速离心技术及电泳散射技术 等应用于胶体分散系统的实验研究,极大地推动了该学科领域的发展。 五、胶粒的结构 形成憎液溶胶的必要条件是: (1)分散相的溶解度要小; (2)还必须有稳定剂存在,否则胶粒易聚结而聚沉。 胶粒的结构比较复杂,先有一定量的难溶物分子聚结形成胶粒的中心,称为胶 核;然后胶核选择性的吸附稳定剂中的一种离子,形成紧密吸附层;由于正、负电 荷相吸,在紧密层外形成反号离子的包围圈,从而形成了带与紧密层相同电荷的胶 粒;胶粒与扩散层中的反号离子,形成一个电中性的胶团。 胶核吸附离子是有选择性的,首先吸附与胶核中相同的某种离子,用同离子效 应使胶核不易溶解。若无相同离子,则首先吸附水化能力较弱的负离子,所以自然 界中的胶粒大多带负电,如泥浆水、豆浆等都是负溶胶。 例 1:AgNO3 + KI→KNO3 + AgI↓ 过量的 KI 作稳定剂 胶团的结构表达式 : 胶团的图示式: [(AgI)m n I – (n-x)K+]x– xK+ 胶核 胶粒(带负电) 胶团(电中性) 胶核 胶粒 胶团
例2:AgNO3+KI→KNO3+AgI↓ 过量的AgNO3作稳定剂 胶团的图示式: 胶团的结构表达式 [(AgD)m n Ag(n-x)No3-x*x NO 胶核 胶核 胶粒 A 胶粒(带正电) 胶团 胶团(电中性) 胶粒三胶核+被吸附离子+紧密层反离子 胶团=胶粒+扩散层反离子 胶粒的形状 作为憎液溶胶基本质点的胶粒并非都是球形,而胶粒的形状对胶体性质有重要影 响。质点为球形的,流动性较好;若为带状的,则流动性较差,易产生触变现象 例如:(1)聚苯乙烯胶乳是球形质点 (2)V2O5溶胶是带状的质点 (3)Fe(OH3溶胶是丝状的质点
7 例2:AgNO3 + KI → KNO3 + AgI↓ [(AgI)m n Ag+ (n-x)NO3 – ]x+ x NO3 – 胶核 胶粒 胶团 胶团的图示式: 胶核 胶粒(带正电) 胶团(电中性) 过量的 AgNO3 作稳定剂 胶团的结构表达式: 胶粒 = 胶核 +被吸附离子 + 紧密层反离子 胶团 = 胶粒 + 扩散层反离子 胶粒的形状 作为憎液溶胶基本质点的胶粒并非都是球形,而胶粒的形状对胶体性质有重要影 响。质点为球形的,流动性较好;若为带状的,则流动性较差,易产生触变现象。 例如:(1)聚苯乙烯胶乳是球形质点 (2) V2O5 溶胶是带状的质点 (3) Fe(OH)3 溶胶是丝状的质点
第二节溶胶的制备及纯化 一、溶胶的制备方法 制备溶胶必须使分散相粒子的大小落在胶体分散体系的范围之内,并加入适当的稳 定剂。制备方法大致可分为两类 (1)分散法用机械、化学等方法使固体的粒子变小。 (2)凝聚法使分子或离子聚结成胶粒。用这两种方法直接制出的粒子称为原级粒子。 视具体制备条件不同,这些粒子又可以聚集成较大的次级粒子。通常所制备的溶胶中粒 子的大小不是均一的,是一个多级分散体系 溶胶的制备方法有:由小分子溶液用凝聚法(小变大)一包括物理凝聚法,化学反应 法及更换溶剂法制备成溶胶,例如,将松香的乙醇溶液加入到水中,由于松香在水 中的溶度低,则松香以溶胶颗粒大小析岀,形成松香的水溶胶(更换溶剂法) 再如:FeCl3(稀水溶液)+3H0煮沸Fe(OH2(溶胶)+3HC1(化学反应法) 由粗分散系统用分散法(大变小)——包括研磨法、电弧法及超声分散法制备成 溶胶。 