胶体溶液解析

第四章胶体溶液

第一节分散系

一种或几种物质分散在另一种物质中所形成的体系叫分散系。被分散成微粒的物质叫分散质或分散相；能容纳分散相的连续介质叫分散剂或分散介质。

分散系的形式是多种多样的。

学生思考：举例说明分散系、分散质、分散剂的概念。

分散质粒子大小在1nm~100nm之间的体系叫胶体分散系。

第二节溶胶

溶胶是胶体溶液的简称，其分散质粒子（胶粒）的大小在1nm~100nm之间，是由大量的分子或离子组成的聚集体，在分散质和分散剂之间存在有相界面。溶胶具有高度分散性、多相性和聚结不稳定性，由此导致了溶胶在光学、动力学和电学等方面具有一些特殊性质。

一、溶胶的基本性质

（一）溶胶的光学性质

丁铎尔现象：在暗室中，用一束聚焦的光束照射溶胶，在与光束垂直的方向观察，可以看到溶胶中有一道明亮的光柱，这种现象称为丁铎尔现象。

（二）溶胶的动力学性质

溶胶粒子时刻处于无规则的运动状态，因而表现出扩散、沉降等与胶粒大小及形状等属性有关的运动特性，称之为溶胶的动力学性质。

1. 布朗运动：溶胶的胶粒，在介质中不停地作不定向的、无规则的运动现象，称为布朗运动。由于分散介质的分子从各个方向以不等的力撞击溶胶粒子，胶粒在每一瞬间受到碰撞的合力大小和方向不同，所以胶粒处于不停的无秩序运动状态。

2. 扩散：当溶胶中的胶粒存在浓度差时，胶粒将从浓度大的区域向浓度小的区域迁移，这种现象称为胶粒的扩散。溶胶粘度越小，浓度差越大，温度越高，

越容易扩散。

3. 沉降：溶胶粒子受重力作用逐渐下沉的现象称为沉降。溶胶胶粒较小，扩散和沉降两种作用同时存在。一方面由于布朗运动使胶粒向上扩散，另一方面由于重力作用使胶粒向下沉降。当扩散和沉降这两种相反作用的速度相等时，系统处于平衡状态，称为沉降平衡。平衡时，胶粒的浓度从上到下逐渐增大，形成一个稳定的浓度梯度。

（三）电学性质

电泳：在外电场的作用下，溶胶粒子在介质中定向移动的现象称为电泳。

例如，在一个U型管中注入棕红色的Fe(OH)

3溶胶，小心地在Fe(OH)

3

溶胶上面

注入适量的NaCl溶液。然后分别插入电极，接通直流电源，一段时间后，可以看到负极一端的棕红色界面上升，正极一端的棕红色界面下降。结果表明，这种溶胶的胶粒带正电，向负极移动。图示如下：

实验证明，大多数金属氢氧化物溶胶的胶粒带正电，称为正溶胶；大多数金属硫化物、非金属氧化物、硅胶、金、银等溶胶的胶粒带负电，称为负溶胶。研究电泳现象，不仅有助于了解溶胶的结构及其电学性质，而且在蛋白质、多肽、氨基酸和核酸等物质的分离和鉴定方面有着广泛的应用。

课堂练习：要求背诵丁铎尔现象、布朗运动、扩散、沉降和电泳的概念。

二、溶胶的结构

（一）胶粒带电的原因（教学重、难点）

溶胶的电学性质，表明胶粒带电。胶粒带电有两种主要原因：

1. 胶核界面的选择性吸附溶胶是高度分散的多相体系，分散质具有很大的表面积，溶胶粒子中的胶核（原子、离子或分子的聚集体）具有吸附其他物质而降低其界面能的趋势，通常会选择性地吸附分散系中与其组成类似的离子，使其界面带有一定量的电荷。例如，制备氢氧化铁溶胶，化学反应式为：

FeCl 3+3H 2O →Fe(OH)3+3HCl

溶液中有部分Fe(OH)3与HCl 作用，化学反应式为：

Fe(OH)3+HCl →FeOCl+2H 2O

FeOCl →FeO ++Cl ﹣

由若干个Fe(OH)3分子聚集成直径为1nm 100nm 的固体粒子，它是溶胶粒子的核心，称为胶核。胶核能选择性地吸附溶液中与其组成类似的FeO +而带正电荷，而溶胶中电性相反的Cl ﹣（称反离子）则留在介质中。