小分子液由小变大 溶胶质点大小 由大变小 粗分散系统 质点大小 凝聚法 分散法 质点大小 更换溶剂法 化学反应法 研磨法 超声分散法 物理凝聚法 (一)、分散法 研磨法 用机械粉碎的方法将固体磨细。这种方法适用于脆而易碎的物质,对于柔 韧性的物质必须先硬化后再粉碎。例如,将废轮胎粉碎,先用液氮处理,硬化后再 研磨。胶体磨的形式很多,其分散能力因构造和转速的不同而不同。 2.胶溶法又称解胶法,仅仅是将新鲜的凝聚胶粒重新分散在介质中形成溶胶,并加入适 当的稳定剂。这种稳定剂又称胶溶剂。根据胶核所能吸附的离子而选用合适的电解 质作胶溶剂。这种方法一般用在化学凝聚法制溶胶时,为了将多余的电解质离子去 掉,先将胶粒过滤,洗涤,然后尽快分散在含有胶溶剂的介质中,形成溶胶。 例如: Fe(OH3(新鲜沉淀)如Fe少→FeOH)3(溶胶) 加AgNO2,或KCl AgCl(新鲜沉淀) AgCl(溶胶)
8 第二节 溶胶的制备及纯化 一、 溶胶的制备方法 制备溶胶必须使分散相粒子的大小落在胶体分散体系的范围之内,并加入适当的稳 定剂。制备方法大致可分为两类: (1)分散法 用机械、化学等方法使固体的粒子变小。 (2)凝聚法 使分子或离子聚结成胶粒。用这两种方法直接制出的粒子称为原级粒子。 视具体制备条件不同,这些粒子又可以聚集成较大的次级粒子。通常所制备的溶胶中粒 子的大小不是均一的,是一个多级分散体系。 溶胶的制备方法有:由小分子溶液用凝聚法(小变大)—包括物理凝聚法,化学反应 法及更换溶剂法制备成溶胶,例如,将松香的乙醇溶液加入到水中,由于松香在水 中的溶度低,则松香以溶胶颗粒大小析出,形成松香的水溶胶(更换溶剂法)。 再如: FeCl3(稀水溶液)+3H2O Fe(OH)2(溶胶)+3HCl (化学反应法) 由粗分散系统用分散法(大变小)——包括研磨法、电弧法及超声分散法制备成 溶胶。 (一)、分散法 1.研磨法 用机械粉碎的方法将固体磨细。 这种方法适用于脆而易碎的物质,对于柔 韧性的物质必须先硬化后再粉碎。例如,将废轮胎粉碎,先用液氮处理,硬化后再 研磨。 胶体磨的形式很多,其分散能力因构造和转速的不同而不同。 2.胶溶法又称解胶法,仅仅是将新鲜的凝聚胶粒重新分散在介质中形成溶胶,并加入适 当的稳定剂。这种稳定剂又称胶溶剂。根据胶核所能吸附的离子而选用合适的电解 质作胶溶剂。这种方法一般用在化学凝聚法制溶胶时,为了将多余的电解质离子去 掉,先将胶粒过滤,洗涤,然后尽快分散在含有胶溶剂的介质中,形成溶胶。 例如: Fe(OH)3(新鲜沉淀) Fe(OH) 3 3 (溶胶) 加FeCl AgCl (新鲜沉淀) AgCl(溶胶) AgNO KCl 3 加 或 AgCl (新鲜沉淀) AgCl(溶胶) AgNO KCl 3 加 或
3.超声分散法这种方法目前只用来制备乳状液。 如图所示,将分散相和分散介质两种不混溶的液体放在样品管4中。样品管固定 在变压器油浴中。在两个电极上通入高频电流,使电极中间的石英片发生机械振 荡,使管中的两个液相均匀地混合成乳状液。 A 1.石英片2-电极 3.变压器油4.盛试样的试管 超声波分法 电弧法 4.电弧法 电弧法主要用于制备金、银、铂等金属溶胶。制备过程包括先分散后凝聚两个过 程。将金属做成两个电极,浸在水中,盛水的盘子放在冷浴中。在水中加入少量NaOH 作为稳定剂。制备时在两电极上施加100V左右的直流电,调节电极之间的距离 使之发生电火花,这时表面金属蒸发,是分散过程,接着金属蒸气立即被水冷却而 凝聚为胶粒。 (二)凝聚法 1.化学凝聚法 通过各种化学反应使生成物呈过饱和状态,使初生成的难溶物微粒结合成胶粒, 在少量稳定剂存在下形成溶胶,这种稳定剂一般是某一过量的反应物。例如: A.复分解反应制硫化砷溶胶 2H3AsO3(稀)+3H2S→As2S3(溶胶)+6H2O B水解反应制氢氧化铁溶胶 FeCl3(稀)+3H2O(热)→Fe(OH)3(溶胶)+3HCl
9 3.超声分散法 这种方法目前只用来制备乳状液。 如图所示,将分散相和分散介质两种不混溶的液体放在样品管 4 中。样品管固定 在变压器油浴中。在两个电极上通入高频电流,使电极中间的石英片发生机械振 荡,使管中的两个液相均匀地混合成乳状液。 4.电弧法 电弧法主要用于制备金、银、铂等金属溶胶。制备过程包括先分散后凝聚两个过 程。将金属做成两个电极,浸在水中,盛水的盘子放在冷浴中。在水中加入少量 NaOH 作为稳定剂。制备时在两电极上施加 100V 左右的直流电,调节电极之间的距离, 使之发生电火花,这时表面金属蒸发,是分散过程,接着金属蒸气立即被水冷却而 凝聚为胶粒。 (二)凝聚法 1.化学凝聚法 通过各种化学反应使生成物呈过饱和状态,使初生成的难溶物微粒结合成胶粒, 在少量稳定剂存在下形成溶胶,这种稳定剂一般是某一过量的反应物。例如: A.复分解反应制硫化砷溶胶 2H3AsO3 (稀) + 3H2S →As2S3 (溶胶) + 6H2O B.水解反应制氢氧化铁溶胶 FeCl3 (稀) +3H2O(热)→ Fe(OH)3 (溶胶) + 3HCl
C.氧化还原反应制备硫溶胶 2H2S(稀)+SO2(g)→2H2O+3S(溶胶) Na2S2O3+2HCI→2NaCl+H2O+SO2+S(溶胶) D还原反应制金溶胶 2HAuCl4 (5)+3HCHO +llKOH 2Au(溶胶)+3 HCOOK+8KCl+8H2O E.离子反应制氯化银溶胶 AgNO3(稀)+KCl(稀)→AgCl(溶胶)+KNO3 2.物理凝聚法 A.更换溶剂法 利用物质在不同溶剂中溶解度的显著差别来制备溶胶,而且两种溶剂要能完全互溶。 例1.松香易溶于乙醇而难溶于水,将松香的乙醇溶液滴入水中可制备松香的水溶胶 例2.将硫的丙酮溶液滴λ90℃左右的热水中,丙酮蒸发后,可得硫的水溶胶。 B.蒸气骤冷法 将汞的蒸气通入冷水中就可以得到汞的水溶胶 二.溶胶的纯化 在制备溶胶的过程中,常生成一些多余的电解质,如制备Fe(OH)3溶胶时生成 的HCl。未经纯化的溶胶往往含有很多电解质或其他杂质。少量的电解质可以使溶 胶质点因吸附离子而带电,因而对于稳定溶胶是必要的。少量电解质可以作为溶胶 的稳定剂,但是过量的电解质对溶胶的稳定反而有害,会使溶胶不稳定,容易聚沉 因此,溶胶制得后需经纯化处理。