又如，利用硝酸银和碘化钾制备碘化银溶胶，化学反应式为：

AgNO 3+KI →AgI+KNO 3

如改变两种反应物的相对用量，可使制备的碘化银溶胶带有不同符号的电荷。当KI 过量时，AgI 胶核吸附过量的I ﹣而带负电荷；当AgNO 3过量时，AgI 胶核则吸附过量的Ag +而带正电荷。

2. 胶核表面分子的解离 胶核和介质接触后，表面上的分子与分散介质作用而解离，其中的一种离子扩散到介质中，这时胶核表面便带相反的电荷。例如，由硅胶制备的溶胶，胶核是由许多xSiO 2﹒yH 2O 分子组成的，其表面与水作用所形成的H 2SiO 3是一种弱酸，可以解离成SiO 32﹣和H +。

H 2SiO 3

3﹣+H + HSiO 3﹣ 32﹣+H +

H +扩散到介质中去，而HSiO 3﹣和SiO 32﹣则滞留在胶核表面，其结果使胶粒带负电荷，故硅胶为负溶胶。

（二）、胶团的双电层结构（教学难点）

反离子有两种趋势：一是受到胶核的异电吸引，有靠近胶核表面的趋势；二是因离子的扩散作用，又有远离胶核表面的趋势。这两种相反趋势共同作用的结果，只有一部分反离子被紧密地吸引在胶核表面，并与胶核表面的离子一起而形成带电层，称为吸附层，其厚度约为1个分子厚度的距离。胶核与吸附层构成胶粒。在吸附层外面，另一部分反离子则分布于胶粒的周围，距胶核越近，浓度越大，愈远渐稀，形成了与吸附层电荷符号相反的另一个带电层，它的厚度取决于反离子向介质中扩散的程度，称为扩散层。这种由吸附层和扩散层构成的电性相反的两层，称为双电层。胶粒和扩散层构成胶团。胶团以外的介质称为胶团间液，溶胶是胶团和胶团间液所构成的整体。胶粒和扩散层的电荷符号相反，电量相等，

所以整个胶团呈电中性，溶胶不显电性。在电场中，胶粒能够定向移动，是独立

运动的单位。通常所说的溶胶带电，实际是指胶粒而言的。

例如，在氢氧化铁溶胶中，由m个Fe(OH)

3

分子聚集成胶核，胶核选择性地吸附了n 个FeO+（m﹥﹥n），同时还紧密吸附了（n-x）个Cl﹣，便形成了胶粒。扩散层中有x个Cl﹣。氢氧化铁溶胶的胶团结构，也可用简式表示如下：

三、溶胶的稳定性和聚沉

（一）稳定性

溶胶是高度分散的多相体系，具有热力学不稳定性，但纯化的溶胶却能稳定地存在相当长的时间，具有动力学和电学稳定性。这种能够在相对较长时间内稳定存在的性质称为溶胶的稳定性。溶胶能够保持相对稳定的主要原因是胶粒带电、水化膜的存在和布朗运动。其中最主要的原因是胶粒带电。

（二）聚沉

削弱或消除溶胶稳定的因素，胶粒就会聚集成较大的颗粒，这个过程称为凝聚。当溶胶粒子聚集成更大的颗粒时，其布朗运动克服不了重力的作用，溶胶粒子从分散介质中沉淀析出的现象，称为聚沉。使溶胶聚沉的方法主要有以下几种：

1．加入强电解质溶胶对电解质很敏感，向溶胶中加入少量的电解质，就能促使溶胶聚沉。使胶粒所带的电荷数减少甚至消除，使胶粒间的斥力减小，扩

散层和水化膜随之变薄或消失，这样胶粒就能迅速凝聚而聚沉。例如，向Fe(OH)

3

溶胶中加入少量的K

2SO

4

溶液，立即出现聚沉，析出氢氧化铁沉淀。

2. 加入带相反电荷的溶胶两种带相反电荷的溶胶按适当比例混合，彼此所带的电荷相互抵消，引起溶胶的聚沉。如用明矾净水就是溶胶相互聚沉的实例。

3. 加热加热能使溶胶发生聚沉。因为加热增加了胶粒的运动速度和碰撞机会，削弱了胶粒的吸附作用和溶剂化程度，使溶胶发生聚沉。

课堂练习：1、溶胶能够保持相对稳定的主要因素是什么？

2、使溶胶聚沉的方法有哪些？

第三节高分子化合物溶液

一、高分子化合物的概念

相对分子量在一万以上、甚至高达几百万的化合物叫高分子化合物。它包括天然高分子和合成高分子两类。

虽然高分子化合物的相对分子质量很大，但组成一般比较简单。例如，聚糖

类的纤维素、淀粉和糖原的分子，都是由数千个葡萄糖残基（－Ｃ

6Ｈ

10

Ｏ

5

－）连

接而成，它们的通式可写为（Ｃ

6Ｈ

10

Ｏ

5

）

n

，但各物质的分子链长度和链节的结

合方式不同，因而会形成线状或分枝状结构的高分子化合物。

二、高分子化合物溶液的特性

由高分子化合物所形成的溶液称为高分子化合物溶液。

（一）稳定性较大

高分子化合物溶液比溶胶的稳定性更高，在无菌、溶剂不蒸发的情况下，可以长期放置而不沉淀。在稳定性方面它与真溶液相似。

生物高分子化合物具有许多亲水基团（如－OH、－COOH、－NH

2

等），这些基团与水有很强的亲和力。当高分子化合物溶解在水中时，在其表面上牢固地吸引着许多水分子，形成一层水化膜，这层水化膜与溶胶粒子的水化膜相比，在厚度和紧密程度上都要大得多，因而它在水溶液中比溶胶粒子稳定得多。用大量电解质使高分子化合物从溶液中沉淀析出的过程，称为盐析。

（二）粘度较大

真溶液和溶胶的粘度与纯溶剂相比，差异不大，而高分子化合物溶液的粘度相比之下要大得多。其原因是高分子化合物具有线状或分枝状结构，在溶液中，受到介质的牵引而运动困难，加上高分子化合物的高度溶剂化（若溶剂为水，则为水化），使自由流动的溶剂减少，故粘度较大。

高分子溶液的粘度受许多因素的影响，如浓度、温度、压强及时间等。

三、高分子溶液对溶胶的保护作用

在溶胶中加入适量的高分子溶液，可以显著地提高溶胶的稳定性，当受到外界因素作用时（如加入电解质），不易发生聚沉，这种现象称为高分子溶液对溶胶的保护作用。例如，在含有明胶的硝酸银溶液中加入适量的氯化钠溶液，则反应生成的氯化银不易出现沉淀，而容易形成氯化银胶体溶液。

高分子化合物对溶胶的保护作用，一般认为是由于加入的高分子化合物都是能卷曲的线形分子，很容易被吸附在溶胶粒子表面上，将整个胶粒包裹起来形成一个保护层；又由于高分子化合物水化能力很强，在高分子化合物外面又形成了一层水化膜，这样就阻止了溶胶粒子的聚集，从而提高了溶胶的稳定性。示意图如下。

高分子化合物对溶胶的保护作用在生理过程中很重要。血液中的碳酸钙、磷酸钙等微溶性的无机盐类，它们都是以溶胶的形式存在的，由于血液中的蛋白质对这些盐类（溶胶）具有保护作用，所以它们在血液中的含量虽然比在水中的浓度提高了近5倍，但仍然能稳定存在而不聚沉。当发生某些疾病使血液中的蛋白质减少时，减弱了对这些盐类（溶胶）的保护作用，微溶性盐类就可能沉积在肝、肾等器官中。

医药上用于胃肠道造影的硫酸钡合剂，其中就含有足够量的高分子化合物——阿拉伯胶，它对硫酸钡溶胶具有保护作用。当患者口服后，硫酸钡胶浆就能均匀地粘附在胃肠道壁上形成薄膜，从而有利于造影检查。医药用的防腐剂胶体银（如蛋白银），也是利用蛋白质的保护作用制成的银的胶态制剂，使银稳定地分散于水中。