净化的方法主要有渗析法和超过滤法。 最常用的纯化方法是渗析,有简单渗析和电渗析。 简单渗析利用溶胶质点不能透过半透膜,而离子或小分子能透过膜的性质,将 多余的电解质或低分子化合物等杂质从溶胶中除去。常用的半透膜有火棉胶膜,醋 酸纤维膜等。 电渗析为了加快渗析速度,在装有溶胶的半透膜两侧外加一个电场,使多余的 电解质离子向相应的电极作定向移动。溶剂水不断自动更换,这样可以提高净化速 度。这种方法称为电渗析法。 纯化溶胶的另一种方法是超过滤法。超过滤是用孔径极小而孔数极多的膜片作 为滤膜,利用压差使溶胶流经超过滤器。这时,溶胶质点与介质迅速分离,杂质透 过滤膜而除掉。将半透膜上的胶粒迅速用含有稳定剂的介质再次分散。 电超过滤有时为了加快过滤速度,在半透膜两边安放电极,施以一定电压, 使电渗析和超过滤合并使用,这样可以降低超过滤压力
10 C.氧化还原反应制备硫溶胶 2H2S(稀)+ SO2(g) → 2H2O +3S (溶胶) Na2S2O3 +2HCl → 2NaCl +H2O +SO2 +S (溶胶) E.离子反应制氯化银溶胶 AgNO3(稀)+ KCl(稀) → AgCl(溶胶) +KNO3 D.还原反应制金溶胶 2HAuCl4(稀)+ 3HCHO +11KOH ⎯→ 2Au(溶胶)+3HCOOK + 8KCl + 8H2O D.还原反应制金溶胶 2HAuCl4(稀)+ 3HCHO +11KOH ⎯→ 2Au(溶胶)+3HCOOK + 8KCl + 8H2O 2.物理凝聚法 A. 更换溶剂法 利用物质在不同溶剂中溶解度的显著差别来制备溶胶,而且两种溶剂要能完全互溶。 例 1.松香易溶于乙醇而难溶于水,将松香的乙醇溶液滴入水中可制备松香的水溶胶 。 例 2.将硫的丙酮溶液滴入 90℃左右的热水中,丙酮蒸发后,可得硫的水溶胶。 B.蒸气骤冷法 将汞的蒸气通入冷水中就可以得到汞的水溶胶 二.溶胶的纯化 在制备溶胶的过程中,常生成一些多余的电解质,如制备 Fe(OH)3溶胶时生成 的 HCl。未经纯化的溶胶往往含有很多电解质或其他杂质。少量的电解质可以使溶 胶质点因吸附离子而带电,因而对于稳定溶胶是必要的。少量电解质可以作为溶胶 的稳定剂,但是过量的电解质对溶胶的稳定反而有害,会使溶胶不稳定,容易聚沉。 因此,溶胶制得后需经纯化处理。净化的方法主要有渗析法和超过滤法。 最常用的纯化方法是渗析,有简单渗析和电渗析。 简单渗析利用溶胶质点不能透过半透膜,而离子或小分子能透过膜的性质,将 多余的电解质或低分子化合物等杂质从溶胶中除去。常用的半透膜有火棉胶膜,醋 酸纤维膜等。 电渗析为了加快渗析速度,在装有溶胶的半透膜两侧外加一个电场,使多余的 电解质离子向相应的电极作定向移动。溶剂水不断自动更换,这样可以提高净化速 度。这种方法称为电渗析法。 纯化溶胶的另一种方法是超过滤法。超过滤是用孔径极小而孔数极多的膜片作 为滤膜,利用压差使溶胶流经超过滤器。这时,溶胶质点与介质迅速分离,杂质透 过滤膜而除掉。将半透膜上的胶粒迅速用含有稳定剂的介质再次分散。 电超过滤 有时为了加快过滤速度,在半透膜两边安放电极,施以一定电压, 使电渗析和超过滤合并使用,这样可以降低超过滤压力