问题思考：高分子溶液对溶胶具有保护作用，在医药中有何意义？

四、凝胶

（一）凝胶的形成

在一定条件下，如浓度增大、温度下降或溶解度减小时，很多高分子化合物溶液的粘度会逐渐变大，最后失去流动性，整个体系就会变成具有立体网状结构的弹性半固态物质，这种物质叫做凝胶。例如，将琼脂、明胶、动物胶等物质溶解在热水中，静置冷却后，即变成凝胶。形成凝胶的过程称为胶凝。形成凝胶的原因是，很多具有线状或分枝状结构的高分子化合物，象一堆散乱的杂草，

在彼此的接触点上相互交联，形成立体网状结构。尽管网眼很不规则，但能把分散介质包围在网眼中间，使其不能自由流动，整个体系就变成半固体。由于构成网架的高分子化合物具有柔顺性，所以，整个凝胶也具有弹性。凝胶中包含的溶剂量可以很大，例如，在凝结的血块中也含有大量的水分。凡是影响高分子化合物溶液粘度的因素，都能影响凝胶的形成。

凝胶的表现形式是多种多样的。它既可以是豆腐、凉粉和干菜等；也可以是琼脂、浆糊和皮革等；还可以是毛发、指甲、皮肤、肌肉、细胞膜、髓质和软骨等等。可以说，人体中的水大部分都保存在凝胶中，生命过程的很多物质交换和分布，都与凝胶密切相关，凝胶在医学上具有重要的意义。

（二）凝胶的性质

凝胶的性质与它的立体网状结构密切相关。凝胶有下面一些主要性质。

1. 弹性各种凝胶在冻态（溶剂含量高的凝胶叫做冻）时，弹性大致相同，但干燥后就显示出很大差别。一类凝胶在烘干后体积缩小很多，但仍保持弹性，称为弹性凝胶。另一类凝胶在烘干后体积缩小不多，但失去弹性而具有脆性，称为脆性凝胶。

2. 溶胀把干燥的弹性凝胶放于适当的溶剂中，它会自动吸收溶剂而膨胀、使其体积增大的现象称为溶胀。有的弹性凝胶在溶胀作用进行到一定程度时便停止，这种溶胀称为有限溶胀。有的弹性凝胶在液体中的溶胀可一直进行下去，最终使凝胶的网状骨架完全消失而形成均匀的溶液，这种溶胀称为无限溶胀。脆性凝胶没有上述的性质。

3. 离浆将新制备的凝胶放置一段时间后，一部分液体会自动而缓慢地从凝胶中分离出来，凝胶的体积随之逐渐缩小，这种现象称为离浆。临床化验用的人血清就是从放置的血液凝块中慢慢分离出来的。

问题思考：在医学上，凝胶有何意义？

第四节表面活性剂和乳状液

一、表面活性剂

相与相之间存在着明显的分界面，简称界面。形成界面的两相可以是固相-液相、固相-气相、液相-液相、液相-气相、固相-固相等五种类型。若形成界面的两相之一是气相时，这种界面也称表面（surface）。

水的表面能因加入溶质的不同而发生变化的规律有三种：

（1）表面能随溶质浓度的增大而升高。这类溶质通常是NaCl、NH

4Cl、Na

2

SO

4

、

KNO

3

等无机盐，以及蔗糖、甘露醇等多羟基有机物。

（2）表面能随溶质浓度增大而略微降低。这类溶质通常是醇、醛、羧酸、酯等绝大多数有机物。

（3）表面能因溶质的加入而显著降低。这类溶质通常是高级脂肪酸盐（如肥皂）及各种合成洗涤剂（含8个碳原子以上的直链磺酸盐、苯磺酸盐或季铵盐等）。这种能够显著降低水的表面能的物质称为表面活性物质或表面活性剂；能够使水的表面张力升高或略微降低的物质是表面非活性物质。

在表面活性剂分子中，同时含有两类基团：一类是亲油性或疏水性基团，一般为非极性基团，大多是一些直链或带有侧链或苯环的有机烃基。另一类为亲水

性或憎油性基团，一般为极性基团，如—OH、—NH

2、—SH、—COOH、—SO

3

H等。

表面活性剂在溶液表面的排列是定向的。例如，向盛有水的烧杯中加入肥皂后，在气-水界面上，肥皂分子中的亲水基朝向水相，亲油基被排斥而朝向空气，有规律地定向排列而形成薄膜。再如，向盛有水和油的烧杯中加入肥皂后，在水-油界面上，肥皂分子中的亲水基朝向水相，亲油基朝向油相，有规律地定向排列而形成薄膜；在油-气界面上，肥皂分子中的亲油基朝向油相，亲水基被排斥而朝向空气，也会在两相界面上有规律地定向排列而形成薄膜，如下图所示。

二、乳状液

乳状液是把液体作为分散相分散在另一种互不相溶的液体中所形成的粗分散系。其中一相是水，另一相统称为油（包括极性小的有机溶剂）。例如，把少量油加到盛有水的试管中，剧烈振荡，就会得到有许多小油滴分散在水中的乳状液，称为“水包油型”乳状液，常用O/W表示。把少量水加到盛有油的试管中，剧烈振荡，就会得到有许多小水滴分散在油中的乳状液，称为“油包水型”乳状

液，常用W/O表示。并而分层的趋势。

如果向上述乳状液中加入表面活性剂，表面活性剂分子就可以在相界面上定向排列，从而有效降低界面能，且还能够在细小液滴周围形成一层保护膜，使乳状液得以稳定。如下图所示。

A：O/W型B：W/O型

这种能够使乳状液易于形成并变得稳定的表面活性物质，称为乳化剂。乳化剂所起作用称乳化作用。

乳状液和乳化作用在生物学和医学上都具有很重要的意义。食物中的脂肪，经过生物体内的乳化剂（如胆酸盐、胆甾醇、磷酯和糖酯等）的乳化作用，形成乳状液，便于在体内的消化、运输和吸收。食用的乳汁、药用的鱼肝油乳剂以及临床上用的脂肪乳剂输液等都是各种形式的乳状液。

三、纳米乳液（微乳液）

微乳液（microemulsion）是由水相、油相、表面活性剂和助剂等物质以适当比例、适当条件分散成的一种透明或半透明的、低粘度的、稳定的特殊乳状液。它的分散质点的粒径在10nm~100nm之间，故也叫纳米乳液。助剂通常是短链醇、胺或其他极性化合物，它们和表面活性剂共同起稳定作用。纳米乳液与乳状液类似，也有O/W型和W/O型之分。

小结：

1．有关概念分散系、分散质、分散剂、胶体溶液、丁铎尔现象、布朗运动、扩散、沉降、电泳、高分子化合物、高分子溶液对溶胶的保护作用、凝胶、表面活性剂、乳状液、纳米乳液。

2．溶胶是胶体溶液的简称，其分散质粒子（胶粒）的大小在1nm~100nm之间，是由大量的分子或离子组成的聚集体，在分散质和分散剂之间存在有相界面。溶胶具有高度分散

性、多相性和聚结不稳定性，由此导致了溶胶在光学、动力学和电学等方面具有一些特殊性质。

3．有关知识点胶粒带电的原因、胶团的双电层结构、使溶胶聚沉的方法、高分子化合物对溶胶的保护作用在生理过程中很重要

教学小结

1．有关概念分散系、分散质、分散剂、胶体溶液、丁铎尔现象、布朗运动、扩散、沉降、电泳、高分子化合物、高分子溶液对溶胶的保护作用、凝胶、表面活性剂、乳状液、纳米乳液。

2．溶胶是胶体溶液的简称，其分散质粒子（胶粒）的大小在1nm 100nm之间，是由大量的分子或离子组成的聚集体，在分散质和分散剂之间存在有相界面。溶胶具有高度分散性、多相性和聚结不稳定性，由此导致了溶胶在光学、动力学和电学等方面具有一些特殊性质。

3．有关知识点胶粒带电的原因、胶团的双电层结构、使溶胶聚沉的方法、高分子化合物对溶胶的保护作用在生理过程中很重要